Integrated hazard modelling at catchment scale under extreme weather events

Sediment deposition in reservoirs, commonly referred to as dam filling, poses a significant challenge to reservoir management, impacting storage capacity, water quality, and the overall functionality of dams. This thesis provides a comparative analysis of sediment accumulation using three widely applied erosion models: the Universal Soil Loss Equation (USLE), the Erosion Potential Method (EPM) by Gavrilovic (1988), and the physically based Soil and Water Assessment Tool (SWAT). The Shimen Reservoir in Taiwan was selected as the case study, with data spanning from 2002 to 2005. Particular attention was given to the year 2004, marked by a severe typhoon that significantly increased rainfall and runoff, intensifying sediment transport. Results showed that the SWAT model outperformed the other methods in capturing both normal and extreme sediment dynamics, especially during the typhoon event. The EPM method showed reasonable accuracy due to its empirical foundation, while USLE proved less reliable under extreme conditions due to its static nature. In addition to surface hydrological processes, a transient three-layer groundwater flow model was constructed for a portion of the Xinbian River watershed using GMS 10.8.8. The model accounted for spatial variability in topography, soil properties, recharge, and evaporation, and successfully reproduced seasonal groundwater head fluctuations. Flow vectors and inundation zones revealed strong correlations with rainfall intensity and land use patterns, particularly in urbanized areas. Although limited by the absence of observed groundwater data for validation, the model provided a credible approximation of subsurface dynamics. By integrating SWAT and GMS modeling approaches, this thesis offers a more holistic understanding of the water cycle, capturing both surface runoff–sediment interactions and groundwater responses. The results highlight the central role of rainfall in driving hydrological processes across domains and emphasize the value of coupling surface and subsurface models in watershed-scale water resource assessment and management.

Il deposito di sedimenti nei bacini artificiali, comunemente noto come riempimento delle dighe, rappresenta una sfida significativa per la gestione dei serbatoi, influenzando la capacità di stoccaggio, la qualità dell'acqua e la funzionalità complessiva delle dighe. Questo studio fornisce un'analisi comparativa dell'accumulo di sedimenti utilizzando tre modelli di erosione ampiamente applicati: l'equazione universale della perdita di suolo (USLE), il metodo del potenziale di erosione (EPM) sviluppato da Gavrilovic (1988) e il modello fisicamente basato SWAT (Soil and Water Assessment Tool). Il caso di studio scelto è il serbatoio di Shimen, situato a Taiwan, utilizzando dati raccolti nel periodo 2002–2005. Particolare attenzione è stata rivolta all'anno 2004, caratterizzato da un tifone severo che ha comportato un notevole aumento delle precipitazioni e del deflusso, intensificando il trasporto di sedimenti. I risultati mostrano che il modello SWAT ha ottenuto le migliori prestazioni nel rappresentare le dinamiche sedimentarie, sia in condizioni normali che estreme, in particolare durante l'evento del tifone. Il metodo di Gavrilovic ha mostrato una buona accuratezza grazie alla sua base empirica, mentre il metodo USLE ha mostrato limiti significativi in condizioni estreme a causa della sua natura statica. Oltre ai processi idrologici superficiali, è stato costruito un modello transitorio di flusso sotterraneo a tre strati per una porzione del bacino del fiume Xinbian utilizzando il software GMS 10.8.8. Il modello tiene conto della variabilità spaziale della topografia, delle proprietà del suolo, della ricarica e dell’evaporazione, riproducendo con successo le fluttuazioni stagionali del livello piezometrico. I vettori di flusso e le aree soggette ad allagamento mostrano una forte correlazione con l’intensità delle precipitazioni e l’uso del suolo, in particolare nelle zone urbanizzate. Sebbene il modello non sia stato validato con dati osservati di falda, fornisce comunque una stima credibile delle dinamiche sotterranee. Integrando gli approcci modellistici SWAT e GMS, lo studio offre una visione più completa del ciclo idrologico, catturando sia le interazioni tra deflusso superficiale e trasporto solido, sia la risposta del sistema sotterraneo. I risultati sottolineano il ruolo centrale delle precipitazioni come principale motore dei processi idrologici e l'importanza dell’integrazione tra modelli superficiali e sotterranei nella valutazione e gestione delle risorse idriche a scala di bacino.