Evaluatie en actualisatie van de IDF-neerslagstatistieken te Ukkel

Transcriptie

1 Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde Afdeling Hydraulica Kasteelpark Arenberg 4 BE-31 Heverlee (Leuven) tel fax Patrick.Willems@bwk.kuleuven.be Evaluatie en actualisatie van de IDF-neerslagstatistieken te Ukkel Aanvulling bij de studie Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen (K.U.Leuven voor VMM, sept. 29) Nota opgemaakt voor Coördinatiecommissie Integraal Waterbeleid (CIW) Oktober 211 Prof. dr. ir. Patrick Willems

2 Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde Afdeling Hydraulica Kasteelpark Arenberg 4 BE-31 Heverlee (Leuven) tel fax Patrick.Willems@bwk.kuleuven.be

3 Inhoud Samenvatting Inleiding Bestaande IDF-verbanden voor extreme neerslag Analyse van de trends in neerslagextremen Controle IDF-verbanden Aanpassing IDF-verbanden Aangepaste ontwerpneerslag Conclusies Referenties K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW i

4 Samenvatting De Vlaamse neerslagstatistieken en bijhorende ontwerpneerslag voor rioleringstoepassingen werden herzien op basis van de meest recente neerslaggegevens te Ukkel. De huidige IDFverbanden, zoals opgenomen in de Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen, werden in 1996 opgemaakt. Ze hielden geen rekening met de afhankelijkheid in het voorkomen van neerslagextremen over multidecadale tijdschalen. Ook hielden ze geen rekening met de recente stijging in de neerslagextremen t.g.v. de klimaatopwarming. Na vergelijking van de IDF-neerslagstatistieken met de neerslagmetingen van het KMI te Ukkel t.e.m. 27 werden systematische verschillen vastgesteld, en een aanpassing voorgesteld. 1 Inleiding Deze nota is een bijlage bij het eindrapport van de studie Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen (Willems, 29), die in opdracht van de Afdeling Operationeel Waterbeheer van de Vlaamse Milieumaatschappij werd uitgevoerd. In die studie werd op basis van de huidig beschikbare kennis over de toekomstige klimaatevoluties een inschatting gemaakt van de verandering in neerslagstatistieken en bijhorende ontwerpwaarden uit de Code van Goede Praktijk tot het jaar 21. Hierbij werd rekening gehouden met de onzekerheden op de inschatting van de toekomstige evoluties van het klimaat. De veranderende klimaatcondities werden vertaald naar aangepaste neerslagreeksen, en gecombineerd met bijhorende aangepaste tijdreeksen voor potentiële evapotranspiratie (ETo), om gebruikt te worden in hydrologische en hydrodynamische modelleringsstudies. In het kader van de CIW-besprekingen rond de herziening van de Code van Goede Praktijk rees de vraag of de neerslagstatistieken voor de huidige klimaatcondities niet geactualiseerd moeten worden rekening houdend met de klimaatevoluties die de laatste decennia reeds zijn opgetreden. Deze nota maakt hiervan een analyse en stelt een beperkte aanpassing van de IDF-neerslagstatistieken voor. Deze nota is gebaseerd op de volledig beschikbare meetreeks van 1-minuten neerslagintensiteiten van het Koninklijk Meteorologisch Instituut van België (KMI) te Ukkel. Terwijl in de studie Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen de metingen van de periode gebruikt werden, heeft het KMI inmiddels twee bijkomende jaren (26 en 27) aan metingen ter beschikking gesteld. Dat brengt de totale periode op 11 jaar. De meetreeks is wereldwijd bijzonder uniek, niet enkel omwille van haar lengte en de 1-minuten resolutie, maar ook omdat de metingen sinds 1898 met dezelfde pluviograaf en op dezelfde meetlocatie zijn bekomen (Demarée et al., 1998). 2 Bestaande IDF-verbanden voor extreme neerslag In de ontwerp-code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen uit 24 (zie de toelichtingstekst van Vaes et al., 24) zijn de neerslagstatistieken gebaseerd op de neerslaggegevens van het KMI te Ukkel voor de periode Ze zijn gebaseerd op de IDF-relaties opgesteld door Vaes et al. (1996). Ze werden ook opgenomen in de Krachtlijnen voor een geïntegreerd rioleringsbeleid in Vlaanderen van 1996 (VMM, 1996). Deze IDF-verbanden waren op hun beurt een verfijning van de eerdere IDF-verbanden van Demarée (1985). Enerzijds werd een langere en meer recente neerslagreeks gebruikt. Anderzijds werd overgeschakeld op de Partial Duration Series of Peak-Over-Threshold methode i.p.v. de (voor kleine terugkeerperioden) minder nauwkeurige methode op basis van jaarlijkse maxima. Vaes et al. (1996) maakten gebruik van een exponentiële extreme-waardenverdeling en leidden verbanden af tussen de parameters van deze verdeling en het aggregatieniveau (tijdsduur waarover de neerslagintensiteiten worden uitgemiddeld). Deze verbanden bleken geldig voor aggregatieniveau s van 1 tot 36 minuten. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 2

5 In een latere studie toonde Willems (2) aan dat de exponentiële extreme-waarden-verdeling beschouwd in Vaes et al. (1996) deze is voor één bepaald buitype (zeer intense regenbuien van korte duur; convectieve regenbuien dus). Willems (2) breidde de IDF-verbanden uit door gebruik te maken van een twee-component exponentiële extreme-waarden-verdeling, die zowel de korte-duur intense convectieve zomeronweders beschrijft als de langdurigere buien van frontale oorsprong. Ook werd in Willems (2) een correctie doorgevoerd voor de onderschatting in de 1-minuten neerslagstatistieken omwille van de tijdstap van de 1-minuten neerslagreeks. Voor hogere aggregatieniveau s (2, 3, minuten) worden de neerslagintensiteiten bepaald op basis van een bewegend gemiddelde (verschuivend met een tijdstap van 1 minuten), terwijl dat voor de 1-minuten intensiteiten niet mogelijk is. Indien 1- minuut intensiteitsmetingen zouden beschikbaar zijn, zouden hogere 1-minuten neerslagextremen worden gevonden dan deze die nu worden bekomen op basis van de 1- minuten meetreeks van Ukkel. In de ontwerp-code van Vaes et al. (24) werden de IDF-verbanden van Vaes et al. (1996) echter niet aangepast aan deze inzichten van Willems (2), enerzijds omwille van de toepassing (voor rioleringstoepassingen zijn enkel de kleine aggregatieniveau s van belang, dus tot 36 minuten; de IDF-statistieken worden voor deze kleine aggregatieniveau s vooral bepaald door de extreme convectieve regenbuien), anderzijds omdat de noodzaak tot correctie van de 1-minuten neerslagintensiteiten onvoldoende kon worden aangetoond. In een later onderzoek kon de onderschatting van de 1-minuten intensiteiten wel worden aangetoond, door gebruik te maken van de 1-minuut neerslagmetingen van de stad Antwerpen (zie Willems et al., 22). Bovendien werd in Willems (2) een schalingswet toegepast (afkomstig van fractaaltheorie) die correctie/extrapolatie toeliet op basis van de schalingseigenschappen van neerslag afgeleid voor de hogere aggregatieniveau s. De IDF-verbanden van zowel Vaes et al. (24) als Willems (2) zijn gebaseerd op onafhankelijke neerslagextremen die uit de continue 1-minuten tijdreeks werden geëxtraheerd. Twee opeenvolgende neerslagextremen zijn hierbij onafhankelijk verondersteld indien de tussentijd groter is dan 12 uur of groter dan het beschouwde aggregatieniveau. Aggregatie is doorgevoerd volgens de methode van het bewegend gemiddelde met een stap van 1 minuten. De IDF-verbanden van Vaes et al. (1996, 24) hebben de volgende vergelijking: n i i T = exp( ) (1) m β waarbij: T = de terugkeerperiode [jaar] i = de neerslagintensiteit [mm/h] n = het aantal gebruikte jaren = 27 jaar m = het aantal gebruikte waarden boven de drempel = 12 i = de drempelwaarde [mm/h] β = de gemiddelde intensiteit van de exponentiële extreme-waarden-verdeling [mm/h] De parameters β en i zijn als volgt afhankelijk van het aggregatieniveau D (d.i. de uitmiddelingsduur voor de neerslagintensiteit, of ook buiduur genoemd): log( + 2 β ) = log(842.4) 1.3 log(d + 19.) +.6(log(D 19.)) (2) log( i ) + )) 2 = log(352.) 1.6 log(d + 8.8) +.8(log(D 8.8 (3) waarbij: D = de buiduur of het aggregatieniveau [min] K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 3

6 De IDF-verbanden van Willems (2) hebben anderzijds de volgende vergelijking: T = m (p a i exp( n i i i ) + (1 p ) exp( )) a β β a b (4) waarbij de parameters als volgt afhankelijk zijn van het aggregatieniveau D [dagen]: log( β a ) =.5.58 log(d) (5) log( β b ) = log(d) (6) log( p a ) = log(d) (7) log( i ) =.5.58 log(d) (8) De parameters n, m, i, β hebben dezelfde betekenis als in de vergelijking (1). De nieuwe parameter p a stelt de relatieve frequentie (proportie) voor aan regenbuien type a (waarschijnlijk te associëren met convectieve regenbuien), terwijl (1-p a ) de proportie voorstelt aan regenbuien type b (waarschijnlijk te associëren met buien van frontale oorsprong). De factor.58 (schalingsexponent) is constant is alle vergelijkingen (5) (8) omwille van de schalingseigenschappen van neerslag (zie hoger; of Willems, 2, voor meer details hierover). 3 Analyse van de trends in neerslagextremen In het eindrapport van de studie Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen (Willems, 29) werd reeds ingegaan op de vraag of de neerslagmetingen de laatste decennia een trend vertonen. Hiervoor werd een analyse uitgevoerd op de onafhankelijke neerslagextremen geëxtraheerd uit de volledige tijdreeks sinds Op basis van deze extremen werd een empirische extremewaarden-verdeling afgeleid, enerzijds voor de volledig beschikbare periode en anderzijds voor deelperioden met een lengte van 5 tot 15 jaar. Neerslagkwantielen (neerslagwaarden horende bij bepaalde terugkeerperioden of overschrijdingskansen) afgeleid voor de deelperioden werden vergeleken met deze op basis van de volledige periode. Ten behoeve van deze nota werd deze analyse herhaald inclusief de neerslaggegevens van de bijkomende jaren 26 en 27. Figuur 1 en Figuur 2 tonen het % verschil in de neerslagkwantielen berekend voor deelperioden van 1 of 15 jaar (alle mogelijke deelperioden werden beschouwd, telkens verschoven met 1 jaar) versus dezelfde kwantielen op basis van de ganse meetperiode Het gemiddeld % verschil voor alle neerslagkwantielen groter dan.8 mm (in winter) of 1 mm (in zomer) werd berekend en in de figuren geplot versus het middenjaar van elke deelperiode. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 4

7 % verandering in extremen jaren winter, 1 jaar bewegend venster winter, 15 jaar bewegend venster lange-termijn gemiddelde benaderende cyclische variaties benaderende cyclische variaties + invloed klimaatverandering effect klimaatverandering jaar jaren 196 voorbije 2 jaar Figuur 1. Variatie in extreme neerslagkwantielen, berekend als gemiddeld verschil in neerslagkwantielen op basis van deelperioden van 1 of 15 jaar (bewegend venster met stappen van 1 jaar) versus dezelfde neerslagkwantielen berekend op basis van de ganse beschikbare meetreeks , voor de wintermaanden december-januari-februari, voor een uitmiddelingsduur van 1 minuten, en voor neerslagkwantielen >.8 mm. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 5

8 3 jaren jaren 196 voorbije 2 jaar % verandering in extremen jaar zomer, 1 jaar bewegend venster zomer, 15 jaar bewegend venster lange-termijn gemiddelde benaderende cyclische variaties Figuur 2. Variatie in extreme neerslagkwantielen, berekend als gemiddeld verschil in neerslagkwantielen op basis van deelperioden van 1 of 15 jaar (bewegend venster met stappen van 1 jaar) versus dezelfde neerslagkwantielen berekend op basis van de ganse beschikbare meetreeks , voor de zomermaanden juni-juli-augustus, voor een uitmiddelingsduur van 1 minuten, en voor neerslagkwantielen > 1 mm. De resultaten in Figuur 1 en Figuur 2 tonen dat neerslagextremen een multidecadaal oscillatiepatroon vertonen. In de meetperiode van 11 jaar worden dus schommelingen/oscillaties waargenomen met oscillatiepieken en oscillatiedalen elke 3 à 4 jaar. Oscillatiepieken kwamen voor in de jaren , 196 en 199, terwijl oscillatiedalen voorkwamen in de jaren en 197. Tijdens de jaren met oscillatiepieken zijn de neerslagkwantielen 1 tot 2% hoger, terwijl ze tijdens de jaren met oscillatiedalen tot 2% lager kunnen zijn. De veranderingen zijn het gevolg van een combinatie van een variatie in het aantal neerslagextremen als van een variatie in de grootte van de neerslagextremen (de neerslagintensiteit). Bijkomende analyses hebben aangetoond dat de variaties in het aantal neerslagextremen hierbij het belangrijkst zijn. De oscillatiepieken en dalen zijn verder statistisch significant (zie Willems, 29). Uit de voorgaande analyse blijkt duidelijk dat neerslagextremen niet willekeurig in de tijd voorkomen, maar gegroepeerd. Dit fenomeen van meerjarige afhankelijkheid is bekend onder de benaming clustering of persistentie. Het zorgt voor een groepering van neerslagextremen over perioden van één of meerdere decaden, en dus voor multidecadale schommelingen (zie de benaderende cyclische variaties in Figuur 1 en Figuur 2). Door de multidecadale schommelingen in het klimaat zijn er de laatste 2 jaar meer extreme regenbuien voorgekomen, zowel tijdens de winter (Figuur 1) als tijdens de zomer (Figuur 2). Voor de zomer zijn deze echter niet extremer dan bijvoorbeeld in de jaren of de jaren 196 (Figuur 2). Voor de winterperiode wordt sinds de jaren 199 wel een sterke toename in de neerslagkwantielen vastgesteld, met een verhoging van de neerslagkwantielen met meer dan 2% t.o.v. deze berekend op basis van de ganse meetperiode. Door uit te gaan van een ruwe hypothese dat zonder klimaatverandering de laatste oscillatiepiek (bij benadering) even hoog zou zijn dan de oscillatiepieken in de jaren en 196, werd in Figuur 1 de recente toename in neerslagkwantielen opgedeeld in een deel "natuurlijke klimaatoscillaties" en een deel "klimaatverandering". Het deel klimaatverandering blijkt consistent is met de resultaten van klimaatmodellen (zie Willems, 29). K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 6

9 De aanwezigheid van oscillatiegolven in het neerslagklimaat is zeer recente kennis (eerste resultaten voor België in Willems et al., 27, en Ntegeka & Willems, 28); ook internationaal is deze kennis nieuw (Willems & Yiou, 21). Ze is niet verrassend omdat internationaal eerder reeds oscillatiepatronen werden bewezen voor luchtdruk, temperatuur aan de zeeoppervlakte en andere oceanografische variabelen. Het bestaan van oscillatiegolven voor neerslag en neerslagextremen was totnogtoe minder duidelijk, vooral omdat ze minder duidelijk aantoonbaar zijn, door de grote natuurlijke variabiliteit (vb. van jaar tot jaar) van de neerslag. Dankzij de ontwikkeling van de kwantielperturbatiemethode (Willems et al., 27; Ntegeka & Willems, 28) kon een deel van de hoogfrequente natuurlijke variabiliteit worden weggefilterd en werden de oscillaties duidelijker. Bovendien blijken de temporele oscillaties in het voorkomen van neerslagextremen sterk gecorreleerd met de multidecadale oscillaties in luchtdrukpatronen en andere atmosferische en oceanografische variabelen (Willems & Yiou, 21). Het zorgt bovendien voor een anti-correlatie tussen noordwest- en zuid-europa (oscillatiepieken in België komen voor tijdens perioden met oscillatiedalen in Zuid-Europa en vice-versa). 4 Controle IDF-verbanden De empirische IDF-verbanden werden herberekend voor de volledig beschikbare meetreeks van 1-minuten neerslagintensiteiten te Ukkel. Hierbij werd dezelfde methode gevolgd als in Vaes et al. (24) en Willems (2). Hierna worden de IDF-statistieken van Vaes et al. (24) en Willems (2), die gebaseerd zijn op de neerslagmetingen voor de periode , vergeleken met de herberekende IDFverbanden voor de volledig beschikbare periode Ook is een vergelijking gemaakt met deze voor de deelperiode Deze deelperiode komt overeen met de meest recente oscillatiegolf (zie Figuur 1 en Figuur 2), en omvat een volledige oscillatiecyclus (oscillatiedal van de jaren 197 en oscillatiepiek van de jaren 199). Merk op dat de oorspronkelijke meetperiode geen volledige oscillatiegolf omvat, maar vooral gecentreerd is rond het oscillatiedal van de jaren Hierdoor zijn de IDF-statistieken gebruikt in de Code van Goede Praktijk onderschat in vergelijking met de langdurigere statistieken. De aanwezigheid van oscillatiegolven in het neerslagklimaat is echter zeer recente kennis (zie Deel 3 van deze nota: eerste resultaten voor België in Willems, 27, en Ntegeka & Willems, 28), die op het ogenblik van de opmaak van de IDF-verbanden in 1996 en 2 nog niet beschikbaar was. Alleen al daarom dient een aanpassing aan de IDF-verbanden onderzocht. Aangezien de IDF-statistieken van Vaes et al. (1996, 24) werden gebruikt als basis voor de opmaak van de Vlaamse composietbuien worden ze in de figuren hierna (Figuur 3 t.e.m. Figuur 9) aangeduid als IDF composietbuien. Naast de oorspronkelijke IDF-statistieken zijn in Figuur 3 t.e.m. Figuur 9 ook aangepaste IDFstatistieken weergegeven. De aanpassing is een gemiddelde aanpassing van de IDF-curven op basis van alle aggregatieniveau s en op basis van de hogere neerslagkwantielen voor de perioden en in vergelijking met de waarnemingsreeks die oorspronkelijk werd gebruikt. Deze aanpassing wordt verder besproken in Deel 5 van deze nota. Bij het vergelijken van de oorspronkelijke waarnemingen voor de periode met de waarnemingen voor de ganse meetperiode en de meest recente oscillatieperiode (zie Figuur 3 t.e.m. Figuur 9), wordt vastgesteld dat de empirische extremewaarden-verdelingen op basis van deze laatste perioden (inclusief de meest recente jaren) voor alle aggregatieniveau s een lichte stijging vertonen. Dit heeft twee oorzaken: (1) de onderschatting van de neerslagkwantielen op basis van de oorspronkelijke meetperiode (zie hiervoor de discussie hierover), en (2) de invloed van de klimaatopwarming voor de meeste recente decennia (zie ook Willems, 29). Het is duidelijk dat de onderschatting in de huidige IDF-statistieken door oorzaak (1) gecorrigeerd moet worden. Ook met de klimaatopwarming moet rekening worden gehouden. In de IDF-aanpassing die in Deel 5 wordt besproken, is voor oorzaak (1) gecorrigeerd door de metingen van een volledige oscillatiegolfperiode (197-27) in rekening te brengen. Met oorzaak (2), de klimaatopwarming, is voor een deel rekening gehouden door de metingen te K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 7

10 gebruiken van de meest recente oscillatiegolfperiode (opnieuw ). Het is duidelijk dat deze aanpak reeds nu voor vertekende (onderschatte) IDF-statistieken kan zorgen, aangezien de klimaatopwarming zich continu verderzet. Toekomstige klimaatevoluties kunnen helaas niet op basis van nauwkeurige metingen gekwantificeerd worden; hier dient men gebruik te maken van (vooralsnog zeer onzekere) klimaatscenario s. Het rapport van Willems (29) voor VMM beschrijft de Belgische klimaatscenario s tot 21 en welke invloed deze kunnen hebben op de toekomstige IDF-statistieken en bijhorende ontwerpwaarden voor buffervoorzieningen langs rioleringen. Hier, ook rekening houdend met de recente discussies hierover de in CIWwerkgroep bij de Code van Goede Praktijk, wordt ervoor gekozen om de huidige IDFstatistieken te herzien op basis van de meest recente metingen (dus rekening houdend met de statistieken op basis van de meest recente oscillatiegolf ). Met toekomstige klimaatevoluties (vb. in de ontwerpperiode van de riolering of buffervoorziening) dient men rekening te houden via de klimaatscenario s (samen met hun onzekerheid, wat een risicoanalyse-aanpak noodzaakt; Willems, 29). 16 Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast 2 IDF Willems 2 IDF Willems 2 aangepast Terugkeerperiode [jaar] Figuur 3. 1-minuten neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 8

11 Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems 2 IDF Willems 2 aangepast Terugkeerperiode [jaar] Figuur 4. 3-minuten neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. 6 Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems IDF Willems 1 2 aangepast 1 Terugkeerperiode [jaar] Figuur 5. 1-uur neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 9

12 12 Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems 2 IDF Willems 2 aangepast Terugkeerperiode [jaar] Figuur 6. 6-uur neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems IDF Willems 1 2 aangepast 1 Terugkeerperiode [jaar] Figuur 7. 1-dag neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 1

13 2.5 Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien IDF Willems Terugkeerperiode [jaar] Figuur 8. 3-dagen neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. Neerslagintensiteit [mm/h] oorspronkelijke IDF composietbuien.1 IDF Willems Terugkeerperiode [jaar] Figuur 9. 1-dagen neerslagintensiteit versus terugkeerperiode. Bij verdere analyse van Figuur 3 t.e.m. Figuur 9 worden volgende vaststellingen gedaan: Voor 1-minuten zijn de IDF-statistieken van Willems (2) systematisch hoger dan deze van de Code van Goede Praktijk en de waarnemingen. Dit verschil is in Deel 2 van deze nota uitgelegd. Er kan met grote zekerheid worden gesteld dat de 1-minuten neerslagkwantielen afgeleid van de neerslagmeetreeks met 1-minuten tijdstap de werkelijke 1-minuten neerslagkwantielen onderschatten. Deze onderschatting is in Willems (2) gecorrigeerd op basis van een schalingswet (fractaaltheorie), en de K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 11

14 juistheid ervan werd bevestigd in Willems et al. (22) op basis van 1-minuut neerslagmetingen van de Stad Antwerpen. Voor aggregatieniveau s van 3 minuten of hoger is er geen invloed meer van de 1- minuten tijdstap van de Ukkel-neerslagreeks. Omdat de IDF-verbanden voor aggregatieniveau s tot 36 minuten in hoofdzaak bepaald worden door de convectieve zomeronweders (dus beschreven kunnen worden door een enkelvoudige exponentiële extreme-waaarden-verdeling) is er geen significant verschil tussen de IDF-verbanden van de Code van Goede Praktijk en deze van Willems (2) voor aggregatieniveau s tussen 3 en 36 minuten. Voor aggregatieniveau s hoger dan 36 minuten ontstaat er een significante afwijking tussen de IDF-verbanden van de Code van Goede Praktijk en de waarnemingen, dit omdat de IDF-statistieken nu ook bepaald worden door extreme regenbuien van frontale oorsprong (langere duur buien). De IDF-verbanden van Willems (2) houden daar wel rekening mee. Dit verklaart waarom zij voor de hoge terugkeerperioden en voor de hoge aggregatieniveau s (vanaf 6 uur en vooral vanaf 1 dag) de ombuiging naar boven in de staart van de verdeling correct beschrijven. Interessant is de ombuiging in de staart van de extreme-waarden-verdeling beschreven door de IDF-verbanden van Willems (2) voor de aggregatieniveau s tussen 1 en 3 dagen. Waar er destijds twijfel bestond over deze ombuiging (omdat de neerslagextremen in de periode geen ombuiging vertoonden, tenzij enkel één grootste gebeurtenis), wordt deze ombuiging nu duidelijk bevestigd op basis van de langere meetreeks (meerdere gebeurtenissen). 5 Aanpassing IDF-verbanden De aanpassing aan de IDF-verbanden werd gezocht in de vorm van een algemene correctiefactor op de neerslagkwantielen. De resultaten in Figuur 1 en Figuur 2 geven immers aan dat de neerslagkwantielen (neerslagintensiteiten bij welbepaalde terugkeerperioden) met een bepaalde percentage moeten verhoogd worden. Dit percentage bleek nagenoeg constant voor de aggregatieniveau s tussen 1 minuten en 1 dag (dit zijn de aggregatieniveau s welke relevant zijn voor rioleringstoepassingen en ook voor oppervlaktehydrologie langs stroomgebieden). Voor al deze aggregatieniveau s werd een gemiddelde correctiefactor van 7.5% gevonden (of een factor 1 /.93). Dit betekent dat voor welbepaalde terugkeerperioden de aangepaste IDF-neerslagwaarden kunnen bekomen worden mits gebruik van de oorspronkelijke IDF-verbanden (zie Deel 3 van deze nota) na verhoging van de neerslagwaarden met deze factor. Of, omgekeerd, kunnen voor welbepaalde neerslagwaarden de terugkeerperioden gevonden worden mits gebruik van diezelfde IDF-verbanden maar na reductie van de neerslagwaarden met een factor.93. Figuur 1 geeft aan dat na correctie met deze factor een onvertekende schatting wordt bekomen van de IDF-neerslagwaarden voor zowel de periode als de deelperiode Voor kleine aggregatieniveau s (1 minuten in Figuur 1) komen de hoogste neerslagextremen voor in de zomer, terwijl de invloed van de klimaatverandering voor deze periode vooralsnog beperkt is (zie Figuur 2). Dit verklaart waarom de neerslagkwantielen op basis van de volledige periode en deze voor de meest recente oscillatiegolf weinig verschillen. Voor de winterperiode (riviertoepassingen) is dit evenwel anders (zie de duidelijke recente stijging in neerslagextremen in de winter in Figuur 1)! K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 12

15 IDF gebaseerde terugkeerperiode [jaar] bissectrice Empirische terugkeerperiode [jaar] Figuur 1. Empirische versus IDF gebaseerde terugkeerperioden na aanpassing van de IDFverbanden van Vaes et al. (1996, 24), voor de 1-minuten neerslagintensiteiten in de perioden en De correctiefactor blijkt geldig voor zowel de IDF-verbanden van Vaes et al. (24) als deze van Willems (2). De IDF-verbanden van Willems (2) worden na de bijkomende validatie in Deel 4 van deze nota (op basis van de meest recente metingen) evenwel als meest betrouwbaar verondersteld (zeker voor het aggregatieniveau van 1-minuten en voor de hogere aggregatieniveau s van 12 uur of meer). De aangepaste IDF-verbanden van Willems (2) worden daarom hier aanbevolen. De aangepaste IDF-verbanden zijn dus deze beschreven in Deel 2 volgens Willems (2), maar na vervanging van de neerslagintensiteit i door i /.93. Voor aggregatieniveau s groter dan 1 dag blijkt geen correctie noodzakelijk. Vooral de korteduur neerslagextremen blijken gestegen. 6 Aangepaste ontwerpneerslag Hierna is de tabel met neerslagontwerpwaarden uit de Code van Goede Praktijk (Tabel 27 in de ontwerp-codetekst van Vaes et al., 24) aangepast aan de aangepaste IDF-verbanden; zie Tabel 1. Ook werd de tabel op vraag van de CIW-werkgroep uitgebreid met neerslagwaarden voor een aggregatieniveau van 15 minuten en voor een terugkeerperiode van 2 jaar. Omdat de IDF-statistieken van Willems (2) geldig zijn tot aggregatieniveau s van 15 dagen werden ook enkele bijkomende grote aggregatieniveau s toegevoegd. Overeenkomstig de aangepaste IDF-verbanden zijn ook de Vlaamse composietbuien (ontwerpneerslag) aangepast. Figuur 11 toont de vergelijking tussen de oorspronkelijke en aangepaste IDF-verbanden voor aggregatieniveau s tussen 1 minuten en 15 dagen. Figuur 12, Figuur 13 en Figuur 14 tonen voorbeelden van de overeenkomstige composietbuien (voor en na aanpassing) voor terugkeerperioden van 2, 5 en 2 jaar. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 13

16 Tabel 1. Aangepaste IDF-neerslagwaarden (in mm/h and l/s/ha) voor terugkeerperioden van 2, 5 en 2 jaar en voor aggregatieniveau s van 1 minuten tot 15 dagen. Terugkeerperiode [jaar]: Buiduur: mm/h l/s/ha 1 min min min min min min uur uur uur uur uur uur uur dag dagen dagen dagen dagen dagen dagen dagen K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 14

17 1 IDF composietbuien IDF Willems 2 IDF Willems 2, aangepast 1 Neerslagintensiteit [mm/h] Aggregatieniveau [dagen] Figuur 11. IDF-curven voor terugkeerperioden van 2, 5 en 2 jaar. Neerslagintensiteit [mm/h] IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems 2 IDF Willems 2, aangepast Tijd [min] Figuur 12. Composietbui voor een terugkeerperiode van 2 jaar. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 15

18 Neerslagintensiteit [mm/h] IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems 2 IDF Willems 2, aangepast Tijd [min] Figuur 13. Composietbui voor een terugkeerperiode van 5 jaar. Neerslagintensiteit [mm/h] IDF composietbuien IDF composietbuien, aangepast IDF Willems 2 IDF Willems 2, aangepast Tijd [min] Figuur 14. Composietbui voor een terugkeerperiode van 2 jaar. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 16

19 7 Conclusies De neerslagstatistieken en bijhorende ontwerpneerslag voor rioleringstoepassingen, zoals opgenomen in de ontwerp-code van Vaes et al. (24), dienen herzien. De neerslagstatistieken in de code zijn immers gebaseerd op de 1-minuten neerslagmetingen te Ukkel voor de periode Op dit ogenblik heeft het KMI voor Ukkel een 1-minuten neerslagreeks ter beschikking voor de periode Uit deze unieke tijdreeks werden voor deze nota bij verschillende aggregatieniveau s (1-min, 3-min, 6-min, 36-min, 1 dag, 3 dagen, 5 dagen, 1 dagen en 15 dagen) alle onafhankelijke neerslagextremen geëxtraheerd en vergeleken met de huidige IDF-statistieken. Er werd vastgesteld dat de neerslagkwantielen voor terugkeerperioden groter dan 1 jaar, wanneer berekend voor de ganse meetperiode of voor de periode , beperkt hoger zijn in vergelijking met de metingen voor Deze nota beschrijft twee oorzaken: (1) statistieken van neerslagextremen vertonen multidecadale oscillaties, waarbij de periode een oscillatiedal omvat, dus de langjarige neerslagstatistieken onderschat, (2) de invloed van de klimaatopwarming. De IDF-curven werden daarom aangepast. Het betreft een gemiddelde aanpassing op basis van alle aggregatieniveau s tussen 1 minuten en 1 dag en op basis van het verschil in empirische extreme-waarden-verdeling tussen de perioden en in vergelijking met de waarnemingsreeks die oorspronkelijk werd gebruikt. De deelperiode werd gebruikt, omdat ze overeen komt met de meest recente oscillatiegolf. Ze omvat een volledige oscillatiecyclus (oscillatiedal van de jaren 197 en oscillatiepiek van de jaren 199). Het is belangrijk op te merken dat de in deze nota aangepaste IDF-statistieken mogelijks nu reeds achterhaald zijn. De klimaatverandering zet zich immers continu verder. Toekomstige klimaatevoluties zijn echter nog zeer onzeker. In het rapport van Willems (29) werden op basis van de huidige inzichten en kennis m.b.t. het klimaatonderzoek klimaatscenario s tot 21 afgeleid samen met hun onzekerheid. Deze blijven ongewijzigd geldig. Ze kunnen gebruikt worden bij het ontwerp van rioleringsstelsels en randvoorzieningen in functie van de ontwerpperiode. Door de grote onzekerheid dienen ze geïntegreerd in een risico-analyse gebaseerde aanpak. Een andere belangrijke opmerking is dat neerslagstatistieken door de multidecadale oscillaties sterk in de tijd kunnen variëren. Zoals geïllustreerd in Figuur 1 en Figuur 2 kunnen de IDFneerslagkwantielen over perioden van enkele jaren 1 tot 2% hoger of lager liggen in vergelijking met de langjarige statistieken (over meerdere decennia). K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 17

20 8 Referenties Demarée, G., Intensity-Duration-Frequency relationships of point precipitation at Uccle, , Koninklijk Meteorologisch Instituut, Ukkel, serie A, nr. 116, Ukkel, België. 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. 1, mei/juni Ntegeka, V., Willems, P., 28. Trends and multidecadal oscillations in rainfall extremes, based on a more than 1 years time series of 1 minutes rainfall intensities at Uccle, Belgium, Water Resources Research, 44, W742. Vaes, G., Willems, P., Berlamont, J., IDF-relaties en composietbuien voor het ontwerp van rioleringen, Rapport van het Laboratorium voor Hydraulica, K.U.Leuven, mei Vaes, G., Bouteligier, R., Luyckx, G., Willems, P., Berlamont, J., 24. Toelichting bij de Code van goede praktijk voor het ontwerp van rioleringssystemen, Rapport van de studie in opdracht van AMINAL/VMM Afdeling Water, april 24. VMM, Krachtlijnen voor een geïntegreerd rioleringsbeleid in Vlaanderen: Code van goede praktijk voor de aanleg van openbare riolen en individuele voorbehandelingsinstallaties, Vlaamse MilieuMaatschappij, Erembodegem. Willems P., 2. Compound intensity/duration/frequency-relationships of extreme precipitation for two seasons and two storm types, Journal of Hydrology, vol. 233, Willems, P. 29. Actualisatie en extrapolatie van hydrologische parameters in de nieuwe Code van Goede Praktijk voor het Ontwerp van Rioleringssystemen, Rapport van de studie in opdracht van VMM Afdeling Operationeel Waterbeheer, september 29. Willems, P., Yiou, P., 21. Multidecadal oscillations in rainfall extremes, Geophysical Research Abstracts, Vol. 12, EGU Willems, P., Ntegeka, V., Berlamont, J., 27. Analyse van trends en meerjarige schommelingen in de neerslagextremen op basis van de meer dan 1 jaar 1 minuten neerslag te Ukkel, Rioleringswetenschap, jaargang 7, nr. 26, juni 27, Willems, P., Vaes, G., Delbeke, L., Qvick, A., Popa, D., De Lannoy, G., Verhoest, N., De Troch, F., Dauwe, B., 22. Een ruimtelijk neerslagmodel voor Vlaanderen, Rapport door Laboratorium voor Hydraulica K.U.Leuven en Laboratorium voor Hydrologie en Waterbeheer U.Gent i.s.m. KMI en IMDC, Richtlijn voor het Ministerie an de Vlaamse Gemeenschap, Administratie Wetenschap en Innovatie, oktober 22, 34 p. K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 18

21 K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 19

22 Faculteit Ingenieurswetenschappen Departement Burgerlijke Bouwkunde Afdeling Hydraulica Kasteelpark Arenberg 4 BE-31 Heverlee (Leuven) tel fax Patrick.Willems@bwk.kuleuven.be K.U.Leuven Afdeling Hydraulica voor CIW 2