Tesis:
Assessment of the effects of climate change on hydrological dam safety and urban floods
- Autor: SORIANO MARTÍN, Enrique
- Título: Assessment of the effects of climate change on hydrological dam safety and urban floods
- Fecha: 2023
- 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/74132/
- Director/a 1º: MEDIERO ORDUÑA, Luis
- Resumen: Floods are the natural hazard that causes most human and economic losses in Europe and Spain. Therefore, it is necessary to improve the knowledge about floods to deal with them in each region. Several studies have been carried out based on observed data, aiming to predict the magnitude and frequency of floods. In addition, in recent decades, floods have changed in magnitude, frequency and timing due to climate change. Moreover, national rules and regulations have highlighted the importance of considering climate change in infrastructure design and safety assessment.
Several climate change projections are available to assess the effect of climate change on floods in the future. These projections usually provide global or regional scale data on precipitation and temperature, but such a scale is not enough for local studies. Therefore, bias errors appear when comparing such climate projections to observations at rain-gauging stations that significantly affect the results of the flood assessment studies.
Multiple techniques have been developed to correct such bias errors in precipitation and temperature. These corrections are focused mainly on mean values of precipitation and temperature, usually ignoring the hydroclimatic extremes. Consequently, bias correction methodologies are proposed, accounting for extreme flows. The effects of bias correction on flood volumes cumulated at different durations are also studied, as hydrograph flood volume is a crucial variable in hydrological dam design and safety assessment. Climate projections have been corrected in the future period with the best bias correction methodology identified in the control period to obtain the delta changes in peak flow and hydrograph volume quantiles in the future.
First, hydrological continuous simulation has been used to simulate the extreme flows that can generate a given catchment by using daily rainfall data, though it has been observed that continuous hydrological models smooth the extreme flows highly. For this reason, it was decided to use the modified curve number method with sub-daily rainfall hyetographs and an initial runoff condition estimated with daily soil moisture content simulated by the continuous model. This method was used to obtain peak flows and flood frequency curves, improving estimates of delta changes due to climate change.
In addition, climate change projections of precipitation are usually daily, which significantly limits the predictions of extreme flows. Therefore, a stochastic rainfall generator has been used to obtain long sub-daily rainfall series. The parameters needed to generate the rainfall series in the future have been estimated from climate change projections so that the rates of change due to the effect of climate change can be calculated.
Floods also affect large infrastructure and are a major problem in urban areas. In addition, in recent decades these urban areas have undergone major changes, increasing their population, density and extent. As in the previous cases, floods in urban areas are also affected by climate change. For this reason, a methodology has been proposed to estimate the expected changes in direct flood damages in urban areas in the future in climate change. The methodology has been applied to the case study of Pamplona (Spain). The innovative platform SaferPlaces has been used to calculate the direct damages due to the effect of fluvial flooding in Pamplona at the building scale.
RESUMEN
Las inundaciones son el desastre natural que más pérdidas humanas y económicas causan en Europa y también en España. Por tanto, es necesario conocerlas lo mejor posible para poder tomar medidas que permitan reducir los riesgos de inundación en cada región. Se han realizado múltiples estudios para caracterizarlas a partir de los datos observados y así tratar de predecir la magnitud y frecuencia de estas avenidas. Por otro lado, se ha observado que en las últimas décadas estas avenidas han cambiado su magnitud, frecuencia y fecha de ocurrencia debido al cambio climático. Este efecto es tan importante que durante los últimos años los gobiernos de distintos países han desarrollado normas para tener en cuenta el cambio climático en el diseño de infraestructuras. Por ejemplo, en España, las nuevas Normas Técnicas de Seguridad para las presas y sus embalses.
Para tratar de cuantificar el efecto del cambio climático en las avenidas en el futuro se han generado multitud de proyecciones de cambio climático. Estas proyecciones proporcionan datos a escala global y regional de precipitación y temperatura, pero esta escala normalmente no es suficiente para realizar estudios locales. Por tanto, normalmente aparecen errores de sesgo cuando se comparan las proyecciones de cambio climático con las observaciones puntuales en estaciones de medida de precipitación y temperatura, que afectan de forma significativa los resultados de los estudios de impacto.
Se han desarrollado múltiples técnicas para corregir estos errores de sesgo en la precipitación y temperatura. Estos métodos normalmente se centran en corregir los valores medios de la precipitación y temperatura, ignorando el ajuste de los extremos. Por esto, se proponen una serie de metodologías de corrección de sesgo teniendo en cuenta el ajuste para los caudales extremos. También se estudian los efectos de la corrección de sesgo en los volúmenes del hidrograma de avenida acumulado en diferentes duraciones, ya que el volumen del hidrograma es una variable muy importante en el diseño y la comprobación de la seguridad hidrológica de las presas. Una vez seleccionada la mejor metodología de corrección de sesgo en el periodo de control, se han corregido las proyecciones en el periodo futuro, con el objetivo de obtener las tasas de cambio de los caudales punta y volúmenes de hidrograma en el futuro.
Para obtener una estimación de los caudales extremos que puede generar una determinada cuenca a partir de las precipitaciones a escala diaria se ha utilizado inicialmente modelización hidrológica continua y se ha observado que este tipo de modelos tienden a suavizar considerablemente los caudales extremos. Por esto, se ha decidido utilizar el método del número de curva modificado con precipitación subdiaria y una estimación de la condición antecedente de escorrentía a partir de los datos del contenido de humedad del suelo simulados por el modelo hidrológico continuo. De esta forma, se han obtenido unos resultados mejorados de caudales punta y sus leyes de frecuencia pudiendo obtener así nuevas estimaciones mejoradas de las tasas de cambio en los caudales punta por efecto del cambio climático.
Una problemática observada de las proyecciones de cambio climático es que la escala de las precipitaciones es normalmente diaria, afectando esto considerablemente a las simulaciones de los caudales extremos. Por ello, se ha utilizado un generador de lluvia estocástica para poder obtener series de lluvia a escala subdiaria. Los parámetros necesarios para generar las series de lluvia en el futuro se han estimado a partir de las proyecciones de cambio climático pudiendo así obtener las tasas de cambio por el efecto del cambio climático.
Las inundaciones no solo afectan a las grandes infraestructuras, sino que también suponen un gran problema para las zonas urbanas. Además, en las últimas décadas estas zonas urbanas han sufrido grandes cambios, aumentando su población, densidad y extensión considerablemente. De la misma forma que en los casos anteriores, las avenidas en las zonas urbanas también se verán afectadas por el cambio climático. Por ello, se ha propuesto una metodología para estimar los cambios esperados en los daños directos por inundación en áreas urbanas en el futuro como consecuencia del cambio climático. La metodología propuesta se ha aplicado al caso de estudio de Pamplona. Se ha utilizado lanovedosa plataforma SaferPlaces, para calcular los daños directos por efecto de las inundaciones fluviales a escala de edificio.