Nyt værktøj til beregning af oversvømmelser i byer

Lange beregningstider på oversvømmelsesmodeller spænder ben for realtidsanvendelser og multiscenarie-planlægning af klimatilpasning. Hurtigere og simplere modeller kan bane vejen for fremtidens klimatilpasning.
Brødtekst

Vand i gaderne, lammet infrastruktur og skader for flere milliarder kroner. Skybrud kan forårsage store ødelæggelser, og derfor er der - især i byer -behov for at implementere løsninger, der mindsker risikoen for oversvømmelser. 

For at teste forskellige løsninger anvender vi oversvømmelsesmodeller. Nuværende state-of-the art modeller er de 1D-2D distribuerede hydrodynamiske modeller, hvor en 1D-model af afløbssystemet er koblet til en 2D-model af vandets strømning på byens overflader. Her modelleres udvekslingen af vand mellem afløbssystemet og overfladen samt flows og vanddybder, der resulterer i detaljerede oversvømmelseskort. 

Men hvordan planlægger vi for en fremtid, vi ikke kender? For at tage højde for de mulige scenarier er der behov for at simulere mange forskellige scenarier, og det kræver hurtige beregningstider. Dette er der også behov for ved realtidssyring af afløbssystemet. Men de førnævnte modeller har beregningstider på flere timer for en enkelt regnhændelse og et enkelt scenarie. For meget store oplande kan det endda tage flere dage at få et enkelt resultat. 

Når tid er en begrænset ressource

Mængden af detaljer i de distribuerede hydrodynamiske modeller spænder altså ben for antal af simuleringer og muligheden for realtidssimuleringer. Derfor er der behov for hurtigere og simplere modeller. 

Der er flere eksisterende og tilgængelige simple modeller til at simulere flows i afløbssystemet og til beregning af oversvømmelser. Men overflademodellerne er statiske, dvs. at de kun kan modellere vand der akkumuleres i lavninger op til overløbskanten og ikke vanddybder og udbredelse i mellem lavninger. Desuden kan de ikke kobles til en dynamisk afløbsmodel. 

Tre typer surrogatmodeller testet

Derfor har jeg i min PhD på DTU miljø udviklet simple, dynamiske surrogatmodeller, dvs. erstatningsmodeller. Der er udviklet en afløbs-, en overflade- og koblet model, der alle kan replicere resultater fra de distribuerede hydrodynamiske modeller 100.000 gange hurtigere. Dvs. en simulering, der før tog flere dage, vil nu kun tage et sekund. 

Modellerne inddeler afløbssystemet og overfladen i delområder, der udveksler vand med hinanden baseret på simple massebalancer. Flows mellem delområder er i afløbsmodellen trænet til resultater fra den distribuerede hydrodynamiske model, mens flows mellem overfladedelområderne er bestemt af fysiske parametre. De er dynamiske koblede og kan derved simulere udveksling af vand mellem afløb og overflade. 

Vi har testet de tre typer af surrogatmodeller ved at sammenligne resulterende flows, voluminer og oversvømmelseskort med resultater fra de distribuerede hydrodynamiske modeller.

Alle tre surrogatmodeller kan efterligne resultaterne med høj nøjagtighed. Surrogatmodellerne performer bedre end andre statiske modeller pga. deres dynamiske natur; for mindre regnhændelser er interaktionen med afløbssystemet vigtig og ved at have en ren statisk overflade model og derved ingen kobling til afløbssystemet, overestimerer man her oversvømmelserne.

For større regnhændelser er koblingen til afløbssystemet mindre væsentlig, men her er mulighed for at visualisere vanddybder over overløbskanter i lavninger samt udbredelsen af oversvømmelsen langs strømningsveje meget essentiel. Derfor er surrogatmodellerne, både for de mindre og store regnhændelser, bedre end nuværende statiske modeller til at efterligne resultaterne for de distribuerede hydrodynamiske modeller.

Vi kan derfor erstatte de beregningstunge modeller med surrogatmodeller uden væsentlig tab af nøjagtighed, men med stor besparelse i beregningstid. Herved kan vi køre flere scenarier og teste flere løsninger, der alt i alt vil bidrage til en bedre og mere robust klimatilpasning. 

Hvad nu?

Surrogatmodellerne er stadig på udviklingsstadiet, men over de næste par måneder vil jeg dokumentere model workflows og gøre dem mere brugervenlige. Derefter kommer det hele til at ligge frit tilgængeligt.

Vi vil arbejde på at gøre mulige brugere opmærksomme på de værktøjer, vi har udviklet, sådan at de forhåbentlig bliver taget i brug af både forskere og virksomheder, der fokuserer på klimatilpasning.

Dermed kan surrogatmodellerne med tiden fungere som et supplement til de beregningstunge distribuerede hydrodynamiske modeller i tilfælde, hvor hurtige simuleringstider er nødvendige.

Dette vil forbedre klimatilpasningen og forhåbentlig være med til at sikre at vi alle sammen bliver klædt bedre på til fremtidens ekstreme vejr.