Development and implementation of methodological framework towards flood risk management in ungauged basins

Abstract

The main scope of this PhD dissertation is to pioneer an integrated approach to flood risk management (FRM) using advanced technologies, hydrological modelling, and Nature-Based Solutions (NBS). The increasing frequency and severity of flooding due to climate change and urban expansion highlight the urgent need for improved FRM strategies. This research develops and implements a comprehensive framework to enhance FRM, focusing on vulnerable regions like the Sarantapotamos River basin in West Attica. By addressing critical aspects of FRM, it aims to mitigate recurrent flooding and its threats to public safety, infrastructure, and the environment. This approach is divided into three main sections. The first section introduces an innovative methodology for identifying optimal sites for hydrometric and hydrometeorological stations using GIS-based multicriteria decision-making (MCDM) analysis. This methodology is applied to a case study in the Sarantapotamos River basin, a region highly prone to flooding, especially in areas like Mandra. The region requires a comprehensive streamflow data collection system and a network of hydrometeorological stations to provide timely flood warnings essential for public safety and socioeconomic stability. The aim is to build a robust database for water resource management and ecosystem protection. Key objectives include employing a GIS-based MCDM approach to design the hydrometric-hydrometeorological network and evaluate site suitability. Two different weighting calculation methods and various criteria for hydrometric station placement are explored, highlighting the approach's adaptability. Additionally, it examines how these criteria and weighting methods impact the selection of suitable locations for station installation. Emphasising a GIS-based strategy for site assessment addresses a significant gap in flood management research, where monitoring site selection often needs a systematic, data-driven methodology. After setting up these monitoring stations, the next phase builds upon the data collected from these strategically located stations, concentrating on creating a Geomorphological Unit Hydrograph (GUH) customised for ungauged basins. The second section introduces an innovative hydrological modelling approach for Greece by developing GUHs tailored for ungauged basins. This method uses geomorphological metrics to create precise relationships for hydrological assessments in data-sparse regions. It addresses the challenges of limited data availability by combining the time-area diagram method with validation regression analysis, providing a deep understanding of hydrograph features and their correlation with geomorphological parameters. Improving the applicability and accessibility of GUHs, especially in areas with scarce hydrological data, offers significant potential for flood management and hydrological predictions. The third section focuses on implementing two Nature-Based Solutions (NBS), specifically land cover change and construction of retention ponds, in the Sarantapotamos River basin upstream of the Magoula settlement. It evaluates NBS effectiveness by analysing flood hydrographs at the basin outlet under present and future climate scenarios. This analysis is crucial for assessing NBS performance, efficiency, resilience, and adaptability under different climate conditions. The hydrological analysis for this phase depends on data obtained from both the hydrometeorological stations and the improved GUHs. Converting rainfall data into runoff models produces flood hydrographs that are crucial for comprehending and mitigating flood risks. By comparing pre- and post-NBS conditions, the section provides insights into their efficacy in enhancing flood resilience and mitigating hazards to local populations and environments. The findings aim to guide decision-makers in selecting and implementing suitable NBS measures to reduce future flood impacts. Additionally, the section explores land cover change as an NBS in areas affected by the catastrophic fire in North Evia in August 2021, examining alterations across five watersheds. By investigating land cover modifications and NBS deployment in Northern Evia post-fire, this case study contributes to hydrological modelling and environmental stewardship, offering practical strategies for addressing hydrological changes induced by wildfires. The proposed methodological framework introduces a scalable and efficient approach for FRM, addressing challenges in vulnerable areas like the Sarantapotamos River basin. It integrates technological innovations, hydrological modelling, and sustainable environmental strategies to tackle climate change impacts and limited data availability. This comprehensive approach emphasises the seamless integration of data collection, hydrological modelling, and sustainable flood mitigation strategies. Leveraging data from monitoring stations and refined GUHs, the framework generates flood hydrographs essential for understanding and managing flood risks. The research aims to bridge the gap between traditional flood management practices and innovative solutions for climate change adaptation. The holistic framework can be scaled and customised to suit the needs of different regions, contributing to more effective and resilient flood risk management worldwide.

Η εν λόγω Διδακτορική Διατριβή (Δ.Δ.) επικεντρώνεται στην ανάπτυξη και υλοποίηση μεθοδολογίας για τη διαχείριση πλημμυρικού κινδύνου (Flood Risk Management - FRM) χρησιμοποιώντας προηγμένες τεχνολογίες, υδρολογική μοντελοποίηση και λύσεις που βασίζονται στη φύση (Nature-Based Solutions - NBS). Η αυξανόμενη συχνότητα και σοβαρότητα των πλημμυρών λόγω της κλιματικής αλλαγής και της αστικής επέκτασης υπογραμμίζει την επείγουσα ανάγκη για βελτιωμένες στρατηγικές FRM. Η παρούσα έρευνα αναπτύσσει και εφαρμόζει ένα ολοκληρωμένο πλαίσιο για την ενίσχυση της FRM, εστιάζοντας σε ευάλωτες περιοχές όπως η λεκάνη του ποταμού Σαρανταπόταμου στη Δυτική Αττική. Αντιμετωπίζοντας κρίσιμες πτυχές της FRM, στοχεύει να μετριάσει τις πλημμύρες και τις απειλές τους για τη δημόσια ασφάλεια, τις υποδομές και το περιβάλλον. Αυτή η προσέγγιση χωρίζεται σε τρεις κύριες ενότητες. Η πρώτη ενότητα παρουσιάζει μια καινοτόμο μεθοδολογία για τον εντοπισμό των βέλτιστων θέσεων χωροθέτησης υδρομετρικών και υδρομετεωρολογικών σταθμών χρησιμοποιώντας πολυκριτηριακή ανάλυση αποφάσεων (Multicriteria Decision-Making Analysis - MCDM) με βάση τα Γεωγραφικά Σύστηματα Πληροφοριών (Geographic Information System - GIS). Αυτή η μεθοδολογία εφαρμόζεται στη λεκάνη του ποταμού Σαρανταπόταμου, μια περιοχή ευάλωτη σε πλημμύρες, ιδιαίτερα σε οικισμούς όπως η Μάνδρα. Η περιοχή απαιτεί ένα ολοκληρωμένο σύστημα συλλογής δεδομένων ροής και ένα δίκτυο υδρομετεωρολογικών σταθμών για την παροχή έγκαιρων προειδοποιήσεων πλημμύρας που είναι απαραίτητες για τη δημόσια ασφάλεια και τη κοινωνικοοικονομική σταθερότητα. Ο στόχος είναι η δημιουργία μιας ισχυρής βάσης δεδομένων για τη διαχείριση των υδατικών πόρων και την προστασία των οικοσυστημάτων. Οι κύριοι στόχοι περιλαμβάνουν την εφαρμογή μιας προσέγγισης MCDM με βάση τα GIS για τον σχεδιασμό του δικτύου υδρομετρικών-υδρομετεωρολογικών σταθμών και την αξιολόγηση της καταλληλότητας των τοποθεσιών. Εξετάζονται δύο διαφορετικές μέθοδοι υπολογισμού βαρών και διάφορα κριτήρια για την τοποθέτηση υδρομετρικών σταθμών, αναδεικνύοντας την προσαρμοστικότητα της προσέγγισης. Επιπλέον, εξετάζεται πώς αυτά τα κριτήρια και οι μέθοδοι βαρών επηρεάζουν την επιλογή κατάλληλων τοποθεσιών για την εγκατάσταση σταθμών. Η έμφαση σε μια στρατηγική με βάση τα GIS για την αξιολόγηση των τοποθεσιών αντιμετωπίζει ένα σημαντικό κενό στην έρευνα διαχείρισης πλημμυρών, όπου η επιλογή τοποθεσιών παρακολούθησης συχνά χρειάζεται μια συστηματική, βασισμένη στα δεδομένα μεθοδολογία. Μετά την εγκατάσταση αυτών των σταθμών παρακολούθησης, η επόμενη φάση βασίζεται στα δεδομένα που συλλέγονται από αυτούς τους στρατηγικά τοποθετημένους σταθμούς, στοχεύοντας στην ανάπτυξη ενός Γεωμορφολογικού Μοναδιαίου Υδρογραφήματος (GUH) προσαρμοσμένου για λεκάνες χωρίς μετρήσεις. Η δεύτερη ενότητα εισάγει μια καινοτόμο υδρολογική μοντελοποίηση για την Ελλάδα, αναπτύσσοντας GUH προσαρμοσμένα για λεκάνες χωρίς μετρήσεις. Αυτή η μέθοδος χρησιμοποιεί γεωμορφολογικές παραμέτρους για την εξαγωγή εμπειρικών σχέσεων για υδρολογικές αξιολογήσεις σε περιοχές με περιορισμένα δεδομένα. Αντιμετωπίζει τις προκλήσεις της περιορισμένης διαθεσιμότητας δεδομένων συνδυάζοντας τη μέθοδο των ισόχρονων καμπυλών με την ανάλυση επαλήθευσης παλινδρόμησης, παρέχοντας μια βαθιά κατανόηση των χαρακτηριστικών του υδρογραφήματος και της συσχέτισής τους με γεωμορφολογικές παραμέτρους. Η βελτίωση της εφαρμοσιμότητας των GUH, ιδιαίτερα σε περιοχές με σπάνια υδρολογικά δεδομένα, προσφέρει σημαντικές δυνατότητες για τη διαχείριση των πλημμυρών και τις υδρολογικές προβλέψεις. Η τρίτη ενότητα επικεντρώνεται στην εφαρμογή δύο NBS, συγκεκριμένα την αλλαγή κάλυψης γης και την κατασκευή λιμνών συγκράτησης, στη λεκάνη του Σαρανταπόταμου ανάντη του οικισμού της Μαγούλας. Αξιολογεί την αποτελεσματικότητα των NBS αναλύοντας τα πλημμυρογραφήματα στη λεκάνη απορροής κάτω από διαφορετικά κλιματικά σενάρια. Αυτή η ανάλυση είναι κρίσιμη για την αξιολόγηση της αποδοτικότητας, της ανθεκτικότητας και της προσαρμοστικότητας των NBS υπό διαφορετικές κλιματικές συνθήκες. Η υδρολογική ανάλυση για αυτή τη φάση εξαρτάται από τα δεδομένα που λαμβάνονται από τους υδρομετεωρολογικούς σταθμούς και τα βελτιωμένα GUH. Η μετατροπή των δεδομένων βροχής σε μοντέλα απορροής παράγει πλημμυρογραφήματα που είναι κρίσιμα για την κατανόηση και τον μετριασμό των κινδύνων πλημμύρας. Συγκρίνοντας τις συνθήκες πριν και μετά την εφαρμογή των NBS, η ενότητα παρέχει πληροφορίες για την αποτελεσματικότητά τους στην ενίσχυση της ανθεκτικότητας στις πλημμύρες και τον μετριασμό των κινδύνων για τους τοπικούς πληθυσμούς και τα περιβάλλοντα. Τα ευρήματα στοχεύουν να καθοδηγήσουν τους υπεύθυνους λήψης αποφάσεων στην επιλογή και εφαρμογή κατάλληλων μέτρων NBS για τη μείωση των μελλοντικών επιπτώσεων των πλημμυρών. Επιπλέον, η ενότητα εξετάζει την αλλαγή κάλυψης γης ως NBS σε περιοχές που επηρεάστηκαν από την καταστροφική πυρκαγιά στη Βόρεια Εύβοια τον Αύγουστο του 2021, εξετάζοντας τις αλλαγές σε πέντε λεκάνες απορροής. Εξετάζοντας τις αλλαγές της κάλυψης γης ως NBS στη Βόρεια Εύβοια μετά την πυρκαγιά, αυτή η μελέτη συμβάλλει στην υδρολογική μοντελοποίηση και την περιβαλλοντική διαχείριση, προσφέροντας πρακτικές στρατηγικές για την αντιμετώπιση των υδρολογικών αλλαγών που προκαλούνται από τις πυρκαγιές. Το προτεινόμενο μεθοδολογικό πλαίσιο εισάγει μια αποδοτική προσέγγιση για τη Διαχείριση πλημμυρικού κινδύνου, αντιμετωπίζοντας προκλήσεις σε ευάλωτες περιοχές όπως η λεκάνη του Σαρανταπόταμου. Ενσωματώνει τεχνολογικές καινοτομίες, υδρολογική μοντελοποίηση και βιώσιμες περιβαλλοντικές στρατηγικές για την αντιμετώπιση των επιπτώσεων της κλιματικής αλλαγής και της περιορισμένης διαθεσιμότητας δεδομένων. Αυτή η ολοκληρωμένη προσέγγιση δίνει έμφαση στην ομαλή ενσωμάτωση της συλλογής δεδομένων, της υδρολογικής μοντελοποίησης και των βιώσιμων στρατηγικών μείωσης του κινδύνου πλημμυρών. Αξιοποιώντας δεδομένα από σταθμούς παρακολούθησης και Γεωμορφολογικά Μοναδιαία Υδρογραφήματα, το πλαίσιο δημιουργεί πλημμυρογραφήματα απαραίτητα για την κατανόηση και διαχείριση των κινδύνων πλημμύρας. Η έρευνα στοχεύει να γεφυρώσει το χάσμα μεταξύ παραδοσιακών πρακτικών διαχείρισης πλημμυρών και καινοτόμων λύσεων για την προσαρμογή στην κλιματική αλλαγή. Το ολοκληρωμένο πλαίσιο μπορεί να κλιμακωθεί και να προσαρμοστεί στις ανάγκες διαφορετικών περιοχών, συμβάλλοντας σε πιο αποτελεσματική και ανθεκτική διαχείριση πλημμυρικού κινδύνου παγκοσμίως.