SWIM

Flom som følge av ekstremvær, både nasjonalt og internasjonalt, forårsaker betydelige skader på infrastruktur, med store forventede forsikringsutbetalinger. Uværet Hans i 2023 fungerte som en påminnelse om at Norge ikke er immune mot naturkreftene. Framtidige utfordringer med mer ekstremvær understreker viktigheten av flomsikring og tilhørende prediktive simulatorer for oversvømmelser og overvann, både fra intens styrtregn og flom.

Hva er SWIM?

SWIM består av en samling algoritmer for å identifisere grensene for vannskiller og gi en bedre forståelse av hvordan vann samler seg opp og beveger seg gjennom landskapet.  Dette er verdifullt for ulike formål, som forvaltning av vannressurser, modellering av flom og miljøplanlegging.

Våre algoritmer stammer fra arbeid med CO₂ lagring og baserer seg på en antagelse om infinitesimal flyt. Disse såkalte spillpunktanalysene ble senere modifisert for å kunne modellere oversvømmelse i urbane strøk i samarbeid med oppstartsselskapet Spacemaker. Liknende tilnærmingsmetoder finnes også i andre kommersielle produkter. Våre algoritmer har imidlertid noe unik funksjonalitet som forenklede infiltrasjonsmodeller (både permeable og impermeable flater) og beregning av tidsserier som viser hvordan vannet akkumuleres over tid. 

En spillpunktanalyse er svært lite regnekrevende sammenlignet med verktøy basert på numerisk simulering. Dette gjør det lett å jobbe interaktivt og teste ut ulike scenarioer og tiltak.

Programvaren er per i dag ikke åpent tilgjengelig, men vi planlegger å publisere den som åpen kildekode i løpet av første kvartal i 2024. Dette vil gi et fleksibelt utgangspunkt å bygge videre på. 

Hva med dynamisk modellering?

En fullstendig analyse krever ideelt en kombinasjon av statiske og dynamiske verktøy som samvirker. I samarbeid med National Center for Computational Hydroscience and Engineering, Mississippi, har vi tidligere utviklet en GPU-simulator for dynamisk modellering av flom og overflatevann basert på  grunntvannsligningene, se f.eks [1,2,3]. For tiden holder vi på å modernisere og reimplementere denne.  Målet er å publisere den nye koden, under navnet SWAMP, og integrere den med SWIM i løpet av 2024.

Funksjonalitet

• Statisk overflatemodell
  • Beregning av nedslagsfelt, vannveier og hierarkiske nettverk av midlertidige bekker.
  • Opphopningsområder for vann, topologisk nettverk av dammer og hvordan de gror sammen.
  • Permanente vannvolum som elver, sjøer og hav.
• Tidsserier
  • Terrengrespons på nedbørshendelser over tid
  • Ruting av vann etter hvert som dammer flyter over.

• Terrengegenskaper og infrastruktur

  • Tar hensyn til bygninger, hindringer, drenering og tiltak
  • Forenklet infiltreringsmodell som støtter både permeable og impermeable flater.

Koden er skrevet i Julia og er skrevet for å hurtig prosessere store terrengutsnitt.

Eksempel

System av innsjøer og elver identifisert i vannskilleanalysen.

Innfangingsområder for ulike feller i terrenget.

Dokumentasjon og kildekode

Kildekoden er tilgjengelig på prosjektets GitHub-sider.  Detaljert dokumentasjon ligger også online.

Referanser

1. AR Brodtkorb, ML Sætra, M Altinakar. Efficient shallow water simulations on GPUs: Implementation, visualization, verification, and validation. Computers & Fluids, 55, 1-12,  2012. DOI: 10.1016/j.compfluid.2011.10.012 
2. ML Sætra, AR Brodtkorb, KA Lie.  Efficient GPU-implementation of adaptive mesh refinement for the shallow-water equations. Journal of Scientific Computing, 63, 23–48, 2015. DOI: 10.1007/s10915-014-9883-4
3. ML Sætra. Shallow water simulation on graphics hardware. PhD thesis. University of Oslo, June 2014