Integrated Flood Risk Management: Towards a Risk-Informed Decision Making Incorporating Natural and Human-Induced Hazards

Abstract

Flood risk reduction is a global challenge. Society demands higher safety and security levels, including those actions related to flood defence infrastructure protection against natural hazards and manmade threats.

Dams and levees, among other flood defence infrastructures, are critical hydraulic infrastructures, aiming at reducing the likelihood that people and property will get flooded, but whose failure would result in consequences for the community downstream, including not only economic damages but also loss of life. There is always a probability associated with infrastructure failure, although in general it might be very low.

The purpose of the PhD research, with title "Integrated flood risk management: towards a risk-informed decision making incorporating natural and human-induced hazards", here presented is to propose a framework to enhance integrative flood risk management from a multi-hazard perspective (pluvial flooding, river flooding, dam and levee failure, including man-made threats), addressing current needs for decision making on flood risk reduction and analyzing the complexity of multiple hazards and systems which include multiple components.

The thesis is structured in three main parts, including: (i) Part I, a methodology aiming at providing a common framework for identifying and characterizing flood risk due to pluvial flooding, river flooding and dam failure, and incorporate information on loads, system response and consequences into risk models to analyse societal and economic flood risk, (ii) Part II, an approach for quantifying and analyzing risk for complex dam-levee systems, to incorporate information from levee failure into risk models based on the aforementioned methodology, and to analyse societal and economic flood risk, including the potential failure of these infrastructures, and (iii) Part III, a screening tool to characterize the impact of human induced threats on risk due to dam failure or mission disruption.

Results from this research have proven that the use of risk models provides a logic and mathematically rigorous framework for compiling information for flood risk characterization and analysis from different natural hazards and flood defence performance.

The proposed framework in this thesis and applications aimed at encouraging key actors on flood risk management (infrastructure managers, authorities, emergency action planners, etc.) on the use of QRA, and at demonstrating to what extent QRA can usefully contribute to better understanding risk drivers and inform decisions on how to act to efficiently reduce flood risk.

La reducción del riesgo de inundación es un reto global. La sociedad actual demanda cada vez mayores niveles de seguridad, incluyendo la consecución de acciones vinculadas a la protección de las infraestructuras de defensa frente a inundaciones ante amenazas naturales y antrópicas.

Presas y diques, entre otras obras de defensa, son infraestructuras críticas cuyo objetivo es reducir la probabilidad de inundación. Sin embargo, su fallo puede resultar en consecuencias para la comunidad situada aguas abajo, incluyendo no sólo daños económicos sino también pérdida potencial de vidas. Siempre existe una cierta probabilidad asociada al fallo de estas infraestructuras, aunque en general muy baja.

El objetivo de la investigación llevada a cabo en la presente tesis doctoral, con título "Integrated flood risk management: towards a risk-informed decision making incorporating natural and human-induced hazards", es proporcionar un marco que fomente la gestión integral del riesgo de inundación desde una perspectiva multi-amenaza, considerando las necesidades actuales en la toma de decisiones para la gestión del riesgo de inundación y analizando la complejidad de sistemas con múltiples componentes, afectados por diferentes amenazas.

La tesis se estructura en tres partes principales, incluyendo: (a) Parte I, una metodología para proporcionar un marco común para la identificación y caracterización del riesgo de inundación por inundación pluvial, fluvial y fallo de presas, incorporando información sobre solicitaciones, respuesta del sistema y consecuencias en modelos de riesgo que permiten analizar y evaluar el riesgo social y económico por inundación, (b) Parte II, un método para la cuantificación y análisis del riesgo en sistemas complejos presa-dique, con el objetivo de incorporar información referente al fallo de diques en la metodología propuesta en la Parte I, y analizar el riesgo social y económico por inundación incluyendo el fallo de varias infraestructuras de defensa, y (c) Parte III, una herramienta de cribado que permite caracterizar el impacto de amenazas de origen antrópico en el riesgo asociado al fallo de presas.

Los resultados de esta investigación demuestran que el uso de modelos de riesgo proporciona un marco lógico y matemáticamente riguroso para la consideración de toda la información necesaria para la adecuada caracterización y análisis del riesgo de inundación por amenazas naturales y por fallo o mal funcionamiento de obras de defensa.

El marco metodológico propuesto y las aplicaciones descritas en esta tesis tienen como objetivo impulsar la aplicación del análisis de riesgo por parte de los actores clave en la gestión del riesgo de inundación (gestores de infraestructuras, autoridades locales, gestores de emergencias, etc.) y demostrar en qué medida estos análisis pueden contribuir a alcanzar un mejor conocimiento de los factores clave que componen el riesgo e informar en la toma de decisiones hacia una reducción del riesgo más eficiente.

La reducció del risc d'inundació és un repte global. La societat actual demana majors nivells de seguretat, incloent-hi la realització d'accions vinculades a la protecció de les infraestructures de defensa enfront del risc d'inundacions afectades per amenaces naturals i antròpiques.

Preses i dics fluvials, entre altres obres de defensa, són infraestructures crítiques i tenen l'objectiu de reduir la probabilitat d'inundació però el seu trencament pot resultar en conseqüències en, danys econòmics i també pèrdua potencial de vides. Sempre hi ha una certa probabilitat vinculada al trencament d'aquestes infraestructures, encara que en general molt baixa.

L'objectiu de la investigació duta a terme en aquesta tesi doctoral, amb títol "Integrated flood risk management: towards a risk-informed decision making incorporating natural and human-induced hazards", és proporcionar un marc per a fomentar la gestió integral del risc d'inundació des d'una perspectiva multi-amenaça, tenint en compte les necessitats actuals per prendre decisions per a la gestió del risc d'inundació i analitzant sistemes complexes amb múltiples components i afectats per diferents amenaces.

La tesi s'estructura en tres parts principals: (a) Part I, una metodologia proposada per a proporcionar un marc comú per a la identificació i caracterització del risc d'inundació per inundació pluvial, fluvial i trencament de preses, incorporant informació de sol¿licitacions, resposta del sistema i conseqüències en models de risc que permeten analitzar el risc social i econòmic per inundació, (b) Part II, un mètode per a la quantificació i anàlisi del risc en sistemes complexes, amb l'objectiu d'incorporar informació referent al trencament de dics fluvials en la metodologia descrita en la Part I, i analitzar el risc social i econòmic pel trencament de diverses infraestructures de defensa, i (c) Part III, una ferramenta de pre-anàlisi per a caracteritzar l'impacte d'amenaces de origen antròpic en el risc associat al trencament de preses.

Els resultats de la investigació demostren l'utilitat de l'aplicació de models de risc, proporcionant un marc lògic i matemàticament rigorós per a la consideració de tota la informació necessària per a l'adequada caracterització i anàlisi del risc d'inundació per amenaces naturals i per trencament d'obres de defensa.

El marc metodològic i les aplicacions derivades d'aquesta tesi tenen com a objectiu impulsar l'aplicació d'anàlisi de risc quantitatius per part dels actors vinculats a la gestió del risc d'inundació (gestors d'infraestructures, autoritats locals, gestors d'emergències, etc.) i demostrar que poden contribuir a disposar d'un millor coneixement dels factors clau que componen el risc, i per a informar les decisions necessàries per a una reducció del risc més eficient.