Modellering av overvann og urban flom

Hva kan vi hjelpe deg med?

Kraftig nedbør kan føre til at vann samler seg i forsenkninger og finner nye veier gjennom bebygde områder. Terreng, bygninger og andre hindringer påvirker hvor vannet renner, mens infiltrasjon og drenering påvirker hvor mye som blir liggende på overflaten. Gode beregningsverktøy gjør det mulig å undersøke disse sammenhengene og vurdere konsekvensene av ulike tiltak.

Vi samarbeider med kommuner, rådgivere, utbyggere og teknologileverandører om å:

• Identifisere nedbørsfelt, flomveier og områder der vann kan samle seg.
• Analysere hvordan nedbør, infiltrasjon og endringer i terreng og bebyggelse påvirker overvannet.
• Utvikle raske verktøy for å sammenligne scenarioer og tiltak.
• Utvikle og tilpasse dynamiske modeller for strømning og oversvømmelse.
• Integrere beregningsmetoder i programvare for planlegging og beslutningsstøtte.

Ta kontakt med vår forskningsgruppe for Anvendt beregningsvitenskap for å diskutere en analyseoppgave, et utviklingsprosjekt eller behov for nye modeller og verktøy.

Raske terrenganalyser med SWIM

SWIM – Surface Water Integrated Modeling er vår åpne programvare for terrengbasert overvannsanalyse. Den identifiserer nedbørsfelt, avrenningsveier og forsenkninger, og beskriver hvordan områder med oppsamlet vann forbindes når vannet stiger og renner videre.

Metodene har lav beregningskostnad og egner seg til interaktiv utforsking av store terrengområder. De gjør det mulig å sammenligne alternativer og undersøke hvordan bygninger, hindringer, drenering og terrengtiltak påvirker vannets veier.

SWIM omfatter også forenklet infiltrasjon og beregning av hvordan vann samler seg og dreneres over tid under et nedbørsforløp. Disse beregningene bygger på terrenganalyse og vannbalanse. Når strømningshastigheter og raske endringer i vannstanden er avgjørende, trengs dynamiske strømningsmodeller.

Dynamisk simulering og samspill mellom modeller

Vi utvikler numeriske metoder for grundtvannsligningene, som beskriver hvordan vanndybde og strømning endrer seg over tid. Arbeidet omfatter effektive beregninger på grafikkprosessorer (GPU-er), håndtering av oversvømmelse og tørrlegging og tilpasning av beregningsnettet der det er behov for større detaljering.

Vi videreutvikler vår tidligere dambrudd- og flomsimulator i Julia og arbeider mot tettere samspill mellom terrenganalyse og dynamisk simulering. Raske analyser kan gi oversikt og identifisere områder som bør undersøkes nærmere, mens dynamiske modeller kan belyse selve flomforløpet. For kystområder har vi også erfaring med stormfloberegninger gjennom GPU Ocean.

Fra tidlig GPU-forskning til praktiske planleggingsverktøy

Arbeidet bygger på mer enn tjue års forskning på numeriske metoder for strømning. I 2003 begynte vi å undersøke hvordan grafikkort kunne brukes til å løse partielle differensialligninger. Grundtvannsligningene og dambrudd ga tidlige eksempler på hvordan raske beregninger kunne kombineres med visualisering.

Dette utviklet seg til et samarbeid med National Center for Computational Hydroscience and Engineering (NCCHE) ved University of Mississippi om GPU-akselerert simulering av dambruddsflom. Programvaren ble senere tilpasset urban flom og lisensiert til et britisk rådgivende ingeniørfirma. Samarbeidet ga erfaring med både metodeutvikling, verifikasjon og validering og overføring til praktisk bruk.

En annen utviklingslinje startet med algoritmer for å identifisere strukturelle feller for CO₂ i undergrunnen. Disse bygger på en direkte analogi med nedbørsfeltanalyse: Vann samler seg i forsenkninger og renner videre over utløpspunkter, mens CO₂ beveger seg oppover og fanges under forhøyninger i en tett takbergart.

Med dette som utgangspunkt, og med resultater fra Voldsunds masterarbeid fra 2017, videreutviklet vi algoritmene sammen med Spacemaker til analyse av overvann i byområder. Metodene ble integrert i selskapets planleggingsverktøy gjennom samarbeidet i OptiSite. Denne forskningslinjen er videreført i SWIM og viser hvordan de samme matematiske ideene kan brukes på tvers av anvendelsesområder.

Åpen programvare og videre utvikling

SWIM er skrevet i Julia og er tilgjengelig med åpen kildekode, dokumentasjon og eksempler. Programvaren gir et grunnlag for videreutvikling og integrasjon i andre verktøy.

Arbeidet videreføres blant annet gjennom SUrbArea, som utvikler og tester overvannsløsninger for bærekraftig byutvikling, og bygger også på utviklingen i SWAMP.

Publikasjoner og videre lesning

• Andersen (2025). Topography-based surface water modeling in Julia, with support for infiltration and temporal developments. Journal of Open Source Software.
• Sætra, Brodtkorb og Lie (2015). Efficient GPU-implementation of adaptive mesh refinement for the shallow-water equations. Journal of Scientific Computing.
• Sætra (2014). Shallow water simulation on graphics hardware. Doktoravhandling, Universitetet i Oslo.
• Brodtkorb, Sætra og Altinakar (2012). Efficient shallow water simulations on GPUs: Implementation, visualization, verification, and validation. Computers & Fluids.
• Hagen mfl. (2007). How to Solve Systems of Conservation Laws Numerically Using the Graphics Processor as a High-Performance Computational Engine.
• Gemini: Hindrer flom med kunnskap fra olje- og gassbransjen.
• Tekna: Kunstig intelligens kan løse overvannutfordringer.
• Tidlig demonstrasjon av sanntidssimulering av dambrudd, tsunamier og stormflo.