Development of a model for the assessment of Coastal Flooding Vulnerability: an application to the Venetian littoral

In the recent years, marine flooding and its impacts have become a question of growing interest in the scientific community as well as in managing authorities, since coastal areas are the most heavily populated and developed land zones in the world. Under climate change, sea levels are rising and even storm surge intensity is possibly increasing. Therefore, it is expected that the occurrence probability of extreme coastal flooding events will increase. This major hazard requires urgent adaptations in order to increase the resistance and resilience of an area to coastal floods. The motivation of this research arises from the practical need highlighted by local managers of the Veneto region that require (possibly GIS-integrated) rapid tools to simulate the whole complexity of the problem of mapping the risk of coastal flood by wave over-topping in an urban area at large scale. The aim of this thesis is to develop a methodology in order to define flood risk maps by analysing different scenarios at a different time and spatial scales, combining both marine forcing and flood propagation in the hinterland. After an articulated theoretical study and an accurate bibliographic research, a flood propagation numerical model was implemented. In order to use GPU acceleration, i) the domain Shallow Water Equations are simplified by linearising bottom friction and neglecting advection, and ii) an appropriate vectorization method is considered. The numerical model for coastal flooding propagation was tested against four well-known benchmarks (two analytical solutions of the SWEs and two experimental tests) and applied to a real case of coastal flooding occurred at Caorle (VE) in December 2008. The methodology was finally applied to the coast of the Veneto Region, thanks to an extensive geomorphological and hydraulic knowledge of the area (Ruol et al. 2016, 2018). Combining i) a bivariate statistical analysis of marine forcing (waves and sea levels), ii) a model of wave transformation from offshore to onshore and iii) a reliability analysis, Coastal Flooding hazard maps were produced for three stretches of the Veneto littoral: Valle Vecchia, Caorle and Cavallino-Treporti.

L’allagamento costiero è una tematica di grande attualità che ha suscitato negli ultimi anni una forte attenzione sia da parte della comunità scientifica che da parte degli amministratori e gestori del territorio. L’innalzamento del livello medio del mare dovuto ai cambiamenti climatici e la maggior frequenza di mareggiate estreme fanno prevedere una più alta probabilità di accadimento di eventi di ingressione marina lungo i litorali. La crescente urbanizzazione e la sempre più alta percentuale di persone che vivono nei litorali aumentano il valore esposto all'allagamento costiero, che va dunque studiato e approfondito per mitigare il rischio di perdite economiche, di danni al patrimonio artistico/culturale e all’ambiente e per scongiurare pericoli per l'incolumità delle persone presenti in questi territori. La motivazione di questa ricerca è scaturita dalla necessità, espressa dagli enti gestori e pianificatori della costa Veneta, di redigere mappe di rischio di allagamento che includessero tra le cause dell’alluvionamento non solamente l’esondazione di tipo fluviale, ma anche quella di origine costiera e di avere pertanto uno strumento rapido e scientificamente basato che consenta di rispondere in maniera unitaria e omogenea per tutto il litorale alla Direttiva Alluvioni (2007/60/CE). A tale scopo è stata predisposta una metodologia per definire mappe di rischio di allagamento attraverso un’analisi di diversi scenari a diverse scale temporali e spaziali. Il primo passo è stato implementare, dopo un articolato studio teorico e una accurata ricerca bibliografica, un modello numerico che risolve le equazioni del moto (ovvero le equazioni alle acque basse) in forma semplificata per simulare la propagazione dell’allagamento nell’entroterra. Le semplificazioni apportate alle equazioni (in particolare all'equazione della conservazione della quantità di moto) sono essenzialmente due: i) i termini avvettivi sono stati trascurati poiché risultano poco importanti nel tipo di fenomeno analizzato, ii) il termine di attrito, fondamentale per descrivere la propagazione, è stato linearizzato. Per garantire la positività della soluzione e la sua stabilità, evitando quindi la formazione di oscillazioni, sono state implementate alcune tecniche numeriche. Le equazioni semplificate sono adatte ad un calcolo in parallelo e pertanto il modello proposto ha come peculiarità l’utilizzo di algoritmi idonei all’uso di GPU, in grado quindi di analizzare grandi mappe in tempi di calcolo ridotti e di lavorare direttamente alla scala del pixel (utilizzando “Digital Elevation Model” DEM ad alta risoluzione) senza la necessità di creare mesh. Nel presente studio è stata utilizzata la GPU Nvidia Tesla K80 con 4992 core e 12 GByte di memoria, ottenendo tempi di calcolo, per domini molto estesi, pari al 3% di quelli necessari utilizzando una classica CPU. Il modello numerico di allagamento è stato esaminato attraverso il confronto con quattro benchmark molto noti in letteratura (due soluzioni analitiche delle equazioni alla acque basse e due prove sperimentali). Inoltre è stato applicato ad un caso reale di allagamento costiero avvenuto a Caorle (VE) nel Dicembre 2008, confrontando i risultati ottenuti con una mappa di aree allagate ricostruita grazie ad un video ripreso durante l’evento estremo. Il modello è risultato in buon accordo con le soluzioni analitiche, le misure di laboratorio e le informazioni disponibili. La metodologia è stata infine applicata alla costa della Regione Veneto, traendo vantaggio dall’ampia conoscenza geomorfologica e idraulica del territorio maturata nello svolgimento di una approfondita ricerca eseguita ed elaborata sui più recenti dati e misure disponibili per la zona costiera (Ruol et al. 2016, 2018). A partire dai dati di altezza d’onda e livello misurati alla Torre CNR “Acqua Alta” è stata condotta un’analisi statistica bivariata che ha permesso di valutare la probabilità di superamento associata a coppie di altezza d’onda e livello. L’obiettivo finale, ossia la redazione di mappe di allagamento, si avvale di una analisi di affidabilità di livello II (FORM). I risultati sono pertanto i valori di probabilità di superamento di un determinato livello idrico per ciascun pixel del DEM disponibile. Questo si traduce in un risultato di estremo interesse scientifico e pratico, ovvero la predisposizione di mappe di pericolosità all’allagamento costiero nell'arco temporale di 1 e 10 anni. Sono stati analizzati tre tratti che appartengono alla costa Veneta (in provincia di Venezia) e che hanno lunghezza compresa tra i 4 e i 15 km: il litorale di Valle Vecchia, il litorale di Caorle e il litorale di Cavallino. Le realizzazione di queste mappe e la conseguente individuazione delle zone più critiche vuole fornire un valido supporto per la programmazione e progettazione degli interventi che riguardano la protezione costiera dal rischio di ingressione marina lungo il litorale.