Tesis:
A methodology for the bivariate hydrological characterization of flood waves for river-related flood risks assessments
- Autor: ISOLA, Matteo
- Título: A methodology for the bivariate hydrological characterization of flood waves for river-related flood risks assessments
- Fecha: 2020
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS
- Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA Y ENERGETICA
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/70457/
- Director/a 1º: CAPORALI, Enrica
- Director/a 2º: GARROTE DE MARCOS, Luis
- Resumen: The Flood Directive 60/2007/EC requires the European countries to verify the effectiveness of existing flood defence infrastructure to mitigate flood risks. The current practice establishes that the river flood control structures must respect a basic requirement, usually consisting of a certain safe freeboard under a design peak flow rate corresponding to a certain probability of exceedance. This requirement has some critical issues. It is based on a univariate frequency analysis of only flood peak, and therefore it assumes a perfect correspondence between the probability of occurrence of the hydrological variable and the failure of the flood-control structure. The thesis aims to define a methodology to overcome these issues implementing a bivariate hydrological risk analysis for river-related flood risk. The methodology is mainly focused on the overtopping failure for river levees. River levees are the most common river flood-control structure. They are raised, predominantly earth, structures (also called dykes, digues or embankments). The overtopping failure of a river levee caused several flood disasters such as Elbe flood (2002), New Orleans flood (2005), Emilia Romagna Flood (2017) or Arkansan flood (2019). The proposed procedure is carried out through two steps: (i) the evaluation of hydrological failure related to the overtopping risk for a levee; (ii) the estimation of the probability of occurrence of the hydrological failure introducing the concept of the Bivariate Failure Return Period. The hydrological failure is determined considering the mutual interaction between a bivariate hydrological load of peak discharge (Q) and the volume of the hydrograph (V), the river conveyance, and the levee resistance with respect to overtopping. The bivariate hydrological load considers an approximation of the real bivariate distribution of Q and V, functional to determine the hydrological failure. The shape of the hydrographs is classified concerning the overtopping introducing the Overtopping Hydrograph Shape Index (OHSI). The hydrological failure condition is represented by a curve in Q-V space containing all the hydrographs causing the initiation of the damage. This curve demonstrates that not only the peak flow but also the volume of the hydrograph are essential variables to characterise the overtopping failure. The risk of overtopping failure is expressed by the probability of occurrence of the hydrological failure within a new interpretation of the return period. Because of the hydrological failure curve is a function in Q-V space, the return period is estimated in the bivariate framework. Several definitions of the bivariate return period are available, each of which gives a different interpretation of it. This critical issue is overcome introducing the Bivariate Failure Return Period. The Bivariate Failure Return Period assesses the probability of the failure curve of the hydraulic structure generating possible scenarios through a Monte Carlo simulation. Two case studies are presented to demonstrate the applicability of the methodology and the advantages of using it respect to the current practice. In the thesis, the methodology is also applied to the problem of flood damage estimation demonstrating the flexibility and the validity of the proposed procedure. In this case, the hydrological failure consists in equal-euro curve in Q-V space, which includes all the hydrographs causing the same euro flood damages in a site. The procedure proposed needs Q-V data at the target site where the risk is to be assessed but most of the sites are ungauged. This issue is overcome by testing the bivariate regional frequency analysis. It is applied to the case study of the entire Tuscany Region (Italy). By the bivariate regional analysis, the Q-V series can be estimated at ungauged sites, and the uncertainty is reduced at gauged sites. ----------RESUMEN---------- La Directiva de inundaciones 60/2007 / CE requiere que los países europeos verifiquen la efectividad de la infraestructura de defensa contra inundaciones existente para mitigar los riesgos de inundación de manera eficiente. La práctica actual establece que las estructuras de control de inundaciones del río deben respetar un requisito básico, que generalmente consiste en un cierto francobordo seguro bajo un caudal máximo con una cierta probabilidad. Este requisito tiene algunos problemas críticos. Como ejemplo, se basa en un análisis de frecuencia univariante de la caudal máxima, o supone una correspondencia perfecta entre la probabilidad de ocurrencia de la variable hidrológica y la falla de la estructura de control de inundaciones. La tesis tiene como objetivo definir una metodología para superar estos problemas implementando un análisis de riesgo hidrológico bivariado para el riesgo de inundación relacionado con el río. La metodología se centra principalmente en la falla de desbordamiento de los diques de los ríos. Los diques de los ríos son la estructura de control de inundaciones más común. Son estructuras elevadas, predominantemente terrestres (también llamadas diques, excavaciones o terraplenes). La falla de desbordamiento del dique de un río causó varios desastres de inundación como la inundación de Elba (2002), la inundación de Nueva Orleans (2005), la inundación de Emilia Romagna (2017) o la inundación de Arkansan (2019). El procedimiento propuesto se lleva a cabo a través de dos pasos: (i) la evaluación de la falla hidrológica relacionada con el riesgo de desbordamiento de un dique; (ii) estimación de la probabilidad de ocurrencia de la falla hidrológica introduciendo el concepto del Período de retorno de falla bivariada. La falla hidrológica se determina considerando la interacción mutua entre una carga hidrológica bivariada de pico de caudal (Q) y el volumen del hidrograma (V), el transporte del río y la resistencia del dique con respecto al sobrecorte. La carga hidrológica bivariada considera una aproximación de la distribución bivariada real de Q y V, funcional para determinar la falla hidrológica. La forma de los hidrogramas se clasifica con respecto al sobrecorte que introduce el Índice de forma del hidrograma de sobrecorte (OHSI). La falla hidrológica está representada por una curva en el espacio Q-V que contiene todos los hidrogramas que causan el inicio del daño. Esta curva demuestra no solo el flujo máximo sino que también el volumen del hidrograma es una variable esencial para caracterizar la falla de sobrecorte. El riesgo de fallas excesivas se expresa por la probabilidad de fallas hidrológicas en el plazo amplio del período de retorno. Debido a que la curva de falla hidrológica es una función en el espacio Q-V, el período de retorno se estima en el marco bivariado. Existen varias definiciones del período de retorno bivariado, cada una de las cuales ofrece una interpretación diferente del mismo. Este problema crítico se supera al presentar el Bivariate Failure Return Period. El Bivariate Failure Return Period evalúa la probabilidad de la curva de falla de la estructura hidráulica generando posibles escenarios a través de una simulación de Monte Carlo. Se presentan dos estudios de caso para demostrar la aplicabilidad de la metodología y las ventajas de usarla con respecto a la práctica actual. En la tesis, la metodología también se aplica al problema de la estimación de daños por inundación que demuestra la flexibilidad y la validez del procedimiento propuesto. En este caso, la falla hidrológica consiste en una curva de euro igual en el espacio Q-V, en el que hay todos los hidrogramas que causan los mismos daños por inundación en euros en un sitio. El procedimiento propuesto necesita datos de Q-V en el sitio de destino donde se debe evaluar el riesgo, pero la mayoría de los sitios no están calibrados. Este problema se supera probando el análisis bivariado de frecuencia regional. Se aplica al estudio de caso de toda la región de Toscana (Italia). Mediante el análisis regional bivariado, la serie Q-V se puede estimar en sitios no calibrados, y la incertidumbre se reduce en los sitios calibrados.