Estimation of the level of protection of flood defences in areas with dearth of data

Central Asia, which includes Kazakhstan, Kyrgyz Republic, Tajikistan, Turkmenistan, and Uzbekistan countries, is recognized to be highly prone to natural hazards, especially floods. Moreover, risk assessment in these countries results challenging, due to a lack of hydrological data accuracy and availability. The purpose of this thesis is to collect data attributable to the flood defences and to retrieve plausible information on their design return period in case this information is missing. I tried to assess the feasibility and the validity of this model by using simulated data, in particular I used flood hazard maps numerically simulated. I considered two main flood defences: reservoirs and levees. To evaluate the effect of the reservoirs I compared the hazard maps through the buffers of two hydrometric stations, one upstream and one downstream of the defence. On the other hand, I evaluated the effect of the levees by comparing defended and undefended flood hazard maps, in correspondence with the main cities in the study area. This methodology is unavoidably approximated, both because the calculation of the flood volume is affected by the dimension of the city, and because I had to assume the duration of the flood event and the shape of the hydrograph. I found that for the reservoirs, in most cases the flood reduction effect in terms of the discharge peaks is greater for higher return periods. This is probably due to the V-shape of the lake, which implies more volume as the water depth increases. As concerns the levees, I proposed three ways to represent their effect. The first is the threshold model: the defended discharge is zero below the level of protection and it is equal to the undefended discharge above the threshold. In the second case I have a smoother effect of the threshold because instead of a sharp and precise level of protection I have an increase of the ratio between defended e undefended: the closer this value is to the level of protection, the lower will be the effect, given the probability of failure of the system. Above the threshold, the effect of the levee does not disappear suddenly, it plays a marginal role even after the level of protection. The effect is always reduced, and the ratio asymptotically arrives at 1. In the third case, the defended volumes for the first scenarios are reduced of a percentage which changed case by case from 1% to 20%, compared to the undefended ones. For this case I neglected the presence of defences. In my study cases, I found examples for the last two approaches. The first approach is theoretical and probably not feasible. Finally, I conducted a regression analysis regarding the relationship between the exposure in terms of population and the estimated level of protection. The results show that there is a positive correlation between the design return period estimated with the proposed methods and the exposure for the considered cities.

Stima del livello di protezione delle difese alluvionali in aree con scarsità di dati. L’Asia Centrale, che comprende Kazakistan, Kirghizistan, Tagikistan, Turkmenistan e Uzbekistan, è riconosciuta come altamente soggetta a rischi naturali, in particolare alluvioni. Tuttavia, la valutazione del rischio in questi Paesi risulta difficile, a causa della mancanza di accuratezza e disponibilità dei dati idrologici. Lo scopo di questo lavoro di tesi è quello di raccogliere dati attribuibili alle difese e recuperare informazioni plausibili sul loro tempo di ritorno di progetto, in caso di assenza di informazioni. Si vuole valutare l’applicabilità e la validità di questo modello utilizzando dati simulati. Si considerano due principali difese contro le inondazioni: gli invasi e gli argini. Per valutare l'effetto degli invasi sono state confrontate le mappe di pericolo idraulico attraverso i buffer di due stazioni idrometriche, una a monte e una a valle della difesa. Si è invece valutato l'effetto degli argini confrontando mappe di pericolo alluvionale che considerano la presenza di difese e non, in corrispondenza delle principali città dell'area di studio. Questa metodologia è approssimata, sia perché il calcolo del volume è influenzato dalla dimensione del buffer, ma anche perché bisogna fare assunzioni circa la durata dell'evento alluvionale e la forma dell'idrogramma. Nel caso degli invasi, l'effetto di laminazione in termini di picchi di portata è maggiore per periodi di ritorno più elevati per la maggiorparte dei casi analizzati. Ciò è probabilmente dovuto alla forma a V del lago, che implica un volume maggiore all'aumentare della profondità dell'acqua. Per quanto riguarda gli argini, sono stati proposti tre modi per rappresentare i loro effetti. Il primo è un modello a soglia: la portata nel caso delle mappe che includono le difese è zero al di sotto del livello di protezione ed è uguale alla portata senza difese al di sopra della soglia. Nel secondo caso vi è un effetto della soglia più attenuato; infatti anziché un livello di protezione netto e preciso si ha un aumento del rapporto tra portate con difese e senza: più questo valore è vicino al livello di protezione, più basso sarà l’effetto. Al di sopra della soglia, l'effetto dell'argine non scompare improvvisamente, ma svolge un ruolo marginale anche dopo il livello di protezione: l'effetto è sempre ridotto, e il rapporto tende asintoticamente a 1. Nel terzo caso, i volumi che tengono conto delle difese per i primi scenari sono ridotti di una percentuale che varia dall’1 % al 20% a seconda dei vari casi, rispetto a quelli indifesi. In questo caso, si è assunta l’assenza di difese. Nei casi di studio analizzati, sono stati trovati esempi per gli ultimi due approcci. Il primo approccio è teorico e probabilmente non applicabile nella realtà. Infine, è stata mostrata un'analisi di regressione riguardante il rapporto tra popolazione residente e circolante tramite le infrastrutture nelle città studiate, e il livello di protezione stimato per gli argini.