Flood risk in urban areas: modelling, management and adaptation to climate change. A review

[Abstract:] The modelling and management of flood risk in urban areas are increasingly recognized as global challenges. The complexity of these issues is a consequence of the existence of several distinct sources of risk, including not only fluvial, tidal and coastal flooding, but also exposure to urban runoff and local drainage failure, and the various management strategies that can be proposed. The high degree of vulnerability that characterizes such areas is expected to increase in the future due to the effects of climate change, the growth of the population living in cities, and urban densification. An increasing awareness of the socio-economic losses and environmental impact of urban flooding is clearly reflected in the recent expansion of the number of studies related to the modelling and management of urban flooding, sometimes within the framework of adaptation to climate change. The goal of the current paper is to provide a general review of the recent advances in flood-risk modelling and management, while also exploring future perspectives in these fields of research

Comparative analysis of overland flow models using finite volume schemes

In this paper attention is first focused on a comparative analysis of three hydraulic models for overland flow simulations. In particular, the overland flow was considered as a 2D unsteady flow and was mathematically described using three approaches (fully dynamic, diffusive and kinematic waves). Numerical results highlighted that the differences among the simulations were not very important when the simulations referred to commonly used ideal tests found in the literature in which the topography is reduced to plane surface. Significant differences were observed in more complicated tests for which only the fully dynamic model was able to provide a good prediction of the observed discharges and water depths. Then, attention is focused on the fully dynamic model and in particular on the analysis of two numerical schemes (TVD-MacCormack and HLL) and the influence of the grid size. Numerical tests carried out on irregular topography show that, as the grid size decreases, the performance of the HLL scheme becomes closer to that of the TVD-MacCormack scheme in shorter computational times at least for high rainfall intensity

Dam breach modelling: influence on downstream water levels and a proposal of a physically based module for flood propagation software

The influence exerted by the method used for computing the dam breach hydrograph on the simulated maximum water levels throughout the downstream valley is essential for selecting a specific computing module to be implemented in the numerical codes used by practitioners. This module should be able to balance the need for a reasonable physical description of the phenomenon and, at the same time, limit as much as possible the maximum number of parameters. In order to feed a debate on this field, in this paper the performances of some parametric models used for the dam breach module implemented in the popular HEC-RAS software, and a simplified but physically based model have been analysed. The performances of the dam breach models have been assessed with reference to the historical event of the Big Bay dam, using both one-dimensional and two-dimensional (1-D and 2-D) flood propagation modelling. The results show that the physically based model considered here, without any operations of ad hoc calibration, has provided the best results in predicting computation of that event. Therefore, it may be proposed as a valid alternative to parametric models, which need the estimation of some parameters that can add further uncertainties in studies like these

Comparing Different Modelling Strategies for the Estimation of Climate Change Effects on Urban Pluvial Flooding

In this paper, two different strategies are presented that allow for the assessment of the effects of climate change on urban pluvial flooding, in order to understand potentialities and limitations, advantages and drawbacks. The two strategies are hereby defined as “top-down” and “bottom-up”, according to the relative position of climate change modelling with respect to flood modelling (upstream for top-down, downstream for bottom-up). To provide a practical example, the two strategies are applied to a case study located in Naples, Italy. However, they can be successfully extended for the assessment of any potential impact of climate change in any location

Accuracy aspects in flood propagation studies due to earthfill dam failures

Dottorato in Scienza Ingegneristiche “Pitagora” Dottorato di Ricerca in Ingegneria Idraulica per l'Ambiente e il Territorio Ciclo XXVIII, a.a. 2015Flooding due to dam failing is one of the catastrophic disasters which might cause significant damages in the inundated area downstream of the dam. In particular, there is a need of trustworthy numerical techniques for achieving accurate computations, extended to wide areas, obtained flood mapping and, consequently, at the implementation of defensive measures. In general several key aspects are required for accurate simulations of flood phenomena which are ranging from the choice of the mathematical model and numerical schemes to be used in the flow propagation to the characterization of the topography, the roughness and all the structures which might interact with the flow patterns Regarding general framework discussed before this thesis is devoted to discuss two aspects related to accuracy issues in dam breach studies. In the first part a suitable analytical relation for the description of reservoir have been discussed and the second part the influence exerted by the methods used for computing the dam breach hydrograph on the simulated maximum water levels throughout the valley downstream of a dam, has been investigated. As regards the first aspect, the influence of reservoir morphology on the peak discharge and on the shape of outflow hydrograph have been investigated in the literature. The calculation of the discharge released through the breach requires the knowledge of the water level in the reservoir. It is considerable that the reservoir morphology in computational analyses cannot be expressed exactly by an analytical formula because of natural topography of the reservoir. For this reason, the information about reservoir morphology is usually published as a detail tables or plots which each value of elevation from bottom to top has a corresponding value for lake surface and reservoir volume. However, in the cases for which there is a scarcity of data, analytical expression can be obtained by interpolation of the values of the table. Usually one of the most suitable technique for interpolation data is using polynomial function but unfortunately utilizing this function for solving the problem demand several parameters. Using power function in numerical computations of breach phenomena would be advantageous, because this function is monomial type and only one parameter needs to be estimated. In this thesis, we want to present that this approach is very accurate and suitable to represent the morphology of the reservoirs, at least for dam breach studies. To reach this aim, 97 case studies have been selected from three different geographical regions in the world. The results of this research have been shown that the power function is suitable to obtain an accurate fitting of the reservoir rating curve using a very limited number of surveyed elevations and volumes or areas. Furthermore in this part of the research it has been shown that two points are enough for a good fitting of the curve, or even only one if volume and surface are both available for an elevation close to normal or maximum pool. Results obtained for dam breach calculations using this equation, have the same quality of those achieved using the elevation-volume table. Moreover, this research have been shown that the exponent of power equation can be expressed by a formula which has a precise morphological meaning, as it represents the ratio between the volume which the reservoir would have if it were a cylinder with its base area and height equal to the respective maximum values of the actual reservoir, and the real volume of the reservoir. Regarding the second aspect, over the complexity of the mathematical models which have been used to predict the generation of dam breach hydrograph, it is considerable that the historical observed data of discharge peak values and typical breach features (top width, side slope and so on) have been usually utilize for model validation. Actually, the important problem which should be considered here is traditionally focused on what has been observed in the dam body, because the effects of the flood wave realized in the downstream water levels usually have been neglected. This issue seems considerable because required information for the civil protection and flood risk activities are represented by the consequences induced by the flood propagation on the areas downstream such as maximum water levels and maximum extent of flood-prone areas, flow velocity, front arrival times etc. The water surface data is almost never linked to the reservoir filling/emptying process which can be important information for the estimation of discharge coming from the breach, are available. Moreover, it is quite unusual to have records on the flood marks signs or other effects induced on the river bed, or on the man-made structures, downstream. For this reason finding well documented case study is one of the important part of any simulation study, especially for model validation. One of the few cases in this context is represented by the Big Bay dam, located in Lamar County, Mississippi (USA), which experienced a failure on 12 March 2004. In general analyzing the simplified models for dam breach simulation is the main purpose of this second important activity of the thesis. The simplified model have been utilized in this study, in order to identify a method that, on the basis of the results obtained in terms of simulated maximum water levels downstream, might effectively represent a preferential approach for its implementation not only in the most common propagation software but also for its integration in flood information systems and decision support systems. For the reasons explained above, attention here focuses on the parametric models, widely used for technical studies, and on the Macchione (2008) model, whose predictive ability and ease of use have been already mentioned. To reach this purpose both a 1-D and 2-D flood propagation modelling have been utilizing in this study. The results show that the Macchione (2008) model, without any operations of ad hoc calibration, has provided the best results in predicting computation of that event. Therefore it may be proposed as a valid alternative for parametric models, which need the estimation of some parameters that can add further uncertainties in studies like these.Università della Calabri

A comparative analysis of 3-D representations of urban flood map in virtual environments for hazard communication purposes

The flood hazard/risk maps do not allow a non-expert audience an immediate perception of the flooding impacts. Therefore, we need to modernize maps providing new communication approaches. In this context, 3-D representations of flood inundation through emerging formats in virtual and augmented realities may be considered as a powerful tool to engage users with flood hazards. The challenge of the research is to create a virtual 3-D environment aimed at supporting the public, practitioners and decision-makers in interpreting and understanding the impact of simulated flood hazards. For this purpose, the paper aims to perform a comparative analysis of two techniques to carry out the 3-D realistic visualizations of a flood map for representing a potential flooding of the Crati River, in the old town of Cosenza (South of Italy). The first approach develops a simple and quick workflow that provides an overall look at a neighbourhood level, but reveals some limits in water level visualization at the individual buildings scale. The second one requires additional terrestrial laser scanning (TLS) acquisition and overcomes some limits of the first approach, by providing a visual insight about water level close to building façades

A comparative analysis of 3-D representations of urban flood map in virtual environments for hazard communication purposes

The flood hazard/risk maps do not allow a non-expert audience an immediate perception of the flooding impacts. Therefore, we need to modernize maps providing new communication approaches. In this context, 3-D representations of flood inundation through emerging formats in virtual and augmented realities may be considered as a powerful tool to engage users with flood hazards. The challenge of the research is to create a virtual 3-D environment aimed at supporting the public, practitioners and decision-makers in interpreting and understanding the impact of simulated flood hazards. For this purpose, the paper aims to perform a comparative analysis of two techniques to carry out the 3-D realistic visualizations of a flood map for representing a potential flooding of the Crati River, in the old town of Cosenza (South of Italy). The first approach develops a simple and quick workflow that provides an overall look at a neighbourhood level, but reveals some limits in water level visualization at the individual buildings scale. The second one requires additional terrestrial laser scanning (TLS) acquisition and overcomes some limits of the first approach, by providing a visual insight about water level close to building façades

Performances of the New HEC-RAS Version 5 for 2-D Hydrodynamic-Based Rainfall-Runoff Simulations at Basin Scale: Comparison with a State-of-the Art Model

The Hydrologic Engineering Centre-River Analysis System (HEC-RAS), developed by the US Army Corps of Engineers, is one of the most known, analyzed and used model for flood mapping both in the scientific literature and in practice. In the recently released version (release 5.0.7), the HEC-RAS model has been enriched with novel modules, performing fully 2-D computations based on the 2-D fully dynamic equations as well as the 2-D diffusion wave equations; moreover the application of rainfall to each cell of the two-dimensional domain is now possible. Contrarily to the common applications for flood propagation in river reach, this specific module has never been analyzed in the literature. Therefore, the main purpose of this work is to assess the potential and the capabilities of the 2-D HEC-RAS model in rainfall-runoff simulations at the basin scale, comparing the results obtained using both the options (fully dynamic equations and diffusion wave equations) to the simulations obtained by using a 2-D fully dynamic model developed by the authors for research purposes. Both models have been tested in a small basin in Northern Italy to analyze the differences in terms of discharge hydrographs and flooded areas. The application of a criterion for hazard class mapping has shown significant variations between the two models. These results provide practical indications for the water engineering community in the innovative research field related to the use of 2-D SWEs at the basin scale

Effects of DEM Depression Filling on River Drainage Patterns and Surface Runoff Generated by 2D Rain-on-Grid Scenarios

Topographic depressions in Digital Elevation Models (DEMs) have been traditionally seen as a feature to be removed as no outward flow direction is available to route and accumulate flows. Therefore, to simplify hydrologic analysis for practical purposes, the common approach treated all depressions in DEMs as artefacts and completely removed them in DEMs’ data preprocessing prior to modelling. However, the effects of depression filling on both the geomorphic structure of the river network and surface runoff is still not clear. The use of two-dimensional (2D) hydrodynamic modeling to track inundation patterns has the potential to provide novel point of views on this issue. Specifically, there is no need to remove topographic depression from DEM, as performed in the use of traditional methods for the automatic extraction of river networks, so that their effects can be directly taken into account in simulated drainage patterns and in the associated hydrologic response. The novelty introduced in this work is the evaluation of the effects of DEM depression filling on both the structure of the net-points characterizing the simulated networks and the hydrologic response of the watersheds to simplified rainfall scenarios. The results highlight how important these effects might be in practical applications, providing new insights in the field of watershed-scale modeling

<<La>> rappresentazione virtuale delle simulazioni 2-D delle piene in aree urbane per il miglioramento della comunicazione del rischio idraulico

Dottorato di Ricerca in Scienze e Ingegneria dell’Ambiente, delle Costruzioni e dell’Energia. Ciclo XXXII fenomeni di allagamento di aree urbane rappresentano un problema molto attuale, poiché il numero di persone potenzialmente coinvolte ed il valore degli elementi a rischio, in termini economici, artistici e culturali, può essere notevole in larghe parti del territorio e delle aree urbanizzate. Nel contesto europeo, la Direttiva 2007/60/CE del Parlamento Europeo del 23 ottobre 2007, relativa alla valutazione e alla gestione del rischio alluvionale, prescrive di valutare il rischio attraverso studi di natura idraulica. In tale ambito, vi è l'esigenza di utilizzare strumenti predittivi e metodologie di analisi adeguati per la determinazione delle reali condizioni di rischio associate al realizzarsi di un determinato evento alluvionale. Uno studio di inondazione in area urbana, per essere di reale supporto per l'implementazione di adeguate misure di previsione e prevenzione, necessariamente deve coinvolgere una serie di aspetti che spaziano dall'acquisizione di dati topografici alla descrizione dei processi fenomenologici tipici del moto di una corrente in piena e della sua interazione con edifici e infrastrutture, agli algoritmi da utilizzare per la risoluzione delle equazioni del modello, alla restituzione dei risultati. Questa notevole mole di lavoro deve necessariamente trovare il suo sbocco naturale nella rappresentazione finale dei risultati tramite prodotti grafici che la Direttiva vigente individua nelle mappe di pericolosità e di rischio. Tuttavia la medesima Direttiva, richiama anche l’importanza della comunicazione del rischio, finalizzata al coinvolgimento dei diversi stakeholders e all’implementazione di una corretta gestione dell’emergenza. Vi è, dunque, una crescente necessità di presentare i risultati delle simulazioni idrauliche delle alluvioni in un formato che consenta una comprensione più immediata per i decisori finali e per la popolazione esposta. A tale scopo, potrebbe essere di notevole ausilio l’uso di rappresentazioni tridimensionali di alluvioni attraverso scenari virtuali ad integrazione delle classiche mappe di pericolosità da inondazione. Esse consentirebbero un incremento enorme della comprensibilità dei risultati dei complessi calcoli idraulici che sono alla base della redazione delle mappe di pericolosità. Per questo motivo, sarebbe auspicabile una competenza di base nelle tecniche di visualizzazione 3-D per la comunicazione del rischio idraulico per gli ingegneri idraulici che operano nel campo dell’analisi del rischio di alluvione. Questa tesi di Dottorato si inserisce proprio in tale contesto, e si articola in una proposta di criteri di rappresentazione di simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente di realtà virtuale 3-D, con contenuti informativi diversi, destinati a differenti target di utenti, finalizzati ad una migliore comunicazione della pericolosità idraulica Si tratta dunque di restituire i risultati dei calcoli in immagini (e, in prospettiva, in video) che possano rappresentare, sotto forma di scenari virtuali, in maniera immediata le condizioni in cui si verrebbe a trovare un luogo nel corso di un’alluvione. Dovendo le immagini rappresentare visivamente le superfici idriche calcolate, necessariamente la procedura deve basarsi su modelli di calcolo che descrivano in maniera corretta i fenomeni idraulici che occorrono nelle correnti di piena. Escludendo l’uso delle equazioni di Navier-Stokes, poiché attualmente ancora troppo onerose per l’applicazione su aree vaste, occorre riferirsi alle equazioni complete delle acque basse, formulate in modo che possano correttamente rappresentare i fenomeni cui si è fatto cenno. Per tale motivo, la tesi ha inizio con l’analisi della modellistica 2-D completa, basata sulle equazioni delle acque basse (Shallow Water Equations, SWE) formulate originariamente da De Saint Vénant. Si focalizzerà l’attenzione sulla formulazione e sui metodi di integrazione numerica idonei per ottenere delle soluzioni in grado di inglobare correttamente anche i fenomeni locali presenti nella propagazione della corrente, anche con riferimento all’interazione con la topografia e i manufatti. Inoltre, saranno descritti tutti gli elementi necessari per la simulazione di un evento alluvionale, in particolare i criteri per la corretta rappresentazione della topografia e dei manufatti, la definizione delle condizioni iniziali e delle condizioni al contorno, la stima della scabrezza. Il secondo capitolo analizzerà i concetti teorici e metodologici relativi alla mappatura della pericolosità e del rischio di alluvione, in relazione allo stato dell’arte, ai metodi e alle sperimentazioni presenti nella letteratura scientifica internazionale e, più dettagliatamente, in ambito europeo. Verranno, dunque illustrati i criteri idonei per ottemperare alla Direttiva 2007/60/EC, relativi alla redazione delle mappe di pericolosità e di rischio idraulico. Il capitolo è finalizzato a mettere in luce peculiarità e criticità delle prassi correnti, da utilizzare come riferimento per la realizzazione di strumenti intuitivi ed efficaci per la comunicazione del rischio. È stata inoltre condotta un’analisi sugli aspetti cartografici della mappatura del rischio di inondazione, mettendo in luce alcune peculiarità relative all’elaborazione e alla redazione delle mappe. Dopo l’inquadramento generale operato dai capitoli precedenti, nel capitolo 3 si focalizzerà la proposta centrale di questa tesi di dottorato, con riferimento alla situazione Calabrese. La Regione Calabria, con le risorse POR Calabria 2000-2006 si è già dotata, per l’esecuzione degli studi sulle alluvioni, di “Metodologie di individuazione delle aree soggette a rischio idraulico di esondazione”. Tali metodologie e le relative Linee Guida sono state elaborate dal Laboratorio di Modellistica numerica per la Protezione Idraulica del Territorio (da ora in avanti LaMPIT) dell’Università della Calabria in collaborazione con il CUDAM (Università di Trento), con l’Università di Pavia e con l’Istituto Nazionale di Oceanografia e di Geofisica Sperimentale – OGS (Trieste). Questa tesi, svolta all’interno del LaMPIT, vuole essere un ideale sviluppo di quelle Metodologie. Esse sono basate sulle SWE trattate secondo i metodi e gli accorgimenti che appartengono alle categorie descritte nel capitolo 2 e, pertanto, le soluzioni da esse ottenute sono compatibili per l’uso finalizzato a una corretta trasposizione in immagini. La presente tesi ha perciò preso in esame i risultati di un caso di studio sviluppato per la Regione Calabria. Tali risultati furono rappresentati nelle Linee Guida secondo i classici canoni delle mappe di pericolosità. Tuttavia, come già osservato, le potenzialità di simulazione dei dettagli fisici conseguibili con i modelli numerici utilizzati potrebbero consentire la restituzione di tali risultati in immagini virtuali. Tra tutti i casi trattati nelle Linee Guida, si è voluto qui prendere in esame quello della mappa di pericolosità di inondazione del centro storico di Cosenza. Cosenza è attraversata dai fiumi Crati e Busento, che confluiscono proprio all’interno del centro urbano. Nonostante la città sia stata preservata da alluvioni negli ultimi 60 anni, Cosenza ha storicamente subito molte volte le conseguenze delle esondazioni dei suoi fiumi. Per documentare questo, una parte del lavoro di questa tesi si è voluto dedicarla alla descrizione degli eventi storici ricavata da documenti consultabili presso l’Archivio di Stato, la Biblioteca Nazionale, la Biblioteca Civica di Cosenza e concentrando l’attenzione non solo sugli aspetti idrologici, ma anche sugli effetti idraulici e sull’uso del suolo. L’ultima alluvione si verificò il 24 novembre 1959 e benché esista una discreta documentazione fotografica della situazione post-evento, non si ha nessuna immagine della città con l’alluvione in corso di svolgimento. Pertanto solo alcuni anziani abitanti dei luoghi alluvionati ricordano gli scenari vissuti. Le nuove generazioni non sono consapevoli di quali sarebbero questi scenari se oggi si verificasse l’esondazione dei fiumi. In verità le classiche mappe non sono lo strumento più intuitivo per trasferire tale consapevolezza alla popolazione. È questo il motivo per il quale si è scelto di implementare la procedura di visualizzazione oggetto di questa tesi proprio per la città di Cosenza. Pertanto, il terzo capitolo dopo un excursus storico, ha analizzato la simulazione idraulica di un’ipotetica alluvione di progetto riferita a un tempo di ritorno di 500 anni. Il quarto capitolo è incentrato sullo sviluppo di un workflow per rappresentare simulazioni idrauliche bidimensionali all'interno di un ambiente 3-D realizzato utilizzando la tecnica della texture mapping. Vengono discussi i risultati conseguiti, nonché le potenzialità di questo tipo di rappresentazione ai fini di un miglioramento della consapevolezza e della percezione del rischio da parte della popolazione, ai fini della preparazione e pianificazione dell’emergenza e supporto nella stima del danno alluvionale. La procedura proposta è stata applicata per la visualizzazione di immagini virtuali relative al caso studio descritto nel capitolo precedente. Il quinto capitolo propone un secondo prodotto di realtà virtuale realizzato utilizzando dati provenienti dal laser scanner terrestre. Sono descritte le campagne di acquisizione nonché le diverse fasi di gestione dei dati e di visualizzazione. Inoltre, si proporrà un ambiente interattivo, basato sulla tecnologia Web-GL, per la visualizzazione di scenari di inondazione utilizzando nuvole di punti di grandi dimensioni. Segue una discussione sulle potenzialità di questo prodotto ai fini del disaster management. Il capitolo finale è dedicato alle conclusioni generali e alle prospettive future.Università della Calabri