The performance of a coastal urban drainage system under climate change. Case study: Trelleborg

Abstract

The emerging effects of man-induced climate change lead to difficulties in the planning of urban development. This study seeks to investigate how the stormwater pipe system in Trelleborg, Sweden, responds to climate change in terms of sea level rise and rainfall. The timeframe of this study extends to the year 2100 and the emission scenario RCP8.5 was employed. Twelve scenarios were formulated to represent rain and sea level in today’s- and future climate. Future rainfall was computed using regional climate model data together with the Delta Change Method. Sea was divided into two items, namely an average sea level and storm surges. The average sea level was calculated to reflect seasonal variation using a second-order Fourier analysis whilst raw gauge data was used to capture the storm surges. The two sea items were then adjusted to match the projected sea level rise in Trelleborg.

MIKE URBAN was utilized to develop a 1D-hydrodynamic model describing the pipe system. The performance of the drainage system was expressed through two indicators, the number of flooded nodes and flood frequency. These indicators were applied to define the spatial- and temporal variation. In addition, downstream- and upstream pressure leading to drainage failure were identified. The result showed that the pipe system floods frequently throughout the system for all scenarios, including the present state. In terms of spatial distribution, the central part of the drainage system is more exposed to flooding in the current situation. Future scenarios reveal that flooding will expand to the southern- and western parts. A tipping point is found between the years of 2075-2100, where storm surges become the major driver for drainage failure.

This study showed a shift in temporal distribution. The timing of flooding is transitioning from summer- to winter season as time progresses. This has a great implication when deciding on adaptation measures in order to ensure social equity. It is not only important to account for the spatial distribution of floods, but the nature and timing of flooding are also key elements to consider when retrofitting. In essence, the projected drainage performance in this study flags the need for a comprehensive adaptation strategy to cope with the emerging issues that the future might hold.

Popular Abstract (Swedish)

Kustnära ledningsnät under klimatförändringar

I takt med en ökad urbanisering och ett förändrat klimat växer behovet av att utvärdera och ompröva funktionsdugligheten av befintliga ledningsnät för att säkerställa en god dagvattenavledning i framtiden. Den här typen av utredning är extra viktig för kustnära ledningsnät, då klimatförändringar förväntas bidra till havsnivåhöjningar. Ledningsnät som mynnar ut i havet kan behövas anpassas utifrån hur mycket regn som belastar rörsystemet, men också utifrån hur mycket havsvatten som kan tränga in bakvägen via utloppen. Det är därför betydelsefullt för forskare och industrin att förstå huruvida havsnivåökningar kommer att leda till mer översvämningar i framtiden. Den här studien undersöker hur ledningsnätet i kustkommunen Trelleborg påverkas av regn och havsnivåer i framtiden.

Trelleborg har ett ledningsnät som mynnar ut i Östersjön. Havsstormar är inte helt ovanligt i Östersjön, därför har denna studie tagit hänsyn till hur havets medelvattenyta samt hur havsstormar påverkar ledningsnätet. En hydrodynamisk modell har tagits fram för att kunna utvärdera ledningens kapacitet under en 7,5-årsperiod i dagens- och framtida klimat. De framtida scenarierna har utformats med hjälp av IPCC klimatmodeller. Både regn- och havsserier är anpassade för att efterlikna ett framtida klimat. Även om resultaten från klimatmodeller är osäkra, ger det en fingervisning om hur samhället måste rusta sig för att klara av framtida utmaningar.

Studien visar att fler dagvattenbrunnar kommer att svämmas över i framtiden. Resultaten tyder också på att översvämningar kommer att ske med högre frekvens jämfört med dagens läge. När havet står stilla, det vill säga inte utsätts för stormar, tenderar fler dagvattenbrunnar att utsättas för översvämning under en 7,5-årsperiod. Är havet istället stormigt visar studien att ledningsnätet svämmas över allt oftare sett över 7,5 år. Mellan åren 2075 och 2100 kan havsnivåhöjningen bidra till att situationen förväntas bli märkbart värre. Resultaten visar inte bara att mängden översvämningen ökar till följd av ett stormigt hav, utan den årliga fördelningen av översvämningar förändras. Simuleringarna illustrerar att ledningsnätet är värst utsatt under höst- och vinterperioder för simuleringsåret 2100 när en kombination av regn och ett stormigt hav är modellerat. Detta skiljer sig från dagens läge, då majoriteten översvämningar sker under sommaren när flest skyfall inträffar.

Den här studien krävde stora datafiler för att beskriva en lång tidsperiod med hög upplösning. Detta i sin tur visade sig skapa problem innan, under och efter simuleringstillfället. Beräknandet av indatafiler försvårades, simuleringarna tog lång tid och resultatfilerna överskred dataminnets kapacitet. Detta belyser behovet av effektiva modeller.

Kunskapen från den här undersökningen leder till en ökad förståelse vad gäller dagens översvämningsproblematik. Desto viktigare, studien visar hur ett kustnära ledningssystem reagerar när det utsätts för havsnivåhöjningar i kombination med framtida regn. Resultaten från denna studie understryker behovet av en ny klimatanpassningsstrategi. I framtiden räcker det inte längre med att fokusera på uppströmslösningar anpassat för sommar och tidig höst, utan det bör kompletteras med nedströmslösningar för att ge ett bättre skydd mot översvämningar året runt.

• author: Laster Grip, Isabelle
• supervisor: Henrik Aspegren; Patrik Gliveson; Salar Haghighatafshar
• organization: Chemical Engineering (M.Sc.Eng.)
• course: VVAM05 20192
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: sea level rise, urban drainage system, climate change, hydrodynamic continuous modelling, adaptation, performance indicators, water and environmental engineering, vattenförsörjningsteknik, avloppsteknik
• language: English
• id: 9007100
• date added to LUP: 2020-05-14 11:12:46
• date last changed: 2020-05-14 11:12:46