Hydraulic modelling of the vulnerability for compounding high sea levels and high river discharge on the Swedish coastline

Abstract

Coastal floodplains are at risk for combined high discharge and sea level events. Consequences when they occur can be several magnitudes greater than the impact from any isolated event. In this thesis the compounding of different river and coastal flood combinations at three case study sites were studied through the use of 1D/2D-hydraulic modelling software LISFLOOD- FP. The areas were; Henån, Ängelholm and Sundsvall. They have different physical conditions and were chosen to give an indication of the vulnerability to combined events at river mouths in Sweden. Results from the sites showed very few compounding effects. The exception occurred in a future scenario in Ängelholm where a combined 100-year sea level and 100-year discharge event resulted in a 14% increase of the inundation, compared to the corresponding isolated sea level event. The main conclusion drawn was that one factor is more important to the severity of a flooding at the coastal sites that were studied. Only when both the sea-level rise and the high discharge had significant consequences as isolated events was there a compounding effect when they occurred simultaneously. This is an important conclusion because it may facilitate future mapping of the vulnerability of the Swedish coastline to combined events.

Popular Abstract (Swedish)

Områden där floder mynnar ut i havet kan drabbas av kombinerade händelser av höga havsvattenstånd och höga flöden. När det sker kan konsekvenserna vara betydligt mer omfattande än vid isolerade händelser. För att förbereda samhällen för sådana händelser och undvika katastrofer när de sker är korrekt utfärdade hydrologiska varningar och hydrauliska kartläggningar av stor vikt.

Sveriges Meteorologiska och Hydrologiska Institut, SMHI, är i en övergångsperiod mellan två olika typer varningssystem. I det nuvarande systemet utfärdas varningar baserat på risk. Det innebär att en prognos för en (hög) flödes-händelse som förväntas återkomma en gång vartannat år leder till en klass 1 varning, en händelse som sker en gång vart 10:e år, leder till en klass 2 varning och ett flöde med 50 års återkomsttid leder till en klass 3 varning. Det är ett system som har lett till många onödiga varningar eftersom en ovanlig händelse inte alltid har någon konsekvens för människor och miljö. Därför kommer SMHI gå över till konsekvensbaserade varningar från och med 2021. För hydrologiska händelser kommer varningar att ges vid risk för översvämning och vid kritiskt låga vattenstånd. Konsekvenser vid kombinerade händelser av höga havsvattenstånd och höga flöden vid kustliggande flodmynningar kommer därför att utredas inför det nya varningssystemet.

I det här examensarbetet har kombinerade händelser undersökts vid tre fallstudieområden. Simuleringar av kombinationshändelser har gjorts i LISFLOOD-FP för att inleda arbetet med att hitta konsekvenser vid kombinerade händelser och identifiera problem och lösningar i den hydrauliska modelleringen. Områdena som valdes att studera var; Henån, Ängelholm och Sundsvall. De ligger i olika delar av Sverige och valdes för att representera olika typer av förutsättningar och problem i modellen, men också för att ge en indikation på hur känslig Sveriges kust är för kombinerade händelser. Ett särskilt intresse har också funnits att undersöka de utvalda områdena eftersom det har funnits misstankar om att det skulle finnas samtidiga konsekvenser, det vill säga konsekvenser relaterade till både högt havsvattenstånd och höga flöden, vid översvämningshändelser där.

LISFLOOD-FP har en kvadratisk cellstruktur och utgörs av en 1-dimensionell modell inbäddad i en 2-dimensionell domän, vilket ger korta simuleringstider och effektiv hantering av topografisk information. Verktyget kopplas med fördel med Arcgis eftersom indatan utgörs av rasterfiler. ”The shallow water equations” för 1- respektive 2-dimensioner, utnyttjas av modellen för att beräkna vattendjup och flödeshastigheter i modellområdet. I den beräkningsmodell som använts i den här studien har en förenklad version av ekvationerna använts där konvektiv acceleration negligeras. Det är en förenkling som ger betydligt snabbare simuleringar. Förenklingen kan dock leda till instabilitet. En situation där det finns risk för instabila körningar är vid höga gradienter och grunda vattendrag, som fanns i modellen för Henån i den här studien.

Scenarier har utformats genom att titta på historiska data av havsvattenstånd och matcha årsmaximum mot statistiska extremvärdesfördelningar för att ta ut återkomsttider. Återkomsttider för flöden har tagits från redan utförda beräkningar som gjorts baserat på simulerade flöden från den hydrologiska modellen HYPE. HYPE utvecklades på SMHI och har använts för att simulera dagliga flöden i alla avrinningsområden i Sverige. För att undersöka mer extrema scenarier lades framtida havsvattenståndshöjningar med subtraherad landhöjning till de historiska återkomsttiderna. Framtida flöden beräknades genom att ta hänsyn till förväntad ökning av tillrinning vid olika typer av händelser baserat på resultat från
klimatmodeller och hydrologiska modelleringar. RCP 8.5, det vill säga det mest extrema växthus-sceneriet som nämns i IPCC:s rapporter, antogs i de framtida nivåer som användes med ett perspektiv 100 år i framtiden.

Resultaten visade få samtidiga effekter vid de olika fallstudieområdena. I Ängelholm och Henån hade havsvattenståndet störst påverkan på översvämningshändelser och flöden hade i de flesta scenarier försumbar påverkan. Flödet hade däremot stor påverkan i Sundsvall där havsvattenståndet istället var försumbart. Kombinerade effekter var sällsynta. Undantaget uppstod i ett framtida scenario med havsvattenstånd och flöden med 100 års återkomsttid i Ängelholm. Simuleringar visade en ökning av översvämningen med 14% i den kombinerade händelsen jämfört med den motsvarande isolerade händelsen av framtida havsvattenstånd med återkomsttid på 100 år.

Den främsta slutsatsen som kunde dras från de simulerade resultaten var att en faktor, havsvattenståndet eller flödet, dominerade utfallet av en översvämningshändelse. Enbart när både havsvattenståndet och flödena gav konsekvenser som enskilda händelser uppstod en samtidig effekt vid en kombinerad händelse.

Det här är en viktig slutsats eftersom den kan förenkla det framtida arbetet med att kartlägga känsligheten för samtidiga händelser längsmed Sveriges kust. Mängden simuleringar som behöver utföras begränsas kraftigt om enbart en händelse i ett kombinerat scenario ger översvämning. De områden där kombinerade händelser ger konsekvenser kan sorteras ut baserat på kriterier som gör dem sannolikt känsliga för samtidiga effekter. Det skulle kunna vara att de;

1. Är känsliga för höga flöden
2. Har lågt liggande topografi
3. Har hög variation av havsvattenstånd.

De kustliggande flodmynningar som är kvar efter en sådan sortering kan sedan undersökas på samma sätt som områdena i den här studien för en kartera och kvantifiera konsekvenser vid kombinerade händelser längsmed hela Sveriges kust.

• author: Berk, Hannah
• supervisor: Magnus Persson
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVRM05 20192
• year: 2020
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Earth and Environmental Sciences
• keywords: Coastal floods, combined/compound flood events, fluvial floods, LISFLOOD-FP, hydraulic modelling
• publication/series: TVVR20/5007
• report number: 20/5007
• ISSN: 1101-9824
• language: English
• additional info: Examiner: Linus Zhang
• id: 9011787
• date added to LUP: 2020-06-02 09:15:56
• date last changed: 2020-06-02 12:29:16