I världen idag pågår en urbanisering, vilket innebär att fler människor flyttar in till städerna. Det innebär att fler bostäder måste byggas för att uppfylla de nya behoven, och detta görs ofta genom förtätning av redan exploaterade områden. Vid förtätning av bostadsområden ökar ofta andelen hårdgjorda ytor. En hårdgjord yta är en icke permeabel yta där dagvatten inte kan infiltrera ner i marken utan istället bildar ytavrinning. Vattnet som avrinner färdas mot lågpunkter i terrängen vilka riskerar att översvämmas. Klimatförändringar väntas leda till häftigare väder, bland annat i form av skyfall. Kraftigare regn i kombination med större andel hårdgjorda ytor väntas öka risken för pluviala översvämningar. För att undvika pluviala översvämningar krävs strategier för att hantera städers dagvatten. Det existerande ledningsnätet är högt belastat och kombineras med hållbara dagvattenlösningar för att minska avrinningen. Grönytor ses ofta som goda infiltrationsytor, men en osäkerhet råder kring hur effektiva olika typer av grönytor är. Det är därför av intresse att undersöka hur goda infiltrationsytor urbana grönområden är och hur stor betydelse de har vid skyfall för att minimera pluviala översvämningar. Syftet med examensarbetet är att undersöka infiltrationskapaciteten för grönytor på ett antal olika platser i Stockholm. Syftet är vidare att undersöka hur resultaten från fältförsöken kan användas i det hydrauliska modelleringsprogrammet MIKE 21 för att återspegla det verkliga infiltrationsförloppet och därmed få en god bild av hur stora översvämningsriskerna är för olika områden. Totalt utfördes 13 separata mätningar i två grönområden i Stockholm. Vid 11 av mätningarna användes en dubbelringsinfiltrometer och vid två av mätningarna användes en enkelringsinfiltrometer. Mätningarna utfördes under 0,5-2 timmar beroende på vattentillgång. Infiltrationsförsöken visade att det finns en stor variation i infiltrationskapacitet, även inom mycket små områden. De visade också att det finns en tendens till högre infiltrationskapacitet för mindre kompakterade grönytor. Kornstorleksfördelningen och vattenhalten skiljde sig inte nämnvärt mellan de två områdena och dessa två parametrar kunde inte kopplas till någon skillnad i infiltrationskapacitet för de två undersökta områdena. Resultaten från simuleringarna i MIKE 21 visade att vilka värden som anges för infiltrationskapaciteten är av större betydelse än på vilket sätt dessa anges. Resultaten visade också att parametrar såsom vattenhalt och porositet hade en inverkan på infiltrationsförloppet men infiltrationszonens mäktighet hade liten inverkan på resultaten. Sammanfattningsvis kan sägas att det finns en stor variation i infiltrationskapacitet för grönytor och den osäkerheten påverkar resultaten vid modellering av översvämningsrisker i MIKE 21. / The ongoing urbanization in the world today means that more people are moving into the cities and therefore more housing is required. When building in cities there is a tendency for an increase in impermeable surfaces. An impermeable surface is defined as a surface where no water can infiltrate into the subsurface soil and instead there is an increase in surface runoff. The water flows through the terrain towards low-lying areas, which are at risk for flooding. Climate changes are expected to result in more extreme weather such as extreme rain. An increase in extreme rain in combination with more impermeable surfaces will increase the risk for pluvial flooding. To avoid pluvial flooding different strategies is required to cope with the urban stormwater. The traditional stormwater systems are usually put under high stress and sustainable stormwater management needs to be implemented to decrease the surface runoff in urban areas. Green areas are often thought to be good infiltration surfaces but there is a big uncertainty in regards to exactly how effective different green areas is for infiltration purposes. There is an interest to investigate how good the infiltration capacity is for urban green areas to map and to mitigate pluvial flooding. The aim for this master thesis is to investigate the infiltration capacity through field measurements for two different green areas in the city of Stockholm, Sweden. Furthermore, the aim is to investigate how the results from the field measurements can be implemented in the hydraulic modelling software MIKE 21 to represent the real infiltration pattern in order to map the risk for pluvial flooding for different areas. A total of 13 measurements were conducted in two green areas around Stockholm, using a double ring infiltrometer. For two of the measurements a single ring infiltrometer was used. The measurements were conducted during 0.5-2 h depending on the water accessibility. The field measurements showed that there is a large variability in infiltration capacity, even within very small areas. The measurement showed that there was a tendency for higher infiltration rates for less compacted soil. The grain size distribution showed little impact on the infiltration rate, and so did the water content. The simulations in MIKE 21 showed that the magnitude of the infiltration rate is of greater importance than the way it is implemented in MIKE 21. The results also showed that parameters such as water content and porosity had an effect on the infiltrated volume, but the depth of the infiltration zone had little impact on the results. In conclusion, there is a large variability in infiltration capacity for green areas and this uncertainty does affect the results when modelling the risk for pluvial flooding in MIKE 21.

During intensive rainfall, the ground is at risk of flooding if the water has no opportunity to infiltrate into the ground or drain. Cities are most heavily affected by such pluvial floods due to their predominantly solid surfaces. An example of such a city is Umeå, which experienced extensive floods causing up to 40 million Swedish kronor in damages. During the period 1970 to 2020, the population of Umeå has increased from 70,000 to 130,000 inhabitants, which means that both housing demand and thus the proportion of hardened surfaces in the municipality increased rapidly. To avoid future flooding problems, studying intensive precipitation trends as well as factors that affect the risk of pluvial floods is of the utmost importance. The purpose of this research is thus to investigate heavy precipitation trends as well as study how climate change and hardened surfaces affect the risk of flooding in Umeå. This study shows that the frequency of intense rainfall in Umeå has increased compared to the mean of the period 1963-1987 and that climate change could lead to an even higher frequency. Increased frequency of intensive precipitation in combination with an increased proportion of hardened surfaces increases the risk of flooding problems. Furthermore, heavy rainfalls, defined as precipitation above ten millilitres a day, occurred eighteen times a year during the period 1996-2020, which is four days more than the 1963-1987 average. By the end of the twenty-first century, climate change is expected to increase these number of days by a further 20-30% (equivalent to 7-12 days) according to SMHI predictions. Intense rainfall is likely to become more common in the future and population growth in Umeå will likely lead to an increase in the number of paved areas. These changes, in combination, place high demands on Umeå municipality to work efficiently with urban planning and climate adaptation.

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.

Pluvial floods are formed directly from surface runoff after extreme rain events. Urban areas are prone to suffer from these floods due to large portions of hardened surfaces and limited capacity in the stormwater infrastructure. Previous research has shown that catchment response is influenced by the spatio-temporal behaviour of the rainstorm. A rainstorm moving in the same direction as the surface flow can amplify the runoff peak and temporal variability of rainfall intensity generally results in greater peak discharge compared to constant rainfall. This research attempted to relate the effect of storm movement on flood propagation in urban pluvial flooding to the effect from different distributions of rainfall intensity. An additional objective was to investigate the flood response from recent findings on the temporal variability in Swedish rain events and compare it to the flood depths produced by a CDS-rain (Chicago Design Storm), where the latter is the design practice in flood modelling today. A 2D surface model of an urban catchment was coupled with a 1D model of the drainage network and forced by six different hyetographs. Among them were five empirical hyetographs developed by Olsson et al. (2017) and one a CDS-rain. The rainstorms were simulated to move in different directions: along and against the surface flow direction, perpendicular to it and with no movement. Maximum flood depth was evaluated at ten locations and the model results show that storm movement had negligible effect on the flood depths. The impact from the movement was likely limited by the big difference in speed between the rainstorm and the surface flow. All evaluated locations showed a considerable sensitivity to changes in the hyetograph. The maximum flood depth increased at most with a factor of 1.9 depending on the hyetograph that was used as model input. The CDS-rain produced higher flood depths compared to the empirical hyetographs, although one of the empirical hyetographs produced a similar result. Based on the results from this case study, it was concluded that storm movement was not as critical as the temporal variability of rainfall when evaluating maximum flood depth. / Pluviala översvämningar skapas från ytavrinning vid intensiva nederbördstillfällen. De uppstår ofta i urbana miljöer till följd av den höga andelen hårdgjorda ytor och ledningsnätets begränsade kapacitet. Forskning har visat att ett regnmolns rörelseriktning och hastighet påverkar avrinningsförloppet. Om molnet rör sig längs med flödesriktningen i terrängen kan en ökning i vattenlödet nedströms ett avrinningsområde uppstå. Denna effekt har visat sig vara störst om hastigheten hos regnmolnet och vattenflödet är likvärdiga. Ytterliggare en faktor som påverkar avrinningsförloppet är hur regnintensiteten är fördelad över tid. Olsson et al. (2017) har tagit fram fem empiriska regntyper som speglar tidsfördelning inom ett Svenskt regntillfälle. Inom översvämningsmodellering är det vanligt att använda ett så kallat CDS-regn (Chicago Design Storm), vilken har en given tidsfördelning. Med anledning av detta är det intressant att jämföra översvämningar genererade av ett CDS-regn och av de empiriska regntyperna. Syftet med denna studie var att utreda hur regnmolns rörelse påverkar urbana pluviala översvämningar med avseende på vattendjup, samt att jämföra denna påverkan med effekten från olika tidsfördelningar av regnintensiteter. En kombinerad dagvattenmodell (1D) och markavrinningsmodell (2D) av en mindre svensk tätort användes för att simulera olika regnscenarier. De fem empiriska regntyperna och ett CDS-regn simulerades med en rörelseriktning längs med, emot och vinkelrätt i förhållande till flödesriktningen. Även scenarier med stationära regnmoln simulerades. Maximala översvämningsdjup utvärderades i tio punkter spridda över hela modellområdet. Resultatet från simuleringarna visade att regnmolnets rörelse hade försumbar påverkan på översvämningsdjupen. De olika tidsfördelningarna av regnintensitet hade däremot betydande påverkan på de maximala översvämningsdjupen. Som mest var det det maximala översvämningsdjupet 1.9 gånger större beroende vilken regntyp som användes som indata. CDS-regnet genererade i regel de största översvämningsdjupen, även om utfallet från en av de fem empiriska regntyperna var förhållandevis likvärdigt. Regnintensitetens tidsfördelning var därmed en kritisk parameter vid den hydrauliska modelleringen av urbana pluviala översävmningar, till skillnad från molnrörelse som hade försumbar påverkan.

Pluvial floods are the most difficult and to date least investigated phenomena in urban hydrology. While efforts are being made to increase the knowledge base concerning this type of flooding, a large part of the difficulty lies in the nature of the precipitation. Convective storms represent most of the larger intensity short term rainfall in urban areas and is also the raintype, that is expected to increase the most in the future. The rain cells of this type have a more distinct boundary, larger intensity, a smaller extent and a shorter life span, than frontal rains. Combined with the low availability of densely spaced rain gauge networks and also low temporal resolution of measurements in 15 minutes intervals at best, makes this rain type still very difficult to analyze and even harder to predict. The resolution of cloud radar images at 2x2km and taken every 15 minutes is too coarse and the error reduction algorithms for radar based precipitation (HIPRAD) images to analysera in patterns are not sufficient by them selves to analyze the characteristics of such rainfields and the processes occurring within these fields. The spatial variation of raincells, their development and decay, the distance between them, and the velocity and direction of their movement can however be investigated employing a combination of densely spaced rain gauges and radar images to reach a more realistic representation of short-term precipitation for the use of in hydraulic models. The movement of rain fields has been investigated with two main areas of focus: The influence of direction or directional bias, often with an interest in the most crucial case referred to as the resonance effect, and in context of areal reduction of point rainfall. Most of these studies have been carried out with statistical methods and in laboratory experiments. In this study a hydraulic model was built on the terrain model of a realcity, a 28 km area in the city of Falun, to test the recently gathered information about the temporal variation of five empirical hyetographs with different peak arrival times and peak intensities, which are representative of Swedish climate. The hyetographs were produced and provided by SMHI. The empirical rain types were derived from 20 years of rain gauge observations and confirmed by radar images. For reference purposes, a standard Chicago design storm (CDS) rain was modeled as well. The simulated scenarios were modeled as a MIKE 21 hydraulic model, as a stationary scenario and in four movement directions. It was foundthat the empirical rain types produced lower inundation depth than the CDS, in a range of 20 to 50 % lower. The effect of modeling rainfall in motion produced on average only about 4-20 % lower water depths than the corresponding non-moving scenario. In a few instances, in a single evaluation point, the moving scenarios resulted in a relative water depth of a maximum of just above 1%. It was concluded that the conceptual approach of areal reduction from movement seems to be accurate and could help improve modeling rainfall in general, and specifically for cloud burst scenarios of shorter durations in urban catchments. It was also found that further investigation of the physical processes in rainfields could serve to increase the accuracy in areal reduction of precipitation for more realistic hydraulic models and in turn reduce over design. / Pluviala översvämningar är den typen, som är både svårast att reda ut och samtidigt den minst utforskade fenomenen inom urban hydrologi. Medan ansträngningar görs för att förbättra kunskapsläget, ligger den största svårigheten i nederbördens skepnad. Det är konvektiva regn som utgör de flesta av de starkare korttids regntillfällen i urbana områden och är också regntypen som förväntas att öka mest i framtiden. Regncellerna har en tydligare avgränsning, en större intensitet, mindre utsträckning, och en kortare livscykel än frontala regn. I kombination med den låga tillgängligheten av regnmätarnätverk med hög täthet i positioneringen av mätare, samt den låga tidsupplösningen av mätningar i intervaller av 15 minuter gör att konvektiva regn fortfarande är svåra att analysera och ännu svårare att förutse. Upplösningen av molnradar bilder av 2x2 km som tas varje 15:de minut är för grova och algoritmer för felreducering av bilder från radarbaserad nederbördsdata (HIPRAD) för analys av regn mönster är inte tillräckligt noggranna, för sig, för att kunna analysera egenskaperna av sådana regnfält och de processerna som karakteriserar dessa. Den spatiala variationen inom regnceller, deras utveckling och förfall, avståndet mellan dem samt riktningen och hastigheten kan ändå undersökas med hjälp av kombinationen av regnmätarnätverk och radar bilder för att uppnå mer realistiska korttids nederbördsscenarier för användning i hydrauliska model. Studier, som har undersökt regn i rörelse har varit fokuserade på två huvudområden: Betydelsen av riktningen, i vilken regnet rör sig, där den största effekten som denna riktningsbias kan uppnå, har döpts resonans effekt och i samband med ytreducering (areal reduction) av punkt nederbörd. De flesta av dessa studier har genomförts med hjälp av statistiska metoder och laboratorieexperiment. I denna studie skapades en hydraulisk modell baserad på en realistisk terräng av ett existerade urbant område, en yta på 28 km i Falun, för att testa den nyligen utvärderade informationen om temporala intensitets fördelningen som representerar det svenska klimatet. Regndatat producerades och tillhandahölls av SMHI och representerar en mätserie från regnmätare över en period av 20 år. Som referens modellerades även ett Chicago regn (CDS). Med hjälp av en MIKE21 hydraulisk modell, simulerades ett stationärt scenario och fyra rörelseriktningar för varje empirisk hyetograf. Resultaten visade att de empiriska regntyperna skapade översvämningar med 20-50% lägre vattendjup än CDS regnet. Att modellera rörelsen resulterade i 4-20% lägre vattennivåer jämfört med respektive stationär scenario. I några enstaka tillfällen, i en av evalueringspunkterna, skapade de rörliga scenarierna större resultat, med lite över 1% i det största fallet. Det drogs slutsatsen att konceptet av areal reduction genom molnrörelse verkar vara korrekt och skulle kunna hjälpa att förbättra sättet att modellera regn generellt, men också specifikt för skyfalls scenarier med korta varaktigheter över urbana avrinningsområden. Man kom ytterligare till slutsatsen att framtida studier i samband med de fysiska processerna i regnceller skulle kunna användas för att höja noggrannheten av ytreducering av nederbörd för mer realistiska hydrauliska modeller, som i sin tur kunde minska överdesign.