Bällstaåmodellen

Bakgrund

Bällstaån rinner genom Järfälla, Stockholm och Sundbyberg, ån är drygt 10 km lång. En stor del av avrinningsområdet, som även innefattar Solna, är exploaterat med hårdgjorda ytor. Det medför en relativt snabb och kraftig dagvattenbelastning på ån vid regn, vilket kan leda till översvämningar. De exploaterade ytorna utgörs av bostads- och industriområden, före detta flygfält och större trafikleder som Europavägar och järnvägar. Avrinningen från dessa ytor medför att Bällstaån har betydande problem med vattenkvaliteten, läs mer här.

2007 byggdes en hydrologisk modell upp för Bällstaån av DHI på uppdrag av dåvarande Stockholm Vatten, med syfte att beräkna kapacitet, översvämningsrisk och vattenkvalitet i ån. Syftet var även att översiktligt bedöma åtgärdsbehoven för att minska översvämningsrisker och förbättra vattenkvaliteten. På grund av utvecklingar i programvara för modellering och ett alltmer ökat fokus på översvämningsrisk har Stockholm Vatten och Avfall efterfrågat en modernisering av modellen. Detta har genomförts av DHI genom att konvertera tidigare modell till ett nytt, modernare format. Figuren nedan illustrerar ån och dess biflöden.

Översikt av Bällstaåns avrinningsområde med ingående vattendrag och kommuner.

Användningsområde

Den nya beräkningsmodellen för Bällstaån är anpassad för att modellera vattendjup, nivåer och flöden vid kraftiga regn. Modellen tar hänsyn till både det naturliga avrinningsområdets ytavrinning och det tekniska avrinningsområdet med sitt ledningsnät för dagvatten.

Ett exempel på användningsområde är vid höjdsättning av framtida bebyggelse. Utöver höjdsättning av ny bebyggelse kan modellen användas för att dimensionera nya ledningsnät, fördröjningsmagasin och andra dagvattenanläggningar, samt utgöra underlag till dagvattenutredningar.

Modellverktyg

För att beskriva vad som händer i och omkring Bällstaån när det regnar vill man modellera tre olika typer av flöden:

• Vatten som rinner i ån.
• Vatten som rinner till Bällstaån via dagvattennätet.
• Vatten som rinner på markytan antingen till ledningsnätet, direkt till Bällstaån eller som stannar i lokala lågpunkter.

För att kunna beskriva dessa komplexa processer har DHI nu uppdaterat den ursprungliga hydrauliska beräkningsmodellen för Bällstaån. Modellen sattes upp 2007 med modellverktygen MIKE Urban och MIKE SHE. En ny modellversion från 2017 har satts upp med MIKE Urban, MIKE 11 och MIKE 21 samt kopplats ihop med modellverktyget MIKE FLOOD. Figuren nedan samt efterföljande text beskriver syftet med de olika modellerna.

Uppbyggnad av ny modell för Bällstaån, syften med ingående delmodeller MIKE Urban, MIKE 11, MIKE 21 och MIKE FLOOD.

MIKE Urban
MIKE Urban är en modelleringsmjukvara som bland annat innefattar moduler för beräkning av avrinning vid nederbörd samt resulterande flöden och nivåer i ledningsnät och vattendrag. Detta modellsystem kan alltså användas för att beskriva både de hydrologiska och de hydrauliska egenskaperna för Bällstaåsystemet. I den nya modellversionen är det till stor del endast dagvattennätet som beskrivs i MIKE Urban, samt tillhörande avrinningsområden.

MIKE 11
MIKE 11 är en modelleringsmjukvara som är anpassad för hydrologisk och hydraulisk modellering av vattendrag. En fördel med MIKE 11 är att verktyget är bättre lämpat för att beskriva den översvämning som sker vid höga flöden i vattendrag. En lateral koppling till en markavrinningsmodell kan göras längs med vattendraget. Det medför en mer verklighetsbaserad beskrivning av flödesutbyte mellan vattendrag och markavrinningsmodell än vad som är möjligt med MIKE Urban. Det innebär att när ån svämmar över kan vatten rinna ut på markytan längs hela åfåran och omvänt.

MIKE 21
MIKE 21 är en modelleringsmjukvara som är anpassad för att simulera hydrodynamiska processer i två dimensioner, genom att beräkna avrinning på markytan. Vid beskrivning av översvämning från skyfall kan MIKE 21 bland annat ta hänsyn till rumsligt och tidsmässigt varierande regnintensitet, infiltrationskapacitet och markråhet.

MIKE FLOOD
MIKE FLOOD har använts för att dynamiskt koppla ihop MIKE Urban-, MIKE 11- och MIKE 21-modellerna, där själva kopplingarna beskrivs i MIKE FLOOD-modellen.

Beräkningsscenarion

Två versioner av modellen
Den nya uppdaterade modellen för Bällstaån har använts för att modellera ett antal olika scenarion. Två olika versioner av modellen har skapats, där den ena modellen visar nuläget och den andra visar ett framtidsscenario. Framtidsscenariot har tagits fram på grund av det stora antalet exploateringar i området, samt med hänsyn till de åtgärder som planeras för själva åfåran. I modellen har exploateringar som omfattar sammanlagt nästan 100 hektar i tillkommande hårdgjord yta lagts in, där Barkarbystaden utgör den största med 30 hektar.

Klimatfaktor
Framtida klimatförändringars effekt på översvämningsrisken har beaktats i modellen genom att skala upp regnintensiteten för de framtida regnen som används med en faktor 1,25 (motsvarande 25 % ökning), en så kallad klimatfaktor. På detta sätt beaktas den intensitetsökning för korttidsnederbörd som förväntas mot slutet av detta sekel enligt SMHI. Klimatfaktorn kan komma att förändras, i takt med att klimatmodellerna utvecklas.

Ledningsnät
Ledningsnätsmodellen har inte uppdaterats med avseende på framtida ledningsnät och magasin, då förutsättningarna för dessa samt påverkan på flöden i Bällstaån ansetts vara av ringa betydelse. Framtida strukturer i Bällstaån beskrivs i MIKE 11-modellen.

Dimensionerande regnhändelser
Beräkningar har gjorts för dimensionerande regn med återkomsttiderna 10, 30 och 100 år, med och utan klimatfaktor, samt med och utan hänsyn till framtida utbyggnad. Som nedre randvillkor vid Löfströmsbron i ån har en nivå på +1,4 m använts, vilket motsvarar den dimensionerande medelhögvattenytan i Mälaren. Dimensionerande regnhändelser bedöms inträffa under sommarperioden då naturmarksavrinningen är som lägst. Som startvillkor för naturmarksavrinningen antas därför en torrperiod följt av de initiala timmarna av respektive regn. Översvämningskartor som visar beräkningar med 100-årsregn, för de fyra olika scenarierna (se ovan), redovisas på webbplatsen Miljödataportalen.

Utöver beräkningarna ovan har modellen även använts för att studera andra typer av regnhändelser som motsvarar följande flöden i ån: 100-årsflöde, 200-årsflöde och BHF (Beräknat högsta flöde). Dessa beräkningar är gjorda på uppdrag av MSB.

Jämförelse med den tidigare modellen

Den modell som togs fram 2007 kalibrerades i nio mätpunkter jämt fördelade över Bällstaåns sträckning, baserat på flödesmätningar och inmätningar av tvärsektioner i vattendraget. Vid uppbyggnad av den nya modellen har man säkerställt att kalibreringen överförts och man har gjort jämförelser mellan de olika modellerna för att säkra kvalitén på den nya modellen.

Jämfört med tidigare modell visar de nya beräkningarna överlag en ökad översvämning inom avrinningsområdet vid intensiva regn, såsom ett framtida 100-årsregn. Detta beror främst på att ytavrinningen från grönytor i den nya modellen bedöms bli kraftigare. Orsaken är att markens infiltrationskapacitet är begränsad, och överskrids under regnets mest intensiva del.

Avrinningen från tidigare beräkningsmodeller baseras på historiska flödesmätningar av mindre intensiva regn, med ett systematiskt mindre bidrag från grönytor. Av samma anledning blir den relativa ökningen av översvämningar till följd av framtida exploatering mindre. Då ytavrinningen från grönytor vid ett framtida 100-årsregn blir kraftig, förvärras inte avrinningen från dessa ytor när de hårdgörs i modellen lika mycket som i tidigare beräkningar.

Osäkerheter i modellresultaten

Modeller ger endast en approximering av verkliga förhållanden, så också för Bällstaån. Modellen är anpassad för kortvarig (upp till 24 timmar), intensiv nederbörd, och för dessa fall bedöms också osäkerheterna vara mindre än för till exempel lågintensiv nederbörd. Följande modellkomponenter bedöms ge störst påverkan på beräknade flöden och nivåer, varför osäkerheter i dessa får speciellt stor effekt på modellens generella osäkerhet:

• Den stora bidragande ytavrinningen från grönytor i MIKE 21 påverkas av ansatt infiltrationskapacitet och magasinsstorlek. Framför allt gäller detta jordarterna lera och silt, samt till viss del berg, där egenskaper i eventuellt överliggande matjordslager är okända.

• Regnet belastar hela avrinningsområdet uniformt över tid. Detta kan innebära en överskattning i flödesberäkningen, i den mån att 100-årsregnet inte behöver sträcka sig över och belasta hela avrinningsområdet samtidigt. Det kan också innebära en underskattning jämfört med scenariot där ett 100-årsregn förflyttar sig i nedströms riktning, från nordväst till sydost. Detta bör medföra att höga flöden i uppströms delar av avrinningsområdet i större mån sammanfaller med lokala höga flöden i nedströms delar till följd av varierande rinntider.

• Upplösningen i MIKE 21 är 4 x 4 m (rutstorlek i terrängmodellen) vilket innebär att de flesta byggnader och vägar kan lösas upp och ges en tillräckligt god beskrivning för modellens användningsområden. För lokala utredningar är det viktigt att beakta begränsningar med denna upplösning, och hellre beskriva planerade diken och andra ytliga anläggningar i till exempel MIKE Urban-modellen. Upplösningen i samband med ansatt råhet för grönytor kan också ge en osäker beskrivning av rännilar och mindre flödesvägar som uppstår i naturmark.