Ένα ολοκληρωμένο σύστημα εκτίμησησς της επικινδυνότητας και των επιπτώσεων πλημμυρικών φαινομένων

Abstract

River floods are socially and economically devastating events, especially in highly developed flood plain areas, where they can cause significant losses and negatively affect local economies. In this thesis, a techno-economic model is presented for the estimation of flood losses to the rural and the urban sectors due to a flash riverine flood. At first, the MIKE FLOOD hydrological model was employed in order to simulate the river hydraulics, using the MIKE 11 one-dimensional sub-model, and the overland flow in the floodplain area, using the two-dimensional MIKE 21 sub-model. The coupled grid model was used for the inundation simulation of a specific flash flood event. A grid of square cells was employed for the representation of the study area and the flood inundation parameter values, maximum floodwater depth and respective floodwater velocity, at the time instant at which the floodwater depth maximizes, were simulated for each grid cell of the study area. Continuously, a grid-based mathematical techno-economic model, which takes into account flood inundation parameter values, as provided by MIKE FLOOD, provides monetary estimates of damage in rural and urban environments. More specifically, the techno-economic model for the rural sector takes also into account the season of flood occurrence and the crop type, whereas the model for the urban sector takes into account the building type. The techno-economic model’s monetary estimates of damage are based on synthetic flood damage surfaces generated by a combination of questionnaires and weighted Monte Carlo simulations.Due to the lack of historical damage data for the flood case study, a synthetic method was adopted for the development of the flood damage surfaces, which involved a questionnaire survey targeting practicing and research agronomists for the rural sector, and building experts, i.e. civil engineers and architects for the urban sector. The questionnaire-based survey generated rural and urban loss data based on the responders’ loss estimates, for several flood condition scenarios. By answering the questionnaire, the experts were in essence expressing their opinion on how damage to various crop types or building types is related to a range of values of flood inundation parameters, such as maximum floodwater depth and respective velocity. Subsequently, a Weighted Monte Carlo simulation was performed in order to enhance the questionnaire-based loss estimate information. The statistical properties of the generated synthetic datasets were identical to those of the questionnaire-based data. The data generated by the Weighted Monte Carlo method were processed via Logistic Regression techniques in order to develop logistic damage surfaces for the rural and the urban sector. The damage surfaces are an essential parameter for the estimation of the flood damages by the techno-economic model. The Python-based code combines the Weighted Monte Carlo method and the Logistic Regression analysis into a single code (WMCLR Python code). Each WMCLR code execution provided a flow depth-velocity-damage surface for a specific land use. More specifically, each WMCLR code execution for the agricultural sector generated a damage surface for a specific crop and for every month of the year, thus relating the damage to any crop with floodwater depth, flow velocity and the growth phase of the crop at the time of flooding. Respectively, each WMCLR code execution for the urban sector developed a damage surface for a specific building type, relating structural damage with floodwater depth and velocity. The techno-economic model for the flood loss estimation was developed and implemented in the Python programming language, using the same grid as MIKE FLOOD model’s grid. In every grid cell, it uses the land use information and the damage percentage according to the proper damage surface and through specific flood loss equations for the studied economical sectors, it is capable of estimating both the damage in each grid cell, as well as the total damage to the overall study area. The techno-economic model also enables the visualization of the estimated agricultural and rural damage in an ArcGIS environment. It is thus possible to identify rural or urban areas most prone both to flooding and to flooding damage, providing at the same time location specific loss estimates.The model was applied for the damage estimate caused by a real flash flood event on February 11th and 12th, 2003, which took place in the Koiliaris River basin, in Crete. A new Monte Carlo simulation was performed, consisting of multiple executions of the techno-economic code, which generated multiple damage cost estimates for every studied economical sector. Each execution used the proper WMCLR simulated damage surface. A statistical analysis of the damage estimates established the accuracy and consistency of the flood loss estimation methodology, which is developed and presented in this thesis.The methodology presented in this thesis establishes an integrated framework capable of directly estimating the economic losses in several sectors affected by flooding. Flood risk and vulnerability assessment in flood prone areas is a valuable tool for societies that are frequently affected by this threat.

Οι ποτάμιες πλημμύρες αποτελούν καταστροφικά γεγονότα για μια κοινωνία και την οικονομία της. Ειδικά σε περιπτώσεις ποτάμιας πλημμύρας, όπου η αγροτική και η αστική ανάπτυξη κατά μήκος του ποταμού είναι έντονη, οι ζημιές είναι πολύ σημαντικές και επιδρούν αρνητικά στην οικονομία της περιοχής. Στην παρούσα διδακτορική διατριβή δημιουργήθηκε ένα τεχνοοικονομικό μοντέλο ικανό να εκτιμά τη ζημιά που προκαλείται από ένα στιγμιαίο γεγονός πλημμύρας στο αγροτικό και αστικό περιβάλλον της περιοχής μελέτης. Αρχικά, χρησιμοποιήθηκε το υδρολογικό μοντέλο MIKE FLOOD για την προσομοίωση της υδραυλικής του ποτάμιου συστήματος (με χρήση του MIKE 11 μονοδιάστατου υπό-μοντέλου) και της επιφανειακής ροής στην πλημμυρική κοίτη του ποταμού (με χρήση του MIKE 21 διδιάστατου υπό-μοντέλου). Το ενιαίο μοντέλο πλέγματος χρησιμοποιήθηκε για την προσομοίωση ενός συγκεκριμένου στιγμιαίου πλημμυρικού γεγονότος, αναπαριστώντας την περιοχή μελέτης ως πλέγμα με τετράγωνα κελιά. Το υδρολογικό μοντέλο εκτιμά σε κάθε κελί του πλέγματος μελέτης τις τιμές των πλημμυρικών παραμέτρων, μέγιστο ύψος πλημμυρικού κύματος και αντίστοιχη ταχύτητα, τη χρονική στιγμή όπου το ύψος μεγιστοποιείται. Στη συνέχεια, ένα μαθηματικό μοντέλο πλέγματος, το οποίο λαμβάνει υπόψη του τις τιμές των πλημμυρικών παραμέτρων, όπως αυτές προκύπτουν από το ΜΙΚΕ FLOOD μοντέλο, εκτιμά την οικονομική ζημιά που προκαλείται στο αγροτικό και αστικό περιβάλλον της περιοχής μελέτης. Πιο συγκεκριμένα, το τεχνοοικονομικό μοντέλο για τον αγροτικό τομέα λαμβάνει υπόψη του την εποχή εμφάνισης της πλημμύρας και το είδος της καλλιέργειας, ενώ το μοντέλο για τον αστικό τομέα λαμβάνει υπόψη του το είδος του κτίσματος. Οι οικονομικές εκτιμήσεις ζημιάς έχουν ως κύριο δεδομένο εισόδου συνθετικές επιφάνειες ζημιάς, οι οποίες προκύπτουν από δεδομένα ερωτηματολογίου ενισχυμένα με μια σταθμισμένη μέθοδο Monte Carlo. Εξ’ αιτίας της έλλειψης ιστορικών δεδομένων ζημιάς στην περιοχή μελέτης, στην παρούσα διδακτορική διατριβή αναπτύχθηκε μια συνθετική μέθοδος για τη δημιουργία επιφανειών ζημιάς. Η μέθοδος περιλαμβάνει μια έρευνα ερωτηματολογίου, η οποία στοχεύει σε γεωπόνους ερευνητές και πρακτικούς για τον αγροτικό τομέα και σε ειδικούς κατασκευών (πολιτικούς μηχανικούς και αρχιτέκτονες) για τον αστικό τομέα. Από την έρευνα ερωτηματολογίου προέκυψαν δεδομένα ζημιάς για τον αγροτικό και τον αστικό τομέα, τα οποία βασίστηκαν στις εκτιμήσεις ζημιάς που έκαναν οι συμμετέχοντες αναφερόμενοι σε συγκεκριμένα σενάρια πλημμυρικών συνθηκών. Οι απαντήσεις τους, οι οποίες βασίστηκαν στη γνώμη και στην εμπειρία τους, συνέβαλλαν στη συσχέτιση της ζημιάς, που προκαλείται στις διάφορες χρήσεις γης, με τις πλημμυρικές παραμέτρους, ύψος και ταχύτητα του πλημμυρικού κύματος. Στη συνέχεια, μια σταθμισμένη Monte Carlo προσομοίωση πραγματοποιήθηκε για την ενίσχυση της αποκτημένης πληροφορίας ζημιάς από τα αποτελέσματα της έρευνας ερωτηματολογίου. Οι στατιστικές ιδιότητες των Monte Carlo συνθετικών δεδομένων ήταν όμοιες με αυτές των αποτελεσμάτων των ερωτηματολογίων. Στη συνέχεια, χρησιμοποιήθηκε η μέθοδος της Λογιστικής Παλινδρόμησης στα αποτελέσματα της σταθμισμένης Monte Carlo μεθόδου για τη δημιουργία λογιστικών επιφανειών ζημιάς για τον αγροτικό και τον αστικό τομέα. Οι επιφάνειες ζημιάς είναι η σημαντικότερη παράμετρος για την εκτίμηση της πλημμυρικής ζημιάς από το τεχνοοικονομικό μοντέλο. Η σταθμισμένη Monte Carlo μέθοδος και η μέθοδος της Λογιστικής Παλινδρόμησης συνδυάστηκαν σε έναν ενιαίο Python κώδικα (WMCLR Python κώδικα). Κάθε εκτέλεση του WMCLR κώδικα παρείχε μια επιφάνεια ύψους-ταχύτητας-ζημιάς για κάθε χρήση γης που μελετήθηκε. Πιο συγκεκριμένα κάθε εκτέλεση του WMCLR κώδικα για τον αγροτικό τομέα παρείχε μια συνθετική επιφάνεια ζημιάς για κάθε είδος καλλιέργειας μελέτης και για κάθε μήνα του έτους, σχετίζοντας τη ζημιά σε κάθε καλλιέργεια μελέτης με το μέγιστο ύψος και την αντίστοιχη ταχύτητα και τη φάση ανάπτυξης της καλλιέργειας κατά την πλημμύρα. Αντίστοιχα, κάθε εκτέλεση του WMCLR κώδικα για τον αστικό τομέα παρείχε μια επιφάνεια ζημιάς για κάθε κτίσμα μελέτης με τις πλημμυρικές παραμέτρους. Το τεχνοοικονομικό μοντέλο αναπτύχθηκε σε γλώσσα προγραμματισμού Python, κάνοντας χρήση πλέγματος, όμοιου με το πλέγμα του MIKE FLOOD μοντέλου. Το μοντέλο λαμβάνει σε κάθε κελί του πλέγματος την πληροφορία για τη χρήση γης του κελιού καθώς επίσης και το ποσοστό της ζημιάς από την κατάλληλη επιφάνεια ζημιάς και με κατάλληλες εξισώσεις ζημιάς, που χρησιμοποιεί ξεχωριστά για κάθε οικονομικό τομέα μελέτης, υπολογίζει τόσο τη ζημιά σε κάθε κελί του πλέγματος, όσο και τη συνολική ζημιά σε όλη την επιφάνεια μελέτης, για κάθε έναν οικονομικό τομέα ξεχωριστά. Το μοντέλο αυτό επιτρέπει την οπτικοποίηση της εκτιμώμενης αγροτικής και αστικής ζημιάς σε περιβάλλον ArcGIS και είναι ικανό να προσδιορίσει αγροτικές και αστικές περιοχές επιρρεπείς τόσο σε πλημμύρες όσο και σε πλημμυρικές ζημιές. Το σημαντικότερο είναι ότι το μοντέλο αυτό έχει τη δυνατότητα να προσδιορίζει με μεγάλη λεπτομέρεια την ακριβή τοποθεσία και το μέγεθος της ζημιάς. Το μοντέλο εφαρμόστηκε για την εκτίμηση της ζημιάς που προκλήθηκε από το στιγμιαίο πλημμυρικό γεγονός στις 11-12 Φεβρουαρίου, 2003, στην λεκάνη απορροής του ποταμού Κοιλιάρη, στην Κρήτη. Η ακρίβεια και η συνέπεια των αποτελεσμάτων του τεχνοοικονομικού μοντέλου εκτίμησης της ζημιάς εξετάστηκαν μέσα από μια νέα Monte Carlo προσομοίωση, στην οποία ο κώδικας του τεχνοοικονομικού μοντέλου εκτελέστηκε πολλαπλές φορές, παράγοντας πολλαπλές εκτιμήσεις ζημιάς για κάθε αντικείμενο μελέτης του εκάστοτε οικονομικού τομέα μελέτης. Σε κάθε εκτέλεση του κώδικα χρησιμοποιήθηκε η κατάλληλη επιφάνεια ζημιάς, η οποία προέκυψε από τον WMCLR κώδικα. Τα αποτελέσματα του κώδικα για κάθε αντικείμενο μελέτης του εκάστοτε τομέα μελέτης και για τη συνολική ζημιά του τομέα μελέτης, επεξεργάστηκαν στατιστικά. Η στατιστική αυτή επεξεργασία εξασφάλισε την ακρίβεια και τη συνέπεια της μεθοδολογίας εκτίμησης της ζημιάς, η οποία αναπτύχθηκε και παρουσιάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή. Η μεθοδολογία που παρουσιάζεται στην παρούσα διδακτορική διατριβή θεσπίζει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο ικανό να προσδιορίσει άμεσα περιοχές επιρρεπείς στον πλημμυρικό κίνδυνο και να εκτιμήσει άμεσα τις οικονομικές απώλειες που αυτός προκαλεί σε διάφορους οικονομικούς τομείς. Ένα εργαλείο ικανό να αναλύει τον πλημμυρικό κίνδυνο και να εκτιμά την πλημμυρική τρωτότητα είναι πολύτιμο για τις κοινωνίες που πλήττονται συχνά από αυτή την απειλή.