Flow simulation in MIKE URBAN based on high-resolution X-band radar data

Abstract (Swedish)

Radar har använts sedan 1940-talet för att mäta och övervaka nederbörd. Under de senaste åren har X-bandradarn visat sig vara ett verktyg som kan förbättra indata till avrinningsmodellering inom urbana avrinningsområden. Detta tack vare sin höga upplösning i tid och rum jämfört med andra radarer som används vid nederbördsmätning. En X-bandradar med en tidslig upplösning på en minut och rumslig upplösning på 500 x 500 meter placerades i Dalby, 10 km öster om Lund, inom ramen för ett pilotprojekt lett av VA SYD och LTH under juli och augusti 2018. Även om juli 2018 visade sig vara en av Sveriges torraste julimånader, bjöd augusti på en handfull regntillfällen av varierande intensitet och varaktighet. I detta examensarbete användes dessa regndata som indata till en MIKE urban spillvattenmodell över Lund, utvecklad för en framtida realtidsstyrning och
-kontroll av inflödet till Källby reningsverk i södra Lund. Studiens mål var att dra slutsatser om huruvida X-band radardatan skulle kunna ge acceptabla flödesprognoser jämfört med uppmätta flöden under samma period. Som jämförelse kördes modellen även med regnmätardata. Resultaten visade att X-bandradadatan kan fånga flödestoppar som missas med regnmätardata på grund av regnets rumsliga utbredning; att kraftiga regn ovanför själva radarn kan försvaga strålen tillräckligt mycket för att radarn ska underskatta nederbördsmängden och att efter lågintensiva regnhändelser simuleras flödestopparna för tidigt med radardata jämfört med uppmätt mätserie. En annan observation var att biasjustering av radardatan behövs. Generellt kan studiens resultat sammanfattas med att radarn har potential att förbättra modelleringen och producera de data som behövs för en realtidsstyrning – om en passande biasjustering appliceras och risken för underskattade flöden efter kraftiga regn minimeras.

Abstract

Radar has been used since the 1940’s to measure and monitor precipitation. In recent years the X-band radar has emerged as a tool to improve the input data to rainfall-runoff modelling within Urban catchments thanks to its high spatial and temporal resolution compared to other radars used for precipitation measurements. An X-band radar with a temporal resolution of one minute and a spatial resolution of 500 by 500 meters was installed in a pilot project run by VA SYD and LTH, ten kilometres east of Lund in the southernmost Sweden during July and August 2018. Although July 2018 proved to be one of the driest in Swedish history, August offered a handful of rain events of various intensity and duration. In this master thesis project these data were used as input data to a MIKE urban wastewater pipe system model over Lund, developed for a future real time monitoring and control of the inlet flow to Källby WWTP in southern Lund. The goal of the study was to conclude whether the X-band radar data could provide acceptable flow predictions compared to the measured values of the same period. As a reference, the model was also run with rain gauge data. The results showed that the X-band radar data can capture flow peaks that are missed by the rain gauge due to the spatial distribution of the rainfall, that dense rainfall above the radar itself may attenuate the signal enough to make the radar data largely underestimate the flow and that after low intensity rainfalls the radar data simulated flow peak occurs earlier than the measured. Another observation was that bias adjustment of the radar is needed. Overall, the radar has a potential to improve the modelling and to provide the data needed for real time smart control – if proper bias adjustment is obtained and the risk of underestimated flows after a heavy rain is minimized.

Popular Abstract (Swedish)

När fler vill bo i stan ökar belastningen på avloppssystemet. Kommer det dessutom regnvatten ner i rören som leder till reningsverket ökar risken för att smutsigt vatten med avföring svämmar över källare eller måste släppas ut orenat i åar och sjöar när rören blir fulla. För att minska risken för detta har VA SYD och Lunds universitet genomfört ett projekt med en radar som ger detaljerad information om regnväder. Nu har den här informationen testats för att simulera – gissa – hur mycket vatten som kommer till reningsverket i Lund när det regnar. Resultaten visar att tekniken har potential, men att det krävs mer än bara plug and play om radarn ska vara tillförlitlig.
Tekniken är beprövad i Danmark, men i Sverige är det första gången som en så kallad X-bandradar används för att simulera hur mycket extra vatten som kommer till reningsverket efter att det regnat. Projektet inleddes med en testperiod under juli och augusti 2018. Trots att juli visade sig vara den torraste i mannaminne – mindre än 3 % av de normala 70 mm regn föll över Lund – bjöd augusti på mer regn än normalt (ca 90 mm jämfört med 65 mm) och det är information från de här regnen som använts. För att utföra simuleringarna användes en datormodell över Lunds avloppsnät, utvecklad i projektet Future City Flow, som också jobbar mot målet att minska riskerna när mycket regn kommer ner i ledningarna till reningsverket. Modellen innehåller bland annat information om de markytor och byggnader som leder vatten ner i rören och om själva rörsystemet.
Regninformationen matades in i modellprogrammet, som räknade ut hur mycket vatten som kom vid vilken tidpunkt till reningsverket. När de här beräknade vattenflödena jämfördes med uppmätta, riktiga flöden för samma tid visade det sig att de beräknade resultaten delvis matchade verkligheten men inte var helt tillförlitliga. Felen kan delvis kan bero på att modellen inte var en exakt spegling av verkligheten, men till största delen berodde det på att regninformationen från radarn höll ojämn kvalitet. Det upptäcktes att i stora delar av centrala Lund visades det för lite regn, eftersom radarsignalen stördes här. Detta var områden med relativt stora bidrag till regnvatten i rören till reningsverket. Vid ett annat tillfälle var regnfallet så kraftigt att radarsignalen inte nådde fram över Lund. Radarn var placerad ungefär en mil österut, men under regnets mest intensiva halvtimme nådde signalen bara drygt fem kilometer.
Resultaten visade också att radarn har potential att bidra med viktig information till modellen. Kraftiga regn kan vara väldigt lokala. Regnar det inte just där regnmätaren står, finns det ingen information om regnfallet. Till skillnad från en regnmätare kan radarn mäta regn i hela det område som den täcker in. Vid ett par tillfällen gissade modellen mer rätt med regninformation från radarn än från en regnmätare, just eftersom regnet inte träffat regnmätaren men kunnat upptäckas av radarn. En nackdel med radarns regninformation var dock att den var svårtillgänglig. Den behövde bearbetas innan den kunde köras i modellen, och det tog flera timmar att förbereda.
De viktigaste erfarenheterna från den här studien kan sammanfattas i att det med en X-bandradar går att göra bättre gissningar av hur mycket regnvatten som rinner till reningsverket jämfört med en regnmätare. Det går dock inte att köpa en sådan radar och sedan köra plug and play. Det måste vara enkelt att få tillgång till informationen från radarn, annars försvinner en stor del av nyttan. Innan det sedan går att lita på vad radarn säger måste störningar som försämrar informationen tas bort, och det måste gå att ”köra över” felaktig information om signalen försvagas vid kraftiga regn. När de här svaga punkterna förbättrats kan den här radarn vara ett viktigt verktyg för att minska miljö- och hälsoriskerna genom att bidra med detaljerad information om när, var och hur det regnar.

• author: Olsson, Lisa
• supervisor: Magnus Persson
• organization: Division of Water Resources Engineering
• course: VVRM05 20191
• year: 2019
• type: H2 - Master's Degree (Two Years)
• subject: Technology and Engineering
• keywords: X-band radar, MIKE URBAN, modelling, rainfall-runoff, online control
• publication/series: TVVR19/5005
• report number: 19/5005
• ISSN: 1101-9824
• language: English
• additional info: Examinor: Rolf Larsson
• id: 8988090
• date added to LUP: 2019-06-26 18:44:27
• date last changed: 2019-06-26 18:44:27