This study utilized a new database of levee failures along 685 km of the Middle and Lower Mississippi River from St. Louis, MO to Memphis, TN during the past 120 years. The goals of this investigation were to: 1) identify the relative importance of geologic and geomorphic factors that have led to levee failures through the past century along the Mississippi River and 2) measure levee crest elevations to determine if they have increased or decreased between 1998 and 2007 and if they are built to the proper design grade elevation. Logistic regression analysis was utilized to examine selected site characteristics at each levee failure location. These site characteristics (levee failure parameters) included: 1) levee underlain by previous channel fill, 2) presence/absence of borrow pit, 3) location of failure on a meander bend, 4) width of channel, 5) width of floodway, 6) constriction-over-time factor, 7) land-cover type, 8) width of vegetative buffer, 9) sinuosity of channel, 10) intensity of dredging, and 11) presence/absence of bank revetment. Each of these parameters was evaluated using geologic maps, soil survey data, Digital Elevation Models (DEMs), historic river maps, and dredging reports (Winkley, 1977; Pinter et al., 2004). Two models were created for each river reach. The first model for both reaches used a 95% significance threshold, while the second model for the MMR used a 80% significance threshold, and the second model for the LMR used a 90% significance threshold. The first model for the Middle Mississippi River (MMR) identified only the presence/absence of channel fills to predict levee failure as significant, had an R² value of 0.178, a p-value of 0.002, and a percentage accuracy of 68.6%. The second model for the MMR identified the following variables as significant: presence/absence of channel fills to predict levee failure, location of failure on a meander bend, channel width, land-cover type, and intensity of dredging. This model had an R2 value of 0.408, p-value of 0.002, and a percentage accuracy of 74.3%. The 95% model for the Lower Mississippi River (LMR) identified location of failure on a meander bend, land-cover type, constriction-over-time factor, and sinuosity of the channel as significant. This model had an R2 value of 0.326, p-value of 0.003, and a percentage accuracy of 69.5%. The 90% LMR model identified the following variables as significant: the presence/absence of borrow pits, location of failure on meander bend, channel width, land-cover type, constriction-over-time factor, vegetative buffer width, channel sinuosity, and presence/absence of bank revetment. This model had an R2 value of 0.385, p-value of 0.006, and a percentage accuracy of 72.0%. The MMR and LMR models with the 95% significance threshold had no predictors in common because of differences between the two river reaches or possibly because of the small sample size. However, the expanded MMR and LMR models shared three predictors (i.e., meander location, channel width, and land cover type). The second portion of this project used post-processed dual-frequency GPS surveying to measure levee elevations between St. Louis, MO and Cairo, IL. These elevations were compared to the 50-year design flood grade elevations and to a 1998 DEM to identify areas of levee heightening, levee degradation and/or subsidence, and locations of past levee crevasses. This surveying revealed areas that, between 1998 and 2007, were raised up to ~1.5 meters and other areas that degraded or subsided up to ~1.0 meter. Also, the locations of five recent levee crevasses were investigated, showing local increases or decreases at those points. The importance of levee road construction type was identified through many sharp increases or decreases at the transition between road types. Overall, this project showed promising implications for the determination of levee failure susceptibility and proper levee elevation heights using logistic regression analysis and kinematic GPS surveying. The logistic regression models predicted the potential for levee failure based on local site characteristics of levees between St. Louis, MO and Memphis, TN. The high-precision kinematic GPS surveying illustrated levee elevations along the MMR to a high degree of accuracy, allowing for the rapid and efficient identification of areas that do not correspond to the proper design flood grade elevation.

Climate change results to more extreme and frequent flood events that induce extra risk to flood protection structures such as levees. Thus, estimation of the probability of levee failure is of utmost importance when it comes to structural safety and flood risk assessment. This master thesis focuses on the estimation of the probability of levee failure owing to backward erosion at the foundation of the levee. For the estimation of the probability of failure three breach models of different complexity were developed and site-specified data were used from the Paglia river area and an assessment of the results followed. Besides the breach models, a 2-D hydraulic model was also built where breach scenarios were used to assess the associated flood risk. The results showed that the complexity of the breach model plays significant role to the estimated probability of failure. The simplest model estimated the lowest probability, while the complex the highest. Consequently, the associated to the complex model flood risk was higher than the other two. / Klimatförändringarna är ett allmänt problem som bland annat resulterar i ökad risk för extrema hydrologiska händelser. Av dessa extrema händelser är översvämningar bland de mest förekommande. För att tackla problemen med översvämningsriskerna används skyddsvallar som en av de vanligaste anläggningarna bland olika översvämningsskydd. Vid ett tillräckligt högt flöde kan dock den ökade belastningen på skyddsvallen orsaka att skyddsvallen havererar. En skyddsvall kan haverera på grund av flera fysikaliska fenomen, varav de vanligaste är inre erosion, otillräcklig släntstabilitet samt överspolning. Risken för att en skyddsvall havererar, det vill säga brottrisken, kan beräknas med olika metoder. Sannolikhetsbaserade metoder har nyligen växt fram som ett allt viktigare tillvägagångssätt. Det här examensarbetet handlar om brottsannolikhetsberäkningar för skyddsvallar i syfte att kartlägga översvämningsrisker. Arbetet fokuserar på fenomenet med inre erosion i skyddsvallars grundläggning. Det praktiska exemplet i examensarbetet studerar nybyggda skyddsvallar utmed den italienska floden Paglia längs en flodsträcka om 4,5 km mellan städerna Ciconia och Orvieto Scalo i regionen Umbria i centrala Italien. Ur ett hydrogeologiskt perspektiv karaktäriseras regionen av fint jordmaterial, med inslag av slutna akviferer. Sannolikhetsberäkningar med hjälp av ramverket för Monte Carlo-analys genomfördes för tre olika modeller för att beskriva inre erosion i skyddsvallarna till följd av ett 200-årsflöde. De tre olika numeriska modellerna kännetecknades av olika grad av komplexitet. Den enklaste modellen baserades på en metod av Mazzoleni et al. (2015) och tog endast hänsyn till skyddsvallens porositet. Den mellankomplexa modellen var baserad på metoden ifrån Khilar et al. (1985). Den mest komplexa modellen var tidsberoende och baserades på metoderna från Sellmeijer et al. (2011) och Scheuermann (2005), för att ta hänsyn till de två ömsesidigt beroende fenomenen bakåterosion, så kallad ”piping” och läckage, så kallat ”seepage”, vilka tillsammans ger upphov till inre erosion. Resultaten visar att graden av komplexitet i den numeriska modellen spelar en viktig roll när det gäller brottsannolikheten för skyddsvallars grundläggning. Den enklaste modellen beräknade en lägre brottsannolikhet än de andra två modellerna, och den mest komplexa modellen beräknade högst brottsannolikhet av de tre modellerna. Vidare visar resultaten på att några parametrar har en stor inverkan på brottsannolikheten. Dessa är bland annat partikeldiametern som påverkar skjuvhållfastheten i materialet, permeabiliteten, jordlagrets tjocklek under skyddsvallen samt strömningsvaraktigheten. Parametern strömningsvaraktighet kan endast beaktas i tidsberoende modeller, vilket är en av fördelarna med den mest komplexa modellen i denna studie. Förutom de numeriska brottsannolikhetsmodellerna byggdes en tvådimensionell hydraulisk modell upp för att kartlägga de resulterande översvämningsriskerna. Tre olika haveriscenarier studerades för att representera de tre brottsannolikhetsmodellerna. Dock visade det sig att den enklaste av de tre modellerna beräknade så låg brottsannolikhet att det inte var meningsfullt att studera de resulterande översvämningsriskerna enligt den enklaste brottsannolikhetsmodellen i den hydrauliska modellen. Av de två mer komplexa brottsannolikhetsmodellerna visade det sig att den mest komplexa av de två gav mer omfattande haverier i skyddsvallarna och dessutom haverier i flera av skyddsvallarna. Vidare gav den mest komplexa modellen upphov till högst vattennivåer bakom de havererade skyddsvallarna. Slutligen kan det nämnas att staden Scalo Orvieto är utsatt för en högre översvämningsrisk än staden Ciconia enligt resultaten i denna studie.