| dc.description.abstract | Overvann er en økende utfordring i urbane områder som følge av klimaendringer og fortetting. Kombinasjonen av disse faktorene bidrar til at overvannsmengdene overskrider kapasiteten i tradisjonelle rørsystemer. Dette skaper en rekke problemer, som bekkeerosjon, skade på infrastruktur og bygninger som følge av flom og forverring av leveforhold i akvatiske økosystemer. Disse utfordringene har ført til at nye strategier for overvannshåndtering har vokst frem. Flere av dem anbefaler å håndtere overvann ved å imitere naturlige hydrologiske prosesser. Ved bruk av lokale åpne løsninger der overvann utnyttes som en ressurs eller håndteres ved hjelp av infiltrasjon kan overvann gjenfinne sin plass i det urbane bybildet og vannkretsløpet.
For å planlegge overvannshåndtering er det nødvendig å innhente informasjon om overvannssystemets samlede atferd, dets interaksjon med omgivelsene og interaksjoner mellom enhetene som utgjør systemet. Integrert Infrastructure Asset Management (IAM) er en metode for å forvalte infrastrukturer som tar hensyn til at enhetene som sammen håndterer overvann er gjensidig avhengige av og påvirker hverandre. Metoden fasiliterer beslutningstaking ved å undersøke den nåværende tilstanden til infrastrukturen, definere langsiktige mål og etablere nødvendige tiltak for å nå de langsiktige målene. En forutsetning for metoden er at målene for overvannshåndtering er til stede på samtlige nivåer, fra strategisk planlegging (langsiktig perspektiv) til bygging av tiltak (kortsiktig perspektiv). Dette kan være utfordrende å oppnå på grunn av usikkerhet om hvordan overvannstiltakene samhandler med hverandre og usikkerhet knyttet til fremtidig utvikling. Modeller kan benyttes for å omgå disse hindrene.
Det finnes en rekke overvannsmodeller, noen egnet for å modellere overvannsnettet, mens andre er egnet for flommodellering. SWMM er et eksempel på et modellverktøy som er egnet for å modellere hydrologiske prosesser og overvannsnettet. SWMM kan brukes til å modellere overvannskvalitet og -kvantitet. En begrensning med verktøyet er at det ikke er i stand til å modellere flom på terrengoverflaten. GIS-baserte verktøy kan brukes til å modellere flom på terrengoverflaten basert på analyse av terrengdata. Selv om denne metoden er rask, er den ikke i stand til å simulere dynamiske flomprosesser. Hydrodynamiske modeller basert på gruntvannslikningene kan simulere dynamiske flomprosesser, men er mindre effektive enn GIS-baserte modeller. Overvannsnettet spiller en viktig rolle ved flomhendelser, noe som bør tas høyde for i flommodellering. I flommodellen kan overvannsnettets kapasitet representeres som en konstant verdi, eller man kan koble modellen med en modell som er egnet for å simulere overvannsnettet, enten ved at modellene utveksler informasjon eller ved at den ene modellen mater den andre modellen med informasjon.
I Norge er tretrinnsstrategien en svært omforent metode for håndtering av overvann. Strategien omfatter 1) infiltrasjon av daglig regn, 2) fordrøyning av middels store regnhendelser og 3) sikring av trygge flomveier ved større regnhendelser. I en studie der planlagte overvannstiltak i elleve byggesaker i Bærum kommune ble kartlagt, ble det funnet at tiltakene i hovedsak ble dimensjonert for å håndtere trinn 2 i tretrinnsstrategien. For å oppnå en helhetlig overvannshåndtering er det nødvendig å sikre at de implementerte overvannstiltakene samsvarer med de langsiktige målene definert i overvannsstrategien. Planlegging av overvannshåndtering krever dessuten evaluering av risiko og ytelse i et langtidsperspektiv. Målet med denne masteroppgaven er å utvikle et rammeverk for å fasilitere evaluering av risiko og ytelse i nåværende og fremtidige overvannsstrategier. I tillegg ble fordelene ved å bruke kontinuerlig simulering i en semidistribuert konseptuell hydrologisk modell for å lage datainput til flomsimulering i en hydrodynamisk modell utforsket.
Da rammeverket ble utviklet ble det vektlagt at det skulle være kompatibelt med eksisterende verktøy, anvendbart i ulike nedbørsfelt, mulig å tilpasse til lokale målsettinger og behov, og anvendbart for å planlegge for mulige fremtidsscenarioer. Det endelige resultatet var en metode for å velge modellverktøy i overvannsplanlegging bestående av seks steg. Stegene var som følger: 1) Kontinuerlig simulering i semidistribuerte konseptuelle hydrologiske modeller, 2) identifisering av flomhendelser, 3) flommodellering i en GIS-basert modell, 4) evaluering av usikkerhetspunkter knyttet til GIS-modellens begrensninger, 5) flommodellering i en hydrodynamisk modell og 6) implementering av endringer i modellene for å undersøke fremtidsscenarioer. De ulike stegene kan utføres avhengig av hva brukeren ønsker å undersøke.
Potensielle fordeler ved å benytte kontinuerlig simulering i en semidistribuert konseptuell hydrologisk modell for å lage input til flomsimulering i en hydrodynamisk modell ble undersøkt ved å benytte to modeller for Nadderudfeltet i Bærum kommune. Dette området ble rammet av flom den 6. august 2016 som følge av ekstremregn. I denne studien ble en SWMM-modell brukt for å lage input til en modell laget i MIKE 21 FMHD. For å sikre at SWMM-modellen var egnet for å simulere høy vannføring ble Nashville-Sutcliffe Efficiency (NSE) brukt for å kalibrere seks av modellparametrene. Ti modeller oppnådde en NSE over 0.5, der den beste modellen oppnådde en NSE lik 0.64. Simulert flom fra kontinuerlig og hendelsesbasert simulering i den beste modellen ble brukt for å lage spatialfordelte tidsserier som ble matet inn i MIKE 21 FMHD-modellen som regn. Den kontinuerlige simuleringsperioden var fra april til oktober 2016, mens den hendelsesbaserte simuleringen startet 24 timer før ekstremnedbørshendelsen startet. I tillegg ble MIKE 21 FMHD-modellen brukt til å simulere flom basert på en antatt verdi for overvannsnettets kapasitet på 12,5 mm per time. Disse tre modelloppsettene ble brukt for å simulere flom i MIKE 21 FMHD i løpet av de første tre timene av ekstremregnet den 6. august 2016.
Simuleringen av flom i MIKE 21 FMHD viste at input fra den kontinuerlige og den hendelsesbaserte simuleringen i SWMM ga identiske resultater. Ettersom ingen av MIKE 21 FMHD-modellene ble kalibrert, var det vanskelig å vurdere hvorvidt det er fordelaktig å bruke SWMM for å representere overvannsnettets kapasitet ved flommodellering, eller om det er tilstrekkelig å anta en konstant verdi. At resultatene fra flommodellering i MIKE 21 FMHD basert på kontinuerlig og hendelsesbasert simulering i SWMM var identiske kan være forårsaket av at 1) det var tilstrekkelig å benytte en simuleringsperiode fra og med 24 timer før regnhendelsen startet for å etablere kapasiteten i nettverket i forkant av regnhendelsen, eller 2) SWMM-modellens manglende evne til å simulere fordrøyning medførte at den initielle kapasiteten i overvannsnettet ble overestimert uavhengig av valgt simuleringsperiode.
Grunnsteinen i metoden for valg av modeller for å fasilitere evaluering av risiko og ytelse var kontinuerlig simulering i flere forskjellige semidistribuerte konseptuelle hydrologiske modeller. Resultatene fra de ti beste SWMM-modellene viste at utfallsrommet fra de ti modellene samsvarte bedre med observert data enn den beste modellen alene. Bruk av ensemble modeller kan være nyttig i beslutningsprosesser, ettersom de gir et tydeligere bilde av de mulige utfallene av en hendelse. Dermed skaper de et bedre grunnlag for å evaluere risikoen av en hendelse opp mot akseptert risiko. Mulige fordeler med bruk av kontinuerlig simulering i planlegging av overvannshåndtering er at man kan evaluere nedbørsfeltets atferd under varierende forhold. Kontinuerlig simulering kan også være nyttig for å identifisere uønskede hendelser. Dette er spesielt relevant for langsiktig overvannsplanlegging, ettersom byutvikling, klimaendringer og alternative overvannsstrategier kan medføre at premissene for de uønskede hendelsene endres. En fordel med rammeverket er muligheten til å evaluere virkningen av implementerte overvannstiltak ved varierende regnhendelser og på tvers av de tre trinnene i tretrinnsstrategien.
Basert på flommodelleringen som ble gjennomført i denne studien ble det ikke identifisert noen fordeler ved å bruke kontinuerlig simulering i SWMM for å lage input til en MIKE 21 FMHD-modell. SWMM-modellen som ble brukt i denne studien var ikke i stand til å simulere fordrøyning. For å kunne fastslå med sikkerhet hvorvidt kontinuerlig simulering er fordelaktig for å representere overvannsnettet i flommodellering sammenliknet med hendelsesbasert simulering, er det nødvendig å undersøke metoden nærmere. Det anbefales å teste metoden grundigere ved å modellere flere typer regnhendelser og å bruke modeller som er bedre egnet for å simulere fordrøyning. Resultatene i denne studien fremhever viktigheten av å forstå hvordan modeller er bygget dersom de skal benyttes i beslutningsprosesser. | |
| dc.description.abstract | Stormwater is the cause of a multitude of problems, such as streambank erosion, degrading living conditions in aquatic ecosystems, and damage to buildings and infrastructures. Due to urbanization and climate change, runoff volumes are expected to increase, exceeding the capacity of traditional subterranean stormwater systems. Several strategies have been developed to describe how stormwater should be managed to meet the manifold objectives of stormwater management. To achieve a holistic stormwater management in alignment with its objectives, there is a need to systematically assess the behaviour of urban catchments, accounting for inter-dependencies between assets and future development. In this study, a decision support framework was developed to aid in long-term assessment of risk and performance in current and future stormwater strategies. In addition, the possible advantages of using continuous simulation in a semi distributed conceptual hydrological model to generate input to a hydrodynamic model was explored. The development of the framework resulted in a structured method utilizing modelling tools to investigate future development, identify unwanted events, and to assess the efficacy of stormwater measures outside their intended use. The simulated flooding based on input from continuous simulation was identical to that of an event-based simulation. Due to the inability of the semi distributed conceptual hydrological model to simulate detention, it could not be concluded that using continuous simulation to generate input to a hydrodynamic model was advantageous. The findings in this study accentuate the importance of understanding limitations of modelling tools when they are incorporated in decision-making processes. | |
