Floods are the most common natural disaster in the U.S. as reported by the Federal Emergency Management Administration (FEMA), and there is a need to provide advance warning to vulnerable communities on the potential risks of flooding after intense storms. The key drivers of urban hydrological research include climate change impacts and adaption, city resilience to hydrological extremes, and integration with emergency management and city planning disciplines. Significant advances in modeling techniques and computational resources have made real-time flood forecasting tools in urban and rural areas an achievable goal, but there is no universal method for flood modeling. Urban landscapes pose a challenge because of fine-scale features and heterogeneities in the landscape including streets, buildings, pipes, and impervious land cover. A nested regional-local modeling approach was used to evaluate its capabilities to provide useful and accurate flood related information to a small community in Iowa. The advantage of a nested approach is the ability to harness the computational efficiency of the regional model while providing reasonably accurate streamflow boundary conditions to the local model. The nested model incorporates the tools and products maintained at the Iowa Flood Center (IFC) including the streamflow bridge sensors, rain gauges, radar rainfall product, and statewide model. A one-way connection was made between the regional model of the upper Maquoketa Watershed (275 mi2) and the local model of the City of Manchester (5 mi2). The uncalibrated, nested model was validated using photos and streamflow records for flood events that occurred in July 2010 and September 2016. Multiple radar rainfall estimates were used as input to the model to better understand the impacts of the spatial and temporal resolution and variations of rainfall on streamflow predictions. A local storm event analysis was completed to determine the vulnerable areas of the stormwater network in eastern Manchester. The two main sources of flooding in Manchester are from the river and from local runoff. During extreme flood events caused by the river, the hydrologic impacts of the urban catchment are masked and the stormwater network system is overwhelmed. The coarse, regional model is limited in producing streamflow results for the small tributaries draining the eastern areas of Manchester. In the case of localized rainfall, a fine resolution model that takes into account the stormwater network and rainfall-runoff dynamics are crucial to capturing the hydrologic response of the urban area. Overall, the nested model showed skill in reproducing the hydrographs and the flood extents. Using an ensemble of rainfall input, the multiple model realizations envelope the observed streamflow indicating that the uncertainty of the rainfall is implicitly captured in the model results. The simulated streamflow at the outlet varies significantly depending on the spatial resolution of the rainfall but shows small sensitivity to the temporal resolution of the rainfall input. However, the local rainfall-runoff volumes vary significantly depending on the spatial and temporal resolution of the rainfall input. Recommendations are given to Manchester to highlight areas at risk to flooding. Recommendations are given to the IFC on the capabilities of the nested regional-local modeling approach along with suggestions for future work to incorporate urban areas into the statewide flood forecasting system.

På grund av osäkerheter i indata, parametrar och modellstruktur kan det finnas stora osäkerheter i översvämningskarteringar. Trots detta sker oftast ingen osäkerhetsanalys vid översvämningskarteringar i praktiken vilket gör att beslutsfattare och andra användare kan uppfatta resultaten som mer korrekta än vad de egentligen är. En orsak till att osäkerhetsanalys ännu inte blivit en vedertagen del i översvämningskarteringar kan vara att modellerare på konsultbyråer och myndigheter inte har tillräcklig kunskap om ämnet. Att tillgången på data kan vara begränsad underlättar inte heller vid osäkerhetsanalyser. Dessutom saknas exempel på hur osäkerheter kan analyseras i MIKE 11, vilket är en av de vanligaste modellerna som används vid översvämningskarteringar på konsultbyråer. Syftet med examensarbetet var tvåfaldigt. Det första var att ge en generell kunskapsöverblick över aktuell forskning om osäkerheter och osäkerhetsanalys vid översvämningskarteringar för att öka kunskapen hos konsulter och beslutsfattare. Det andra syftet var att med ett exempel visa hur osäkerheter kan uppskattas i en översvämningskartering skapad i MIKE 11 då det finns begränsad tillgång på data. En litteraturstudie visade att det ofta finns stora osäkerheter i flödesberäkningar och den geometriska beskrivningen och att det finns väldigt många sätt att analysera dessa på. Några av metoderna som används är Monte Carlo simuleringar, Oskarpa mängder, Scenarioanalys, Bayesiansk kalibrering och Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, GLUE. En fallstudie gjordes där en hydraulisk modell av Kungsbackaån skapades med MIKE 11. Den metod som var praktiskt genomförbar att använda för att uppskatta osäkerheterna i detta arbete var scenarioanalys. Totalt utfördes 36 olika modellsimuleringar där kalibreringsflöde, Mannings tal och scenarioflöde varierades. Scenarioanalys ger inte någon exakt beräkning av osäkerheterna utan endast en subjektiv uppskattning. Resultatet av scenarioanalysen visade att då havsnivån i Kungsbackafjorden var 0,92 m skiljde de simulerada vattennivåerna som mest med 1,3 m för 100-årsflödet och med 0,41 m för beräknat högsta flöde, BHF. Även osäkerheterna i utbredningen för de två flödena undersöktes och visade sig vara som störst i flacka områden trots att osäkerheten i vattennivåerna var mindre där. / Due to uncertainty in data, parameters and model structure, there may be large uncertainties in flood inundation models. Despite of this, uncertainty analysis is still rarely used by practitioners when creating flood maps. A reason why uncertainty analysis has not yet become customary in flood inundation modeling may be due to a lack of knowledge. Low availability of data can sometimes also make it more difficult to do an uncertainty analysis. Moreover, no examples exist of how uncertainties can be analyzed in MIKE 11, which is one of the most common models used in flood mapping at consultant agencies. The aim of this study was twofold. Firstly, to provide a general overview of current research on uncertainty and uncertainty analysis for flood inundation modeling. This in order to increase knowledge among consultants and decision makers. Secondly, to give an example of how uncertainties can be estimated in a flood inundation model created in MIKE 11 when there is limited access to data. The research overview showed that there is often considerable uncertainty in the discharge calculations and geometrical description in hydraulic models, and that there are many different ways to analyze the uncertainties. Some methods that are often used are Monte Carlo simulations, fuzzy sets, scenario analysis, Bayesian calibration and Generalized Likelihood Uncertainty Estimation, GLUE. A case study was performed in which a hydraulic model was built for the River Kungsbackaån in MIKE 11. A scenario analysis was carried out to show the uncertainties in the hydraulic model. Overall, 36 different model runs were made in which the calibration discharge, Manning's number and design flow were varied. Scenario analysis cannot provide a precise estimate of the uncertainty, it can only give a subjective estimate. The results of the scenario analysis showed that when the sea level in Kungsbackafjorden was 0,92 m the simulated water levels differed at most by 1,3 m for the 100-year discharge and by 0,41 m for the calculated maximum flow. Also, the flood extent of the two discharges were investigated. The greatest uncertainty in the extent was found in the flat areas even though the uncertainty in water levels was smaller there.

Expansion of cities and major infrastructure projects lead to changes in land use and river flows. The probability of flooding is expected to increase in the future as a result of these changes in combination with climate change. Hydraulic models can be used to obtain simulated water levels to investigate the risk of flooding and identify areas that might potentially be flooded due to climate change. Since a model is a simplification of the reality it is important to be aware of a model’s uncertainties. A part of this study is therefore aimed to perform a sensitivity analysis to determine which parameter has the largest impact on the model result and has to be treated more careful and accurately. In this study the 1-dimensional flow model Hydrologic Engineering Center-River Analysis System (HEC-RAS) were assed to simulate predicted water levels within the studied river. Topographic data was used to draw cross sections in Geographic Information Systems (GIS) with additional tools of HEC-GeoRAS, in order to get information about the streams geometry. The purpose of doing a sensitivity analysis was attained by investigating changes of the model results when changing different input parameters. This work is based on a reach along Mora river, in Södertälje, Sweden, as a case study. The sensitivity analysis indicate that the number of cross sections has a significant effect when simulating water levels of low flows and that the absolute error of simulated water levels increases as the average spacing between cross sections increases. The second part of the study aims to examine the effects of climate change and how it will affect water levels for the studied river. The results of the study showed that simulated water levels with flows of 100, 200 and 500 years return periods stay within the river channel and do not indicate flooded areas. The results also showed that a backwater effect due to sea level rise would affect the water levels in the stream up to a specific critical point along the studied reach. The lower reach indicated results to contain more uncertain region, where floodplain delineation changed easily as the number of cross section was changed. It is therefore important to identify the areas where uncertainties can be more critical for the results. Because of the uncertainties associated to the model used, it is important to notice that the results of this work correspond particularly to the case study in Mora River. / Studien genomförs inom Ostlänken, som är den första delsträckan av en ny höghastighetsjärnväg mellan Järna och Linköping. Bebyggelse och stora infrastrukturprojekt kommer förändra markanvändning och flöden i vattendrag. I följd av dessa förändringar, tillsammans med framtidens förändrade klimat, kommer risken för översvämningar kunna öka. För att undersöka riskerna för översvämningar och kartlägga områden som riskerar att översvämmas är en hydraulisk modell ett verktyg som kan användas. Då en modell endast är en förenkling av verkligheten och påverkas av flera olika parametrar är det viktigt att vara medveten om modellers osäkerheter. För att få modellen att efterlikna verkligheten så bra som möjligt kan det vara bra att veta vilka parametrar som har störst inverkan på modellens resultat och som bör bearbetas mer noggrant. Därmed är en del av studiens syfte att göra en känslighetsanalys för att utreda vilka modellparametrar och indata som påverkar modellresultaten, med fokus på att analysera simulerade vattennivåer. Känslighetsanalysen utförs genom en fallstudie över Moraån, där den endimensionella flödesmodellen HEC-RAS används för att beräkna vattendragets vattennivåer. Den andra delen av studiens syfte är att undersöka om hur framtidens klimatförändringar kommer kunna påverka det studerade området. En effekt av framtidens förändrade klimat är stigande havsnivåer som leder till ökad risk för översvämning vid kustnära områden. Till följd av dämningseffekter kommer de stigande havsnivåerna även ge ökade vattennivåer uppströms vattendragen, och beroende på vattendragens egenskaper och geometri kommer vattendrag längs med kusten att påverkas på olika sätt. För att undersöka riskerna för översvämningar i ett framtida klimat har modeller med olika klimatscenarios byggts upp där stigande havsnivåer kombinerats med flöden av varierande återkomsttider.

A tsunami generated by the C.E. 1707 Hōei earthquake is largely thought to be the flood event of record for southwestern Japan, yet historical documentation of the event is scarce. This is particularly true in northwestern Shikoku within the Bungo Channel, where significant inconsistencies exist between historical records and model-derived tsunami heights. To independently assess flooding from the C.E. 1707 Hōei tsunami in the context of the region’s long-term flooding history, we present complementary reconstructions of extreme coastal inundation from three back-barrier lakes in the northern Bungo Channel: Lake Ryuuoo, Lake Amida, and Lake Kamega. At all sites, the most prominent marine overwash deposit of the past ~1,000 years, as defined by grain size, density, and geochemical indicators, is consistent with the timing of the 1707 tsunami, providing strong evidence that the event caused the most significant flooding of the last millennium in this region. At Lake Ryuuoo, modern barrier beach elevations and grain sizes in the tsunami’s resultant deposit provide ~4 m as the first physically based height constraint for the 1707 tsunami in the northern Bungo Channel. Around 1,000 years ago, a concurrent and abrupt transition in lithology observed at all three sites is also consistent with rapid, regional geomorphic change. At Lake Ryuuoo, a marine overwash deposit comparable to the 1707 deposit directly overlies this transition. A 1,000-year-old lithological transition or deposit has not been observed at sites closer to the mouth of the Bungo Channel, suggesting that the deposit in Lake Ryuuoo is more consistent with a tsunami generated by local seismicity along the Japan Median Tectonic Line than with a Nankai Trough-derived tsunami. Our findings are significant in that they provide three new millennial-scale tsunami inundation reconstructions for a relatively understudied region of Japan, along with the first physically based height constraint for the Hōei tsunami in the northern Bungo Channel.

京都大学 / 新制・課程博士 / 博士(工学) / 甲第25249号 / 工博第5208号 / 京都大学大学院工学研究科社会基盤工学専攻 / (主査)教授 立川 康人, 教授 田中 賢治, 教授 佐山 敬洋 / 学位規則第4条第1項該当 / Doctor of Philosophy (Engineering) / Kyoto University / DFAM

Sveriges markanvändning ser idag annorlunda ut än för 100 år sedan. Det senaste århundradet har våtmarker dikats för att öka mängden odlingsbar areal. I och med utdikning av våtmarker förändrades den kustnära miljön, där många fiskarter har sina lekområden.När en minskning av predatorfisk observerades i Östersjöns kustnära områden i slutet av 1900-talet ansågs att exploatering av fiskens lekområden kunde vara en möjlig orsak för minskningen. För att återskapa naturliga lek- och uppväxtområden diskuteras nu en implementering av naturliga trösklar i diken som avvattnar kustnära våtmarker. I samband med dessa restaureringsarbeten utfärdar man beslutsprocesser tillsammans med bland annat markägare. För att kunna uppskatta och kvantifiera hur närområdet påverkas av en naturlig tröskel behöver effekten av den tilltänkta tröskeln på vattenflöden modelleras.I denna studie har därför en hydraulisk modell utvecklats för att kunna simulera vattenflöden i tre våtmarker som ligger på Öland där implementeringen av naturliga trösklar är tilltänkt: Maren, Hyllekärr och Brokhål. Modellen användes framförallt för att kunna uppskatta hur våtmarkerna översvämmas vid olika vattenföring. Genom ett observerat starkt samband mellan avrinningsområdets yta och vattenföring kunde extrema flödesscenarion simuleras. En metod för att beskriva naturliga trösklars påverkan på uppströms flödesregimer har utvecklats med hydraulisk modellering i HEC-RAS. För att validera modellresultaten uppmättes vattenflöde under vårflod 2017.Modellsimuleringen visade att endast Brokhål visade förväntade resultat, Maren visade förväntade resultat vid högre flöden och Hyllekärr visade orimliga översvämningar. Validering av resultaten visade att höjdmodellen som använts har visat felaktig topografisk information för alla tre våtmarkerna. Avvikelser och felaktigheter i topografi och batymetri har pekats ut som den största bakomliggande felkällan till modellen.Studien visade att naturliga trösklar har ingen, eller extremt liten påverkan på uppströms flödesregimer. Det bör dock poängteras att modellen har kraftiga begränsningar, särskilt höjdmodellens upplösning. Fler försök med modellen samt utveckling av höjdmodellen rekommenderas och resultaten från denna studie bör endast ses som vägledande. / In the late 20th century a decrease in coastal predatory fish in the Baltic Sea has been observed. It has been suggested that exploitation of the fish’s spawning habitats, mainly through draining of coastal wetlands, was one reason for the fish decline. To recreate spawn and growth areas, natural thresholds can be installed in trenches draining coastal wetlands. To quantify the effects of a natural threshold on water discharge in the drainage area under various water flow regimes modeling is needed.In this study, a hydraulic model was developed to estimate the effect of changing water discharges of three wetlands when natural thresholds are implemented, i.e. Maren, Hyllekärr and Brokhål, located on northern Öland. The model was run under different water flow regimes. Through an observed strong relation between catchment area and discharge, extreme discharge situations could be simulated. A method for investigating the effects of natural thresholds on upstream flow regimes has been developed with hydraulic modeling in HEC-RAS. To validate the model results, a comparison with empirical data during the spring flood 2017 was made.Model simulations showed that only water discharges in Brokhål behaved as expected, Maren behaved as expected for large flows and results for Hyllekärr were considered not being reliable. Validation showed that the elevation model for topography and bathymetry deviated from reality in all three wetlands. The elevation model has been identified as the single largest source of error in the water discharge model.From the model results, it is concluded that natural thresholds have none, or very minor effects on the upstream water flow regimes. It should however be emphasized that the model has major limitations, in particular the elevation model’s resolution. It is highly recommended to further develop the elevation model before further simulations on water discharges are made. The results from this study should only be considered as a first approximation where more detailed studies are needed to confirm that natural thresholds won’t result in major changes in upstream water flows.