Spatial Resolution and Parameterization of an Urban Hydrological Model : Requirements for the Evaluation of Low Impact Development Strategies at the City Scale

Abstract

The impacts of urbanization on the environment are widely acknowledged. Urban development implies the increase of impervious cover that is unable to provide hydrological functions of natural catchments, such as infiltration, evapotranspiration, and attenuation. Thus, increasing imperviousness alters the hydrological cycle, which is seen as increasing runoff volumes, larger runoff peak rates, and more severe pollutant loads. To mitigate these impacts, Low Impact Development (LID) tools have been developed. These aim to mimic hydrological processes of natural catchments reducing runoff and pollutant loads close to the source. Hydrological modelling is one option to evaluate the performance of LID strategies before implementation. However, such an assessment requires an explicit modelling strategy. Such a strategy implies the availability of detailed spatial data for model development and rainfall-runoff data at a sufficient temporal resolution for model calibration. Such data are often not available for larger urban catchments hampering the evaluation of LID strategies at the city-scale. This study presents a methodology for the parameterization of a hydrological model to a large urban catchment where the explicit simulation of various LID tools for urban stormwater management is supported. Several aspects of urban hydrological modelling were investigated under consideration of limited availability of data and with the focus to retain the possibility for explicit LID simulation. These aspects include (i) the implications of surface discretization approaches on simulation results, (ii) the impact of spatial resolution on simulated runoff,(iii) the impact of an automated DEM-based delineation approach on catchment properties and simulation results, and (iv) the parameterization of a large, ungauged catchment. Finally, a green roof model was parameterized to allow its implementation into a large scale urban catchment model. While both a coarser spatial resolution and a DEM-based delineation affect the simulation results, conducted simulations allowed the determination of a suitable threshold for the reduction in spatial resolution that can reasonably well replicate the dynamics of urban runoff. Results concerning the parameter inter-changeability show that the transfer of parameter values calibrated to monitored study catchments using a surface-type based surface discretization is a feasible way to parameterize large, urban catchments.

Kaupungistumisen ympäristövaikutukset ovat laajalti tiedossa. Kaupunkirakentaminen lisää vettä läpäisemättömän pinnan suhteellista osuutta, mikä näkyy alueen hydrologiassa pienentyneenä imeytymisenä ja haihduntana sekä lyhentyneenä sadannan ja valunnan välisenä viipeenä. Nämä muutokset johtavat suurempiin valunnan kokonaismääriin ja huippuvirtaamiin sekä kasvaviin ympäristökuormiin. Näiden haitallisten vaikutusten lieventämiseksi on kehitetty rakenneratkaisuja, jotka edistävät luonnollisemman vedenkierron säilyttämistä kaupunkialueilla (Low Impact Development, LID). Hydrologisia mallilaskelmia voidaan hyödyntää eri rakenneratkaisuvaihtoehtojen vaikuttavuuden arviointiin ennen toteutusta. Mallin tulee kuitenkin kyetä esittämään hulevesien hallintaan käytetyt rakenneratkaisut tarkasti omilla paikoillaan. Lisäksi tarvitaan tarkka kaupunkialueen pintojen ja kuivatusverkon paikkatieto sekä ajallisesti tiheä sadanta- ja valuntatieto mallin kalibroimiseen ja testaamiseen. Tällaista tietoa ei usein ole saatavilla suuremmille kaupunkivaluma-alueille, vaikeuttaen LID-tarkasteluja kokonaisten kaupunginosien mittakaavassa. Tutkimuksessa esitetään suuremmillekin kaupunkivaluma-alueille soveltuvia menetelmiä hydrologisen mallin parametrisointiin erilaisten LID-ratkaisujen toiminnan arvioimiseksi. Useita kaupunkihydrologiseen mallintamiseen liittyviä näkökulmia tarkasteltiin huomioiden rajoitukset datan saatavuudessa sekä tarve LID-ratkaisujen kuvaamiseen tarkasti omilla paikoillaan. Tarkastellut näkökulmat olivat: (i) kaupunkipintojen diskretointitavan vaikutus mallituloksiin, (ii) paikkakuvauksen resoluution vaikutus mallituloksiin, (iii) automaattisen digitaaliseen korkeusaineistoon (Digital Elevation Model, DEM) pohjautuvan osavaluma-alueiden tunnistamisen vaikutukset valuma-alueominaisuuksiin ja mallituloksiin sekä (iv) suuren kaupunkivaluma-alueen, jolta puuttuvat virtaamamittaukset, parametrisointi. Lopuksi parametrisoitiin viherkattojen hydrologista käyttäytymistä kuvaava malli sen liittämiseksi suuren kaupunkivaluma-alueen hydrologisen mallin osaksi. Sekä paikkakuvauksen resoluution että DEM:iin perustuvan valuma-aluerajauksen todettiin vaikuttavan mallituloksiin. Tulosten perusteella oli mahdollista tunnistaa paikkaresoluutiolle kynnysarvo, jota tiheämmän resoluution käyttö ei merkittävästi parantanut laskettujen kaupunkivaluntojen tarkkuutta. Parametrien keskinäistä vaihtokelpoisuutta koskevat tulokset osoittivat, että pienten tutkimusvaluma-alueiden eri kaupunkipinnoille määritettyjä parametriarvoja voidaan käyttää tuottamaan uskottavia laskennallisia valuntoja läheisille, suuremmille kaupunkialueille, joilta valuntamittaukset puuttuvat.