Integrated modelling of riverine levee breaches and subsequent inundation of protected areas
Creators: name: Birhanu Tadesse, Yohannis
Publisher: name: TUHH Universitätsbibliothek
Year: 2025
Subjects: subject: Riverine levee breaches | Levee breach models | Flood inundation modelling | Parametric levee breach model | Levee breach parameters | uncertainties in modelling flood inundation
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::551: Geology, Hydrology Meteorology
classificationCode: 6
subject: Technology::627: Hydraulic Engineering
classificationCode: 5
subject: Natural Sciences and Mathematics::519: Applied Mathematics, Probabilities
classificationCode: 6
subject: Technology::623: Military Engineering and Marine Engineering
classificationCode: 0
subject: Computer Science, Information and General Works::004: Computer Sciences

description: Levees are earthen embankments, often constructed from locally available soil material, used to contain floodwaters in rivers. Levee design standards have improved over time, contributing to their reliability in providing flood protection. However, levees never provide absolute flood protection. The preparation of flood hazard maps for areas behind levees is therefore indispensable. Flood hazard maps can be produced using hydrodynamic numerical models that simulate flood inundation. The modelling of flood inundation due to levee breaching involves the modelling of two processes: i) the breaching of the levee and ii) the propagation of the flood through the resulting opening into the hinterland. This thesis proposes the modelling of flood inundation due to levee breach with a 2D hydrodynamic numerical model with an integrated parametric levee breach model. To model levee breaching, a parametric levee breach model is developed, which is based on analyses of physical levee breaching experiments and of real levee breaches. The breach model is then integrated into the hydrodynamic numerical model Telemac-2D, a publicly available code for modelling flood propagation. The thesis also developed methods for estimating the parameters of the parametric breach model based on historical (available) levee breach data. Regression fitting for the final breach width is performed using multiple linear regression, multiple non-linear regression and artificial neural networks. In addition, an approach is developed to estimate a possible breach location based on flood characteristics (water level and flood duration), geometric and geological characteristics of the levee in question and its foundation, the cause of the breach, and information from historical levee breaches on their breach location. By re-modelling physical laboratory tests simulating levee breaching, this work has demonstrated that the hydrodynamic numerical model, Telemac-2D, is a suitable tool for modelling flood inundation due to levee breaching. The flood inundation caused by the levee breach on the Awash River at Wonji, Ethiopia in August 1996 could be reproduced using the proposed integrated approach. Furthermore, the determination of the breach location for this levee breach case using the approach proposed in this thesis resulted in the same location as the actual breach location, demonstrating the general applicability of the approach. The uncertainties associated with the models used are also discussed. To demonstrate the uncertainty associated with the breach model, the sensitivity of flood inundation depth and breach discharge to variation of the levee breach parameters is systematically analysed using the August 1996 Awash River levee breach flood event at Wonji, Ethiopia.
description: Deiche sind Erddämme, die häufig aus lokal verfügbarem Bodenmaterial errichtet werden und dazu dienen, Hochwasser von Flüssen zurückzuhalten. Die Baunormen für Deiche haben sich im Laufe der Zeit verbessert, was zu ihrer Zuverlässigkeit beim Hochwasserschutz beigetragen hat. Deiche bieten jedoch keinen absoluten Hochwasserschutz. Die Erstellung von Hochwassergefahrenkarten für Gebiete hinter Deichen ist daher unerlässlich. Hochwassergefahrenkarten können mit Hilfe von hydrodynamischen numerischen Modellen erstellt werden, die die Überflutung simulieren. Bei der Modellierung von Überflutungen infolge eines Deichbruchs werden zwei Prozesse modelliert: (i) der Deichbruch und (ii) die Ausbreitung des Hochwassers durch die entstandene Öffnung ins Hinterland. In dieser Arbeit wird die Modellierung von Überflutungen infolge von Deichbrüchen mit einem 2D-hydrodynamischen numerischen Modell mit einem integrierten parametrischen Deichbruchmodell vorgeschlagen. Für die Modellierung von Deichbrüchen wird ein parametrisches Deichbruchmodell entwickelt, das auf der Analyse von physikalischen Deichbruchexperimenten und realen Deichbrüchen basiert. Das Bruchmodell wird dann in das hydrodynamische numerische Modell Telemac-2D integriert. Telemac-2D ist ein frei verfügbarer Code zur Modellierung der Hochwasserausbreitung. Im Rahmen dieser Arbeit wurden auch Methoden zur Schätzung der Parameter des parametrischen Bruchmodells auf der Grundlage historischer (verfügbarer) Deichbruchdaten entwickelt. Insbesondere wurde eine Regressionsanpassung für die finale Durchbruchsbreite mittels multipler linearer Regression, multipler nichtlinearer Regression und künstlicher neuronaler Netze durchgeführt. Darüber hinaus wird ein Ansatz entwickelt, um eine mögliche Bruchstelle auf der Grundlage von Hochwassereigenschaften (Wasserstand und Hochwasserdauer), geometrischen und geologischen Eigenschaften des betroffenen Deichs und seines Fundaments, der Ursache des Bruchs und Informationen aus historischen Deichbrüchen über deren Bruchstelle zu schätzen. Durch die Nachbildung physikalischer Laborexperimente, in denen ein Deichbruch simuliert wurde, konnte in dieser Arbeit gezeigt werden, dass das hydrodynamische numerische Modell Telemac-2D ein geeignetes Modell für die Modellierung von Überflutungen infolge von Deichbrüchen ist. Die durch den Deichbruch am Awash River in Wonji, Äthiopien, im August 1996 verursachte Überschwemmung konnte mit dem vorgeschlagenen integrierten Ansatz reproduziert werden. Darüber hinaus wurde mit dem in dieser Arbeit vorgeschlagenen Ansatz zur Bestimmung der Bruchstelle die tatsächliche Bruchstelle am Awash River bestimmt, was die allgemeine Anwendbarkeit des Ansatzes untermauert. Die mit den verwendeten Modellen verbundenen Unsicherheiten werden ebenfalls diskutiert. Um die Unsicherheiten des Durchbruchmodells zu demonstrieren, wird die Sensitivität der Deichdurchbruchparameter auf die Berechnung der Überflutungstiefe und des Durchbruchabflusses anhand des Hochwasserereignisses vom August 1996 am Awash River in Wonji, Äthiopien, systematisch analysiert.