KLIMAMETER

En analyse af en digital terrænmodel (DTM) vil let kunne fortælle, hvor i kommunen en given havvandstand kan få effekt, hvis det antages, at vandet kan trænge ind over land og fylde op til den givne vandstandskote.

Oversvømmelseskortet findes ved, at den lokale vanddybde på terræn beregnes som forskellen mellem vandstanden i havet og den lokale terrænkote. Dermed vil alle områder i terrænmodellen, som ligger lavere end vandstanden i havet, blive oversvømmede, også selvom de ikke står i forbindelse med havet. Kotekortet laves i praksis ved at give en farvesignatur for den kote, der ønskes visualiseret (for eksempel 2 m vandstand). Resultater fra denne metode er naturligvis behæftet med stor usikkerhed, idet det i metoden antages, at også områder, der ikke har direkte kontakt med havet, oversvømmes.

Den beskrevne metode er mest anvendelig for kystnære områder med stor hældning på terræn, således at kun områder tæt på kysten oversvømmes. Begrænsninger i metoden er, at fysiske processer ignoreres - for eksempel den tid, det tager for vandet at strømme på terræn. Metoden giver det maksimale oversvømmelsesbillede og er specielt god til hurtige screeninger af hvilke områder, der er i farezonen med hensyn til oversvømmelser.

I den rå terrænmodel er vandløbsunderføringer og bygværker under broer ofte ikke indført. Derfor kan vandets strømning bremses af topografien, hvor der i virkeligheden er en underføring. Dette kan betyde, at oversvømmelsesområder, der reelt kunne være sammenhængende, vises som adskilte. Ved kvalitetssikring af terrænmodellen, hvor vandløbsunderføringer under veje og lignende er indført, får man en korrekt repræsentation af potentielle oversvømmelsesområder.

Med en "cost-distance" analyse kan man beregne, hvilke områder der ved en given havvandstand ligger under havniveau og har forbindelse til havet, og som derved potentielt kan oversvømmes. Resultatet er et forbindelseskort, se figuren til højre. Metoden er et betydeligt skridt fremad i forhold til det simple kotekort, idet diger og andre barrierers betydning medtages. Der er dog fortsat en række forhold, som gør, at cost-distance-metoden ikke vil give et retvisende billede af, hvor store oversvømmelserne bliver:

1. Vandløb, der ikke er brede nok til at være opløst i terrænmodellen (hvis vandløbet er 1 m bredt og DTM opløsningen er 1.6 x1.6m), giver potentielt mindre oversvømmelser i modellen end i virkeligheden.

2. Vandløbsunderføringer der ikke er åbnet (korrigeret for) i terrænmodellen (for eksempel under veje eller små broer), giver potentielt mindre oversvømmelser i modellen end i virkeligheden.

3. Diger, der ikke er repræsenteret, fordi terrænmodellen er udarbejdet før et dige er etableret.

4. Broer er fjernet i terrænmodellen og giver derved et kunstigt "hul" ind til byen (for eksempel hvis der er et bygværk under en bro, som lukker ved højvande). Der vil derfor ske kunstige oversvømmelser af byen.

5. Regnvandssystemer og fælleskloakerede systemer med overløb til hav er ikke med i terrænmodellen. Dette er tilfældet overalt, idet terrænmodellen ikke har oplysninger om systemer under overfladen. Dette giver potentielt mindre oversvømmelser i modellen end i virkeligheden, med mindre man kan regne med, at der er kontraklapper på alle ledninger og bygværker.

Hvis ovenstående begrænsninger indarbejdes i højdemodellen, der ligger til grund for beregningen, kan man opnå et stærkt værktøj til at vise worst case-oversvømmelser. Der er tale om worst case, da det ikke medtages i beregningen, at det tager tid at oversvømme landområderne. Det antages, at alle områder med en lavere kote end vandstanden oversvømmes, men reelt vil der være tale om et mindre område.

En hydrodynamisk afløbsmodel (for eksempel MIKE URBAN) beskriver, hvordan vandet løber i afløbssystemets rør. Hvis man skal beregne hvilke områder, der kan være truede af oversvømmelser fra hav, må man analysere de rørstrækninger, som har udløb eller overløb til havet, hvor vandet frit kan trænge op i rørene (uden kontraklap eller lignende). Modelkørslen udpeger brønde, hvor havvand kan trænge gennem rørene og op på overfladen. Den hydrodynamiske afløbsmodel identificerer kun, i hvilke punkter vandet kan trænge op på land og derfor ikke noget om oversvømmelsernes potentielle omfang.

Med en cost-distance-analyse kan man beregne hvilke områder, der ved en given havvandstand ligger under havet og har forbindelse til dette, og som derved potentielt kan oversvømmes. Dette kaldes også et forbindelseskort. Metoden er et betydeligt skridt fremad i forhold til det simple kotekort, idet diger og andre barrierers betydning medtages. Den digitale højdemodel kan bearbejdes i forhold til diger, sluser, broer, vandløbsbredde og vandløbsunderføringer, (som beskrevet under metoden forbindelseskort). Dette er afgørende for at medtage vandets strømning ad smalle vandløb, under broer med videre.

Afløbssystemer, der har udløb i havet, kan indarbejdes i højdemodellen ved at 'grave kanaler', hvor der er ledninger. Man bør være kritisk over for resultatet, da vandet i ledningerne reelt kun vil trænge ind på terrænet, hvor der er brønde til afløbssystemet. Modellen viser i stedet oversvømmelser alle de steder, hvor terrænkoten omkring 'kanalen' er lavere end havvandsstanden.

Områder, der med modellen bliver oversvømmet, er maksimal-udbredelser, idet dynamikken i strømningen på overfladen og i kanalerne ikke medtages. Vandets strømningshastighed vil gøre, at hele det angivne område reelt ikke vil nå at kunne blive oversvømmet ved en given maksimalvandstand, fordi det tager tid for vandet at strømme hen over terrænet og op i ledningerne.

Ved digital analyse af strømningsmønstre på overfladen kan man reducere DTM overfladen til at bestå af en række lavninger, kanaler og overløb svarende til de beregningsmetoder, der er implementeret i dynamiske 1D-afløbsmodeller. På den måde kan overflademodellen kobles direkte med afløbsmodellen, så man får et 1D-1D system, se figuren til højre.

Vandet fra havet ledes via afstrømningssystemet og terrænet via bassiner og ledninger. Modellen giver ikke strømhastigheder i terrænbassinerne.

Kompleksiteten af den genererede 1D-overflademodel afhænger i høj grad af, hvor små lavninger man tager med i modellen. Antallet af lavninger kan mindskes ved at sammenlægge dellavninger for eksempel på baggrund af en volumen-grænseværdi for den enkelte lavning. Detaljeringsgraden bliver størst ved lave grænseværdier, men beregningstiden øges ligeledes.

Denne metode anvender en 2D-beregning af vandets fysiske strømning på terræn kombineret med en digital terrænmodel. Denne fysisk baserede metode beskriver i detaljer strømningen og tidsforsinkelsen, når vandet løber gennem lavtliggende områder med en kompleks topologi. Beskrivelsen af strømningen på terræn bygger på input i form af en digital terrænmodel, som beskriver topografien i modelområdet. Havniveauet er randbetingelsen, som definerer variationen af vandstanden og den følgende potentielle oversvømmelse.

Det er nødvendigt at kvalitetssikre terrænmodellen i modelområdet, så diger, vandløb med videre er indført korrekt i terrænmodellen.

Resultater fra beregningerne er tidslige, dynamiske variationer af vanddybder på terræn - sammen med oversvømmede arealer. Hertil kommer, at information om strømningshastigheder kan plottes, for eksempel til en analyse af kraftpåvirkninger fra vandet. Det er muligt at beregne effekten i form af oversvømmelser fra tidsvarierende vandstande i havet.

En 2D-overflademodel, der beskriver oversvømmelsen af terræn kan kobles med en 1D-afløbsmodel, så man kobler beskrivelsen af havoversvømmelsen over terræn med oversvømmelsen via afløbssystemet. Dette er vigtigt, hvis rørsystemet ligger i et område med lave terrænkoter. Fordelen ved denne modelanvendelse er, at man får kortlagt områder med oversvømmelsesrisiko, som fejlagtigt ellers antages for risikofri.

Afløbsmodellen kan reduceres til at omfatte de områder, hvor systemet potentielt kan bidrage til oversvømmelser på terræn. Det betyder, at områder, som ligger signifikant højere end den forventede maksimale vandstand i havet, ikke behøver at kobles mellem de to modeller.

Resultater fra beregningerne er tidslige, dynamiske variationer af vanddybder på terræn - sammen med oversvømmede arealer. Hertil kommer information om strømningshastigheder, for eksempel til en analyse af kraftpåvirkninger fra vandet samt information om vandføring og vandstande i afløbssystemet.

Et lavningskort bliver beregnet på baggrund af en Digital Terrænmodel. Det viser lavninger i terrænet som potentielle oversvømmelsesområder. Ved beregningen af potentielle oversvømmelsesområder antages det, at alle overflader er fuldstændig impermeable. Der er ikke mulighed for nedsivning eller afstrømning via dræn og afløbssystem. Kortene viser derfor potentielle risikoområder, hvor der er mulighed for, at vand kan samles og forårsage oversvømmelser. Der kan i et GIS vælges for eksempel kun at vise lavninger med et vist volumen for at undgå for meget 'støj' i kortmaterialet, som vist i figuren til højre.

Den mest simple metode indeholder ingen information om hvor meget regn, der skal til for, at lavningerne rent faktisk fyldes op. Opfyldningen af lavningerne kan i langt de fleste tilfælde betegnes som tilfælde af ekstremnedbør med en meget høj gentagelsesperiode.

Arealet af oplandet til hver lavning kan beregnes på baggrund af terrænmodellen, ligeledes kan vandveje i terrænet findes. Arealet af oplandet kan sammen med befæstelsesgraden i oplandet anvendes til at beregne, hvor mange mm regn, der skal til for at lavningen fyldes helt op, se figuren til højre. Dette kan dog være misvisende, da en stor lavning godt kan være kritisk ved f.eks. halv fyldning.

Det er vigtigt, at terrænmodellen kvalitetssikres, før den anvendes som grundlag for oversvømmelsesanalyser. Da broer oftest vil virke som barrierer i de rå højdedata, bør der foretages en gennemgang af disse områder, og hvor det skønnes nødvendigt, kan man indbygge underføringer. Oftest foreligger der GIS-registrering over de største broer i en kommune. Dette kan enten direkte indarbejdes i terrænmodellen eller anvendes som skabelon til en manuel gennemgang af områderne. Tilsvarende bør alle vandløbstrækninger gennemgås, da rørlagte strækninger også vil virke som en barriere. Alle områder omkring huse bør ligeledes kvalitetssikres.

Den mest simple metode - Lavningskortmetoden, kan kun bruges til at beregne dybder i lavningerne, arealet af lavningernes oplande samt strømningsvejene på overfladen. Via for eksempel fotoanalyse og/eller GIS-analyse af grunddata kan overfladen suppleres med befæstelsesgrader, hvorefter der er basis for en egentlig hydraulisk overfladeberegning af oversvømmelser for aktuelle nedbørshændelser. Beregningerne kan gennemføres som 1D eller 2D overfladeberegninger, det vil sige enten hvor man regner oplandsafstrømningen som endimensionale kanaler eller todimensionale overflader. Den sidstnævnte metode er betydeligt mere beregningstung.

Disse overfladeberegninger giver et godt estimat for forholdet mellem opland og lavningsvolumen, men tager ikke højde for bidrag fra og kapacitet i kloakledningsnettet. Dette medfører generelt, at oversvømmelser opstrøms i ledningssystemet overestimeres, mens oversvømmelser nedstrøms i forhold til ledningsnettet underestimeres.

På figuren til højre ses forskellen i oversvømmelsesgrad mellem en model med impermeabel overflade og en model hvor overfladens hydrauliske egenskaber er inkluderet.

En hydrodynamisk afløbsmodel (for eksempel MIKE URBAN) beregner hvilke steder i afløbssystemet, der kan opstå flaskehalse ved store regnmængder og derved give første overblik over, hvor vandet først kommer op på terræn. Dette kan kombineres med viden om, hvordan vandet løber på overfladen, og hvor vandet kan samle sig i fordybninger. Stiger vandet op flere steder i nærheden af et risikoområde udpeget ved en lavningskortanalyse, bør der foretages yderligere beregninger i dette område.

En hydrodynamisk model beskriver ikke strømningerne på overfladen, og interaktionen mellem overflade og afløbssystem mangler. Det er derfor kun muligt at give en sikker bestemmelse af, hvor intensive regnhændelser afløbssystemet har kapacitet til. Ved vand på terræn bliver resultater fra modellen upålidelige.

Oversvømmelser i urbane områder opstår ofte ved, at vandet samler sig i lavninger på overfladen, fordi der ikke er kapacitet i afløbssystemet. Vandet løber først af, når der igen er plads i rørene. Man kan opnå stor nøjagtighed i risikokortlægningen, hvis man kombinerer en overflademodel med en afløbsmodel. Ved digital analyse af strømningsmønstre på overfladen kan man reducere overfladen til at bestå af en række lavninger og kanaler svarende til de beregningsmetoder, der er implementeret i dynamiske 1D-afløbsmodeller. På den måde kan overflademodellen kobles direkte med afløbsmodellen, så man får et 1D-1D system, se figuren til højre.

Kompleksiteten af den genererede 1D-overflademodel afhænger i høj grad af, hvor små lavninger man tager med i modellen. Antallet af lavninger kan reduceres ved at sammenlægge lavninger for eksempel på baggrund af en volumen-grænseværdi for den enkelte lavning. Detaljeringsgraden bliver størst ved lave grænseværdier, men beregningstiden øges ligeledes.

En hydrodynamisk afløbsmodel, der beskriver vandstrømningen i afløbssystemet for eksempel MIKE URBAN, kan kobles med en 2D overflademodel for eksempel MIKE Flood for at få et mere præcist billede af vandets dynamik på overfladen ved en situation med ekstremregn. En 2D-overflademodel kan mere præcist beskrive afstrømningen på overfladen end en 1D-model, men er samtidig betydeligt mere beregningstung. Som inddata til overflademodellen bruger man ofte højdemodeller, som stammer fra flyscanninger eller andre detaljerede højdemodeller med grid-størrelse mellem 1 og 4 m. Overflademodellen rettes til med polygoner for huse, veje med videre, så de indgår fysisk korrekt i modellen.

Kvalitetssikring af modellen er vigtig, idet der i terrænmodellen indgår udvalgte brønde fra MIKE URBAN. Da brøndenes placering i terrænmodellen er afgørende for, hvor retvisende den samlede model bliver, bør deres placering gennemgås, så udvekslingen af vand mellem terræn og afløbssystem virker realistisk.

Desuden bør modellen kalibreres i forhold til overflademodellens befæstelsesgrader, mulige vandveje på overfladen, der i modellen kan være forvrænget, da man tilførte huse med videre, samt placeringen og vandudvekslingen for de indlagte brønde. Beregningstiden er lang, og der kræves en stor mængde inddata af høj kvalitet.

En samlet kombineret model for afløb, overflade, grundvand og hav vil give et værktøj, der præcist kan beregne dynamikken ved forhøjet grundvand og havspejl samt konsekvensen af ekstremnedbørshændelser.

Modellen kan bestå af en kobling mellem forskellige numeriske modeller (for eksempel MIKE URBAN og MIKE SHE). Ændringer i grundvandsspejlet kan for eksempel give øget tilstrømning af grundvand til vandløb og kloaker, hvormed oversvømmelse på terræn hurtigere kan opstå, da mindre nedbørshændelser dermed kan forårsage større oversvømmelser end tidligere.

Udvalgte brønde kobles til overflademodellen. Da brøndenes placering i terrænmodellen er afgørende for, hvor retvisende den samlede model bliver, bør deres placering gennemgås, så udvekslingen af vand mellem terræn og afløbssystem virker realistisk. MIKE SHE modellerer udvekslingen af vand mellem de enkelte komponenter i den hydrologiske cyklus, blandt andet grundvandet.

Modellen bør kalibreres i forhold til overflademodellens befæstelsesgrader, mulige vandveje på overfladen, der i modellen kan være forvrænget, da man tilførte huse med videre, samt placeringen og vandudvekslingen for de indlagte brønde. Modellen kræver mange input i høj kvalitet og en høj rumlig opløsning. Det gør kvalitetssikring tidskrævende, ligesom beregningstiden vil være lang.