The object of this thesis is the evaluation of the restoration potential of small hydraulic structures for increasing water retention in river floodplain by using 2D HEC-RAS hydraulic model. A former millrace of the Rožnovská Bečva River was used for the design of restoration measures. The restoration proposal consists of partial modification of the current millrace and new close-to-nature watercourse in the agricultural floodplain. Restoration proposal also includes changes in land use, which consist of grassing and afforestation. The input data used for the hydraulic model are digital terrain model (5G) by ČÚZK, surface roughness parameter and mean hourly discharge data of 1997 (Q100) and 2007 (Q5) flood events provided by CHMI. The results of the hydraulic simulations point to the positive effect of proposed restoration measures especially in the change of flooded volumes (3x higher) and flooded areas (2x higher). The results indicate that restoration measures lead to the flooding from the newly designed watercourse that precedes the flooding from the Rožnovská Bečva River. This brings the possibility of more frequent occurrence of inundation events favourable for water retention in the river floodplain. Keywords: retention, floodplain, restoration, hydraulic structures, Rožnovská Bečva River,...

With an intensification of heavy rain events in a changing climate and a rapid urbanization the risk for pluvial flooding is increasing in our societies. Pluvial flooding, which is formed when the rainfall rate exceeds the infiltration or drainage rate, can occur rapidly and cause great damages, large economic losses and possibly risk human lives. This kind of flooding is difficult to predict since it is caused by short-term and often local processes, but preventive measures and more robust infrastructure developed over the last decades have decreased the risk of the most severe damages. One way to prevent damage is to map risk areas and take measures by performing a cloudburst modelling, which can be done as a 2D hydraulic modelling. Common practice in cloudburst modelling today is to use a uniform design storm, often the Chicago Design Storm (CDS), with the same hyetograph applied evenly over the whole model area. Even though rain is not spatially uniform this assumption might be valid for more stratiform frontal rain. Intense rain events however have a higher spatial variation in rain intensity, and an assumption like this might significantly affect the results. This study aimed to investigate the effect of the spatial variation in rain intensity on the modelled hydraulic response from an intense rain event. It was performed through a case study of the cloudburst in Gävle, Sweden, in August 2021. A 2D hydraulic model of the city was prepared in the software MIKE 21 Flow Model FM and the cloudburst event was simulated with a spatially varied rainfall input, based on radar data from the event with a 2x2 km resolution, and with spatially uniform rainfall input both with the temporal variation in rain intensity from the event and with a Chicago Design Storm, all with the same total volume. The scenarios were evaluated in terms of proportion of the model area being flooded, the average maximum flooding depth and by mapping the difference in flooding depth over the whole area. The results showed that the spatial variation of rainfall input had a significant effect on the hydraulic response in the city and that assuming a uniform rainfall might lead to an underestimation of the flooding depths in parts of the model area compared to a varied one. The average flooding depth was only a few percent higher for the spatially varied rain compared to the uniform rain with a similar time variation, but in large central areas of the city the model with the uniform rain underestimated the maximum flooding depth by 5-35%. The uniform CDS rain was seen to both over- and underestimate the flooding depth, but in the central and flooded parts of the city underestimation dominated. This points out a risk of using uniform design storms in cloudburst modelling, since a spatially varied rain of the same volume could give more severe effects than the simulated response and that using a uniform design storm potentially introduces an uncertainty in the modelled results that could be important to point out and further quantify. / Med en intensifiering av häftiga regnväder i ett förändrat klimat och en allt snabbare urbanisering ökar risken för pluviala översvämningar i våra samhällen. Pluviala översvämningar, som skapas av att regnintensiteten är högre än infiltrations- eller dräneringshastigheten, kan uppstå plötsligt och orsaka stora skador, ekonomiska förluster och även i värsta fall riskera människoliv. Denna typ av översvämning är svår att förutse eftersom den orsakas av snabba och ofta lokala processer, men förebyggande åtgärder och mer robust infrastruktur som har utvecklats de senaste decennierna har minskat risken för de allvarligaste skadorna. Ett sätt att förebygga skador är att kartera riskområden genom skyfallsmodellering, till exempel med en tvådimensionell hydraulisk modell. Praxis idag är att använda spatialt uniforma typregn vid skyfallsmodellering, där samma hyetograf appliceras jämnt över hela modellområdet. Detta antagande kan ge giltiga resultat för mer stratiforma frontregn, men intensiva regn, skyfall, har generellt sett en hög spatial variation i intensiteten vilket gör att antagandet skulle kunna påverka resultatet signifikant. Denna studie syftade till att undersöka effekten av den spatiala variationen i regnintensitet på den simulerade hydrauliska responsen från ett intensivt regn och den utfördes som en fallstudie av skyfallet i Gävle 17-18 augusti 2021. En 2D hydraulisk modell av Gävle förbereddes i programmet MIKE 21 Flow Model FM och simuleringar utfördes med en spatialt varierad regnindata, baserad på radardata från tillfället med en 2x2 km upplösning, och med spatialt uniforma regnindata både med den verkliga tidsvariationen och med en Chicago Design Storm (CDS), alla med samma totala volym. Skillnaden mellan scenarierna utvärderades genom att jämföra andel översvämmat modellområde, medel av maximala översvämningsdjupet och en kartering av skillnaden i översvämningsdjup över hela modellområdet. Resultaten visade att den spatiala variationen i regnindatan hade en signifikant effekt på den simulerade hydrauliska responsen i staden och att antagande om uniform regnintensitet kan leda till en underskattning av översvämningsdjupen i modellområdet jämfört med ett varierat regn. Medelvärdet av översvämningsdjupet var endast några procent högre  för det spatialt varierade regnet, men i stora centrala områden underskattade modellen med det uniforma regnet det maximala översvämningsdjupet med 5-35 %. Det uniforma CDS-regnet både under- och överskattade översvämningsdjupet, men i centrala och översvämmade områden var det större delar som underskattades. Detta visar på en risk med att använda uniforma typregn i skyfallsmodellering, då ett spatialt varierat regn med samma volym skulle kunna ge betydligt allvarligare effekter än de som modellen har visat och att användandet av uniforma testregn potentiellt inför en osäkerhet i resultaten som är viktig att poängtera och även att vidare undersöka och kvantifiera.

Drinking water systems aim to remove, reduce, and prevent microbial contamination in water by usingmultiple barriers from catchments to consumers. Water distribution networks are vulnerable tocontamination from external sources if they lose their physical or hydraulic integrity. The leading causeof intrusion is losing hydraulic integrity due to low pressure in the water distribution networks. Eventsthat lead to low pressure in the water distribution networks can result in transient or sustained lowpressure lasting from milliseconds in a transient to hours and days in sustained low-pressure events.This study studied two sustained low-pressure events with durations of one to five hours, leading tointrusion in the water distribution network. The first event was the pump shut down, and the secondwas the pipe repair. Different durations, start times, and locations were simulated for the pumpshutdown and pipe repair events. Hydraulic and water quality modelling using EPANET 2.2 was usedto simulate low-pressure events and intrusion of microbial contamination in the drinking waterdistribution networks. Quantitative microbial risk assessment (QMRA) was used to estimate potentialpublic health risks using the Swedish QMRA tool. Campylobacter, Norovirus, and Cryptosporidiumwere selected as reference pathogens for simulating intrusion transport within the drinking waternetwork based on their health problem severity, persistence in water supplies, and resistance to chlorinecompound disinfectants. The study area was taken from the virtual network files generated usingHydroGen. This study showed that the volume of intrusion depended on the magnitude but mainly onthe duration of pressure drop. Also, the length of the pipes experiencing pressure drop and the numberof intrusion nodes affected the volume of intrusion. The location and magnitude of maximum nodalpathogen concentration changed significantly by changing the pump shutdown's start time and locationof pipe repair. Generally, the pump shutdown event affected extended areas with low pressure in thewater distribution network than the pipe repair. The QMRA results showed a considerable infection riskin all studied pump shutdown scenarios. The pipe repair duration was crucial in increasing or decreasingthe infection probability. The findings of hydraulic modelling and QMRA could benefit the watermanagers in deciding mitigation strategies.

Syftet med fallstudien var att undersöka möjligheterna och nyttan med att implementera en höjdmodell med högre upplösning i SMHI:s översvämningsmodellering som tillämpar den hydrauliska modellen LISFLOOD-FP. SMHI utfärdar översvämningsvarningar och det är därför av vikt att översvämningsmodelleringen håller hög kvalitet. Samtidigt kräver modelleringen tid och resurser från Nationellt Superdatorcentrum i Linköping, NSC. Därför vägdes de potentiella fördelarna med högre upplösning mot förlängd körtid. Fallstudien bestod av två delar där en höjdmodell på två meters upplösning i xy-planet implementerades och jämfördes med den i dagsläget uppställda modellen på fem meters upplösning. Detta gjordes genom att återskapa översvämningstillfällen med dess flöden från S-HYPE och mätningar. I studiens första del hämtades satellitdata från Copernicus från två tidigare översvämningstillfällen för validering av över-svämningsmodelleringen. De tidigare översvämningstillfällena var dels i Emån i Småland år 2012 och dels i Västerdalälven i Dalarna år 2018. Ett index för passning beräknades mellan översvämningskartorna producerade med två respektive fem meters upplösning gentemot satellitbilderna för att kvantifiera överlappande ytor. Därtill beräknades vattendragens lutning för att undersöka om det fanns indikationer på något samband med förändring i index med ökad upplösning på höjdmodellen. Studiens andra del bestod i att undersöka hur höjdmodellens upplösning påverkar vattnets spridning kring översvämningsvallar i modellen. I undersökningen återskapades ett översvämningstillfälle från 2020 i Helige å i Småland. Ett antal delavrinningsområden visade sig instabila för den högre upplösta höjdmodellen och kunde därför endast simuleras med lägre flöden. Erhållna resultat visade dock på att översvämningskarteringen förbättrades med upplösningen två meter vid jämförelse med data från Copernicus. Körtiden ökade dock med över 12 gånger vid simulering av högre upplösning. Vidare visades tröskeleffekter i studiens resultat, då översvämnings-vallen stoppade vattnet i den högre upplösta höjdmodellen men inte i den med lägre upplösning. På grund av stabilitetsproblemet och studiens begränsade omfattning, kunde slutsats inte dras om huruvida SMHI bör implementera en höjdmodell med två meters upplösning i systemet för översvämningsvarningar. Däremot kunde konstateras att stabiliteten i modellen måste öka för att det ska vara möjligt. Slutligen drogs slutsatsen att det förekommer tröskeleffekter mellan de två höjdmodellerna och att prestandan ökar generellt för den högre upplösningen när det kommer till precisionen i översvämningsmodelleringen. / The purpose of this case study was to examine the possibilities and advantages of implementing a DEM with higher resolution in inundation modelling at SMHI, the Swedish Meteorological and Hydrological Institute, which uses the hydraulic model LISFLOOD-FP. The institute issues flood warnings and therefore it is of high importance that the innundation modelling gives adequate results. On the other hand, running the models at a higher spatial resolution takes more time and resources. Therefore, potentially improved modelling results were discussed in a context of prolonged runtime. The case study consisted of two parts where a Digital Elevation Model, DEM of two meter resolution was implemented and compared to the five meter DEM that is currently in use. This was done by recreating previous flooding events by using discharge data from S-HYPE. In the first part, satellite data from Copernicus from two previous flooding events in Sweden were used for model validation in comparison with the results from inundation models of SMHI for the different DEM:s. An index was calculated to quantify the overlapping inundation areas. The events were at the river Emån in 2012 and at Västerdalälven in 2018. Moreover, the slope of the rivers within each study area was calculated to investigate correlation between improved flood modelling results for higher DEM resolution and slope of the rivers. The second part of the study investigated flood embankments for the two different DEM:s around Helige å river. A flooding event which took place in 2020 was recreated and the water flow around the built embankments was compared for the two resolutions.  Running the models, it turned out that simulations of several subcatchment areas were unstable with the two meter DEM, and could only be run with lower flow. The obtained results, however, revealed an improved inundation modelling for the DEM with a resolution of 2 m for all study areas in comparison to the data from Copernicus; however the runtime was increased by over 12 times. Moreover, the results also showed threshold effects, where the flooding was impeded by the flooding embankment with the two meter DEM but not at the lower resolution. Due to the stability issue and the limited scope of this study, it cannot be concluded whether SMHI should implement the two meter DEM in their flood warnings system. However, it was concluded that the stability has to be increased to make it feasible. It was also concluded that there are threshold effects between the two DEM:s and that the performance seems to increase overall for the higher resolution when it comes to precision of the modelling.

Flooding is of great concern world-wide, causing damage to infrastructure, property and loss of life. Low-income countries, in particular, can be negatively affected by flood events due to their inherent vulnerabilities. Moreover, data to perform studies for flood risk management in low-income regions are often scarce or lacking sufficient quality. This thesis proposes new methodologies and explores the use of unconventional sources of information in flood hazard assessment in areas where the quantity or sufficient quality of traditional hydrometrical data are lacking.  One method was developed to account for errors in spatially averaged rainfall, from a sparse rain-gauge network, used as input to a rainfall-runoff model. A spatially-averaged and event-dependent rainfall depth multiplier led to improvements of the hydrographs at calibration. And by using a distribution of the multiplier, identified from previous events in the catchment, improvement in predictions could also be obtained. A second method explored the possibility of reproducing an unmeasured extreme flood event using a combination of models, post-event data, precipitation and an uncertainty-analysis framework. This combination allowed the identification of likelihood-associated parameter sets from which the flood hazard map for the extreme event could be obtained. A third and fourth study made at the regional scale explored the value of catchment similarities, and the effects of climate on the hydrological response of catchments. Flood frequency curves were estimated for 36 basins, assumed ungauged, using regional information of short flow records, and local information about the frequency of the storm. In the second regional study, hydro-climatic information provided great value to constrain predictions of series of daily flow from a hydrological model. Previously described methods, used in combination with unconventional information within an uncertainty analysis, proven to be useful for flood hazard assessment at basins with data limitations. The explored data included: post-event measurements of an extreme flood event, hydro-climate regional information and local precipitation data. The methods presented in this thesis are expected to support development of hydrological studies underpinning flood-risk reduction in data-poor areas. / Extremt höga vattenflöden ställer till stora problem i hela världen. De skadar infrastruktur och egendom och orsakar död. Framför allt kan låg- och medelinkomstländer vara väldigt sårbara för extrema flöden. I dessa länder saknas dessutom ofta data som behövs för att kunna bedöma översvämningsrisker, eller så finns bara data av dålig kvalitet. Denna avhandling föreslår nya metoder som använder okonventionella informationskällor vid bedömning av översvämningsrisker i områden där traditionella hydrologiska data saknas eller har otillräcklig kvalitet. En metod utvecklades för att ta hänsyn till fel i rumslig medelnederbörd beräknad från ett glest nät av nederbördsmätare att användas som indata i en nederbörds-avrinningsmodell. Användning av en multiplikator för medelvärdesbildad nederbörd, i tid och rum, för enskilda högflödestillfällen ledde till förbättrad modellkalibrering. Genom att använda multiplikatorfördelningar, identifierade från tidigare högflödestillfällen i avrinningsområdet, kunde också prognoser förbättras. En andra metod använde sig av möjligheten att reproducera ett extremt högflöde inom ramen för en osäkerhetsanalys med hjälp av en kombination av modeller, nederbördsdata och data som uppmätts i efterhand. Denna kombination gjorde det möjligt att identifiera parametervärdesuppsättningar med hophörande sannolikheter ur vilka det gick att erhålla en översvämningskarta för det höga flödet. En tredje och fjärde studie i regional skala utforskade värdet av likheter mellan avrinningsområden och hur områdenas hydrologiska gensvar beror av klimatet. Kurvan för kumulativa högflödesfrekvenser (flood frequency curve, FFC) kunde skattas med hjälp av lokal nederbördsinformation och regional information om korta tidsserier av vattenföring från 36 avrinningsområden som antogs sakna vattenföringsdata. I den andra regionala studien visade sig hydroklimatisk information av värde för att avgränsa godtagbara prognoser för daglig vattenföring från en hydrologisk modell. Tidigare beskrivna metoder, använda tillsammans med okonventionell information inom ramen för en osäkerhetsanalys, visade sig vara användbara för att bedöma översvämningsrisker i avrinningsområden med databegränsningar. Bland utforskade data fanns: mätningar i efterhand av ett extremt högflöde, hydroklimatisk regional information och lokala nederbördsmätningar. Metoderna i denna avhandling förväntas kunna stödja utvecklingen av hydrologiska studier av höga flöden och översvämningar i områden med bristande datatillgång. / Las inundaciones ocasionan daños a la infraestructura, propiedad y pérdida de vidas a nivel mundial. Los países en desarrollo son los más vulnerables a inundaciones, la calidad y cantidad de datos hidro-climatológicos disponibles en los mismos dificulta el desarrollo de estudios para la evaluación de riesgo a esta amenaza. Esta tesis propone métodos en la que se hace uso de fuentes de información no-convencionales para la evaluación de riesgo por inundación en regiones con datos escasos o limitados. Un método considera el error asociado a la precipitación promedio sobre cuencas en modelos lluvia-escorrentía como un factor multiplicador del histograma del evento. El uso de la precipitación promedio junto con una distribución probabilística del factor multiplicador como datos de entrada a un modelo de lluvia-escorrentía mejoraron los hidrogramas durante los periodos de calibración y predicción. Un segundo método exploró la posibilidad de reproducir un evento extremo de inundación usando una combinación de modelos hidrológicos e hidráulico, un análisis de incertidumbre, datos hidrométricos recopilados después del evento y datos de precipitación registrados durante-el-evento. Dicha combinación permitió la identificación de los parámetros de los modelos y la elaboración un mapa de amenaza por inundaciones para dicho evento. Adicionalmente, se estimaron curvas de frecuencia de inundaciones para 36 cuencas, asumidas no aforadas, mediante un método de regionalización que usa registros de caudal de corta duración disponibles en la región. Dichas curvas fueron extendidas haciendo uso de información local sobre la frecuencia de las tormentas. Se encontró que la información hidro-climatológica tiene un gran valor para reducir el rango de incertidumbre de las simulaciones de caudal diaria de un modelo hidrológico. Los métodos anteriores se usaron en combinación con información no-convencional dentro de un análisis de incertidumbre y han probado su utilidad para la evaluación de riesgo por inundaciones en cuencas con registros escasos o limitados. Los datos utilizados en esta tesis incluyen datos hidrométricos recopilados pasado el evento, registros hidro-climatológicos regionales y precipitación local. Se espera que los métodos presentados aquí contribuyan al desarrollo de estudios hidrológicos importantes para la reducción del riesgo por inundaciones en regiones con déficit de registros hidro-climatológicos.