Potentials and limitations of 1D, 2D and coupled 1D-2D flood modelling in HEC-RAS

Abstract

Hydraulic models can be used to predict the consequences of flooding events. In this project, three hydraulic models were constructed using the software HEC-RAS, and compared through a case study on Höje river catchment. The models include (i) a 1-dimensional (1D) model, where river and floodplain flow is modeled in 1D, (ii) a coupled 1D-2D model, where river flow is modeled in 1D and floodplain flow is modeled in 2D, and (iii) a pure 2D model, where river and floodplain flow is modeled in 2D. Important differences between data requirements, pre-processing, model set-up and results were highlighted and summarized, and a rough guide that may be used when deciding the appropriate type of model for a project, was presented. In addition, the sub-grid technique used in 2D HEC-RAS modelling was studied by investigating the influence of computational mesh structure and coupling between 1D and 2D areas. The results showed that all three models could successfully reproduce a historic flooding event. The 2D and 1D-2Ds model could also provide more detailed information regarding flood propagation and velocities on the floodplain. The results from the 2D mesh analysis show that model result is very sensitive to mesh alignment along barriers. In rural floodplains with clear barriers, computational cell alignment is more important than computational cell size. With regards to the 1D-2D model, the results showed that the parameters describing the coupling between the 1D and 2D domain have large impact on model results.

Popular Abstract (Swedish)

Översvämningsmodellering
Idag används matematiska modeller, i form av datorprogram, för att simulera konsekvenser av framtida översvämningar. Det finns en stor uppsjö av modeller med olika möjligheter och begränsningar, så hur går vi egentligen till väga för att välja modell?

Översvämningar hör till de naturliga katastrofer som gör störst skada. Mellan 1998 och 2009 krävde de 216 största översvämningarna 1126 liv och orsakade ekonomiska skador på 52.2 miljarder euro. Trots detta kan vi till följd av klimatförändringar och urbanisering förvänta oss en ökad risk för översvämningar i framtiden.

För att kunna förutse de risker vi står inför och hur dessa kan minskas används hydrauliska modeller. Det är matematiska beskrivningar av hur vatten flödar genom landskapet, vilka hastigheter och djup som vattnet får, och vilka områden som blir översvämmade. Idag finns en stor mängd hydrauliska modeller med olika komplexitet, men det är inte alltid som de mer avancerade modellerna är bättre. För att kunna välja rätt modell krävs därför kunskap om vilka fördelar och nackdelar som de olika modellerna har utifrån rådande förutsättningar.

I den här studien har vi använt oss av modelleringsprogrammet HEC-RAS för att modellera översvämningar i Höje Å, ett vattendrag i sydvästra Skåne. I juli 2007 skedde här en kraftig översvämning som orsakade stora skador för jordbruk och en golfbana i norra Lomma. Med hjälp av flygbilder och flödesmätningar har vi försökt simulera översvämningen som inträffade 2007.

Vi har använt oss av de tre vanligast förekommande typerna av modeller: 1-dimensionella (1D), 2-dimensionella (2D) samt kopplade 1D-2D-modeller. Syftet med studien var att belysa de viktigaste skillnaderna mellan dessa modelltyper för att bättre förstå under vilka förutsättningar som respektive modell bör användas.

Modellerna skiljer sig framför allt i deras representation av terrängen och hur vattnets rörelse beräknas. 1D-modeller har en enkel representation av terrängen där vattnets rörelse beräknas i endast en dimension. 2D modeller representerar terrängen i större detalj jämfört med 1D-modeller och vattenflödet beräknas i två dimensioner. Kopplade 1D-2D-modeller är en kombination av 1D och 2D som utnyttjar styrkor av hos båda modelltyper.

Resultatet från studien visar att val av modell beror av flera faktorer. Bland annat bör man överväga följande frågor:
• Hur detaljrika behöver resultaten vara? Är man bara intresserad av att veta översvämningens största utbredning fungerar ofta en 1D-modell bra, men vill man få information om flödeshastigheter i översvämmade områden krävs en 2D modell.
• Vilken karaktär har området? I plana områden med naturliga barriärer är 2D-modeller bättre på att beskriva översvämningens förlopp och utbredning jämfört med motsvarande 1D-modeller. 2D-representationer är extra viktiga i områden med komplex terräng, såsom bebyggda områden.
• Finns det komplexa strukturer som ger stor påverkar på vattnets flöde? Finns det många broar eller andra strukturer som kan begränsa flödet i vattendraget fungerar generellt 1D-modeller bättre än motsvarande 2D modeller.
• Hur mycket tid finns till projektet? 2D och kopplad 1D-2D modellering kräver längre tid att sättas upp jämfört med 1D modeller och kräver mycket längre tid för att utföra beräkningarna.

Slutligen ger studien insikt i specifika möjligheter och svårigheter med respektive modell. 2D-modellering i HEC-RAS har stor potential då programmet använder en ny teknik som möjliggör snabbare simuleringar än andra modelleringsprogram. Kopplade 1D-2D-modeller är flexibla och har störst användningsområden men ställer också högst krav på användaren för att fungera.

• author: Betsholtz, Alexander and Nordlöf, Beatrice
• supervisor: Rolf Larsson; Håkan Persson
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVR820 20162
• year: 2017
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: Hydraulic modelling, HEC-RAS, 1D, 2D, 1D-2D, flooding, sub-grid
• publication/series: TVVR17/5003
• report number: 17/5003
• ISSN: 1101-9824
• language: English
• additional info: Examiner: Magnus Larson
• id: 8904721
• date added to LUP: 2017-03-30 11:12:42
• date last changed: 2019-04-01 13:38:21