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Tesis:

Climate change impact on floods assessment at different spatial scales

  • Autor: LOMPI, Marco

  • Título: Climate change impact on floods assessment at different spatial scales

  • Fecha: 2022

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS DE CAMINOS, CANALES Y PUERTOS

  • Departamentos: INGENIERIA CIVIL: HIDRAULICA, ENERGIA Y MEDIO AMBIENTE

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72354/

  • Director/a 1º: MEDIERO ORDUÑA, Luis

  • Resumen: Climate change is increasing the frequency and magnitude of precipitation and flood extremes events. Increasing peak discharges in the future can lead to underestimating hydraulic risk in urban areas, which could affect the current hydraulic safety of critical infrastructures, such as dams. Climate change impacts on floods can be assessed at different spatial scales, from the global to the river basin scale, with varying objectives, applications, and methodologies. Therefore, new tools are required to assess climate change impacts at each spatial scale. This thesis evaluates climate change impacts on floods at three spatial scales: regional, river basin, and infrastructure scale. Particularly, it proposes two different methodologies. First, a methodology to assess climate change impact on design floods (river basin scale) and hydrological dam safety (infrastructure scale). Second, a methodology to adapt the design floods at the regional scale to consider uncertainty and climate change impacts on floods in small river basins in a given area. The first part of this thesis proposes a methodology to assess hydrological dam safety in the future considering the combined impact of climate change on both inflow hydrographs and initial reservoir water levels at the beginning of flood events. The methodology is based on the analysis of climate projections supplied by an ensemble of 12 climate models and also incorporates uncertainty. The Arga River and the Eugui Dam (Spain) are selected as case studies. The quantification of expected changes in flood quantiles considers two emission scenarios (RCP 4.5 and RCP 8.5), three time windows in the future (2011-2040, 2041-2070, and 2070-2100), and seven return periods. The RIBS distributed and event-based hydrological model is used to simulate rainfall-runoff processes in the catchment at sub-daily time scale in flood events. The impact of climate change on initial reservoir water levels expected at the beginning of flood events is assessed by integrating the HBV continuous hydrological model, to simulate the catchment response at a daily time step, with a reservoir operation model, to simulate daily water balance in the reservoir. A stochastic procedure is developed to obtain the frequency curves of maxima reservoir water levels and outflow discharges in flood events for each scenario, assessing the expected changes in the exceedance probability of dam overtopping and quantifying the uncertainty chain in the methodology. Expected future floods in the city of Pamplona show a decrease in design peak discharges for return periods smaller than ten years and an increase for the 500- and 1000-year floods for both RCPs in the three time windows. The emission scenario RCP 8.5 usually provides greater increases in flood quantiles of peak discharges, almost 10-30% higher than in RCP 4.5. Change magnitudes for the most extreme events could be related to the greenhouse gas emission predictions in each RCP, as the greatest expected changes are found in 2040 for the RCP 4.5 and in 2100 for the RCP 8.5. The impact of climate change on hydrological dam safety at the Eugui Dam show expected increases both in the maximum reservoir water level for the most extreme events and the probability of dam overtopping, especially in the 2071-2100 period for the RCP 8.5. Moreover, the maximum outflow discharge frequency also increases in all the time windows for the RCP 8.5, exacerbating the hydraulic risk for the downstream population in Pamplona city. Uncertainty has a key role in estimating changes in future risk, as the exceedance probability of dam overtopping, maximum reservoir water levels, and maximum outflow discharges are underestimated for almost all the scenarios when uncertainty is not considered. The second part of the thesis presents the adaptation of design floods in small river basins at the regional scale in northern Tuscany (Italy). The work is developed within an agreement with the District River Basin Authority of Northern Apennine. In this case, a simple approach based on rainfall scaling and stochastic storms transposition of occurred events is presented to identify areas where design discharges underestimate flash flood risk. A Flash Flood Design Adaptation index is introduced to adapt the design discharges. Design floods of small river basins in Northern Tuscany, with an area generally less than 30 km2, underestimate the flash flood risk. Therefore, their design discharges should be adapted. RESUMEN El cambio climático está aumentando la frecuencia y la magnitud de las precipitaciones extremas y las inundaciones. El aumento de la magnitud de los caudales punta en el futuro puede llevar a subestimar los riesgos de inundación en áreas urbanas, lo que podría afectar el diseño de infraestructuras, como las presas, que se construyeron en su día considerando las avenidas de diseño estimadas en el momento de la construcción. Los impactos del cambio climático sobre las inundaciones pueden evaluarse a diferentes escalas espaciales, desde estudios a escala global hasta la escala de cuenca. Cada escala tiene sus objetivos, aplicaciones y metodología. Por lo tanto, se requieren nuevas herramientas para evaluar los impactos del cambio climático considerando diferentes escalas espaciales. Esta tesis implica la evaluación de los impactos del cambio climático en las inundaciones a escala de cuenca, a escala de infraestructura hidráulica y a escala regional. En particular, la evaluación del cambio climático sobre las inundaciones se realiza a escala de cuenca, para evaluar las futuras avenidas de diseño, así como a escala de infraestructura hidráulica, para evaluar la futura seguridad hidrológica de las presas. A continuación, se define la adaptación de las crecidas de diseño a escala regional para considerar la incertidumbre y los impactos del cambio climático en las crecidas súbitas en pequeñas cuencas de un área determinada. En la evaluación de la seguridad hidrológica de las presas, se debe evaluar el impacto del cambio climático tanto en los hidrogramas de entrada como en la frecuencia inicial del nivel del agua en el embalse. Las probabilidades de sobrevertido en la presa están asociadas a avenidas extremas de alto período de retorno, las cuales se ven afectadas por una gran incertidumbre en la estimación de los cuantiles de precipitación. Además, la incertidumbre también aumenta debido a los errores residuales de los modelos hidrológicos tras su calibración. La primera parte de esta tesis presenta una metodología para evaluar la seguridad hidrológica de las presas en el futuro considerando el impacto del cambio climático en los hidrogramas de entrada y los niveles iniciales de agua en el embalse al comienzo de los eventos de avenida, cuantificando la incertidumbre en las estimaciones. La cuenca del río Arga y la presa de Eugui se seleccionan como casos de estudio. La presa se utiliza para la gestión de los recursos hídricos y la mitigación de inundaciones en la ciudad de Pamplona, situada aguas abajo. La cuantificación de los cambios esperados en los cuantiles de caudal punta se realiza mediante un conjunto de 12 modelos climáticos, siete periodos de retorno, dos escenarios de emisión (RCP 4.5 y RCP 8.5) y tres periodos de tiempo (2011-2040, 2041-2070 y 2070-2100). El modelo hidrológico distribuido RIBS se utiliza para simular el proceso lluvia-escorrentía en eventos de avenida a escala de cuenca. El impacto del cambio climático en los niveles de agua en el embalse al inicio de los eventos de avenida se evalúa integrando el modelo hidrológico continuo HBV con un modelo de operación del embalse. El modelo HBV simula los caudales de entrada diarios en el embalse de Eugui utilizando las proyecciones de lluvia y temperatura como datos de entrada. El modelo de operación del embalse se ha desarrollado para obtener los niveles diarios del agua en el embalse, utilizando los caudales de entrada simulados por HBV como datos de entrada y considerando las reglas de operación del embalse, como los caudales de suministro de agua, los caudales ecológicos y los caudales máximos de vertido en función del nivel de embalse. También se ha desarrollado un procedimiento estocástico para obtener las curvas de frecuencia del nivel máximo de agua en el embalse y del caudal máximo de salida para cada escenario, evaluando los cambios esperados en la probabilidad de excedencia de sobrevertido de la presa, así como cuantificando la cadena de incertidumbre en la metodología. Las futuras inundaciones esperadas en la ciudad de Pamplona muestran una disminución de los caudales punta de diseño para periodos de retorno inferiores a 10 años y un aumento para las avenidas de 500 y 1000 años de periodo de retorno para los dos RCP considerados en los tres periodos de tiempo. El escenario de emisión RCP 8.5 suele proporcionar mayores aumentos en los cuantiles de caudal punta. El aumento en los caudales de diseño es un 10-30% mayor en el RCP 8.5 que en el RCP 4.5. Las magnitudes de cambio de los eventos más extremos podrían estar relacionadas con las predicciones de emisión de gases de efecto invernadero en cada RCP, ya que los mayores cambios esperados se encuentran en 2040 para el RCP 4.5 y en 2100 para el RCP 8.5. Los resultados sobre la seguridad hidrológica de la presa en la presa de Eugui en situación de cambio climático muestran un aumento en la frecuencia esperada del nivel máximo de agua en el embalse alcanzado durante la laminación de las avenidas y en la probabilidad de sobrevertido de la presa, especialmente en el período 2071-2100 para el RCP 8.5. Además, la magnitud de los caudales de vertido por la presa también aumenta en todos los periodos de tiempo para el RCP 8,5, aumentando el riesgo de inundación para la población situada aguas debajo de la presa en la ciudad de Pamplona. La incertidumbre tiene un papel clave en la estimación del riesgo en el futuro, ya que la probabilidad de excedencia de sobrevertido en la presa, los niveles máximos de agua en el embalse durante la laminación de las avenidas y los caudales punta de salida se subestiman sin su consideración en casi todos los escenarios. La segunda parte de la tesis presenta la adaptación de las avenidas de diseño a escala regional en pequeñas cuencas fluviales sujetas a inundaciones súbitas en el norte de la Toscana. En esto caso, se presenta un enfoque simple basado en el reescalado de la precipitación y la transposición estocástica de tormentas de eventos ocurridos para identificar áreas donde los caudales de diseño subestiman el riesgo de inundación para crecidas súbitas. Se introduce el índice Delta Flash Flood Design para adaptar los caudales de diseño. Las avenidas de diseño en pequeñas cuencas fluviales en el norte de la Toscana, con un área generalmente inferior a 30 km2, subestiman el riesgo de inundaciones para avenidas súbitas. Por lo tanto, sus caudales de diseño deberían ser adaptados.