Invloed van klimaatverandering op ontwerpparameters voor rioleringen en buffervoorzieningen

Transcriptie

1 Invloed van klimaatverandering op ontwerpparameters voor rioleringen en buffervoorzieningen Patrick Willems K.U.Leuven, Afdeling Hydraulica Kasteelpark Arenberg 40, BE-3001 Leuven Trefwoorden: Berging, klimaatverandering, ontwerpbuien, rioleringsontwerp In opdracht van de Afdeling Operationeel Waterbeheer van de Vlaamse Milieumaatschappij werden de hydrologische ontwerpwaarden uit de Vlaamse Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen geactualiseerd en geëxtrapoleerd in het licht van de klimaatverandering. Op basis van de huidige, beschikbare kennis over de toekomstige klimaatevoluties werd een inschatting gemaakt van de verandering in neerslagstatistieken en bijhorende ontwerpwaarden uit de code tot het jaar Ook de onzekerheden werden ingeschat. Inleiding In het licht van de huidige kennis rond de problematiek van de klimaatverandering werd de ontwerpneerslag voor het dimensioneren van rioleringsstelsels en buffervoorzieningen in Vlaanderen onder de loep genomen, en geëxtrapoleerd tot het jaar Er werd gebruik gemaakt van het voorbereidend onderzoek dat werd uitgevoerd in het kader van het project CCI-HYDR voor Federaal Wetenschapsbeleid (Ntegeka et al., 2008; Willems et al., 2009). Dat project handelt over de invloed van klimaatverandering op hydrologische extremen in België en wordt sinds 2006 uitgevoerd via een samenwerking tussen de Afdeling Hydraulica van de K.U. Leuven en het Koninklijk Meteorologisch Instituut van België (KMI). De resultaten van het project CCI-HYDR zijn eerder reeds vertaald naar klimaatscenario s die bruikbaar zijn voor hydrodynamische modelleringsstudies langs Vlaamse waterlopen (voor het Waterbouwkundig Laboratorium van de Vlaamse Overheid; Boukhris et al., 2008) en voor ecologische impactstudies (voor het Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek; Demarée et al., 2009; Baguis et al., 2009). In de studie voor de Vlaamse Milieumaatschappij (VMM) die hier wordt beschreven, werden de klimaatscenario s verder uitgebreid zodat ze bruikbaar worden voor rioleringstoepassingen en voor hydrologische toepassingen langs kleinschalige rivierbekkens. De nadruk lag hierbij op de opmaak van klimaatscenario s voor neerslagextremen bij zeer kleine tijdschalen (tot tien minuten). Dit vroeg om een neerschaling van de resultaten van klimaatmodellen van de dagtijdschaal naar de tijdschaal bij tien minuten. Recente historische trends in de Vlaamse neerslag werd eerder reeds gerapporteerd in Rioleringswetenschap (Willems et al., 2007). 15 Klimaatscenario s De klimaatscenario s zijn gebaseerd op simulatieresultaten met regionale klimaatmodellen voor België. Deze resultaten geven indicaties over de verandering in het klimaat ten gevolge van de toekomstige evoluties in de uitstoot van broeikasgassen. Schattingen in deze toekomstige uitstoot zijn gemaakt door de Intergouvernementele Werkgroep rond Klimaatverandering (IPCC, 2001, 2007). Ze zijn gebaseerd op toekomstverwachtingen van de evolutie van de wereldeconomie, van de bevolkingstoename, van het gebruik van materialen, van energiebronnen, enzovoort. Deze evolutie kan meer of minder duurzaam

2 verlopen, al dan niet sterk rekening houdend met ecologische aspecten, en meer mondiaal of meer regionaal georiënteerd. Als gevolg hiervan kunnen de concentraties van de broeikasgassen in de atmosfeer verder blijven toenemen tot het jaar 2100, met in het meest pessimistische scenario een verdrievoudiging van de CO2 uitstoot. Een ander scenario is dat deze eerst toenemen tot het midden van de volgende eeuw en daarna opnieuw dalen. Figuur 1 geeft aan welke invloed deze scenario s hebben op de wereldgemiddelde temperatuur; in de studie die hier wordt voorgesteld werden de IPCC klimaatscenario s A1, A1B, A2, B1 en B2 in rekening gebracht (Figuur 1). 16 Figuur 1. Invloed van verschillende IPCC-broeikasgasemissiescenario s op de wereldgemiddelde temperatuur (op basis van meer dan 20 mondiale klimaatmodellen) (IPCC, 2007). Figuur 2. Belgische gridlocaties van het DMI klimaatmodel met gridresolutie 25 km. In het project CCI-HYDR werden in het totaal 31 simulatieruns met twaalf verschillende gekoppelde mondiale regionale klimaatmodellen (bekomen in het Europese PRUDENCE-project) statistisch geanalyseerd. Ze werden aangevuld met alle simulatieruns met mondiale klimaatmodellen die beschikbaar zijn in de Archive van het vierde Assessment Report van het IPCC (IPCC, 2007). Voor de voorliggende studie

3 werden deze runs bovendien aangevuld met 17 zeer recente runs die het KNMI heeft bekomen met het nieuwste ECHAM5 Duitse mondiale klimaatmodel (telkens emissiescenario A1B). Naast het feit dat het om een zeer recent model gaat (gebruikt voor het vijfde Assessment Report van het IPCC en in het recente Europese project ESSENCE), hebben deze runs het voordeel dat zij afzonderlijke resultaten geven voor de convectieve en de niet-convectieve neerslag en continue tijdreeksresultaten op dagbasis voor de periode (volgens historische gegevens tot 2000, en volgens het A1B emissiescenario daarna), zodat de toekomstige klimaatevolutie meer continu kan worden afgeleid. 17 Figuur 3. Afhankelijkheid van de perturbatiefactor met de terugkeerperiode; voor dagneerslag in de zomer en simulaties met regionale klimaatmodellen (klimaat van tot ). Voor al deze simulatieruns werden de simulatieresultaten voor neerslag (inclusief extreme neerslag) statistisch verwerkt voor de specifieke Belgische regio. Figuur 2 toont een voorbeeld van de gridlocaties van het regionaal klimaatmodel van het Deens Meteorologisch Instituut (DMI) waarvoor simulatieresultaten beschikbaar zijn vanuit het PRUDENCE-project. De gridresolutie is in het geval van het DMI-model 25 km. Hier werden de resultaten geanalyseerd voor de gridlocatie dichtst bij het hoofdmeteorologisch station van het KMI te Ukkel (Figuur 2). Eén van de onderzoekstaken was immers het vergelijken van de consistentie van de simulatieresultaten van de klimaatmodellen voor het huidige en recente klimaat met de historische metingen te Ukkel. De resultaten van de mondiale en regionale klimaatmodelruns werden statistisch geanalyseerd. Perturbatiefactoren werden afgeleid die de verandering voorstellen in neerslagkwantielen van de controleperiode (referentieperiode in het recente verleden) tot de scenarioperiode (periode in de toekomst, deze gaat maximaal tot 2100). Aangezien de voorspellingen met de klimaatmodellen onderhevig zijn aan grote onzekerheden, zijn de perturbatiefactoren afgeleid voor een hoog-, midden-, en laag-klimaatveranderingsscenario (hierna kort klimaatscenario genoemd). Het midden-scenario laat toe om een beste schatting te bekomen, terwijl de vergelijking met het hoog- en laag-scenario het mogelijk maakt om een inschatting te bekomen van de onzekerheid in de toekomstige klimaatverandering. Deze onzekerheid is het gevolg van onzekerheden in de toekomstige uitstoot aan broeikasgassen (is ingerekend door verschillende broeikasgasemissiescena-

4 18 rio s in rekening te brengen) en de onzekerheden in de resultaten van de klimaatmodellen (dus de onzekerheden in de impact van de emissiescenario s op de verandering van het klimaat). Bovendien is er een bijkomende onzekerheid in de neerschaling van de klimaatmodelresultaten, zoals verder beschreven. De klimaatverandering werd afgeleid voor elke maand afzonderlijk, en voor zowel de gemiddelde seizoenscondities als voor de uitzonderlijke neerslaggebeurtenissen (de neerslagextremen). De neerslagextremen stellen alle neerslagkwantielen voor met een terugkeerperiode groter dan 0.1 jaar (d.i. met een voorkomingsfrequentie kleiner dan tien keer per jaar). De afhankelijkheid met de terugkeerperiode werd onderzocht alsook de afhankelijkheid met de tijdschaal (dag-, week-, maand- en seizoensschaal). Er is rekening gehouden met de vaststelling dat in de zomerperiode de kleine regenbuien sterk in aantal verminderen (het verklaart de daling van de maand- en seizoensgemiddelde neerslagvolumes), maar dat de extreme regenbuien in intensiteit kunnen toenemen (Figuur 3). Statistische neerschaling Perturbatiemethode De mondiale en regionale klimaatmodelruns geven resultaten op een kleinste tijdschaal van één dag. Voor rioleringstoepassingen en kleinschalige hydrologische impactstudies zijn echter tijdschalen van tien minuten nodig. Daarom moeten de resultaten van de klimaatmodellen in de tijd neergeschaald worden. Twee soorten methoden werden hiervoor toegepast en geëvalueerd. Een eerste reeks methoden maakt gebruik van de hierboven gedefinieerde perturbatiefactoren. Verschillende neerschalingen tot de tijdschaal van tien minuten werden geïmplementeerd en geëvalueerd. Een eerste methode bestaat in de (meest eenvoudige) veronderstelling dat de perturbatiefactoren voor de neerslagintensiteiten tijdens de natte dagen identiek zijn voor alle tijdschalen van één dag of minder. Op basis van deze methode werd een zogenaamde perturbatietool ontwikkeld, d.i. een computeralgoritme dat toelaat om aangepaste neerslagreeksen aan te maken volgens de hoog-, midden- en laag-klimaatscenario s. De aanpassingen gebeuren op basis van de afgeleide perturbatiefactoren en dit afzonderlijk per maand, en afhankelijk van de terugkeerperiode. Hiertoe werden per maand de dagneerslagwaarden in de controle- en scenarioruns van het klimaatmodel gerangschikt van groot naar klein, op basis van het rangschikkingsnummer de Figuur 4. Vergelijking in extreme dagneerslag tussen de 17 runs van het ECHAM5-model en de waarnemingen te Ukkel voor de zomermaanden juni, juli en augustus (periode ).

5 empirische overschijdingsfrequentie bepaald, en voor elke overschrijdingsfrequentie (of terugkeerperiode) de perturbatiefactor bepaald als de verhouding van de neerslagkwantielwaarde uit de scenariorun over de neerslagkwantielwaarde uit de controlrun. Een historische neerslagreeks kan dan aangepast worden door overeenkomstig per maand de overschrijdingsfrequentie of terugkeerperiode te bepalen van elke neerslagdag en in functie van deze terugkeerperiode de perturbatiefactoren toe te passen. Dit werd doorgevoerd voor de langst beschikbare tien minuten neerslagreeks in België: deze van het KMI te Ukkel (Demarée et al., 1998), voor een totale periode van 100 jaar: In geval van dagen met dezelfde neerslagkwantiel (bijvoorbeeld alle droge dagen) werd de perturbatiefactor volledig willekeurig gekozen (uit de set van kwantielen in de klimaatmodelruns die dezelfde terugkeerperiode hebben). Naast deze willekeurige methode werd ook aan aantal meer geavanceerde methoden uitgetest, waarbij voor dagen met eenzelfde neerslagkwantiel de perturbatiefactor niet willekeurig wordt gekozen, maar op basis van voorafgaandelijke en navolgende droogweerperioden. Een andere methode maakte gebruik van de veronderstelling dat dagen die eenzelfde dagneerslag hebben, maar een hogere tien-minutenpiekintensiteit een hogere perturbatiefactor kennen. Al deze neerschalingsmethoden maken rechtstreeks gebruik van de neerslagresultaten van de klimaatmodellen. Voor convectieve zomerneerslag is het echter bekend dat deze resultaten niet zo nauwkeurig zijn, omwille van de schaal en de schematisatie van de atmosferische processen. Dit werd in de studie bevestigd op basis van runs met het ECHAM5-klimaatmodel (Willems, 2009); zie de onderschatting in dagneerslag voor terugkeerperioden groter dan één jaar in Figuur 4. Weather-typing Omwille van de beperkte nauwkeurigheid van de neerslagresultaten van de klimaatmodellen is een tweede set van neerschalingsmethoden (op basis van weather typing ) toegepast en getest. Ze maken geen gebruik van de neerslagresultaten van de klimaatmodellen, maar van de resultaten van luchtdruk, (atmosferische circulatie) en temperatuur. Deze laatste variabelen zijn immers een grootteorde nauwkeuriger in vergelijking met neerslag. De tweede set methoden maakt ook geen veronderstellingen a priori over de neerschaling (bijvoorbeeld dat de perturbatiefactoren voor de dagschaal en de tijdschaal van tien minuten gelijk zijn), en laat bovendien toe om beter met de ruimtelijke schaling rekening te houden. Men tracht bij weather typing de kleinschalige neerslagwaarde (de zogenaamde predictant ) te voorspellen door een gelijkaardige klimaat- of predictorconditie te vinden in het verleden en de bijhorende waarde voor de predictant te kopiëren. Meestal wordt een classificatie van atmosferische circulatiepatronen met drukwaarden over een groot gebied als predictor genomen, omdat deze data meestal goed beschikbaar zijn en de klimaatmodellen deze circulatiepatronen over het algemeen relatief goed beschrijven. Voor België en Nederland is het meest logisch om deze te baseren op het Noord-Atlantische gebied (bijvoorbeeld tussen 15 westerlengte en 25 oosterlengte; en tussen 35 en 65 noorderbreedte). Bovendien zijn in andere Europese landen reeds verbanden aangetoond tussen deze classificatie en neerslag (weliswaar nog nergens specifiek gefocust op lokale convectieve zomerneerslag of op neerslagtijdschalen kleiner dan 12 of 6 uur). 19 In deze studie werd gebruik gemaakt van de Jenkinson-Collison-methode (Demuzere, 2009) om per dag het atmosferisch circulatiepatroon boven België en het omliggende Noord-Atlantische gebied te klasseren uitgaande van een totaal van 28 verschillende ciculatiepatronen (ook weerstypen genoemd). De classificatie is gebaseerd op de dagelijkse drukpatronen op het middaguur uit de ERA40-dataset met historische klimatologische data (Demuzere, 2009). De benaming van deze weerstypen (zie Figuur 5) verwijst naar de windrichting en het al dan niet cyclonische (C) of anticyclonische (A) karakter van het circulatiepatroon. ANE bijvoorbeeld verwijst naar een anticyclonisch patroon met windrichting noord-oost (NE). Figuur 5 geeft aan dat zowel het aantal natte dagen als de gemiddelde neerslagintensiteit per natte dag duidelijk afhankelijk is van het weerstype. In Figuur 5 blijkt dat alle negen anticyclonische patronen een beduidend lagere neerslag vertonen dan

6 20 Figuur 5. Proportie aan natte dagen (boven) en gemiddelde dagneerslag op natte dagen (onder) voor elk van de 28 weerstypen voor Ukkel, voor de wintermaanden (ONDJFM) en de zomermaanden (AMJJAS) op basis van de periode gemiddeld voor alle weerstypen en dat in tegenstelling hiermee de negen cyclonische patronen per dag een hogere neerslag voortbrengen. Dit stemt uiteraard overeen met de ervaring, i.e. een hogedrukgebied zorgt voor mooi weer met meer droge dagen en een depressie brengt precipitatie teweeg. Er blijkt bovendien een duidelijke trend te zijn binnen elk van de drie grote categorieën van weerstypen naargelang de windrichting. Westen- en noordenwinden geven hogere neerslagwaarden, terwijl oosten- en zuidwinden overeen komen met gemiddeld lagere dagneerslagwaarden. SW, W, NW en C zijn de meest natte weerstypen. De frequentie aan natte dagen per weerstype varieert hierbij sterker dan de gemiddelde neerslagwaarde op een natte dag. Een natte dag werd hierbij gedefinieerd als een dag met minstens 0,3mm neerslag. De analyse per seizoen bevestigt dat de zomerperiode de minst frequente maar wel de meest hevige regendagen heeft. Gelijkaardige resultaten werden bekomen wanneer de analyse werd herhaald op basis van enkel de dagen met meest extreme neerslagintensiteiten. De variaties werden er wel door versterkt: de patronen met hoge neerslagfrequenties krijgen een nog grotere neerslagfrequentie, de patronen met lage neerslagfrequenties krijgen een nog lagere neerslagfrequentie. Het weerstype U krijgt hierbij een grote voorkomingsfrequentie, wat wil zeggen dat de meest extreme neerslagdagen heel vaak het gevolg zijn van dit weertype. U betekent dat de dominante windrichting niet duidelijk bepaald kon worden, logischerwijze vaak overeen komend met windluwe convectieve zomerperioden. Het type doet zich gelukkig niet vaak voor, maar indien het zich voordoet dan kan de neerslag bijzonder extreem zijn. Het is dit soort informatie die de basis vormde van de Weather Typing gebaseerde neerschalingstechniek. De gevonden weather typing verbanden zijn toegepast op de controle- en scenarioruns van de regionale en mondiale klimaatmodelruns, om tien-minuten tijdreeksen van puntneerslag te bekomen. De Weather Typing neerschalingsmethode verloopt hierbij als volgt: voor elke dag in de scenarioperiode

7 Figuur 6. Toename in tien minuten neerslagpercentielen (volgens 50, 75, 90, 95 en 99%) i.f.v. de daggemiddelde temperatuur bij weerstypen met windrichting oost (E) op basis van de historische neerslag te Ukkel voor de periode (klimaatmodelrun met toekomstige klimaatcondities) wordt een dag uit het verleden gezocht met een meest gelijkaardig weerstype. De neerslag van die dag (inclusief de onderliggende neerslagintensiteiten bij tien minuten) wordt gecopieerd en gebruikt als beste schatting van de (neergeschaalde) neerslag voor de beschouwde dag in de toekomst. Dit gebeurde op basis van de tien minuten neerslagwaarnemingen te Ukkel. Het algoritme dat deze procedure uitvoert wordt ook Weather Generator (WG) genoemd. In de studie zijn verschillende WG s geïmplementeerd en getest. De verschillen hebben te maken met de manier waarop de meest gelijkaardige dag uit het verleden wordt gezocht: willekeurig of op basis van de dagneerslagwaarde die de meest overeenstemmende empirische overschrijdingsfrequentie heeft. Uitgebreide weather-typing-methode Bij de klassieke weather typing methode, zoals beschreven in de voorgaande paragraaf, wordt verondersteld dat de invloed van klimaatverandering volledig verklaard wordt door de verandering in weerstypen (tussen de controleruns en de scenarioruns van de klimaatmodellen). Dit laatste blijkt echter niet volledig het geval te zijn: naast het verschil in weerstype zorgt klimaatverandering ook voor een (temperatuurgerelateerde) verandering in de neerslagverdeling per weerstype. Figuur 6 geeft aan dat de extreme neerslagpercentielen functie zijn van de dagtemperatuur. Deze afhankelijkheid werd toegevoegd aan de WG s: per dag werd (in functie van het weerstype) de neerslagintensiteit (bekomen via de weather typing methode) verhoogd in functie van de daggemiddelde temperatuur. 21 Validatie op basis van IDF-verbanden De uitgebreide WG werd gevalideerd door vergelijking van de intensiteit-duur-frequentie (IDF)-verbanden voor het ganse bereik aan uitmiddelingsduren tussen tien minuten en vijftien dagen. De IDF-verbanden werden eerder voor Ukkel afgeleid op basis van de Partial Duration Series gebaseerde extreme-waardenanalysemethode door Willems (2000). Dezelfde methode werd hier gevolgd bij het analyseren van de tien minuten tijdreeksen gegenereerd door de WG, inclusief dezelfde criteria voor het extraheren van onafhankelijke neerslagextremen uit de tijdreeks. Vooreerst zijn de rechtstreekse neerslagresultaten van de klimaatmodellen vergeleken, voor de controleperiode met de historische IDF-verbanden voor Ukkel (dit als bijkomende evaluatie van de nauwkeurigheid van de neerslagresultaten van de klimaatmodellen),

8 22 Figuur 7. IDF-verbanden op basis van de rechtstreekse neerslagresultaten van de 31 CCI-HYDRregionale klimaatmodelruns voor de controlperiode en vergelijking met de historische gegevens te Ukkel en de huidige IDF-verbanden, voor terugkeerperioden van één maand, één jaar, tien en 100 jaar. Figuur 8. IDF-verbanden op basis van de resultaten van de uitgebreide WG volgens de 31 CCI- HYDR-regionale klimaatmodelruns: vergelijking scenarioperiode met de controleperiode en vergelijking met de historische gegevens te Ukkel en de huidige IDF-verbanden, voor terugkeerperioden van één maand, één jaar, tien en 100 jaar.

9 en in tweede instantie tussen de scenarioperiode en de controleperiode (om de verschuiving in IDFverbanden voor de klimaatverandering te bestuderen). Figuur 7 vergelijkt de CCI-HYDR-controleruns met twaalf regionale klimaatmodellen met de historische neerslagstatistieken te Ukkel. De marges geven de variatie aan tussen het hoogste en het laagste resultaat voor alle 31 CCI-HYDR-runs. Eenzelfde analyse werd gedaan op basis van de zeventien ECHAM5-runs. Figuur 7 geeft aan dat de nauwkeurigheid van de rechtstreekse neerslagresultaten van de klimaatmodellen goed is voor de hogere uitmiddelingsduren van meerdere dagen. Voor een tijdsduur van één dag worden, zoals ook hierboven besproken, sterke systematische onderschattingen vastgesteld. Figuur 8 geeft aan dat de uitgebreide WG effectief en nauwkeurig de systematische afwijkingen t.o.v. de historische neerslagstatistieken te Ukkel wegwerkt. Bovendien komen bij de WG resultaten beschikbaar bij tijdsduren kleiner dan één dag: tot tien minuten. De klimaatmodelruns leveren anderzijds enkel resultaten voor tijdschalen van één dag of groter. De WG voert inderdaad een neerschalingsoperatie uit, die voor de controleperiode zeer nauwkeurig blijkt (Figuur 8). In alle getoonde IDF-plots stellen de vier gekleurde reeksen de resultaten voor bij terugkeerperioden van één maand, één jaar, tien jaar en 100 jaar. Aangezien de controleruns van de klimaatmodellen maar 30 jaar beslaan ontbreken voor 100 jaar de resultaten bij deze runs. Aangepaste IDF-verbanden en composietbuien Gebaseerd op de resultaten met de uitgebreide WG geeft Figuur 9 de aanpassingen aan de IDFverbanden van de Vlaamse neerslag te Ukkel, voor het toekomstig klimaat tot 2100 en voor het hoog-, midden- en laag-klimaatscenario. Alhoewel het laag-klimaatscenario overeenkomt met een beperkte daling in neerslag werd ze voor ontwerpdoeleinden logischerwijze gelijk genomen aan het huidig klimaat. 23 Figuur 9. Opschuiving IDF-verbanden bij het hoog-, midden- en laag-klimaatscenario (op basis van de uitgebreide WG en de 31 CCI-HYDR-regionale klimaatmodelruns, via vergelijking scenarioperiode met de controleperiode ) voor terugkeerperioden van één maand, één jaar en tien jaar, en vergelijking met de huidige IDF-verbanden voor terugkeerperioden van één maand, anderhalve maand, één jaar, twee jaar, tien jaar, 50 jaar en 100 jaar.

10 Figuur 10. Factor wijziging IDF-verbanden bij het hoog- en midden-klimaatscenario (op basis van de uitgebreide WG en de 31 CCI-HYDR-regionale klimaatmodelruns, via vergelijking scenarioperiode met de controleperiode ). 24 De verschuivingen stellen aanpassingen voor aan de oorspronkelijke IDF-verbanden van Willems (2000), die gebaseerd zijn op het gemiddeld klimaat tijdens de voorbije decennia tot en met De IDF-verbanden blijken bij het hoog en midden klimaatscenario naar boven op te schuiven. De verschuiving komt overeen met een bepaalde factor op de neerslagintensiteit, die sterk afhankelijk is van de Figuur 11. Aanpassing composietbui bij het hoog- en midden-klimaatscenario (op basis van de uitgebreide WG en de 31 CCI-HYDR-regionale klimaatmodelruns, via vergelijking scenarioperiode met de controleperiode ), voorbeeld voor een terugkeerperiode van twee jaar.

11 terugkeerperiode maar nagenoeg onafhankelijk van het aggregatieniveau. In Figuur 10 wordt deze factor geplot versus de terugkeerperiode. Overeenkomstig met deze verschuiving in IDF-verbanden, zijn ook aangepaste ontwerp-neerslagbuien opgemaakt, die gebruikt kunnen worden bij het ontwerp van rioleringssystemen (gebruik makend van de methode op basis van composietbuien; zie Vaes et al., 2002, 2004). Figuur 11 toont de aangepaste composietbui voor een terugkeerperiode van twee jaar, voor zowel het hoog- als het midden-klimaatscenario. In plaats van bijkomende composietbuien (hoog- en midden-klimaatscenario) door te rekenen bij een ontwerp van rioleringsstelsels dat rekening houdt met de klimaatverandering, kan men zich uiteraard ook beperken tot de huidige set van composietbuien en rekening houden met de verminderde terugkeerperiode die met deze buien overeenkomt. In Figuur 9 werden in stippellijn de huidige IDF-verbanden weergegeven, die bij een hoog-klimaatscenario overeen zullen komen met de toekomstige IDF-verbanden bij één maand, één jaar en tien jaar. Een huidige composietbui bij een terugkeerperiode van anderhalve maand komt na het hoog-klimaatscenario overeen met een terugkeerperiode van één maand. Een huidige composietbui bij een terugkeerperiode van twee jaar komt na het hoog-klimaatscenario overeen met een terugkeerperiode van één jaar. Voor grotere terugkeerperioden is de verandering wat onzekerder en minder eenduidig: voor de kleine aggregatieniveaus (één uur of minder) daalt een terugkeerperiode van 100 jaar tot tien jaar, terwijl voor de grotere aggregatieniveaus een terugkeerperiode van 50 jaar tot tien jaar daalt. Aangepaste historische neerslagreeks De neergeschaalde klimaatmodelruns zijn ook gebruikt om de 100 jaar neerslagreeks met tien minuten neerslagintensiteiten te Ukkel (in deze studie is de periode gebruikt) aan te passen aan de klimaatscenario s. Dit is gedaan via het stochastisch perturberen van zowel de intensiteit van de regenbuien in de tijdreeks, als van het aantal regenbuien in de tijd, op basis van de aangepaste CCI-HYDR Perturbation Tool (Ntegeka & Willems, 2009). Het verminderen van de frequentie aan (vooral minder extreme) zomerbuien gebeurt door het willekeurig selecteren van natte dagen en deze droog te maken. Zulke willekeurige methode kan door toeval natte dagen verwijderen die oorspronkelijk een zeer hoge neerslagintensiteit hebben; ze kan ook natte dagen verwijderen die toevallig kleine neerslagintensiteiten hebben. Om de invloed van deze willekeur te beperken wordt de random procedure tienmaal onafhankelijk doorgevoerd en de meest gemiddelde aanpassing (neerslagintensiteiten voor de verwijderde natte dagen) finaal geselecteerd. Na deze aanpassing in de frequentie aan natte dagen, worden de neerslagintensiteiten per dag geperturbeerd, overeenkomstig de perturbatiefactoren die per kwantiel (grootste neerslagintensiteit, tweede grootste, enzovoorts) zijn afgeleid (op basis van het hoog-, midden- en laagklimaatscenario, en de resultaten van de klimaatmodellen). De aanpassingen aan de intensiteit gebeuren dus continu in functie van de overschrijdingskans of terugkeerperiode. De aangepaste Perturbation Tool kan worden toegepast voor een tijdshorizon 2085 (periode ). Ook interpolaties kunnen gemaakt worden voor 2020, 2030, 2050, enzovoort. Zulke interpolaties zijn meest eenvoudig doorgevoerd op basis van een lineaire interpolatie tussen 1975 (het midden van de controleperiode van de regionale klimaatmodellen) en 2085 (het midden van de scenarioperiode ). Rekening houdend met de brede waaier aan mogelijke tijdsevoluties in de uitstoot aan broeikasgassen, zoals door het IPCC (2007) voorspeld, is zulke lineaire interpolatie een goede gemiddelde benadering. De aangepaste neerslagreeksen kunnen gebruikt worden voor simulaties in hydrologische en hydrodynamische modellen van rioleringsstelsels of kleinschalige rivierbekkens. Ze kunnen onder andere gebruikt worden voor lange-termijn simulaties met conceptuele rioleringsmodellen. Dergelijke simulaties zijn nodig als basis voor het dimensioneren van regenwaterputten en infiltratievoorzieningen (of om de ontwerp- 25

12 26 regels overeenkomstig aan te passen), voor het modelleren van de invloed van overstortemissies (Vaes et al., 2004), enz. Aangepaste nodige buffervolumes bij bronmaatregelen De aangepaste historische neerslagreeks van 100 jaar tien minuten neerslagintensiteiten te Ukkel werd doorgerekend in het bakmodel Remuli (Vaes, 1999) voor de hoog-, midden- en laag-klimaatscenario s bij een toekomsthorizon voor De resultaten van deze simulaties zijn statistisch verwerkt en aangepaste nodige buffervolumes bij bronmaatregelen afgeleid. De nodige buffervolumes zijn bepaald in functie van het ledigingsdebiet (bij zowel lineaire als constante doorvoer) en de terugkeerperiode van de overlaat. Het buffervolume varieert in de analyse van 10 tot 500 m 3 /ha; het maximale doorvoerdebiet van 1 tot 50 l/(s.ha). Buffervoorzieningen met grotere bergingsvolumes en grotere doorvoerdebieten lopen minder vaak over, maar klimaatverandering heeft wel een grotere relatieve invloed op de bijhorende terugkeerperioden. Er werd nagegaan welke bijkomende berging (bijkomend buffervolume) er nodig is in functie van het doorvoerdebiet en de terugkeerperiode van overlaat. Tabel 1 geeft de procenttoename in buffervolume aan bij gebruik van een constante doorvoerrelatie. De benodigde buffervolumes stijgen duidelijk. Ze nemen voor de meeste doorvoerdebieten en terugkeerperioden toe met 15 procent tot 35 procent. Gelijkaardige resultaten werden bekomen bij gebruik van een lineaire doorvoerrelatie. De benodigde buffervolumes nemen in dat geval toe met 15 procent tot 50 procent. Tabel 2 vat de grootte-ordes samen van de benodigde buffervolumes in functie van een aantal courant maximale ledigingsdebieten en in functie van de terugkeerperiode van de noodoverlaat. Hieruit blijkt dat de terugkeerperiode van de ontwerpwaarden (vb. 100 m 3 /ha of 10 mm bij 10 l/(s.ha); of 50 m 3 / ha of 5 mm bij 40 l/(s.ha)) die bij de historische klimaatcondities een terugkeerperiode van overloop geeft van grootteorde één jaar (bij constante doorvoer), na het hoog-klimaatscenario (tegen 2100) een verminderde terugkeerperiode heeft van grootteorde een half jaar. De ontwerpwaarden die onder de historische klimaatcondities een terugkeerperiode van overloop geven van grootteorde twee jaar, kennen na het hoog-klimaatscenario (tegen 2100) een verminderde terugkeerperiode van ongeveer één jaar. Bij overgang van het huidig klimaat naar het hoog-klimaatscenario wordt de terugkeerperiode dus is grootteorde gehalveerd. Let wel dat deze getallen gelden voor een tijdshorizon tot 2100, uitgaande van de huidige kennis met betrekking tot de klimaatevoluties, en een - op basis van de huidig beschikbare klimaatmodelruns - grootste impact. Tabel 1. Procenttoename (ten opzichte van de historische klimaatcondities) in nodige buffervolumes (in m 3 /ha) in functie van het maximaal doorvoerdebiet en de terugkeerperiode van de overlaat voor een constante doorvoerrelatie bij een concentratietijd van tien minuten en het hoog-klimaatscenario. constant Terugkeerperiode van overloop [jaar]: doorvoerdebiet [l/(s.ha)]: % +13% +20% +15% +35% +33% % +15% +17% +19% +38% +30% % +18% +16% +22% +31% +29% % +18% +15% +26% +31% +35% % +20% +16% +27% +29% +38% % +16% +14% +28% +27% +30% % +19% +16% +27% +27% +30% 5 +11% +18% +17% +24% +22% +20% 2 +17% +20% +20% +21% +23% +24% 1 +21% +26% +31% +28% +29% +19%

13 Tabel 2. Grootte-ordes van buffervolumes in functie van het maximaal ledigingsdebiet en terugkeerperiode van de noodoverlaat. terugkeerperiode Krachtlijnen voor een geïntegreerd rioleringsbeleid van 1996 terugkeerperiode lange termijn simulaties bij constante doorvoer, huidig klimaat terugkeerperiode lange termijn simulaties bij constante doorvoer, hoog klimaatscenario terugkeerperiode lange termijn simulaties bij lineaire doorvoerrelatie, huidig klimaat 2 jaar 5 jaar ±1 jaar ±2 jaar ±5 jaar ±20 jaar ±0.5 jaar ±1 jaar ±2 jaar ±10 jaar ±0.5 jaar ±1 jaar ±2 jaar ±10 jaar terugkeerperiode lange termijn simulaties bij lineaire doorvoerrelatie, hoog klimaatscenario <0.5 jaar ±0.5 jaar ±1 jaar ±5 jaar 27 maximaal ledigingsdebiet (via infiltratie, afgeknepen doorvoer, verdamping,...) 40 l/(s.ha) 50 m 3 /ha 100 m 3 /ha 150 m 3 /ha m 3 /ha 5 mm 10 mm 15 mm mm 10 l/(s.ha) 100 m 3 /ha 150 m 3 /ha m 3 /ha m 3 /ha 10 mm 15 mm mm mm Conclusies en aanbevelingen In het licht van de huidige kennis rond de problematiek van de klimaatverandering werd de ontwerpneerslag voor het dimensioneren van rioleringsstelsels en buffervoorzieningen onder de loep genomen, en geëxtrapoleerd tot het jaar De onzekerheden in deze extrapolatie zijn zeer groot omwille van onzekerheden in de gebruikte resultaten van klimaatmodellen en onzekerheden in het neerschalen van de gridgemiddelde dagneerslag van de klimaatmodelsimulaties naar de kleinschalige neerslag nodig voor stedelijk hydrologisch ontwerp en impactanalyses. Er werd gewerkt met een hoog-, midden- en laagklimaatscenario. Deze werden afgeleid uit meer dan 30 runs met mondiale klimaatmodellen (ongeveer 20 runs opgenomen in het archief bij het vierde Assessment Report van het IPCC en 17 runs met het nieuwste en momenteel meest gerespecteerde klimaatmodel ECHAM5), en 31 runs met regionale Europese klimaatmodellen. Voor het neerschalen van de dag- en gridgemiddelde neerslagresultaten naar de tien minuten tijdschaal en naar puntneerslag, werden twee methoden toegepast, getest en vergeleken: een eerste methode op basis van kwantiel-perturbatiefactoren, en een tweede methode op basis van Weather Typing. De eerste methode maakt rechtstreeks gebruik van de neerslagresultaten van klimaatmodellen. Dergelijke procedure levert mogelijk onbetrouwbare resultaten op aangezien de nauwkeurigheid van de neerslagresultaten van klimaatmodellen, vooral voor de extreme convectieve neerslag in de zomer, niet zo groot is. Daarom werd de tweede methode op basis van Weather Typing uitgeprobeerd. Deze tweede

14 28 methode maakt primair gebruik van de meer nauwkeurige luchtdrukresultaten van de klimaatmodellen en relateert die op basis van historische reeksen aan de kleinschalige extreme neerslag. De methode werd verder uitgebreid om (per weerstype) rekening te houden met de neerslagtoename bij een bepaalde temperatuurtoename. Toekomstige neerslagverandering blijkt immers niet enkel het gevolg te zijn van veranderingen in de atmosferische circulatiepatronen, maar ook van veranderingen in de neerslagverdeling (bij eenzelfde circulatiepatroon) ten gevolge van de temperatuursstijging. De neergeschaalde laag-, midden- en hoog-klimaatscenario s tot 2100 werden gebruikt om aangepaste neerslagstatistieken (IDF-verbanden en composietbuien) af te leiden, en ontwerpreeksen van 100 jaar tien-minuten neerslag te Ukkel ( ) te construeren (aanpassingen aan de historische reeks van Ukkel). De reeksen werden gebruikt om de invloed na te gaan van de potentiaal toekomstige klimaatverandering op de ontwerpwaarden voor het dimensioneren van buffervoorzieningen als bronmaatregelen bij rioleringsstelsels. Globaal blijkt dat de nodige buffervolumes in grootteorde 20% à 30% tot maximaal 50% stijgen bij een hoog-klimaatscenario tot De terugkeerperiode van overloop neemt voor hetzelfde scenario en voor de meest gangbare doorvoerdebieten en maximale bergingswaarden met ongeveer een factor 2 af. Dankwoord De resultaten voorgesteld in dit artikel werden bekomen in het kader van een onderzoeksopdracht voor de VMM Afdeling Operationeel Waterbeheer. Er werd gebruik gemaakt van de simulatieresultaten met regionale klimaatmodellen, die statistisch verwerkt werden in het project CCI-HYDR voor het Belgische Federale Wetenschapsbeleid. De ECHAM5-runs werden ter beschikking gesteld door Andreas Sterl van het KNMI. De tien minuten neerslagreeks te Ukkel werd ter beschikking gesteld door het KMI. Voor de classificatie in weerstypen volgens de Jenkinson-Collison-methode werd gebruik gemaakt van de classificatieresultaten die eerder werden bekomen in het kader van een doctoraatsonderzoek aan de KU Leuven bij het Departement Aard- en Omgevingswetenschappen. Dank gaat naar Prof. N. Van Lipzig en medewerker Mr. Demuzere voor het ter beschikking stellen van deze Jenkinson-Collison-classificatie voor België voor de periode Referenties CCI-HYDR. Climate change impact on hydrological extremes along rivers and urban drainage systems. Federal Science Policy (Belspo) project Baguis, P., Ntegeka, V., Willems, P., Roulin, E., Extension of CCI-HYDR climate change scenarios for INBO, Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek (INBO) & Belgian Science Policy SSD Research Programme, Technical report by K.U.Leuven Hydraulics Section & Royal Meteorological Institute of Belgium, January 2009, 31 p. Boukhris O.F., Willems P., Vanneuville W., Van Eerdenbrugh K., Climate change impact on hydrological extremes in Flanders: Regional differences, Eindrapport voor de Vlaamse Overheid - Departement Mobiliteit en Openbare Werken - Waterbouwkundig Laboratorium, April 2008, 91 p. Demarée, G., De Corte, M., Derasse, S., Devorst, M., Trapenard, Ch., Een kranige honderdjarige : de Hellmann-Fuess pluviograaf van het Koninklijk Meteorologisch Instituut te Ukkel, Water, nr. 100, mei/juni Demarée G., Baguis P., Deckmyn A., Debontridder L., Pinnock S., Roulin E., Willems P., Ntegeka V., Kattenberg A., Bakker A., Lenderink G., Bessembinder J., Klimaatscenario s voor Vlaanderen, rapport voor het Instituut voor Natuur- en Bosonderzoek (INBO), Koninklijk Meteorologisch Instituut van België, Koninklijk Nederlands Meteorologisch Instituut (KNMI) & K.U.Leuven Afdeling Hydraulica, januari Demuzere M., An analysis of present and future ECHAM5 pressure fields using a classification of circulation patterns, International Journal of Climatology, (Published online in Wiley

15 Interscience). IPCC, Third Assessment Report, Intergovernmental Panel on Climate Change, IPCC, Fourth Assessment Report, Intergovernmental Panel on Climate Change, Ntegeka, V., Baguis, P., Boukhris, O., Willems, P., Roulin, E., Climate change impact on hydrological extremes along rivers and urban drainage systems. II. Study of rainfall and ETo climate change scenarios, Belgian Science Policy SSD Research Programme, Technical report CCI-HYDR project by K.U.Leuven Hydraulics Section & Royal Meteorological Institute of Belgium, May 2008, 112 p. Ntegeka, V., Willems, P., Trends and multidecadal oscillations in rainfall extremes, based on a more than 100 years time series of 10 minutes rainfall intensities at Uccle, Belgium, Water Resources Research, 44, W07402, doi: /2007wr Ntegeka, V., Willems, P., CCI-HYDR Perturbation Tool: a climate change tool for generating perturbed time series for the Belgian climate, Manual version January 2009, K.U.Leuven Hydraulics Section & Royal Meteorological Institute of Belgium, 7 p. Vaes, G., De invloed van neerslag- en modelvereenvoudiging op het ontwerp van gemengde rioleringen, Doctoraatsthesis, Faculteit Ingenieurswetenschappen, Afdeling Hydraulica, K.U.Leuven, België. Vaes, G., Willems, P., Berlamont, J., Clemens, F.H.L.R., Ontwerpneerslag voor rioleringsberekeningen: vergelijking Vlaanderen versus Nederland, Rioleringswetenschap en -techniek, nr. 5, maart 2002, Vaes, G., Bouteligier, R., Luyckx, G., Willems, P., Berlamont, J., Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen, Rapport van de studie in opdracht van AMINAL/VMM Afdeling Water, April Willems P., Compound intensity/duration/frequency-relationships of extreme precipitation for two seasons and two storm types, Journal of Hydrology, vol. 233, Willems, P., Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen, Rapport van de studie uitgevoerd voor Vlaamse Milieumaatschappij Afdeling Operationeel Waterbeheer, September Willems, P., Ntegeka, V., Berlamont, J., Analyse van trends en meerjarige schommelingen in de neerslagextremen op basis van de meer dan 100 jaar 10 minuten neerslag te Ukkel, Rioleringswetenschap, jaargang 7, nr. 26, juni 2007, Willems, P., Ntegeka V., Baguis, P., Roulin, E., Climate change impact on hydrological extremes along rivers and urban drainage systems in Belgium «CCI-HYDR» Final Report, Brussels: Belgian Science Policy 2009 (Research Programme Science for a Sustainable Development), draft version September 2009, 93 p. 29