Reference : Advanced porosity-based models to assess the influence of urban layouts on inundation...
Dissertations and theses : Doctoral thesis
Engineering, computing & technology : Civil engineering
http://hdl.handle.net/2268/214990
Advanced porosity-based models to assess the influence of urban layouts on inundation flows and impact of urban evolution on flood damage
English
Bruwier, Martin mailto [Université de Liège - ULiege > Département ArGEnCo > Hydraulics in Environmental and Civil Engineering >]
11-Oct-2017
Université de Liège, ​Liège, ​​Belgique
Degree of Doctor of Philosophy in Applied Sciences
220
Dewals, Benjamin mailto
Archambeau, Pierre mailto
Dimitriadis, Grigorios mailto
Teller, Jacques mailto
Mignot, Emmanuel
Vazquez, José
[en] Porosity-based model ; Urban flood ; Urban evolution ; Shallow water model
[en] Worldwide, flood risk is expected to increase over the 21st century due to the combined effect of climate and land use changes. However, while the impact of climate change on future flood risk was extensively studied, the effects of urbanization remain unclear. The goal of this PhD thesis is to contribute to a better understanding of the influence of future urban development on changes in inundation flows as well as on the related damage.
First, an original porosity-based model was developed, which enables efficient computation of urban flooding. It uses anisotropic porosity parameters to reproduce the influence of subgrid-scale obstacles on the flow. An original merging technique was implemented to optimize the computational efficiency in the presence of low values of the storage porosity parameter. Compared to a standard inundation model, the developed model enables speedup factors of the order of 100, while keeping the error on the flow variables at a few percent.
Second, we systematically investigated how the layout of buildings located in floodplains influences the inundation characteristics for a long-duration flood scenario. The anisotropic porosity-based model was used to compute the flow variables for 2,000 alternative urban patterns. Correlations between the computed water depths and the urban characteristics reveal which features of the layout of buildings influences most the severity of urban flooding. In particular, the results suggest how the hydraulic effect of new urban development can be effectively mitigated by a suitable location of the buildings preserving a higher flow conveyance at the district-scale. This result provides guidance for more flood-proof urban developments.
Finally, we evaluated the evolution of future flood damage as a result of urbanization along all the main rivers in the Walloon region, Belgium. The study was conducted at the regional level using detailed hydraulic results (resolution of 2 to 5 m). Despite high uncertainties in the considered urbanization scenarios, involving both urban expansion and densification, robust conclusions could be drawn, such as the overwhelming influence of banning new developments in flood-prone areas compared to the other tested facets of urban planning policy.
[fr] A travers le monde, une augmentation des risques liés aux inondations est attendue au cours du XXIème siècle suite aux effets combinés du changement climatique et de l’urbanisation croissante. Alors que l’impact du changement climatique sur les inondations a été largement étudié, la quantification des effets de l’urbanisation reste aujourd’hui moins complète. L’objectif de cette thèse est de contribuer à une meilleure compréhension de l’influence du développement urbain sur l’intensité des inondations en zone urbaine ainsi que sur les dommages occasionnés.
Premièrement, un modèle hydraulique original utilisant le concept de porosité a été développé dans le but de calculer des inondations en milieu urbain de façon efficace. Ce modèle permet de reproduire l’influence d’obstacles sur l’écoulement à une échelle plus grossière via des paramètres de porosité anisotropes. Une technique originale (merging technique) a été ajoutée au modèle afin d’accroitre l’efficacité du calcul en présence de faibles valeurs de la porosité de stockage. Le modèle développé permet de réduire le temps de calcul par un facteur de l’ordre de 100, tout en limitant les erreurs à quelques pourcents.
Deuxièmement, l’influence de l’agencement de bâtiments dans des zones inondables sur les caractéristiques de l’inondation a été analysée de manière systématique pour un scénario de crue de longue durée. Le modèle à porosité a été utilisé pour simuler l’écoulement pour 2,000 configurations urbaines. Une analyse statistique des résultats a permis de mettre en évidence quelles caractéristiques des configurations urbaines influencent le plus l’inondation. En particulier, nous avons montré comment l’impact hydraulique de nouvelles constructions peut être efficacement compensé par un agencement adéquat des bâtiments qui maintienne une capacité d’écoulement suffisante à l’échelle du quartier. Ces résultats permettent de formuler des recommandations pour un développement urbain plus résilient par rapport aux inondations.
Enfin, l’augmentation des dommages causés par les inondations suite à l’urbanisation a été étudiée le long des principaux cours d’eau en Région wallonne (Belgique). Cette étude au niveau régional a été menée sur base de résultats de modélisation hydraulique à haute résolution (2 m à 5 m). Malgré des incertitudes significatives sur les scénarios d’urbanisation, tant d’expansion urbaine que de densification, des conclusions robustes ont pu être tirées, parmi lesquelles l’influence prépondérante de mesures d’interdiction de bâtir en zones inondables par rapport à d’autres facettes des politiques d’aménagement du territoire.
ARC grant for Concerted Research Actions, financed by the Wallonia-Brussels Federation
ARC - Floodland
Researchers ; Professionals
http://hdl.handle.net/2268/214990

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