Evaluation of the risk due to fluvial flooding in vehicles and road infrastructures at basin scale

Abstract

[ES] Las inundaciones pueden llegar a desestabilizar los vehículos y estos, a su vez, pueden exacerbar los efectos negativos de las inundaciones cuando son arrastrados por el flujo, generando no solamente pérdidas económicas sino también de vidas humanas. En las ciudades, la mayor parte de las muertes durante las inundaciones ocurre al interior de los vehículos debido a que los conductores intentan cruzar con sus vehículos por zonas inundadas (Jonkzman and Kelman 2005; Drobot et al. 2007; Kellar and Schmidlin 2012). En países desarrollados, un alto porcentaje de estas muertes ocurre durante inundaciones relámpago cuando los conductores intentan cruzar por zonas inundadas en lugar de evitarlas (Fitzgerald et al. 2010; Kellar y Schmidlin 2012). Debido a esto, en áreas sujetas a inundaciones relámpago, casi la mitad de las víctimas son pasajeros atrapados en sus vehículos (Versini et al. 2010a)

Entre las partes de las vías que resultan afectadas por las crecidas de los ríos se encuentran los puentes, las cuales son obras de infraestructura muy importantes. Un alto porcentaje de los fallos de los puentes a nivel mundial se presenta debido a las crecidas de los ríos, lo cual tiene un impacto negativo en los vehículos y los sistemas de transporte.

Debido a esto, con el fin de realizar una adecuada gestión de las inundaciones es necesario determinar el riesgo de inestabilidad al que están sometidos los vehículos en una zona inundable. Sin embargo, a pesar del impacto negativo de las inundaciones, hasta la fecha se dispone de pocos estudios que permitan determinar los efectos negativos que las condiciones climáticas generan sobre los sistemas de transporte (Molarius et al., 2014).

En esta investigación se desarrolló una nueva metodología para calcular este riesgo a partir de las características de las crecidas, los puentes, los vehículos, y el tráfico vehicular. Esta metodología fue generada a partir de una estructura conceptual y un desarrollo matemático novedosos y permite determinar el riesgo a través de la integral estadística de la amenaza de inestabilidad y la vulnerabilidad de los coches. En áreas urbanas y en las intersecciones entre las corrientes de agua y las vías, la amenaza se establece a través de una función de estabilidad de autos parcialmente sumergidos, las características geométricas de los vehículos y las características hidrodinámicas de las crecidas (calados y velocidades) y su probabilidad de ocurrencia, mientras que la vulnerabilidad se calcula por medio de la combinación de la susceptibilidad y la exposición de los coches.

En puentes, la peligrosidad se obtiene a través del análisis de los datos de caudal disponibles y la vulnerabilidad mediante el análisis del estado estructural del puente, las características de la cuenca y del cauce aguas arriba y aguas abajo de la estructura, la estabilidad del canal y la potencial acumulación de acarreos.

La metodología desarrollada se implementó para determinar el riesgo en los siguientes casos de estudio, los cuales están localizados en territorio español: (i) en las áreas urbanas correspondientes a los municipios de Alfafar y Massanassa, (ii) en los sitios de intersección entre vías y ríos localizados en el municipio de Godelleta; y (iii) en 12 puentes fluviales. Los resultados obtenidos podrían estar indicando que el método propuesto tiene en cuenta los elementos más importantes que deben considerarse al establecer este tipo de riesgo.

La metodología desarrollada permite obtener un panorama detallado del riesgo de desestabilización de los vehículos debido a inundaciones en una zona determinada. En consecuencia, la implementación de esta metodología puede ayudar a disminuir los efectos negativos antes y durante este tipo de eventos, resultando de gran ayuda para las entidades encargadas de la planificación urbana y de la protección civil con el fin de diseñar e implementar acciones que permitan disminu

[CAT] Les inundacions poden desestabilitzar els vehicles i aquests, al mateix temps, poden exacerbar els efectes negatius de les inundacions quan són arrossegats pel flux, generant no solament pèrdues econòmiques sinó també de vides humanes. A les ciutats, la major part de les morts durant les inundacions ocorre a l'interior dels vehicles pel fet que els conductors intenten creuar amb els seus vehicles per zones inundades (Jonkzman and Kelman 2005; Drobot et al. 2007; Kellar and Schmidlin 2012). En països desenvolupats, un alt percentatge d'aquestes morts ocorre durant inundacions llampec quan els conductors intenten creuar per zones inundades en lloc d'evitar-les (Fitzgerald et al. 2010; Kellar i Schmidlin 2012). A causa d'això, en àrees subjectes a inundacions llampec, quasi la meitat de les víctimes són passatgers atrapats en els seus propis vehicles (Versini et al. 2010a)

Entre les parts de les vies que resulten afectades per les crescudes dels rius es troben els ponts, les quals són obres d'infraestructura molt importants. Un alt percentatge de les fallades dels ponts a nivell mundial es presenta com a conseqüència de les crescudes dels rius, la qual cosa té un impacte altament negatiu en els vehicles i els sistemes de transport..

A causa d'això, amb la finalitat de realitzar una adequada gestió de les inundacions és necessari determinar el risc d'inestabilitat al qual estan sotmesos els vehicles en una zona inundable. No obstant això, malgrat l'impacte negatiu de les inundacions, fins a la data es disposa de pocs estudis que permeten determinar els efectes negatius que les condicions climàtiques generen sobre els sistemes de transport (Molarius et al., 2014).

En la present investigació es va desenvolupar una nova metodologia per a calcular aquest risc a partir de les característiques de les crescudes, els ponts, els vehicles, i el trànsit vehicular. Aquesta metodologia va ser generada a partir d'una estructura conceptual i un desenvolupament matemàtic nous i permet determinar el risc a través de la integral estadística de l'amenaça d'inestabilitat i la vulnerabilitat dels cotxes. En àrees urbanes i en les interseccions entre els corrents d'aigua i les vies, l'amenaça s'estableix a través d'una funció d'estabilitat de cotxes parcialment submergits, les característiques geomètriques dels vehicles i les característiques hidrodinàmiques de les crescudes (calats i velocitats) i la seua probabilitat d'ocurrència, mentre que la vulnerabilitat es calcula per mitjà de la combinació de la susceptibilitat i l'exposició dels cotxes.

En ponts, la perillositat s'obté a través de l'anàlisi de les dades de cabal disponibles i la vulnerabilitat mitjançant l'anàlisi de l'estat estructural del pont, les característiques de la conca i del llit aigües amunt i aigües avall de l'estructura, l'estabilitat del canal i la potencial acumulació d'enderrocs.

La metodologia desenvolupada es va implementar per a determinar el risc en els següents casos d'estudi, els quals estan localitzats en territori espanyol: (i) en les àrees urbanes corresponents als municipis d'Alfafar i Massanassa, (ii) en els llocs d'intersecció entre vies i rius localitzats en el municipi de Godelleta; i (iii) en 12 ponts fluvials. Els resultats obtinguts podrien estar indicant que el mètode proposat té en compte els elements més importants que han de considerar-se en establir aquest tipus de risc.

La metodologia desenvolupada permet obtindre un panorama detallat del risc de desestabilització dels vehicles a causa d'inundacions en una zona determinada. En conseqüència, la implementació d'aquesta metodologia pot ajudar a disminuir els efectes negatius abans i durant aquesta mena d'esdeveniments, resultant de gran ajuda per a les entitats encarregades de la planificació urbana i de la protecció civil amb la finalitat de dissenyar i implementar accions que permeten disminuir els efectes negatius de les inundacions.

[EN] Flooding can destabilize vehicles which might, in turn, exacerbate the negative effects of floods when vehicles are swept away by flows, leading to economic loss and fatalities. The main cause of death in cities during flood events corresponds to cars being swept away when they are driven by flooded roads (Jonkzman and Kelman 2005; Drobot et al. 2007; Kellar and Schmidlin 2012). In developed countries a high percentage of these deaths occurs during flash floods when drivers try to cross overflowing water bodies instead of avoiding them (Fitzgerald et al. 2010; Kellar and Schmidlin 2012). Hence, in areas subject to flash floods almost half of the victims are passengers trapped inside their own vehicles (Versini et al. 2010a).

Among the parts of the roads that are most affected by floods are bridges, which are very important infrastructure works for society. Because of this, a high percentage of bridge failures worldwide occur as a result of river floods, which has highly negative impacts for vehicles and transportation systems.

Therefore, in order to suitably manage floods, it is necessary to determine the risk of instability to which vehicles in flood-prone areas are subject. However, Despite the negative impact of floods, very few studies have centred on determining the negative effects of floods on transport systems (Molarius et al., 2014).

In this research, a new methodology to estimate this risk based on the characteristics of vehicles, floods, bridges and vehicular traffic was developed. This methodology was generated from a novel conceptual structure and mathematical development and allows to determine the risk by the statistical integral of the instability hazard and the vehicles' vulnerability. In urban areas and stream crossings, the hazard is determined by a stability criterion of partially submerged cars, the geometric characteristics of the vehicles and the hydrodynamic characteristics of the floods (depths and velocities) and their probability of occurrence, while vulnerability is calculated by combining the susceptibility and exposure of cars.

In bridges, the hazard is obtained by analysing available discharge data and the vulnerability by examining the structural condition of the bridge, the characteristics of the watershed and watercourse upstream and downstream of the structure, the stability of the channel and the potential accumulation of debris.

The developed methodology was implemented to determine the risk in the following case studies, which are located in Spanish territory: (i) in the urban areas corresponding to the towns of Alfafar and Massanassa; (ii) in the stream crossings located in the municipality of Godelleta; and (iii) in 12 river bridges located. The results obtained could be indicating that the proposed method takes into account the most important elements to be considered when establishing this type of risk.

The developed methodology provides a detailed vision of the vehicle instability risk due to flooding in a given area. Consequently, implementing this methodology can help to reduce negative effects before and during flooding events, which is extremely helpful for those organizations in charge of urban planning and civil protection to design and take actions that cushion the negative effects of flooding.