Utprøving av metodikker for modellering av overvann i et urbant område ved bruk av ArcGIS, MIKE21 og MIKE FLOOD

Abstract

I de siste århundrene har det blitt registrert forandringer i klimasystemet. Det er sannsynlig at dette er en konsekvens av menneskers forbruk av fossilt brennstoff. Klimaendringene vises i en høynet middeltemperatur for store deler av jordkloden. I Norge blir klimaendringene synlige i form av at det har blitt mer nedbør og at nedbørshendelsene har blitt mer intense. Denne tendensen blir av de fleste forskere framskrevet til å vedvare. Samtidig med klimautviklingen har samfunnet blitt forandret ved at urbaniseringen har økt. Det blir stadig flere mennesker som bosetter seg i byområder, noe som fører til at andelen tette flater øker. Kombinasjonen av mer intense regnhendelser og fortetting har ført til at det stadig er problemer knyttet til oversvømmelser i urbane miljøer. Årlig utbetales det millioner av kroner i forsikringspremier på grunn av vannrelaterte skader, noe som er svært kostnadskrevende for samfunnet. Dette har ført til at problemer knyttet til overvann har fått større oppmerksomhet i de senere år. Det har blitt et større fokus på å forminske overvannsskadene ved hjelp av ulike tiltak. For å vite hvilke urbane områder som er sårbare og hvilke tiltak som er samfunnsøkonomiske må det derfor undersøkes hvor vannet vil renne og skader vil oppstå. Det blir dermed forsket på utvikling av forskjellige metoder for å simulere urbane flomveier og oversvømmelser. I denne masteroppgaven har tre ulike modelleringsmetoder blitt tatt i bruk etter at den digitale terrengmodellen ble opprettet. Den digitale terrengmodellen ble produsert i ArcGIS ved hjelp av LiDAR- og FKB data og ble benyttet i alle de tre metodene. Det var krevende å lage en god terrengmodell ved hjelp av de geografiske dataene da små forandringer kunne gi betydelig utslag i modellen. I den første metoden ble det en ren terrenganalyse i ArcGIS benyttet. Denne metoden var relativt enkel og ta i bruk, samt at det ikke krever altfor mye av brukeren. Analysen ga resultater i form av hvor det var forsenkninger i terrenget. Analysen viste også hvilke veier som vannet antagelig ville ta, i form av drenslinjer. Drenslinjene ble klassifisert etter hvor stort området som vannet antagelig vil drenere fra. Programmet tar kun hensyn til høydedifferanser slik at hydrauliske parametere som hastighet og trykkhøyde ikke blir tatt hensyn til. I den andre metoden ble dataprogrammet MIKE21 tatt i bruk. Programmet benytter hydrauliske ligninger for å bestemme vannets strømning. Det kom tydelig frem at dette ga andre resultater enn ved bruk av ArcGIS. I den tredje metoden ble det simulert oversvømmelser ved hjelp av MIKE FLOOD. Programmet kobler MIKE21 sammen med programmet MIKE Urban. MIKE Urban var da brukergrensesnittet i modelleringen. MIKE Urban er mest kjent for å beregne rørnettverk og hydraulikk knyttet til ledningsnett. Dette førte til en enda mer realistisk modell, da både strømninger på terrengoverflaten og i ledningsnettet ble simulert. På grunn av mangelfullt datagrunnlag knyttet til ledningene i Drammen var dette en svært krevende modell å bygge. Metodikkene ble sammenlignet utfra bruksområder, tidsbruk og kompleksitet. Konklusjonen ble at de ulike programmene har forskjellige sterke og svake sider. ArcGIS er det minst tidkrevende programmet, men tar kun med høydedifferansen i beregningene. I ArcGIS kan det simuleres med svært lav oppløsning på terrengmodellen uten vanskeligheter. MIKE21 er et godt program til å beregne urbane oversvømmelser. Resultatene er antagelig mer realistiske enn ved bruk av ArcGIS. Ulempen er at simuleringene tar lang tid, spesielt hvis oppløsningen på terrengmodellen er høy. MIKE21 tar ikke direkte hensyn til ledningsnettet, men et fratrekk fra regnet kan gjøres. MIKE FLOOD er det mest spennende programmet med tanke på muligheter. Programmet kan blant annet benyttes til å se effekten av hvordan regnhendelser virker inn på utvalgte rørstrekninger og ved simulering av ledningsbrudd. Sårbare ledningsstrekk kan også identifiseres ved hjelp av programmet. Det kreves et godt datasett av ledningsnettet for at simuleringen skal fungere optimalt og være realistisk. Siden både strømninger på terrengoverflaten og i ledningsnettet blir simulert dynamisk er det svært tidkrevende å kjøre simuleringer med MIKE FLOOD.

During the last centuries climate changes have been observed. This is most likely a result of human use of fossil fuels. The changes that have been registered are average temperatures that have increased for great parts of the earth. In Norway, the climate changes have been experienced through more rain, and the rain events have become more intense. Climate scientists and researchers predict that these changes will continue. In Norway, there will be more rain, and the rain events will become more intense. In the same period, there has been another development in the society. More and more people decide to live in urban areas, and in cities, where there is more impermeable surfaces. More impermeable surfaces combined with more intense rain events result in more problems with flooding. Every year insurance companies pay millions of NOK due to insurance payouts. This is very expensive for the society. In the last decades, these problems have gotten more attention. It has been focused on how to minimize the streams of storm water by using a range of measures. To know where to put these actions, it is wise to know where the flood events will occur. Where the flood events will occur can be discovered by simulating the storm water floods in different methods. This is why researchers focus on different ways to simulate storm flooding, which will show where the water will drain and where the water will accumulate. In this master thesis, three methods have been tested. The three methods have all used a digital terrain model made in ArcGIS. The digital terrain model was constructed with LiDAR- and FKB-data. The first method was to use the program ArcGIS for a GIS analysis. This method gave results made by an analysis of the terrain. This method was quite simple to use, and it did not require a lot of work from the user. The most difficult thing with this method was to make a good digital terrain model with a range of geographic information. The analysis gave results in sinks, and the location of flood streams. In addition to this, the method produced draining lines, which indicated how big the area that drained to the specified line was. The second method was by using MIKE21 Flow Model. This program took base in the digital terrain model made in ArcGIS. The program used hydraulic equations to compute where the water would go. It was clear that the results were different from ArcGIS. The third and last method was by using MIKE FLOOD. MIKE FLOOD is a program that links MIKE21 Flow Model and MIKE Urban. MIKE Urban is a program that is used mostly for simulating links and pipe networks. MIKE FLOOD simulates both pipe network and surface flow. This resulted in a more real simulation, by combining pipe flow and surface flow. The method was quite demanding because the information about the pipes were inadequate. The methods were compared with focus on appliance areas, time consumption and complexity. The conclusion was that the various models had both strong and weak aspects. ArcGIS is the software that uses the smallest amount of time, but it only considers the height difference in the calculations. ArcGIS can use raster cells with a small resolution without problems. MIKE21 is a good program to use for flood simulation. The results are probably more realistic than the results from ArcGIS, but the simulations take a great amount of time, especially if the grid resolution is small. MIKE21 does not consider the effects of the drainage system directly, but this can be incorporated with a withdrawal of the drainage systems capacity from the rain incident. MIKE FLOOD is the most exciting program due to its wide range of possibilities. The program can be used to look at the effects of how rain incidents affect drainage systems, and the program can be used to simulate breaches in the piping system. However, the negative aspects is that for the simulation to give good results, it is required that the data about the drainage system is correct. MIKE FLOOD is also time consuming. This is due to the computation of both drainage systems and the overland flow.