Flood risk analysis in a meso-scale mountain catchment : development and application of a probabilistic analysis framework

Hochwasserereignisse der vergangenen Jahre haben wiederholt große Zerstörungskraft gezeigt und Todesopfer sowie hohe monetäre Schäden verursacht. Um diese zu vermindern oder zu vermeiden ist ein effektives Hochwasserrisiko (HWR) Management erforderlich, wofür jedoch die hochwasserbedingten Konsequenzen möglichst exakt quantifiziert werden müssen. Die vorliegende Dissertation stellt ein probabilistisches Risikomodell zur Analyse des räumlich differenzierten Hochwasserrisikos vor. Die relevanten Komponenten des Hochwasserrisikos, wie die Hochwassergefährdung, die möglichen hochwasserbedingten Konsequenzen und deren Auftretenswahrscheinlichkeit werden im vorgestellten Risikomodell berücksichtigt. Analog zu diesen Komponenten besteht das Risikomodell aus drei Modulen: (i) einem ‘Hazard Modul, (ii) einem ‘Impact Modul und (iii) einem ‘Risk Assessment Modul. Im ersten Modul wird die potenzielle Gefährdung durch Flusshochwasser in einer Region beschrieben, wobei die oftmals räumlich heterogene Struktur von Hochwasser berücksichtigt wird. Die im ‘Hazard Modul durchgeführten Analysen basieren auf Abflusszeitreihen, die an Flusspegel durchgeführt werden. Die grundlegende Idee des gesamten Risikomodells ist, dass das HWR basierend auf einer großen Anzahl von synthetisch generierten Hochwasserereignissen ausgewertet wird. Die dazu erforderlichen Ereignisse werden mit dem multivariaten statistischen Modell, welches von Heffernan and Tawn (2004) vorgestellt wurde, erzeugt. Das ‘Impact Modul dient zur Charakterisierung der potenziellen negativen Konsequenzen von Hochwasser. Diese werden mit drei unterschiedlichen Indikatoren beschrieben, wobei insbesondere die ‘direkten monetären Gebäudeschäden gut geeignet sind, das Ausmaß einzelner Hochwasserereignisse zu beschreiben. Im ‘Risk Assessment Modul werden die Ergebnisse der beiden erstgenannten Module zusammengeführt und ausgewertet. Der Fokus der statistischen Auswertung liegt auf dem jährlichen Schadenerwartungswert und den Hochwasserschäden mit einem bestimmten Wiederkehrintervall (z.B. T=100 Jahren). Das HWR-Risikomodell wurde im Sinne einer Machbarkeitsstudie im österreichischen Bundesland Vorarlberg angewandt. Vorarlberg liegt in den Ostalpen und umfasst eine Fläche von 2601km. In den vergangenen zwei Jahrzehnten wurde das Untersuchungsgebiet wiederholt von schwerwiegenden Hochwasserereignissen heimgesucht (im Mai 1999 sowie im August 2002 und 2005). Die erfolgreiche Anwendung des Risikomodells in Vorarlberg zeigt dessen grundsätzliche Eignung, das HWR in einem meso-skaligen Einzugsgebiet zu ermitteln. Anhand dieser Fallstudie konnte gezeigt werden, dass für eine zuverlässige Bewertung des HWR die räumlich differenzierte Struktur von Ereignissen berücksichtigt werden muss. Neben der Entwicklung und Anwendung des HWR-Analysemodells wurden die möglichen Effekte des Klimawandels auf das Abflussregime eines alpinen Einzugsgebiets untersucht sowie die denkbaren Auswirkungen auf das HWR diskutiert. Das Hauptaugenmerk dieser Analyse liegt auf den möglichen Veränderungen des zeitlichen Auftretens von Abflussspitzen. In dieser Studie wurde ein ‘Szenario-neutraler Ansatz, der eine große Bandbreite der Klimavariabilität wiedergibt, angewandt. Insgesamt wurden 154 hypothetische Klimaszenarien, welche eine mögliche Temperatursteigerung von +0.5 bis +7C und eine denkbare Niederschlagsveränderung von -25% bis +25% abbilden, erstellt und ausgewertet. Das österreichische Lechtal bis zum Flusspegel Lechaschau diente für diese Studie als Untersuchungsgebiet. Im Einzugsgebiet (1000km) fällt ein großer Anteil des Winterniederschlages in Form von Schnee und dementsprechend ist der Abfluss des Lechs auch von großen saisonalen Schwankungen geprägt. Die Auswertung der hypothetischen Klimaszenarien zeigt eine klare Veränderung der Abflusssaisonalität unter wärmeren Temperaturbedingungen. Eine Steigerung der Temperatur um mehr als 2C könnte zum Auftreten von jährlichen Abflussmaxima im gesamten Jahr führen. Eine saisonale Verschiebung des Auftretens von Abflussspitzen kann auch Auswirkungen auf das HWR im Untersuchungsgebiet habe, da Anwohner potenziell hochwassergefährdeter Gebiete im Winterhalbjahr nicht auf Abflussspitzen vorbereitet sind.Severe flood events often have negative impacts on society in terms of fatalities and material damage. Estimating these consequences is an essential task in order to effectively cope with flooding. This dissertation introduces a modelling framework for probabilistic flood risk analysis, suitable for meso-scale study areas. The modelling framework takes into account the relevant components of flood risk, such as the potential flood hazard, the possible consequences, and their probabilities. Hence, the risk model consists of three modules: (i) a hazard module, (ii) an impact module, and (iii) a risk assessment module. The first module is devoted to the potential flood hazard and thereby considers the often spatially heterogeneous characteristics of flood events. The basic idea of the modelling framework is to generate a set of synthetic flood events that is used for risk quantification. The multivariate conditional model introduced by Heffernan and Tawn (2004), which uses river gauging data for event generation, is applied. The impact module characterises the potential adverse consequences of flooding. Therefore, three different cumulative impact indicators are used, of which the potential direct monetary damage is regarded as a particularly good indicator to describe the severity of flood events. Within the risk assessment module, the results of the two first modules are combined and statistically evaluated with a focus on expected annual aggregated damage and damage with low probability of occurrence (e.g. 1 in 100 years). The flood risk analysis model was applied in a proof-of-concept exercise in the study area Vorarlberg. Vorarlberg is the westernmost federal province of Austria, covers around 2600km, and is characterised by its mountain topography. The study area has been seriously affected by three flood events in the past two decades (in May 1999, August 2002, and August 2005). The successful application of the risk model demonstrates its suitability to estimate flood risk in a meso-scale study area. The model results reveal the importance of considering the spatially heterogeneous nature of flood events in order to quantify the risks resulting from flooding adequately. Besides the development and application of the risk analysis model, the potential impact of climate change on the hydrological response of a mountain watershed and possible effects on flood risk is discussed. This investigation has a particular focus on the possible change of the seasonality of runoff. A ‘scenario-neutral approach was applied to take into account the full potential of climate variability; 154 hypothetical climate scenarios with temperature changes varying from +0.5 to +7C and precipitation changes varying from -25% to +25% were applied. The Lech catchment upstream of the Lechaschau river gauge was used as a study area. This Alpine catchment covers around 1000km and is characterised by a nival flow regime. The study shows that the most pronounced impact of hypothetical climate scenarios is the change of runoff seasonality in warmer conditions. When the temperature rises more than 2C, annual maximum flood peaks may occur throughout the entire year. A change of the seasonal occurrence of runoff peaks may also have an effect on flood risk in the Lech catchment, because residents might not be prepared for high runoff conditions in the winter half-year.by Klaus SchneebergerEnth. u.a. 6 Veröff. d. Verf. aus den Jahren 2012 - 2015 . - Zsfassung in dt. SpracheInnsbruck, Univ., Diss., 2015OeBB(VLID)81319