Simulation of pavement surface runoff using the depth-averaged shallow water equations

Abstract

Water on the pavement significantly affects traffic safety. Climate change will lead to a higher number of heavy rainstorms in Germany and the risk to have large amounts of water on the pavement will even increase. Therefore, it is important to have a tool which enables highway engineers to analyse existing and designed road sections concerning their drainage capability. In this work, a model is developed, which allows an integral simulation of pavement surface runoff. This includes features like the simulation on real pavement surfaces with an irregular topography, the possibility to treat different surface textures and the treatment of drainage facilities. As mathematical model, the depth-averaged Shallow Water Equations are chosen. The equations are extended with source terms to describe the influence of rainfall, bottom topography and flow resistance. The equations are solved using a cell-centered finite volume scheme.

Große Wassermengen auf der Fahrbahn, verursacht durch abflussschwache Zonen, sind ein hohes Sicherheitsrisiko für den Straßenverkehr. Dies wird durch den Klimawandel verstärkt, der zu einer Häufung von Starkregenereignissen führen wird. Um bestehende und geplante Straßenabschnitte hinsichtlich ihrer Entwässerungseigenschaften zu überprüfen und planerische Verbesserungsmöglichkeiten aufzuzeigen, wird in dieser Arbeit ein Modell entwickelt, das den Wasserabfluss auf Fahrbahnoberflächen ganzheitlich beschreibt. Dies beinhaltet die zeitabhängige Simulation des Abflusses auf realen Fahrbahnoberflächen mit irregulärer Topographie (Unebenheiten) unter Betrachtung unterschiedlicher Fahrbahnbeläge sowie offener und geschlossener Fahrbahnränder, einschließlich der Entwässerungseinrichtungen. Das Modell basiert auf den tiefengemittelten Flachwassergleichungen, die um Quellterme zur Beschreibung des Niederschlags, des Fließwiderstandes und der Fahrbahntopographie erweitert werden. Zur Lösung der Gleichungen kommt ein zellzentriertes Finite-Volumen-Verfahren zum Einsatz.