The future holds challenges for urban areas when it comes to handling pluvial floodings, occurring when the rainfall intensity exceeds both the man-made and natural infiltration and drainage capacity. To gain understanding of the effects and needed measures, tools for modelling the urban response to events such as cloudbursts are needed. The aim of this project was to build a model using the Spatially Distributed Travel Time (SDTT) approach to model the rainfall-runoff response of an urban watershed. The model was developed in ArcGIS Pro using a built-in module ArcPy allowing for the use of a Python script to ensure fast calculations and simulations on grid cell basis. In total six smaller watersheds within the larger catchment were modelled with a variety in size and degree of urbanisation. Unlike fully distributed models solving for both the continuity equation and momentum equation, the models save time by applying kinematic wave approximation solving the steady state, uniform continuity equation and the Manning’s equation. The study uses only one calibration parameter representing the upstream area contributing to runoff, used for adjusting the travel times to ensure they are not too slow which could generate a delay and underestimation of the peak discharge. The model was parameterized for a cloudburst event that occurred in the city of Gävle, in the year of 2021, and was validated against a fully distributed model (MIKE 21) simulating the same event. The generated response from the SDTT model successfully returns similar hydrographs to that of a fully distributed model in most cases. It performed very well in high urbanised areas with an even spatial distribution of the two land cover classes used, impervious and pervious surfaces, and small volumes of depressions. In areas with lesser degree of urbanisation and larger depression volumes collecting runoff, the simplified model struggled to capture the draining dynamics of these. However, the model managed to match the time to peak reasonably well in the struggling areas as well. To increase the applicability of the model the upstream area contributing to runoff should be based on physical characteristics and not calibration. Further, the model should be applied to other areas preferably using other rainfall event data or design storms, as well as investigate the performance using more than two land cover classes. Finally, a sensitivity analysis could be performed for parameters that were now set to fixed values, done so to reduce the calibration. / Framtiden kommer bjuda på utmaningar för urbana områden när det kommer till hanteringen av pluviala översvämningar, vilka inträffar när nederbördsintensiteten överstiger både den konstgjorda och naturliga infiltrations- och dräneringskapaciteten. För att få ökad förståelse av effekterna samt besluta om nödvändiga åtgärder behövs nya verktyg för att modellera den urbana responsen till följd av extrem nederbörd så som skyfall. Syftet med detta projekt vara att med hjälp av spatialt fördelade rinntider och kinematiska vågmodellen modellera nederbörden och avrinningen i ett urbant avrinningsområde. Modellen utvecklades i ArcGIS Pro med hjälp av den inbyggda modulen ArcPy vilken tillåter användningen av ett Python-skript som ger snabba beräkningar och korta simuleringar applicerade på cellnivå. Totalt modellerades sex mindre avrinningsområden inom det större området, alla med olika storlek och urbaniseringsgrad. Till skillnad från fullt distribuerade modeller som löser både kontinuitetsekvationen och rörelsemängdsekvationen, sparar modellen tid genom att tillämpa kinematisk vågteori, stationära kontinuitetsekvationen samt Mannings ekvation. Studien använder endast en kalibreringsparameter vilken representerar området uppströms om varje cell som bidrar till avrinning nedströms. Denna används för att justera rinntiderna för att säkerställa att modellen inte returnerar för långsamma tider vilket kan generera en fördröjning av responsen och underskattning av maxflödet. Modellen parametriserades för ett skyfall som inträffade i Gävle år 2021, och validerades mot en fullt distribuerad modell (MIKE 21) som simulerade samma händelse. Den modellerade responsen från avrinningsmodellen byggd på spatialt fördelade rinntider kunde framgångsrikt leverera liknande hydrografer som den fullt distribuerade modellen. Modellen presterade framför allt bra i områden med hög urbaniseringsgrad innehavande en jämn spatial fördelning av de två marktäckningsklasserna som användes, nämligen hårdgjorda och icke hårdgjorda ytor, samt små volymer av sänkor i området. I områden med en lägre urbaniseringsgrad och större volymer sänkor vilka fördröjer avrinningen hade modellen svårare att producera liknande hydrografer troligen då den förenklade modellen ej kan fånga dynamiken av att fylla och tömma dessa sänkor. Däremot lyckades den fortfarande att matcha tiden för maxflödet även för dessa områden. För att öka modellens tillämpbarhet bör området uppströms som bidrar till avrinning nedströms baseras på fysikaliska egenskaper och inte kalibrering. Vidare bör modellen tillämpas på andra områden, helst med hjälp av andra nederbördsdata eller designregn, samt undersöka prestandan om mer än två marktäckningsklasser används. Slutligen kan en känslighetsanalys utföras för parametrar som nu satts till fasta värden, detta för att minska kalibreringen.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-314397 |
| Date | January 2022 |
| Creators | Ekeroth, Sara |
| Publisher | KTH, Hållbar utveckling, miljövetenskap och teknik |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ABE-MBT ; 22322 |
Page generated in 0.0044 seconds