Developing and testing of a distributed, process-based hydrological model for urban environments

Abstract

Climate change and urbanization are megatrends affecting both natural areas and human infrastructure worldwide. While adaption measures are implemented all over the Europe, more people remain vulnerable especially due to urban heat island effect and flooding. Distributed process-based hydrological models are powerful tools for managing and planning climate change adaption measures in urban environments. However, connections between the urban and natural areas are complex and the current generation of models often simplify interactions between the governing processes. In addition, application of the models is cumbersome due to the detailed land use and soils in the urban mosaic.

The objective of this thesis was to test an automated open-source modelling pipeline developed around STYX. STYX is a distributed, physics-based hydrological model and its key strengths are the interacting descriptions of 1d pipe, 2d surface, 3d subsurface flows along with a more detailed approach to simulate evapotranspiration. The model was applied to the Vallikallio catchment in Espoo, a residential area with a subsurface stormwater network. The STYX model pipeline was used to generate the model and run the simulations utilizing mainly open data. The model was automatically calibrated by comparing the stormwater outflow results to data. The model performance was assessed by comparing the simulated stormwater results to both existing data and results simulated with a pre-existing calibrated SWMM parametrization of the same catchment.

STYX was successfully applied to the catchment and the STYX model pipeline was able to automate the process. The STYX discharge outputs where somewhat smaller than results simulated by SWMM but comparable. During the calibration and validation periods, the modelled cumulative stormwater outflow of STYX was 9-10% smaller than the SWMM comparison. In the future, STYX can be utilized in building-scale hydrological modelling to assess effects of land-use and climate changes and mitigation approaches done with nature-based solutions in urban environments.

Ilmastonmuutos ja kaupungistuminen ovat megatrendejä, jotka vaikuttavat maailmanlaajuisesti sekä luonnontilaisiin alueisiin että rakennettuun ympäristöön. Vaikka sopeutumistoimenpiteitä toteutetaan kaikkialla Euroopassa, yhä useampi ihminen on haavoittuvassa asemassa erityisesti kaupunkien lämpösaarekeilmiön ja tulvien vuoksi. Prosessipohjaiset hajautetut hydrologiset mallit ovat tehokkaita työkaluja ilmastonmuutoksen sopeutumistoimenpiteiden arviointiin ja suunnitteluun. Kaupunkien ja luonnontilaisten alueiden väliset yhteydet ovat kuitenkin monimutkaisia, ja nykyiset mallit yksinkertaistavat usein pääprosessien välisiä vuorovaikutuksia. Lisäksi mallien soveltaminen on hankalaa kaupunkimosaiikissa olevan yksityiskohtaisen maankäytön ja vaihtelevan maaperän vuoksi.

Tutkimuksen tavoitteena oli testata automatisoitua avoimen lähdekoodin mallin-nusjärjestelmää, joka on kehitetty STYX-mallin ympärille. STYX on hajautettu, fysiikkapohjainen hydrologinen malli, jonka keskeiset osa-alueet ovat putkivirtauksen, pintavirtauksen ja maaperässä tapahtuvan virtauksen kuvaukset. Mallissa on tavanomaista yksityiskohtaisempi lähestymistapa haihdunnan ja kasvien vedenkulutuksen kuvakseen. Mallia sovellettiin Vallikallion valuma-alueelle, joka on hulevesiviemäröity asuinalue Espoossa. STYX-järjestelmää käytettiin mallin luomiseen ja simulointien suorittamiseen pääasiassa avoimen datan avulla. Mallin suorituskykyä arvioitiin vertaamalla simuloituja hulevesituloksia sekä olemassa olevaan dataan että samaa valuma-aluetta kuvaavan SWMM:n simuloituihin tuloksiin.

Työssä automatisoitua STYX-järjestelmää sovellettiin onnistuneesti tutkimusalueeseen ja mallin toimintaa parannettiin etenkin putkivirtauksen osalta. STYX-mallin tuottamat hulevesivirtaamat olivat hieman pienempiä kuin SWMM-mallin tulokset (9-10 %), mutta vertailukelpoisia. Tulevaisuudessa STYX-mallia voidaan hyödyntää rakennusmittakaavan hydrologisessa mallinnuksessa maankäytön ja ilmastonmuutoksen sekä luontopohjaisilla ratkaisuilla tehtäviä parannustoimenpiteiden vaikutuksien arvioimiseen kaupunkiympäristöissä.