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Nuevos desarrollos del IIAMA-UPV en materia de generación de lluvias y

arrastre de vehículos

Grupo de Investigación de Modelación Hidrológica y Ambiental (GIMHA)Instituto de Ingeniería del Agua y Medio Ambiente(IIAMA)

Universitat Politècnica de València

Prof. Dr. Félix Francés

MINISTERIOPARA LA TRANSICIÓN ECOLÓGICA

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Empleo de generadores meteorológicos para la estimación de avenidas

extremas incluyendo Cambio Climático

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 10 100 1000 1000024h max precipitation return period (yrs)

Pe

akru

nof

f(m

³/s)

dry initial cond.wet initial cond.

0

200

400

600

800

1000

1200

1400

1600

1 10 100 1000 1000024h max precipitation return period (yrs)

Pe

akru

nof

f(m

³/s)

dry initial cond.wet initial cond.

Caudal pico e hidrograma dependen fuertemente de:

Distribución espacio-temporal de la precipitación

Humedad del suelo inicial

Tormenta de diseño

200 simulaciones de eventos usando 100 tormentas sintéticas y 2 condiciones iniciales con escenario actual en R. Poyo

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Sensibilidad del riesgo

4

Pakistán, 2010

Caudal CaladoRiesgo inundación R. Poyo: 12,629,016 €/año sólo directos de 2007

Sensibilidad similar => precisión similar en hidrología e hidráulica

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Es posible construir un modelo meteorológico continuo o de tormentas =>Generación de tormentas sintéticas (continuo o individuales) → Simulación hidrológica → Análisis estadístico de Q

Pros: Inclusión de la variabilidad espacio-temporal Tantas tormentas como se quiera

Contras:

Adecuación del modelo hidrológico Adecuación del modelo meteorológico (especialmente modelos sub-diarios

en grandes cuencas)

Generadores meteorológicos

5

Tiempo

Intensidad

Tiempo

IntensidadIntensidad

POISSON

22

2)( Dr

etC

→ Simulación hidráulica → Análisis estadístico de h en cada pixel

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Continuous sub-daily, the perfect solution but highly complex and nowadays not for large catchments

ETH model

Sub-daily but for individual events, but problems with initial condition and probabilities (no date)

RAINGEN

Continuous daily, but problems with downscaling GWEX, MULGETS, …

Types of weather generators

6

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Elementos involucrados

Zona de inundación ZI (ámbito modelo hidráulico)

Cuenca vertiente a la ZI (ámbito modelo hidrológico)

Punto de interés PI (a efectos de asignación probabilidad)

Estación de aforo (EA) para calibración/validación modelos hidrológicos

Puntos de generación de

hidrogramas (PGs)

ES080_ARPS_0022-03: Rambla de Chiva o de Poyo desde Chiva hasta canal Júcar - Turia

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Selección del generador meteorológico

MulGETS (Chen et al., 2014) vs GWEX (Evin et al., 2018)

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Calibración del generador meteorológico

Primera calibración => datos de precipitación observada de Spain02-v4: 37 años

Validación con estudio regional de precipitaciones diarias máximas (CEDEX, 1994)

Segunda calibración => Ajuste del parámetro de forma ξ:

Dos poblaciones:

Meses de otoño (SON) => A calibrar (prueba y error)

Resto de meses

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Modelo hidrológico

Distribuido en el espacio:

Reproduce la variabilidad espacial del ciclo hidrológico

Utiliza toda la información espacial disponible

Ofreciendo resultados en cualquier punto

Modelo Integral: contabilidad adecuada del estado inicial

recursos hídricos, inundaciones

Facilidad de calibración:

Parsimonioso

Posibilidad de calibración automática

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Implementación TETIS en R. de la Viuda

Calibración (escala diaria):

Mª Cristina (2003-2004)

NS = 0.930

Validación temporal:

Mª Cristina (2000-2001)

NS = 0.928

Validación espacial:

Vall d’Alba (2003-2004)

NS = 0.428

0

100

200

300

400

5000

10

20

30

40

50

1/10/01 1/11/011/12/01 1/1/02 1/2/02 1/3/02 1/4/02 1/5/02 1/6/02 1/7/02 1/8/02 1/9/02 1/10/02

Pre

cipi

taci

ón [m

m/d

ía]

Cau

dal [

m³/

s]Fecha

Precipitación

Observado

Sim. sin pérdidas

Sim. con pérdidas

0

100

200

300

400

5000

10

20

30

40

50

1/4/02 1/5/02 1/6/02

Pre

cipi

taci

ón [m

m/d

ía]

Cau

dal [

m³/s

]

Fecha

0

100

200

300

400

5000

10

20

30

40

1/10/031/11/031/12/031/1/04 1/2/041/3/04 1/4/041/5/04 1/6/041/7/04 1/8/04 1/9/041/10/04

Pre

cipi

taci

ón [m

m/d

ía]

Cau

dal [

m³/

s]

Fecha

PrecipitaciónObservadoSim. sin pérdidasSim. con pérdidas

0

100

200

300

400

5000

10

20

30

40

50

1/3/04 1/4/04 1/5/04

Pre

cipi

taci

ón [m

m/d

ía]

Cau

dal [

m³/s

]

Fecha

0

100

200

300

400

5000

20

40

60

80

1/10/03 1/11/031/12/03 1/1/04 1/2/04 1/3/04 1/4/04 1/5/04 1/6/04 1/7/04 1/8/04 1/9/04 1/10/04

Pre

cipi

taci

ón

[mm

/día

]

Ca

ud

al [

m³/

s]

Fecha

Precipitación

Observado

Sim. sin pérdidas

Sim. con pérdidas

0

100

200

300

400

5000

20

40

60

80

20/3/04 20/4/04 20/5/04

Pre

cipi

taci

ón [m

m/d

ía]

Cau

dal [

m³/s

]

Fecha

Precipitación

Observado

Sim. sin pérdidas

Sim. con pérdidas

(Corrección del desfase temporal y pérdidas)

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Resultados

Validación metodología para caudales bajo T

“Plotting positions” de los caudales observados (SAIH) y los caudales simulados con las lluvias generadas con GWEX en los tres puntos de aforo

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Resultados

Validación metodología para caudales alto T

“Plotting positions” de los caudales simulados con las lluvias generadas con GWEX en los puntos con información histórica y de paleocrecidas

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Caso Picassent-Poyo 2º ciclo

Evento 2000

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Caso Picassent-Poyo 2º ciclo

Punto de cálculo

Caudales 500 años (m³/s)

Revisión 1er Ciclo

Poyo A7 1.200 1.407

Saleta 190 292

Poyo Torrent

1.420 1.412

Picassent-Beniparrell

450 1.163

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

El objetivo es obtener deltas de inundación para T=100 por comparación de la inundabilidad producida con las series de Tmax-min y Pd para climas:

Actual: Spain02v4 período 1971-2000

Inclusión del Cambio Climático

Futuro: Período 2041-2070 con escenario de emisiones RCP8.5

Al menos nos quedamos con CCmax y CCmin

=> 3 modelos meteorológicos

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Peligrosidad y riesgo de arrastre de vehículos

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Desarrollar una metodología para la adecuada identificación en el espaciodel riesgo de arrastre de vehículos:

Para Zonas de Inundación

Simplificaciones y adaptaciones para badenes de cruce de río

Primero hay que definir un criterio de estabilidad

Objectivo

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Nowadays, there are a dozen stability criteria with different hypothesis and simplifications

After a literature review we selected the criterion …

Stability criteria

REVIEW AND ANALYSIS OF VEHICLE STABILITY MODELS DURING FLOODS AND PROPOSAL FOR FUTURE IMPROVEMENTS

by:Ricardo A. Bocanegra, Félix Francés and Francisco J. Vallés

Published in 2019

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

௩

௩

ଶ

Mobility Parameter θV Critical Threshold θVcr (H, U)

Based on flood (H), vehicle characteristicsand the angle of flow incidence β

Source: Arrighi et al. (2016) Source: Arrighi et al. (2016)

β

HU

Stability criterion: Arrighi et al. (2016)

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Stability criterion:

> 1 In motion by sliding

= 1 Incipient motion by sliding

[0, 1[ Vehicle at rest

< 0 In motion by floating

i = ೇ

ೇ

Stability criterion: Arrighi et al. (2016)

Source: Arrighi et al. (2016) Source: Arrighi et al. (2016)

β

HU

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Case study: Rambla del Poyo

Catchment area = 430 Km2

Mediterranean semi-arid climate

Medicanes in Autumn

Ephemeral river

Disappears in floodplain

Case study: municipalities of Massanassa and Alfafar located in the lower part of the catchment

Direct risk in 2007: 550,338 €/year

18,205 cars can be affected

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Seat Ibiza

Parameter

Vehicle i

UtilitySeat Ibiza

CompactSeat León

Small SUVPeugeot 2008

Medium SUVVolkswagen

Tiguan

Length (m) 3.683 4.184 4.159 4.433

Width (m) 1.610 1.742 1.739 1.809

Height (m) 1.421 1.439 1.556 1.665

Ground clearance(m)

0.124 0.12 0.165 0.175

Density (Kg/m³) 108.00 125.86 104.41 115.26

Proportion gi 0.262 0.322 0.148 0.268

Seat León Peugeot 2008 Volkswagen Tiguan

Characteristics of vehicles

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Available flood hazard maps

Depths (H)

Available for return periods of 10, 25, 50, 100 and 500

Velocities (U|h)

Flood for Tr 100 years

Depth (m) Velocity (m/s)

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Vehicle flood hazard can be defined as the probability for the conditions thatcause the loss of stability of vehicles (Si) => depends on type of car i

Vehicle flood hazard

Hazard

Magnitude

Stability criterion

Frequency

)(qfQ i

ௌi

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Loss of stability by flotation

Safety Zones Loss of stability by sliding

< 0 0 – 0.5 0.5 – 1.0 1.0 – 1.5 > 1.5

Results: vehicle flood hazard maps

Tr = 50 years Tr = 100 years Tr = 500 years

Utility Car Flood Hazard Hazard Index Si(h,u)

Massanassa

Alfafar

Massanassa

Alfafar

Massanassa

Alfafar

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

VulnerabilityDamage function

Risk

Hazard

MagnitudeFrequency

ExpositionDensity of vehicles

Vehicle flood risk

Defined as the combination of the probability of a vehicle being swept away orfloated and the density of vehicles driving or being parked on floodplain:

ௌ

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

At a given point of the territory (pixel) and for each type of vehicle i, the damage function should be based on the stability criterion

Our simplification:

Vulnerability

D [ Si (h,u) ] =

0 (stable) if 0 ≤ Si < 1

1 (unstable) otherwise0,00

0,05

0,10

0,15

0,20

0,25

0,30

0,35

0,40

0,0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0D

epth

(m

)

Velocity (m/s)

Stability Thresholds for Studied Vehicles in Flood Events

Utility

Compact

Small SUV

Medium SUV

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Exposition

Low Density (in red) = 5.4 Car/Ha

High Density = 313.8 Car/Ha_street

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

It is defined at a given point of the territory (pixel) and is measured as the mean number of vehicles washed away per year per unit area

It can be estimated as:

where:

= damage function for car type i, i= 1, …, K

d = density of vehicles in this pixel

gi = proportion of car type i

Vehicle flood risk density: r

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

And can be approximated by:

where:

D[h,u,i] = damage function for car type i, i= 1, …, K

d = density of vehicles in the pixel

g [i] = proportion of car type i

j= flood hazard map for return period Tj, j= 1, …, N

Tmin corresponds to the lowest return period for inundation

Vehicle flood risk density: r

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

RiskCar/Ha/year

0.0 – 1.4

1.4 – 2.8

2.8 – 4.2

4.2 - 5.6

5.6 – 7.0

7.0 – 8.4

Results: vehicle flood risk map

Massanassa

Alfafar

Mean number of vehicleswashed away per year

18,205 cars within the flooded area

Type of car gi Cars/year

Utility 0.262 71.9

Compact 0.322 86.3

Small SUV 0.148 37.9

MediumSUV

0.268 65.9

Total Fleet 262.0

Tmin= 37.5 years

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Arrastre en badenes

Jornada de implantación de los PGRIs, 14 de noviembre de 2019

Riesgo de arrastre en badenes

Municipio de Godelleta (Valencia)

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