Εκτίμηση άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον

Abstract

Στην παρούσα διατριβή διερευνήθηκε διεξοδικά η επίδραση επιλεγμένων πλημμυρικών μεγεθών στην εκτίμηση της άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον λαμβάνοντας υπόψη δύο κατηγορίες πλημμύρας: την πλημμύρα με κατάκλυση και την πλημμύρα με υψηλή ταχύτητα ροής. Για τον σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν ιστορικά δεδομένα καταγραφής πλημμύρας και άμεσης ζημιάς από τον ελληνικό και διεθνή χώρο για αστικές και περιαστικές δομημένες περιοχές. Ακόμη, διερευνήθηκαν θέματα σχετικά με την χωρική κλίμακα ανάλυσης των δεδομένων και με τη διαδικασία υπολογισμού του μεγέθους «ποσοστό ζημιάς». Οι διαπιστώσεις που έγιναν με βάση τα ιστορικά δεδομένα, αξιολογήθηκαν και ποσοτικοποιήθηκαν με την εφαρμογή στατιστικών μεθόδων έτσι ώστε να μπορούν να αξιοποιηθούν στη στατιστική πρόγνωση της άμεσης ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον. Δεδομένου του μικρού αριθμού ανάλογων εργασιών στη διεθνή βιβλιογραφία, πολλές από τις αναλύσεις που πραγματοποιήθηκαν παρουσιάζουν ιδιαίτερο ενδιαφέρον λόγω της πρωτοτυπίας τους. Θεωρητικό μέρος της διατριβής Η πληρέστερη προσέγγιση του θέματος επέβαλε αρχικά, στο θεωρητικό μέρος της διατριβής, να αποσαφηνιστούν βασικές εισαγωγικές έννοιες της ζημιάς και να προσδιοριστεί με σαφήνεια το περιεχόμενο της άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον που αποτελεί το αντικείμενο έρευνας στην παρούσα διατριβή. Επίσης, διακρίθηκαν τρεις κατηγορίες πλημμύρας ανάλογα με τον τύπο πλημμύρας και το πλημμυρικό μέγεθος υπό εξέταση, οι οποίες είναι σε συνάφεια με την πλημμυρική ζημιά. Ακόμη, αποσαφηνίστηκε η σχέση της πλημμυρικής ζημιάς με την πλημμυρική διακινδύνευση και την πλημμυρική τρωτότητα, και επισημάνθηκαν τα αδύναμα σημεία στην εφαρμογή της ανάλυσης της πλημμυρικής διακινδύνευσης, τα οποία σχετίζονται με την πλημμυρική ζημιά. Τέλος, αναδείχθηκαν κρίσιμα τεχνικά ζητήματα που σχετίζονται με την πλημμυρική ζημιά και θεωρείται ότι θα προκύψουν κατά την εφαρμογή της νέας κοινοτικής Οδηγίας για τις πλημμύρες τόσο από τα κράτη μέλη όσο και από την Ελλάδα. Στη συνέχεια, η βιβλιογραφική επισκόπηση των διαφόρων προσεγγίσεων που έχουν χρησιμοποιηθεί στη διεθνή βιβλιογραφία για τη μελέτη, μοντελοποίηση και πρόγνωση της άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον, έδειξε ότι κυριαρχεί η αποσπασματική εφαρμογή μεθόδων εκτίμησης ζημιάς με πιο διαδεδομένη τη μέθοδο καμπύλης βάθους νερού – ζημιάς. Επίσης, διαπιστώθηκε ότι η κατανόηση των μηχανισμών πρόκλησης άμεσης ζημιάς σε στοιχεία κτηρίου λόγω πλημμύρας δεν συνδέεται με την εκτίμηση ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον. Η διατριβή παρουσίασε το θεωρητικό υπόβαθρο των κυριότερων μηχανισμών αστοχίας που έχουν παρατηρηθεί σε στοιχεία κτηρίου λόγω πλημμυρικής δράσης. Επίσης, η διατριβή αναφέρθηκε συνοπτικά στα βασικά σημεία ανάπτυξης ενός πλημμυρικού μοντέλου, το οποίο είναι αναγκαίο για την ανάλυση ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον. Η προτεινόμενη μεθοδολογία εκτίμησης της άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον λαμβάνει υπόψη τις κατηγορίες πλημμύρας και εστιάζει στην χωρική κλίμακα ανάλυσης. Στο πλαίσιο της μεθοδολογίας, διακρίθηκαν μοντέλα ζημιάς μικροκλίμακας, μεσοκλίμακας και μακροκλίμακας, στα οποία ηαξιοπιστία των αποτελεσμάτων τους εξαρτάται από το βαθμό πολυπλοκότητας του πλημμυρικού μοντέλου και από την επιλογή της κατάλληλης μεθόδου εκτίμησης. Επίσης, διερευνήθηκαν θεωρητικά δύο μέθοδοι εκτίμησης ζημιάς, η μέθοδος της σχετικής καμπύλης βάθους νερού – ζημιάς και η μέθοδος κριτηρίου ζημιάς, ανάλογα με τα διαθέσιμα δεδομένα στις περιπτώσεις μελέτης της διατριβής. Για το σκοπό αυτό χρησιμοποιήθηκαν ιστορικά δεδομένα καταγραφής πλημμυρών και άμεσων ζημιών από τον ελληνικό και διεθνή χώρο για αστικές και περιαστικές δομημένες περιοχές. Ακόμη, εξετάστηκαν δύο τρόποι υπολογισμού του ποσοστού ζημιάς, (α) με βάση την αντικειμενική αξία ακινήτου που καταλήγει σε αποτίμηση της ζημιάς ως το κόστος των εργασιών επισκευής, και (β) με βάση την εμπορική αξία που καταλήγει σε αποτίμηση της ζημιάς ως το ποσοστό απώλειας της αρχικής αξίας της πληγείσας ιδιοκτησίας, λαμβάνοντας υπόψη την χωρική κλίμακα ανάλυσης ζημιάς. Τέλος, στη διατριβή παρουσιάστηκε η ανάπτυξη ενός υποστηρικτικού εργαλείου εκτίμησης ζημιάς σε περιβάλλον ΓΣΠ για την εκτίμηση ζημιάς σε χωρικό επίπεδο μεσοκλίμακας με τη μέθοδο καμπύλης βάθους νερού – ζημιάς. Περιπτώσεις μελέτης της διατριβής Στην περίπτωση μελέτης στην Αττική, η στατιστική ανάλυση της σχέσης βάθους νερού και ποσοστού ζημιάς οδήγησε στην εμπειρική ανάπτυξη σχετικών καμπυλών βάθους νερού – ζημιάς για επιλεγμένες χρήσεις δομημένης περιοχής, η οποία είναι η πρώτη που υλοποιήθηκε σε ελληνικό χώρο. Εξετάστηκε η κατηγορία πλημμύρας με κατάκλυση. Τα οικονομικά δεδομένα άμεσης καταγεγραμμένης ζημιάς μετατράπηκαν σε δεδομένα ποσοστού ζημιάς, με βάση την εκτιμώμενη μέση αντικειμενική αξία ακινήτου για κάθε χαρακτηριστικό τύπο κτηρίου ανά χρήση κτηρίου. Η στατιστική ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε χωρικό επίπεδο μεσοκλίμακας με στοιχεία μικροκλίμακας και μακροκλίμακας και οδήγησε σε προσαρμογή θεωρητικών συναρτήσεων τύπου δυναμοσυνάρτησης στα δεδομένα, οι οποίες τελικά αντικαταστάθηκαν από κλιμακωτές συναρτήσεις βάθους νερού – ποσοστού ζημιάς. Η σύγκριση της κλιμακωτής συνάρτησης βάθους νερού – ποσοστού ζημιάς για χρήση κατοικίας στην Αττική με αντίστοιχες σχετικές καμπύλες από τη διεθνή βιβλιογραφία επιβεβαίωσε τα αποτελέσματα της ανάλυσης και ανέδειξε τη σημασία ανάπτυξης τοπικών καμπυλών βάθους νερού – ζημιάς στην αξιοπιστία των αποτελεσμάτων εκτίμησης της αναμενόμενης ετήσιας ζημιάς. Τέλος, η εισαγωγή των παραπάνω εμπειρικών καμπυλών στο υποστηρικτικό εργαλείο εκτίμησης ζημιάς σε περιβάλλον ΓΣΠ είχε ως αποτέλεσμα την εκτίμηση της αναμενόμενης ετήσιας πλημμυρικής ζημιάς υπό σενάρια πλημμύρας για περιοχή μελέτης στην Ανατολική Αττική. Στην περίπτωση μελέτης στη Νέα Ορλεάνη εξετάστηκε η κατηγορία πλημμύρας με υψηλή ταχύτητα ροής και η ανάλυση πραγματοποιήθηκε σε χωρικό επίπεδο μεσοκλίμακας εστιάζοντας σε επιμέρους χωρικές μονάδες ανάλυσης (διαμέρισμα, ομάδα οικοδομικών τετραγώνων και οικοδομικό τετράγωνο). Τα δεδομένα ποσοστού ζημιάς υπολογίστηκαν ως ποσοστό απώλειας της αρχικής εμπορικής αξίας ακινήτου. Από την ανάλυση στο πιο λεπτομερές χωρικό επίπεδο του οικοδομικού τετραγώνου διαπιστώθηκε η αποδυνάμωση του βαθμού συσχέτισης μεταξύ των πλημμυρικών μεγεθών και του ποσοστού ζημιάς. Γενικά, η στατιστική ανάλυση δεν είχε αποτέλεσμα μια μονοσήμαντη σχέση μεταξύ των επιλεγμένων μεγεθών πλημμύρας (βάθος νερού, γινόμενο βάθους νερού και ταχύτητας ροής, ρυθμός ανύψωσης στάθμης) και του ποσοστού ζημιάς. Έτσι, η ανάλυση προχώρησε στην εναλλακτική προσέγγιση ανάπτυξης ενός κριτηρίου ζημιάς με βάση πλημμυρικά μεγέθη, η οποία οδηγεί σε διάκριση ζωνών ζημιάς. Το προτεινόμενο εναλλακτικό κριτήριο ζημιάς σε σχέση με τη μέθοδο κατά Clausen διακρίνει τρεις χωρικές ζώνες ζημιάς με βάση το μέγεθος του γινομένου του βάθους νερού και της ταχύτητας ροής. Αυτό το κριτήριο μπορεί να εφαρμοστεί σε περιοχές κατοικίας που έχουν πληγεί από πλημμύρα λόγω αστοχίας αναχώματος, ενώ η εφαρμογή του θα πρέπει να αντιμετωπίζεται με επιφυλακτικότητα σε περιπτώσεις ανάλυση ζημιάς σε χωρικό επίπεδο μικροκλίμακας (π.χ. σε μεμονωμένα κτήρια). Ασφαλώς, τα αποτελέσματα της ανάλυσης δεν οδήγησαν σε στατιστική πρόγνωση άμεσης πλημμυρικής ζημιάς αλλά θεωρούνται κρίσιμα για την ανάπτυξη ολοκληρωμένωνμοντέλων πλημμυρικής ζημιάς που καλύπτουν περιοχές μεγάλης γεωγραφικής έκτασης. Τέλος, στην περίπτωση μελέτης στη νήσο Ίο, τα αποτελέσματα της ανάλυσης της σχέσης δεδομένων πλημμύρας και ζημιάς για την πρόγνωση της άμεσης πλημμυρικής ζημιάς σε δομημένο περιβάλλον είναι ισχνά λόγω έλλειψης απαιτούμενων δεδομένων. Ωστόσο, η περίπτωση αυτή μελέτης παρατίθεται στη διατριβή για να αναδείξει τη σημασία του ταιριάσματος του βαθμού πολυπλοκότητας ανάμεσα στο μοντέλο ζημιάς και στο μοντέλο πλημμύρας.

The thesis examines the relationship between flood characteristics and the estimation of direct flood damage in built environment considering two flood types: inundation and flood of high velocity. Historic flood and damage data derived from urban and suburban environment in Greece and abroad, are used for analysis purposes. Critical issues about the spatial scale of analysis and the basic principles for ‘damage percent’ calculation are investigated and discussed. Quantification and assessment of analysis results is based on well-known statistical methods and therefore the results can contribute to a statistical prediction of direct flood damage in built environment. In the first part of the thesis an improved methodological approach for direct flood damage estimation in built environment is proposed. The second part focuses on case studies that implement the approach taken. Theoretical part An integrated approach of the subject under study sets the definition of basic notions regarding damage in the very beginning of the thesis, so as the context of direct flood damage in built environment to be clarified as precisely as possible. Three flood categories that consider flood type and flood characteristic under study are discerned with respect to relative importance for flood damage assessment. Furthermore, the relationship of flood damage, vulnerability and risk perception is discussed and the weak points of risk analysis related with flood damage are pointed out. Finally, critical technical issues on the new EU Floods Directive are presented. The literature review for flood damage modeling concluded that a unified, standard approach for flood damage estimation in built environment is missing. It seems that the most widespread method for direct flood damage estimation is the method of depth-damage curve. Also, it is noted from international bibliography that in most cases the comprehension of physical mechanisms that cause direct flood damage at building elements, is ignored in a methodology followed for flood damage estimation. The thesis presents the theoretical background of failure mechanisms that have been observed repeatedly at elements of flood affected buildings. Also, the thesis summarises the basic rules of flood modeling which constitutes an essential part of flood damage analysis. The proposed methodology for flood damage estimation in built environment takes into account the aforementioned flood categories and focuses on the spatial scale of analysis. In this context, damage models of micro-scale, meso-scale and macro-scale level have been distinguished where the reliability of results depends on the precision of flood modeling and the choice of a damage estimation method. A theoretical investigation of two damage estimation methods takes place: the method of relative depthdamage curve and the method of damage criterion. The development of these methods is based on historic flood and damage data derived from urban and suburban environment in Greece and abroad. Furthermore, the variable ‘damage percent’ is calculated considering the spatial scale of analysis in two different ways, based on (a) property’s objective value that results in damage evaluation as a replacementvalue and (b) property’s market value that results in damage evaluation as a percentage loss of property’s initial market value. Finally, the thesis presents the development of a supporting tool for direct flood damage estimation within ArcGIS environment using the method of depth-damage curve. Case studies In the case study of Attica, a statistical analysis of the relationship between flood depth and damage percent results in the development of empirical relative depth-damage curves for selected uses of built areas, which constitutes the first one ever materialized in Greece. For analysis purposes, inundation events have been examined and observations of flood depth have been collected. Moreover, economic data has been converted to damage percent data based on average property’s objective value for every characteristic building type and for every use of selected built areas. The spatial scale of the statistical analysis is determined at a meso-scale level that combines, also, elements of micro-scale and macro-scale level. Although theoretical power functions result as best fits to data, step functions of flood depth and damage percent are finally adjusted to them. The comparison of the developed step functions for residential use in Attica area with respective ones derived from international case studies, verifies the analysis’ results. Finally, the developed empirical step functions are entered into the supporting GIS tool in order to demonstrate the estimation of expected annual flood damage under flood scenarios within a suburban study area, located in Eastern Attica Prefecture. In the case study of New Orleans, the thesis analyzes the direct damage to residential buildings caused by the flooding of New Orleans after hurricane Katrina in the year 2005. The relationship between the flood characteristics (flood depth, depth-velocity product and rise-rate) and economic damage to residential buildings has been investigated. A public dataset has been analyzed that contains information on the economic damage levels for approximately 95 000 residential buildings in the flooded area. Damage percent has been calculated as the percentage loss of a property’s initial market value. Also, results of hydrodynamic flood simulations have been used. In general, differences in the observed distributions of damage estimates are related to differences in flood conditions. The spatial scale of the statistical analysis is set at meso-scale level that comprises of three spatial units: tracts, blockgroups and blocks. Extensive statistical analysis indicated that there is not any strong one-to-one relationship between the damage percent and the flood depth or the depth–velocity product. This suggests that there is considerable uncertainty associated with depth-damage functions, especially when they are applied to individual structures or smaller clusters of buildings. Based on the data, a more general approach has been proposed that could be used to distinguish different damage zones based on flood depth and flow velocity for an area that is affected by flooding due to breaching of flood defenses. Finally, in the case study of Ios Island, failure mechanisms of hydrostatic flood actions at building elements are investigated. Flood simulation results (flood depth and flow velocity) have been derived from a 1-D hydrodynamic flood routing after an overtopping flood event of a dam upstream. Empirical damage data that have been collected immediately after the flood event are restricted only to damage observations and descriptions. Although the spatial scale of damage analysis is set at micro-scale level, the precision of flood modeling is considered not appropriate for such level of detail. Consequently, the case study demonstrates the significance of matching the level of detail between the flood model and the damage model.