Hazard modelling and risk assessment for urban flood scenario

Flood is the most frequent and costly natural hazard, affecting the majority of the world’s countries on a regular basis. Floods are categorized by river floods, flash floods, urban floods, and floods from the sea in coastal areas. Studies of past flood events show that the majority of losses arise in urban areas, due to impairment of structures, costs of business shut-down and failure of infrastructure. Due to climate change, the occurrence of urban flooding is predicted to increase. This research is part of an integrated study for the hydrogeological risk evaluation in a mountain environment, where an urban area is crossed by a mountain torrent in its downstream course and is thus prone to flash floods. The urban area considered here is the town of Sondrio in Northern Italy. The scope of this Master’s thesis is twofold. First, hydraulic modelling has been conducted for the urban area and has been complemented with sensitivity analyses in order to cope with uncertainties. Second, damage assessment has been made for buildings located in the area flooded according to the hazard scenario. Flood hazard is described by a flood scenario with assigned probability of exceedance, represented by a statistical return period. The scenario is characterized by spatial distributions of water depth and velocity. The propagation of a flood in urban area is strongly influenced by the geometric and topographic features of the area. An adequate two-dimensional description of the urban district is necessary for modelling. In this study, a finite-element model (implemented by the software package River2D) was used for the hydraulic computations. Validation of the modelling procedure was carried out reproducing laboratory test for a dam-break wave propagation in an ideal town. In order to consider uncertainties of modelling, sensitivity analyses were implemented for mesh size, groundwater parameters, and bed roughness. The same approach for sensitivity analysis was taken for the hazard modelling of the case study that led to generating the hazard map. The risk level associated with the hydraulic scenario was defined as the expected flood damage. Although flood damage assessment is an essential part of flood risk management, it has not received as much scientific attention as flood hazard. In this study, after a comprehensive review of existing approaches to damage evaluation, damage assessment was carried out by the HAZUS-MH model. Buildings located in the flooded area were divided in four different categories based on typical factors determining the vulnerability of buildings, like the number of storeys and presence of basement. Finally, a damage rate was assigned according to building type and the level of hazard, represented by the water depth computed by the hydraulic model.

Le alluvioni sono tra le calamità naturali più frequenti, nonché più estesamente distuibuite su tutto il territorio mondiale. Si possono distinguere piene fluviali, più o meno repentine; alluvioni in aree urbane; alluvioni in aree costiere. In questo contesto, le alluvioni in area urbana conducono alle perdite economiche più elevate a causa della concentrazione di beni e infrastrutture, noché dei danni indotti dal fermo delle attività. I cambiamenti climatici lasciano presagire che gli eventi alluvionali in aree urbane siano destinati ad aumentare in frequenza. La ricerca qui presentata è parte di uno studio integrato volto alla quantificazione del rischio idrogeologico in una cittadina montana attraversata da un corso d’acqua. Lo studio considera la città di Sondrio, situata nell’Italia del nord e soggetta a pericolo alluvionale da parte del fiume Mallero. La tesi affronta due temi principali. È stata in primo luogo condotta una modellazione idraulica della piena urbana, nella quale svariati aspetti di incertezza sono stati tenuti in conto tramite opportune analisi di sensitività. In secondo luogo, si sono stimati i danni indotti dall’alluvione per lo scenario di pericolo considerato. Il pericolo alluvionale è stato descritto da uno scenario corrispondente a un tempo di ritorno di cento anni. Lo scenario di pericolo deve essere descritto da distribuzioni spaziali di altezza e velocità d’acqua nell’area allagata. La propagazione della piena nell’area urbana dipende ovviamente dalle caratteristiche topografiche e geometriche del sito, che devono essere adeguatamente rappresentate. La modellazione idraulica è stata condotta tramite un modello agli elementi finiti, implementato nel software River2D. Il modello è stato preliminarmente validato riproducendo dei risultati sperimentali di letteratura, relativi alla propagazione di un’onda di crollo attraverso una cittadina ideale realizzata in laboratorio. Opportune analisi di sensitività hanno riguardato la discretizzazione geometrica, i parametri del flusso sotterraneo e la scabrezza del fondo. Il medesimo approccio è stato usato anche per modellare l’allagamento dell’area urbana nel caso-studio e arrivare a generare le mappe di pericolo. Il danno atteso a causa dello scenario è stato assunto quale misura del rischio idraulico. La valutazione dei danni è stata oggetto di ricerche di minor respiro rispetto ai fenomeni idraulici, nonostante rappresenti ovviamente una componente cruciale dell’analisi di rischio. Dopo una rassegna dei modelli esistenti in letteratura, in questo lavoro è stato applicato il modello HAZUS-MH. Gli edifici ricadenti nell’area allagata sono stati divisi in quattro categorie sulla base della relativa vulnerabilità, rappresentata da caratteristiche chiave quali il numero di piani o la presenza di scantinati. È stato quindi calcolato un tasso di danno sulla base del tipo di edificio e delle forzanti idrauliche, rappresentate dall’altezza e velocità d’acqua fornite dal modello idraulico.