5.12 Hydrologisk modellering i det urbane rum

Hydrologisk modellering af det urbane rum bliver fortsat mere aktuel, da det fysiske omfang af både de største byer men også af de mindre byer øges. Derudover er kompleksiteten af det urbane vandkredsløb også væsentligt ændret. Tidligere bestod den afgørende hydrologiske forskel mellem det åbne land og byområder i introduktionen af befæstede områder og de deraf afledte effekter på det hydrologiske kredsløb. Dvs. forøget overfladisk afstrømning, reduceret fordampning og grundvandsinfiltration. En øget kompleksitet er siden introduceret via forhold som separerede kloak og regn-afledningssystemer, forskellige adaptive tiltag som Lokal Afledning af Regnvand (LAR) ved forceret infiltration, eller tiltag der afleder regnvand ved forøget evapotranspiration, som grønne tage, regnbede m.m. Desuden er forhold som antropogen urban geologi og dennes effekt på hydrogeologien også synliggjort i de seneste år, samt effekten af utætte kloakrør, der interagere med omgivende jord og grundvand. Et opland skal betragtes som urban, når lokale menneskelige (antropogene) påvirkninger ændrer de hydrologiske flukse væsentligt.

Afsnittet om hydrologisk modellering i det urbane rum vil være rettet mod forhold, som er afgørende for grundvandsdannelsen under byområder. For at opnå en korrekt beskrivelse af denne, må hele vandets kredsløb i og under det urbane rum analyseres. Det skal her fremhæves, at hydrologisk modellering af det urbane rum ikke metodisk adskiller sig fra modellering af det åbne land, eller generelt modellering af vandressourcen. Betænkninger og anbefalinger fremført i dette afsnit erstatter derfor ikke generelle forhold beskrevet i den øvrige del af vejledningen omkring hydrologisk modellering, der vedvarende er gældende. Afsnittet er derimod ment som en hjælp til ordregiver, modellør og andre involverede i modelleringsprocessen, og en påpegning af hydrogeologiske forhold for det urbane rum.

5.12.1 Konceptuel model for byområdet

Før en egentlig modellering igangsættes skal urbane elementer, som kan påvirke det urbane vand-kredsløb, erkendes og analyseres, således at de afgørende vandflukse identificeres. Vandløbene i det urbane rum kan modtage bidrag fra regnvandsafledning, renset spildevand, overfladisk afstrømning samt grundvand. Før modelopsætning, skal kompleksiteten af den samlede afstrømning analyseres. Fælles, eller separat kloakering vil eksempelvis påvirke afstrømningen, hvor regnvandsafstrømning i separat kloakering typisk løber tilnærmelsesvis direkte til recipient, mens rensningsanlæg vil modtage regnvandsafstrømning ved fælleskloak. Antagelser om, hvor stor en del af vandforbruget, som efter rensning ender i afløbssystemet, kan have større indflydelse for en urban modellering end for modellering af det åbne land. Opstilling af en nøjagtig vandbalance er ikke nødvendig i den indledningsvise kredsløbsanalyse, men et overslag af de ovennævnte bidrag er nødvenlig for at identificere de væsentligste modelkomponenter, som sidenhen skal inkluderes i modellen. Valg af modelkode, afgøres bl.a. ud fra kodens evne til at inkludere de væsentligste strømningskomponenter fundet ved opstilling af den konceptuelle model for byområdet. Herunder hører også kodens evne til at kunne opløse de enkelte modelkomponenter på en distribueret eller ikke distribueret måde, alt afhængigt af hvad analysen af den konceptuelle model udpeger som væsentligt. Valg af stationær eller dynamisk model bør bero på formål, datamængde og ambition. Fx vil en stationær model kunne forudsige gennemsnitstrykniveauer, mens en dynamisk kan forudsige maksimum eller minimum situationer. Mens en ren grundvandsmodel, som en MODFLOW version uden rodzone, umættet zone og fordampnings beskrivelse, ikke kan simulere grundvandsdannelse fra den umættede zone til den mættede zone, kan en hydrologisk model (med beskrivelse af det fulde vandets kredsløb) bruges til beregning af grundvandsdannelse til den mættede zone. Figur 8 beskriver de enkelte elementer som kan inkluderes i modelleringen.

Hvornår skal urbane elementer inkluderes i modelleringen:

  • Befæstelsen skal detaljeres og inkluderes hvis den vurderes til at påvirke grundvandsdannelsen, eller afstrømning (afhængigt af modelformål). Ned til 10-20 % procent af befæstelse kan være nok til at påvirke hydrologiske flukse. Med under 10 % befæstelse kan detaljering udelades.
  • Utætte kloaker kan påvirke grundvandsdannelsen og det øvre grundvandsspejl under urbane områder. Estimering af grundvandsbidrag til kloaksystemer, dvs. en vurdering om kloakken er utæt, er ofte foretaget af det lokale forsyningsselskab. Hvis grundvandsbidraget er signifikant, større end 20% af afstrømningen skal det overvejes, om kloakdybden skal indlægges som drændybde i modellen.
  • LAR skal inkluderes i modelleringen hvis grundvandsdannelsen vurderes (i den konceptuelle model) påvirket med mere end 10%

Figur 8: Hydrologiske flukse ved befæstede og grønne områder af byen og de elementer som forsager de forskellige strømninger. Elementer kan inkluderes/ekskluderes i modelleringen. Figur modificeret fra Kidmose et al. (2015).

5.12.2 Rumlig og tidslig modelopløsning

Afvikling af de hydrologiske processer i det urbane rum er ofte forskellige fra det åbne land. Eksempelvis er afstrømningen fra urbane oplande mere intensiv efter en nedbørhændelse end i det åbne land. Det er en følge af henholdsvis: i) Mindre modstand fra afstrømningsoverflader (reduceret manningtal), ii) forøget overfladisk afstrømning i forhold til infiltration til grundvandet, som følge af befæstelse, iii) en reduktion af små-skala fordybninger i terrænet i det urbane miljø. Et andet eksempel kunne være rumlig opløsning af LAR scenarier, hvor en opløsning på 10-50 m vil være rimelig. Selvom det er fristende med finere opløsning, evt. i forbindelse med indlæggelse af faskiner, som typisk er mindre end 10x10m, skal det erindres, at anvendte modeldata ikke forefindes med en sådan fin opløsning (se fx nedenstående beskrivelse af geologiske modeldata).

Afhængigt af formålet med modellen, kan det være rimeligt at inkludere processer med en tidslig fin opløsning, men i andre tilfælde vil en grovere tidslig opløsning være tilstrækkelig. Styrende for valg af tidslig opløsning, udover formål med modellen, må være datatilgængelighed af både klimavariable (model forcing), men også af observationsdata med en tilpas tidslig opløsning. Et eksempel kunne være modellering af strømningsekstremer i forbindelse med afledning til LAR systemer. Den tidslige opløsning for processen vil her være minutter, eller timer, og til det skal forcing og afstrømningsdata på tilsvarende niveau benyttes. Modelkodens muligheder for at simulere de hydrologiske processer i det urbane rum er også afgørende for valg af tidslig opløsning og tilhørende ambitionsniveau. Som eksempel kan her gives afledning (routing) af vand fra befæstede overflader, som ofte simuleres med en fuld afledning til recipient (vandløb, hav) i samme tidsskridt som vandet på de befæstede overflader opstår. Det kan være en rimelig antagelse, hvis modellen har daglige tidsskridt, eller derover. Dvs. hvis den hydrologiske proces afvikles inden for modellens tidsskridt kan det være en rimeligt, at afstrømningen ledes væk i samme tidsskridt som den opstår. Hvis afledningen derimod forløber over flere efterfølgende tidsskridt er modellens konceptualisering, med den direkte afledning, ikke passende.

Befæstelsen i byområder er varierende, og påvirker i høj grad fordampning, grundvandsdannelse og afstrømning. Nye dataindsamlinger har medført forøget detaljeringsgrad af arealanvendelsen i byområder, således at arealanvendelsen for fx befæstelse kan opdeles i flere katagorier end tidligere. Merværdien ved brug af sådanne, rumligt højopløselige data, kan eksempelvis være bedre simulering af grundvandsdannelsen.

Modsat arealanvendelsen, som nu kan beskrives med en øget rumlig diskretisering, og nu også inddeles i flere klasser end tidligere, er opløsningen af geologien under byområder generelt ikke finere end tidligere, selvom der findes tilfælde med en urban-geologisk opløsning på ned til 10m. På baggrund af en finere opløst arealanvendelse og topografi kan det derfor være fristende, at opsætte og køre en model i en gridstørrelse på ned til få meters opløsning. Er geologien i relevante lag ikke opløst på en tilsvarende fin skala, er det dog ikke nyttigt at modellere grundvandsstrømning i gridstørrelser på få meter. Relevansen af brug af højopløselige geologiske data kan bestemmes ved at benytte flere konceptuelle modeller.

Afhængigt af modelformål og diskretisering, skal den overfladenære og antropogene geologi inkluderes i modellen. I områder, hvor overflade geologien udgøres af moræneler, kan den antropogene geologi have afgørende indflydelse på grundvandsstrømningen via sand/grus traceer i forbindelse med veje, kloaker og andre større, sammenhængende bygningsværker. Generelt er geologien dårligt kortlagt under byer. Jordartskort, som repræsenterer geologien 1 m under terræn, er ofte ikke tilgængelig i byområder. Beskrives den overfladenære geologi dårligt, kan det resultere i en fejlagtig beskrivelse af grundvandsdannelsen i modellen. Geologien under de øvre jordarter kan også være mangelfuld grundet ringe geofysisk dækning, da flere metoder ikke kan anvendes under urbane forhold.

5.12.3 Data og observationer

Relevante data for byer er normalt ikke samlet i et nationalt program eller en national database, men eksisterer ofte kun hos lokale interessenter med specielle interesser i eksempelvis afstrømning. Tætheden af indvindinger kan være større ved modellering af byområder, og det foranlediger en detaljeret indlægning af disse i den hydrologiske model, da differensen mellem grundvandsdannelse og indvinding kan være lille. Indlæggelse af indvindinger kan være en udfordrende proces grundet de mange forskellige aktører med indvindingstilladelser (se fx Kristensen et al. 2015). Indberetningen til Jupiter er desværre sjældent komplet.

Informationer og data om det urbane kredsløb fra anden type modellering, eller fra databaser, kan anvendes til bestemmelse af routning af drænvand og afstrømning fra befæstede arealer. Se eksempelvis bestemmelse af befæstelse fra anden modellering i Lund og Lønborg (2015). Under modellering af det urbane kredsløb anbefales det at have speciel fokus på, hvordan og hvortil drænvand og vand fra befæstede arealer afledes (se fx Kristensen et al. 2015). Med hensyn til drændybde anbefales det også, at en vurdering ud fra tilgængelige data foretages. Således kan afvigelse fra en standardiseret og ofte anvendt drændybde på omkring 1m være velbegrundet, se fx Lund og Lønborg (2015). Kloaker er i mange områder utætte og fungerer i realiteten som dræn, men med en mere varierende dybde end dræn i det åbne land. Tillige er omfangsdræn også meget anvendt til afdræning af et højt grundvandsspejl. Omfangsdræn kan ligge flere meter under terræn. Indlæggelse af drænforhold i den hydrologiske grundvandsmodel for et byområde skal derfor dække alle relevante afdræninger af det øvre grundvandsspejl. Databaser og hydrauliske modeller om kloakforhold kan være nyttige til stedslig distribuering af både drændybde og drænkonstant, hvilket ikke har været praksis for modellering af det åbne land.

5.12.4 Kalibrering og scenarier

Før modelopgavens start, skal et overblik over observationsdata skabe grundlag for modellens ambitionsniveau, og parametrisering skal ligeledes defineres ud fra observationsgrundlag, samt mulig indsamling af nye data. Proportionalitet mellem observationstilgængelighed, parametrisering og ambition for modellens prediktive niveau skal være til stede. Parametrisering skal som altid (jf. afsnit 5.11, Datatilgængelighed og parameterisering) defineres ud fra data-tilgænglighed. Hvis observationer ikke findes, kan de indhentes, ellers skal den del af parametriseringen sensitiv overfor eventuelt manglende observationer udelades. Hvis eksempelvis vandføringsdata ikke er tilgængelige, eller kun repræsenterer mindre dele af det urbane opland, anbefales det ikke at kalibrere parametre der erfaringsmæssigt er vigtige for vandbalancen, som vandføringen repræsenterer, hvilket kunne være roddybde eller andre fordampningsrelaterede parametre. En kalibrering af en urban hydrologisk model, bør også indeholde en test af befæstelsesgraden. Kalibreringen kunne også indeholde en test af alternative modeller for den overfladenære geologi. Sammenfattet kan sådanne følsomhedstest/usikkerhedsanalyser af forskellige dele af modellen delvist kompensere for manglende observationsdata. Hvis den opstillede model skal lave forudsigelser om det øvre grundvandsspejl, kan vandstand i søer og vådområder indlægges som observationsdata i kalibreringen, hvis disse vurderes i kontakt med det øvre grundvand.

Lund og Lønborg (2015) giver et eksempel på hvordan en objektivfunktion kan opsættes med alternative observationer, da kun trykniveauer og ikke vandføringsdata er tilgængelige for det modellerede urbane opland. Her anvendes i stedet data for mængder af afdrænet grundvand langs et vejtrace opgjort på årsniveau i en dynamisk modellering. Modellen har indlagt vejdrænet, og simulerede drænmængder sammenholdes med observerede som et led i objektivfunktionen, hvor almindelige pejletidsserier vægtes med 2/3, og afdræningen vægtes med 1/3 i objektivfunktionen.

For urbane områder kan scenarieafvikling være et afgørende formål med modellen, eksempelvis i forbindelse med klimatilpasning. Derfor skal en kalibrering planlægges således, at modellen optimeres til håndtering af disse scenarier, og findes der observationer som modellen kan optimeres imod, der gør modellen mere velegnet til de valgte scenarier, skal de inkluderes i kalibreringen og valideringen af modellen.

Mulige scenarier som en urban modellering anvendes til og som betænkes i kalibreringen af denne kan være:

  • Påvirkning af grundvandsdannelsen fra urbanisering/af-urbanisering (parker og lign.).
  • Genetablering af tidligere vådområder og vandløb gennem det urbane område, modellering af det genetablerede urbane vandkredsløb (overfladevand – grundvand).
  • Effekter af reduceret/forøget grundvandsindvinding på overfladenært grundvand, potentiel trussel mod infrastruktur og bebyggelse.
  • Udveksling mellem kloak og regnvands-aflednings systemer og grundvandet.
  • Klimaeffekter på overfladevand og grundvand.
  • Klimatilpasningseffekter
    • Forceret infiltration på parcel skala eller samlet i større infiltrationsbassiner, afledning af regnvand fra veje og påvirkning af grundvandsspejl.
    • Grønne områder, effekter på vandets kredsløb.

Tabel 18 giver et synopsis af forskelle mellem hydrologisk modellering af det åbne land og byområder.

Tabel 18: Forskelle mellem hydrologisk modellering af det åbne land og byområder

5.12.5 Anbefalinger

  • Et opland skal betragtes som urban, når lokale menneskelige (antropogene) påvirkninger ændrer de hydrologiske flukse væsentligt, hvilket betyder, når befæstelse ændrer afstrømningsintensitet, fordampning, eller når rørlægning af vandløb eller LAR påvirker udveksling med grundvand. I den definition ligger også, at mindre byområder kan ændre et større oplands hydrologiske flukse.
  • Der bør indhentes viden om geologi, afstrømningsnetværk (fysisk beliggenhed, koter, tværsnit) og befæstelse fra eksempelvis forsyninger, kommuner, regioner og rådgivere (udover de normale datakilder som fx Jupiter).

5.12.6 Referencer og baggrundslitteratur

Elga S, Bronders J, Batelaan O. 2015. Hydrological modelling of urbanized catchments: A review and future direktions. Journal of Hydrology 529. 62-81.

Levin, G., Jepsen, M.R., Blemmer, M. 2012. Basemap, Technical documentation of a model for elaboration of a land-use and land-cover map for Denmark. Aarhus University, DCE – Danish Centre for Environment and Energy. Technical Report from DCE – Danish Centre for Environment and Energy No. 11. Tilgængelig: http://www.dmu.dk/Pub/TR11.pdf. [besøgt den 24. Januar 2016]

Kidmose J, Troldborg L, Refsgaard JC, Bischoff N (2015) Coupling of a distributed hydrological model with an urban storm water model for impact analysis of forced infiltration. Journal of hydrology, 525, 506-520.

Kristensen M, Hansen S, Lønborg MJ. 2015. Hydrologisk model Herlev Glostrup. Modeldokumentation. Rekvirent: Naturstyrelsen.

Lund PG og Lønborg MJ. 2015. Hydrologisk Model Tårnby-Dragør. Tårnby-Dragør kortlægningsområde. Rekvirent: Naturstyrelsen.

Christensen BSB. 2015. Smørum-Ballerup hydrologisk model. Rekvirent: Naturstyrelsen.

Skriv et svar

Din e-mailadresse vil ikke blive publiceret. Krævede felter er markeret med *