Radar-gebaseerde fijnschalige neerslagschatting en -voorspelling voor stedelijk hydrologische toepassingen

De aandacht voor stedelijke overstromingen is wereldwijd in sterke opmars vanwege de sociaaleconomische impact. De groeiende verstedelijking en de klimaatverandering vergroten het risico op dergelijke overstromingen, wat een aangepast beheer ervan noodzaakt. Naast het verbeteren van de infrastructuur en andere structurele maatregelen, is het nuttig om burgers tijdig te informeren over eventueel aankomende overstromingen, zodat zij voorzorgsmaatregelen kunnen nemen.

Het voorspellen van stedelijke overstromingen is echter een uiterst moeilijke opdracht, gezien het lokale karakter van extreme neerslag, de moeilijke voorspelbaarheid ervan en de hoge complexiteit van het stedelijk waterafvoergebeuren. Het voorspellen van stedelijke overstromingen gaat daardoor gepaard met grote onzekerheden. Daarom wordt aanbevolen om de onzekerheden betrokken bij de voorspelling expliciet te begroten en in rekening te brengen bij de voorspelling. Dit gebeurt typisch via probabilistische methodes. Traditionele methodes maken gebruik van probabilistische neerslagvoorspellingen gecombineerd met de simulatie van die voorspellingen in deterministische stedelijke neerslagafvoermodellen. Zulke aanpak heeft echter het nadeel dat ze zeer rekenintensief is. Bovendien houdt ze geen rekening met de onzekerheden betrokken bij de neerslagafvoermodellering en de onzekere invloedfactoren zoals verstoppingen en andere storingen aan de rioleringsinfrastructuur. Deze thesis heeft tot doel om tegemoet te komen aan deze tekortkomingen via de ontwikkeling van een alternatieve aanpak.

Omdat lokale, extreme regenbuien de drijvende kracht vormen achter het fenomeen van stedelijke overstromingen, is het eerste doel van deze thesis erop gericht om een betere strategie te bekomen voor het meten en schatten van lokale neerslagintensiteiten. Hiertoe werd het gebruik van een geavanceerde X-band polarimetrische radar getest voor een pilootstudie in de stad Gent, België. Neerslagschattingen o.b.v. de X-band radarmetingen werden vergeleken deze o.b.v. andere bestaande radartechnologieën en -technieken. De impactstudie toonde aan dat de polarimetrische meting de kwantitatieve neerslagschatting significant kan verbeteren. Ze toonde ook aan dat de huidige spatiale en temporele resoluties (1 km / 5 min) van het operationele netwerk van C-band radars van het Koninklijk Meteorologisch Instituut van België (KMI) voldoende zijn voor het modelleren van stedelijke overstromingen. Het gebruik van de polarimetrische X-band radar wordt aanbevolen als aanvulling bij het huidige C-band radarnetwerk op locaties waar de dekking onvoldoende of minder goed is en in de grote steden.

Het tweede doel van deze thesis is het verbeteren of uitbreiden van de huidige stedelijke overstromingsmodellen om een snelle inschatting van de voorkomingskans op stedelijke overstromingen mogelijk te maken. Hiertoe werd een nieuwe hybride modelleringsaanpak ontwikkeld. Ze maakt gebruik van snelle surrogaatmodellen gekalibreerd aan de bestaande gedetailleerde volledig hydrodynamische rioleringsmodellen. De nieuwe methode werd getest in twee gevalstudies, in Antwerpen en Gent, België. De resultaten tonen aan dat het model toelaat om probabilistische overstromingsvoorspellingen te bekomen op de schaal van individuele locaties (mangatlocaties) met een bevredigende efficiëntie en nauwkeurigheid. De methode werd daarna verder uitgebreid om ook op de grotere schaal van stedelijke wijken of deelgebieden probabilistische overstromingsvoorspellingen te kunnen maken. Deze laatste uitbreiding werd getest voor twee deelgebieden van Antwerpen. Het bijkomend gebruik van overstromingsgegevens afkomstig via sociale en andere media bleek hierbij zeer nuttig. Ook het inrekenen van de invloed van afwaartse randvoorwaarden, zoals rivierwaterstanden, bleek de nauwkeurigheid van de voorspellingen significant te verbeteren.

Op basis van de resultaten van de verschillende stappen van het onderzoek werden tenslotte aanbevelingen geformuleerd m.b.t. het strategisch opzetten van een stedelijk overstromingsvoorspellingssysteem. Essentieel hierbij zijn het verbeteren van de radarneerslagmetingen in regio’s waar extreme neerslag en overstromingen grote socioeconomische gevolgen kennen en het opzetten van een modelleringssysteem dat tegemoet komt aan de noden inzake overstromingsvoorspelling en voorwaarschuwing op de verschillende betrokken schaalniveau’s.