Bruk av historiske data og nedskalerte klimamodeller i planlegging og drift av urbane vannsystemer for fremtiden Metoder og eksempler fra EU-prosjektet BINGO Erle Kristvik Stipendiat Institutt for vann- og miljøteknikk NTNU
Bringing INnovation to ongoing Water Management Funded by Horizon 2020 Coordinated by LNEC - Portugal www.projectbingo.eu WP1 Coordination Providing practical knowledge and tools to end users, water managers and decisionmakers to better cope with all climate projections, including droughts and floods. WP3 Analysis of the water cycle WP2 Climate predictions and downscaling WP4 Impacts of extreme weather events Germany Wupper River Basin The Netherlands The Veluwe Norway Bergen BINGO Research Sites WP5 Risk treatment and adaptation strategies WP7 Dissemination and exploitation WP6 Excellence and actionable research Portugal Tagus Spain Badalona Cyprus Troodos Mountains The BINGO project has received funding from the European Union's Horizon 2020 Research and Innovation programme, under the Grant Agreement number 641739.
3
Overvannshåndtering for fremtiden 20% 10% (Lindholm, 2012) 4
Dimensjonering av rør Hva gjør vi i dag: Norsk klimaservicesenter: 40% påslag nedbørshendelser < 3t NOU anbefaler gjentaksintervall på 5,10,20 eller 50 avhengig av konsekvenser (20 i vanlig sentrumsbebyggelse) Hva skal vi gjøre i fremtiden? Ingen fasit på det, dessverre, men noen eksempler som peker ut en prioritering Vi har mye data som vi kan lære mye av med bedre analyse 5
Data Analysis Risvollan Station Stationary vs. Non-stationary FFA
Is Anthropogenic climate change significant enough to abandon stationary models for non-stationary flood frequency analysis models?
1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 2000 2001 2002 2003 2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013 2014 2015 DATA Analysis Minute Daily Monthly Annual Methods Applied Mann-Kendall Test F- Test T- Test Gurbbs Test 60 50 40 30 20 10 0 Feb.01 Feb. 02 Feb.03 Feb.04 Feb. 05 Feb. 06 Feb. 07 Feb. 08 Feb. 09 Feb. 10 Feb. 11 Feb.12 Feb.13 Feb. 14 Feb. 15 Feb.16 Feb. 17 Feb. 18 Feb. 19 Feb. 20 Feb. 21 Feb. 22 Feb. 23 Feb. 24 Feb. 25 Feb. 26 Feb. 27 Feb.28 Feb. 29 8
Precp. Data 1400 1200 1000 800 600 400 200 0 Annual Data Year Findings Coefficient of Variation (COV) 0.17 Mann-Kendall Statistics (S) 0 Confidence Factor (CF) 49.2% Status of Trend Stable
Month COV S CF Status of Trend January 0.74-25 68.1% NSS February 0.58-2 50.8% Stable March 0.67 34 74.1% NSS April 0.71 32 72.8% NSS May 0.36-82 94.5% Presumably Decreasing June 0.38 37 76.0% NSS July 0.50 30 71.5% NSS August 0.52 30 71.5% NSS September 0.70 65 89.6% NSS October 0.42-3 51.6% Stable November 0.78-6 53.9% Stable December 0.60-42 78.9% NSS NSS = Not statistical significant
1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 1988 1990 1992 1994 1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010 2012 2014 30,00 20,00 10,00 0,00 Maximum Precipitation for Different Durations 1 min 2 min 3 min 5 min 60,00 40,00 20,00 0,00 10 min 15 min 20 min 30 min 100,00 50,00 0,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 45 min 60 min 90 min 120 min 180 min 360 min 720 min 1440 min
Duration (min) COV S CF Status of Trend 1 0.44 26 68.8 % NNS 2 0.51 63 88.9 % NNS 3 0.55 77 93.3 % Presumably Increasing 5 0.52 79 93.8 % Presumably Increasing 10 0.47 74 92.5 % Presumably Increasing 15 0.44 64 89.2 % NNS 20 0.42 60 87.7 % NNS 30 0.41 56 86.0 % NNS 45 0.39 63 88.9 % NNS 60 0.39 81 94.3 % Presumably Increasing 90 0.34 80 94.0 % Presumably Increasing 120 0.3 72 91.9 % Presumably Increasing 180 0.27 92 96.4 % Increasing 360 0.26 109 98.4 % Increasing 720 0.35 80 94.0 % Presumably Increasing 1440 0.52 86 95.3 % Increasing NSS = Not statistical significant
Data Analysis Risvollan Station Stationary vs. Non-stationary FFA
15
16
Reconstruction of the Alna River flows Data Discharge (stations) Alna (2010 2015; Oslo VAV) Vestli (1984 2015; NVE) Precipitation (stations) 12 stations (inside Alna catchment) Mostly new (2014 2015) Vestli (1974 2014; met.no) High spatial variability Annual precipitation (09.2014 08.2015) 18
19
Reconstruction of the Alna River flows Hydrologic modelling (method) Inductive data-based mechanistic models a) Rainfall Runoff Q c P P P e e A t t 1 t 1 p t p 1 t 1 q t q b) Runoff Runoff Q A c Q V Q V Q V eˆ eˆ e t t 1 t 1 p p 1 t 1 q t q t where: t - time, P - precipitation, & - coefficients, q & p - orders (autoregressive & moving average components), & e - error terms, Q A - flow (Alna), Q V - flow (Vestli), Catchments Area (km 2 ) Elevation (m) Alna 64.29 30 438 Vestli 2.80 154 340 20
Reconstruction of the Alna River flows Hydrologic modelling (results) Overall evaluation a) Rainfall Runoff: 4182 models (Nash-Sutcliffe efficiency, NSE > 0.75) b) Runoff Runoff: Calibration (NSE > 0.832) Validation (NSE > 0.858) Flows of 2 nd Sept. 2015 21
22
Drivers in the system Hvordan kan en nedbørshendelse med mindre enn 20års gjentaksintervall resultere i en så stor flom? Ikke stasjonær tidsserie i flomserien Urbanisering! I slike tilfeller er flomveier viktige Exflood gresskledde swales, 23
Assessment of the capacity of the Culvert-Tunnel System The Kværnerbyen culvert-tunnel system Diverts Alna River from its natural course Length ~ 2331 m Steel lined tunnel (145 m) Buried culvert (446 m) Unlined blasted tunnel (1740 m) 24
B1 LT B2 C1 C2 C3 C4 C5 C6 C7 C8 C9 C10 C11 Assessment of the capacity of the Culvert-Tunnel System Modelling the culvert-tunnel system (results) Flow magnitudes that pressurize the culvert sections Culvert sections with limited capacity to carry the peak flow of 2 nd Sept. 2015 Runoff (m3/s) 40 45 50 65 82.2 92.9 101.5 25
Drivere i systemet Hvordan kan en nedbørshendelse med mindre enn 20års gjentaksintervall resultere i en så stor flom? Ikke stasjonær tidsserie i flomserien Urbanisering! I slike tilfeller er trygge flomveier viktige 26
Ekstreme hendelser trygge flomveier Hvilken informasjon trenger vi får å planlegge trygge flomveier? Nedskalerte klimamodeller? 27
Usikkerhet Type 1 Type 2 Type 3 Forklaring Usikkerhet knyttet til fremtidige utslipp Usikkerhet knyttet til utslippenes påvirkning på klimasystemet Usikkerhet knyttet til naturlig variasjon i klima Årsak Menneskelig atferd og beslutninger Epistemisk Epistemisk Løsning Bruk av scenarioer Modell ensemble: ulike modeller med ulike parameterinnstillinger Eksperiment ensemble: Ulike startbetingelser for modellen Ekström et al. 2015: An apppraisal of downscaling methods used in climate change research 28
Usikkerhet Fra utslipp til konsekvens: Lokalt klima 29
Usikkerhet (Wilby and Dessai, 2010) 30
Usikkerhet Usikkerhet GCM Nedskalering Konsekvens Økt usikkerhet Maurun, D. (2015). Uncertainty [Power Point Presentation]. http://indico.ictp.it/event/7585/session/2/contribution/10/material/slides/ 31
Usikkerhet Usikkerhet Antakelser GCM Nedskalering Konsekvens Økt usikkerhet Redusert usikkerhet Maurun, D. (2015). Uncertainty [Power Point Presentation]. http://indico.ictp.it/event/7585/session/2/contribution/10/material/slides/ 32
Ekstreme hendelser trygge flomveier Følger av ekstreme nedbørshendelser: - Helse, miljø, sikkerhet, kontinuitet i VA-tjenester, omdømme, økonomi for kommune og privatpersoner (forsikringer) Arbeid med risiko og beredskap Risiko = sannsynlighet «X» konsekvens 33
34 Risk management process (IS0 3100:2009)
Hvordan bruke klimaprojeksjoner Predict then act Robust decions Climate informed decisions Select strategies based on climate change impact studies Fully dependent on senarios Top-down approach Select strategies based on vulnerability assessment A robust adaptation functions acceptably well under all future scenarios and risks Bottom-up approach Link bottom-up vulnerability analyses with climate projections Use climate information for risk prioritaztion, rather than risk identification 35
Oppsummering Dimensjonering av flomveier for ekstremhendelser Dimensjonere rør for den daglige driften Risikoanayse (sansynlighet og konsekvens) viktig i valg av dimensjoneringsgrunnlag Sammenhengende flomveier, ikke bare ut av egen tomt/prosjekt 36
Tusen takk for oppmerksomheten! Spørsmål / innspill? Ta gjerne kontakt erle.kristvik@ntnu.com www.projectbingo.eu