Assessment of flood induced by heavy rainfall using advanced methodologies, as a premise for an integrated flood early warning system: the case of Attica region

Abstract

The main scope of the Ph.D. dissertation entitled “Assessment of flood induced by heavy rainfall using advanced methodologies, as a premise for an integrated flood early warning system - The case of Attica Region” is the assessment and analysis of heavy rainfall events associated with flood occurrence, by utilizing new technologies, methodologies and datasets. The overall methodology developed was applied in the Region of Attica in Greece and for the period 2005 - 2016. The use of new technologies and in particular the capabilities of Geographic Information Systems (GIS) is of great importance throughout the analysis, as flooding is mainly a geo - spatial problem caused by various "static" factors that differ geographically. It is also a multi - criteria problem, so the benefits of applying the principles of Multi - Criteria Decision Making (MCDM) are undoubtedly crucial in various stages of the dissertation. Other factors investigated can be characterized as "dynamic", which are related to the hydrological conditions of the events, to the meteorological/synoptic condition of the atmosphere during the days of flood occurrence (i.e., convective/stratiform type of precipitation, weather patterns) and to the general hydrometeorological characteristics of rainfall events (e.g., intensity and cumulative precipitation) as a way to evaluate the characteristics of precipitation that potentially lead to floods and which, according to the same analysis, is proved to be the main flood - triggering factor in the area. As a result of the entire analysis, the main factors are detected and considered for the design of a spatially distributed flood early warning tool (‘F - EWT’) for the assessment of the potential risk of flood occurrence at an operational level. An attempt to create different F - EWTs for various subareas across Attica region is made for 30 subareas after considering geomorphological, hydrological, technical and administrative criteria. As this tool requires only rainfall data, it is assessed with the aim of proposing a flexible way as an advice for flood occurrence when forecast is available or during a rainfall event when real - time rainfall measurements are considered. Another crucial benefit is that it is also easy to understand and operate, and can lead to a reliable assessment, based on an evaluation procedure that is also presented.

Η διδακτορική διατριβή (Δ.Δ.) με τίτλο: «Αξιολόγηση των ισχυρών βροχοπτώσεων που προκαλούν πλημμύρες με χρήση νέων τεχνολογιών, ως προοίμιο για ένα ολοκληρωμένο σύστημα έγκαιρης προειδοποίησης – Η περίπτωση της Αττικής» έχει ως αντικείμενο την εκτίμηση και ανάλυση των πλημμυρογόνων επεισοδίων βροχής αλλά και των πλημμυρών καθαυτών, αξιοποιώντας πρωτότυπα σύνολα δεδομένων, νέες τεχνολογίες και μεθοδολογίες. Η συνολική μεθοδολογία που αναπτύχθηκε εφαρμόστηκε στην Περιφέρεια Αττικής για την περίοδο 2005 – 2016, λαμβάνοντας υπόψη το σύνολο των πλημμυρικών γεγονότων στο ηπειρωτικό τμήμα της Περιφέρειας. Η χρήση των νέων τεχνολογιών και ιδιαίτερα των δυνατοτήτων των Συστημάτων Γεωγραφικών Πληροφοριακών (GIS) έχει μεγάλη σημασία σε ολόκληρη την ανάλυση, καθώς πρόκειται κυρίως για ένα γεωχωρικό πρόβλημα που προκαλείται εν μέρει από τους αποκαλούμενους στη Δ.Δ. «στατικούς» παράγοντες. Επίσης, είναι ένα πρόβλημα λήψης αποφάσεων πολλαπλών κριτηρίων, έτσι τα οφέλη από την εφαρμογή των μεθόδων πολυκριτηριακής ανάλυσης (Multi - Criteria Decision Making, “MCDM“) είναι αναμφισβήτητα καθοριστικά σε διάφορα στάδια της Δ.Δ. και ιδιαίτερα στον καθορισμό των ευάλωτων σε πλημμύρες περιοχών – παράμετρος που λαμβάνεται υπόψη κατά την οριοθέτηση 30 υποπεριοχών για τις οποίες πραγματοποιείται λεπτομερέστερη ανάλυση αναφορικά με ένα υποσύνολο παραγόντων. Εκτός των στατικών, διερευνήθηκαν και άλλοι παράγοντες που χαρακτηρίζονται ως «δυναμικοί», επειδή διαφοροποιούνται σε επίπεδο επεισοδίου βροχής. Οι παράγοντες αυτοί σχετίζονται με τις επικρατούσες υδρολογικές συνθήκες, την συνοπτική κατάσταση της ατμόσφαιρας και το γενικότερο υδρομετεωρολογικό πλαίσιο τις ημέρες των πλημμυρών. Οι εν λόγω παράγοντες υπολογίστηκαν και διερευνήθηκαν, ως ένας τρόπος να αξιολογηθούν τα χαρακτηριστικά των βροχοπτώσεων (π.χ., συνολικό ύψος, ένταση και τύπος βροχής, καιρικές συνθήκες κλπ.) που δυνητικά οδηγούν σε πλημμυρογένεση και που, σύμφωνα με την ίδια ανάλυση, αποδεικνύεται πως ορισμένοι εξ’ αυτών είναι καθοριστικής σημασίας για την πρόκληση πλημμύρας στην περιοχή. Ειδικότερα, ανάμεσα στους στατικούς παράγοντες η κλίση του και η ποσοστιαία αδιαπερατότητα των επιφανειών κρίνονται ως πιο καθοριστικοί παράγοντες. Επίσης, για ένα επιλεγμένο case study αξιολογήθηκε και ο παράγων «τρωτότητα κατασκευών» μέσω της αξιολόγησης επιμέρους χαρακτηριστικών για 252 ιδιοκτησίες που καταγράφηκαν ως πλημμυρικά συμβάντα κατά το επεισόδιο του Οκτωβρίου 2014. Αναφορικά με τους δυναμικούς παράγοντες, σε ποσοστό 55-70% οι πλημμύρες στην Αττική συνδέονται με κατακρήμνιση τύπου “convective“, το οποίο είναι σύμφωνο με τη διεθνή βιβλιογραφία για τη Μεσόγειο. Ο καθορισμός του τύπου της κατακρήμνισης βασίστηκε σε μια μεθοδολογία ταξινόμησης που επίσης αναπτύχθηκε και εφαρμόστηκε στο πλαίσιο της Δ.Δ. Ακόμα, τα πιο σημαντικά πλημμυρικά επεισόδια συνδέονται με την ύπαρξη ενός βαρομετρικού χαμηλού το οποίο ισχυροποιείται και βαθαίνει στα δυτικά της Αττικής, χωρίς ωστόσο να μπορεί να καθοριστεί ένα σαφές και ενιαίο μοτίβο για τις υπό εξέταση ατμοσφαιρικές παραμέτρους, γεγονός που πέρα από την ανάλυση ανά επεισόδιο, διερευνήθηκε σε εποχιακό επίπεδο και ανάλογα με τον τύπο κατακρήμνισης. Απεναντίας, η σε υψηλή χωρική ανάλυση (για τις 30 υποπεριοχές) συσχέτιση της μέγιστης έντασης βροχής (για διάφορες διάρκειες) με την εκδήλωση ή μη πλημμυρικών συμβάντων κατέδειξε τη δυνατότητα καθορισμού ενός σαφούς άνω ορίου εκδήλωσης πλημμύρας κατόπιν αφαίρεσης τυχόν εξωκείμενων τιμών. Η ισχυρή σύνδεση του εν λόγω παράγοντα με την πρόκληση πλημμυρών στην περιοχή παρέχει τη δυνατότητα σχεδιασμού ενός εργαλείου έγκαιρης προειδοποίησης για τον κίνδυνο πλημμύρας. Στο πλαίσιο της Δ.Δ. για το συγκεκριμένο εργαλείο εισάγεται ο όρος “F - EWT” (Flood- Early Warning Tool), το οποίο σχεδιάζεται για τις 30 υποπεριοχές και αξιολογείται για πραγματικά επεισόδια βροχής, όπου και ενδεικτικά παρουσιάζονται τα αποτελέσματα για την πλημμύρα του Οκτωβρίου 2014.