Modelling sediment connectivity in Swedish catchments and application for flood prediction of roads

Climate changes are predicted to increase precipitation intensities and occurrence of extreme rainfall events in the near future. Scandinavia has been identified as one of the most sensitive regions in Europe to such changes; therefore, an increase in the risk for flooding, landslides and soil erosion is to be expected also in Sweden. An increase in the occurrence of extreme weather events will impose greater strain on the built environment and major transport infrastructures such as roads and railways. This research aimed to identify the risk of flooding at the road-stream intersections, crucial locations where water and debris can accumulate and cause failures of the existing drainage facilities. Two regions in southwest of Sweden affected by an extreme rainfall event in August 2014, were used for calibrating and testing a statistical flood prediction model. A set of Physical Catchment Descriptors (PCDs) including road and catchment characteristics was identified for the modelling. Moreover, a GIS-based topographic Index of Sediment Connectivity (IC) was used as PCD. The novelty of this study relies on the adaptation of IC for describing sediment connectivity in lowland areas taking into account contribution of soil type, land use and different patterns of precipitation during the event. A weighting factor for IC was calculated by estimating runoff calculated with SCS Curve Number method, assuming a constant value of precipitation for a given time period, corresponding to the critical event. The Digital Elevation Model of the study site was reconditioned at the drainage facilities locations to consider the real flow path in the analysis. These modifications led to highlight the role of rainfall patterns and surface runoff for modelling sediment delivery in lowland areas. Moreover, it was observed that integrating IC into the statistic prediction model increased its accuracy and performance. The calibrated model was then validated in another area, located in the central part of Sweden, affected by severe rainfall event in August 2004, in order to verify its robustness even in ungauged catchments.

Alcuni tra i principali effetti dovuti ai cambiamenti climatici sono l’aumento delle intensità medie di precipitazione e una maggiore frequenza di accadimento di eventi di pioggia estrema. La Scandinavia è stata identificata come una delle regioni europee più sensibili a questi cambiamenti, dunque anche in Svezia è previsto un aumento del rischio di piene, frane e fenomeni erosivi. Il verificarsi sempre più frequente di questo tipo di eventi imporrà uno sforzo maggiore sull’ambiente costruito, ed in particolare sulle infrastrutture viarie come strade e ferrovie. Questo progetto mira ad identificare il rischio di allagamento in prossimità delle intersezioni tra strade e corsi d’acqua, definiti luoghi cruciali in quanto acqua e sedimenti possono accumularsi e danneggiare le strutture di drenaggio esistenti. Con questo scopo, un modello statistico per la predizione delle piene è stato calibrato e testato su due regioni della Svezia sud-occidentale colpite da un evento di precipitazione intensa nell’agosto del 2014. Il modello viene costruito tenendo in considerazione un insieme di descrittori fisici idrografici (PCDs), comprendenti sia le caratteristiche della strada che del bacino. Inoltre, l’Indice di Connettività dei Sedimenti (IC), un indice topografico ottenuto in ambiente GIS, è stato incluso tra i PCD. L’elemento innovativo di questo studio riguarda l’adattamento di IC, originariamente proposto per aree alpine, allo scopo di modellare la connettività dei sedimenti in zone pianeggianti, tenendo conto del contributo di tipo di suolo, uso del suolo e caratteristiche dell’evento precipitativo. Per fare ciò, IC è stato pesato tramite un fattore di ponderazione ottenuto stimando il deflusso superficiale calcolato con il metodo SCS-Curve Number, assumendo un valore costante di precipitazione per un dato intervallo di tempo, corrispondente all’evento critico. Inoltre, il Modello Digitare del Terreno (DEM) del sito di studio è stato ricondizionato in corrispondenza degli impianti di scarico per tenere in considerazione il vero percorso dell’acqua nell’analisi. Queste modifiche hanno permesso di evidenziare il ruolo delle precipitazioni e del ruscellamento superficiale nella modellazione del trasporto di sedimenti in aree pianeggianti, volte principalmente a uso agricolo e forestale. Inoltre, dall’integrazione di IC nel modello statistico è stato possibile osservare un notevole aumento di precisione e accuratezza della previsione. Il modello così calibrato è stato poi convalidato in un’altra zona, situata nella parte centrale della Svezia, affetta da un grave evento di precipitazione nell’agosto del 2004, al fine di verificare la prestazione del modello anche in bacini aventi pochi dati a disposizione.