Flood Risk Assessment and Multi-Objective Management for Urban Drainage Systems in a Changing Climate

다국어 초록 (Multilingual Abstract)

Addressing urban flood hazards is of great importance from humanitarian, economic, environmental and resilience perspectives. Urban flooding poses a serious threat to human life and safety and causes enormous economic losses. These flood disasters are influenced by climate variability on the hydrological cycle. Imbalances in regional atmospheric circulation cause extreme weather, especially in Korea, where tropical cyclones increase the risk of urban flooding. Mitigating the risk of urban flooding requires a multifaceted approach that includes urban planning and different strategies. Urban flood hazards can be alleviated by structural methods such as the installation and expansion of flood control facilities and non-structural methods such as the development of optimal operation rules for flood forecasting and warning systems or urban drainage systems (UDSs). This dissertation consisted of comprehensive detailed studies encompassing structural and non-structural measures. The study (1) predicted extreme rainfall induced by typhoons using statistical methods, and proposed two new indices to evaluate the similarity between two tropical-cyclone (TC) tracks and compare its effectiveness to previously proposed methods. The method proposed here was tested with a dataset and demonstrated to make up for the shortcomings of previous methods. The study (2) forecasted the flooding time for early warning using the integrated approach of a physically-based model and a data-driven model, the prediction results achieved high accuracy with a correlation coefficient of >0.9 and a Nash-Sutcliffe efficiency of >0.8. The study (3) developed an intelligent optimization operation planning method for UDSs, show that the multi-objective intelligent scheduling model can effectively devise operation strategies for pumping stations and weirs in the study area, thereby optimizing their use for urban drainage. The study (4) developed a hybrid strategy process combining traditional flood control measures and GI technology to strengthen the flood mitigation strategy through optimal structural measures in urban areas. The effectiveness of this hybrid strategy was assessed through comparisons with a basic scenario and multiple GI technology scenarios. These findings can offer valuable insights for designing strategies to enhance urban flood resilience in the face of a changing climate.

국문 초록 (Abstract)

도시 홍수는 인간의 생명, 안전, 경제적 안정성에 심각한 위협을 가하므로 인도주의적, 경제적, 환경적, 도시 회복력 관점에서 도시 홍수 위험을 해결하는 것은 매우 중요하다.
최근 전지구적 기후 변동성은 수문시스템에 영향을 미치며 기상이변 및 극한 수문 현상에 의한 홍수 위험을 증가시킨다. 특히 한국은 지역 대기 순환의 불균형에 따른 열대성 저기압 및 비정상적으로 변화하는 강우 패턴의 영향으로 도시 홍수 피해가 지속적으로 증가하고 있는 실정이다.
이처럼 증가하는 도시 홍수 위험 문제를 해결하기 위해서는 도시 계획 및 다양한 수방 전략을 포함한 다각적 접근이 필요하다. 도시 홍수 위험은 홍수 조절 인프라의 설치 및 확장과 같은 구조적 방법, 첨단 홍수 예·경보 시스템 및 도시 배수 시스템을 위한 최적화된 운영 프로토콜과 같은 비구조적 방법을 통해 완화될 수 있다.
이에 본 논문은 구조적 및 비구조적 조치를 포괄하는 범위에서 각 세부 연구목표에 초점을 둔 네 가지 연구로 구성되며, 상세한 내용은 각 장에서 다룬다. 먼저, 3장에서는 태풍 영향에 따른 극한 강우량을 예측하기 위해 통계적 방법을 활용하고, 새로운 지표를 소개하며, 열대성 저기압 경로 유사성 분석 방법을 제안한다. 제안된 방법에 따른 강우량 예측 정확도는 실제 관측 데이터 세트로 검증되었으며 기존 연구 방법의 단점을 보완하는 것으로 본 연구의 효용성을 입증하였다.
4장에서는 조기 경보를 위한 홍수 발생 시간을 정확하게 예측하기 위해 물리 기반 모델과 데이터 기반 모델을 결합한 통합적 접근법을 제안하였다. 제안된 방법을 통한 홍수 발생 시간 예측 정확도 검증 결과, 상관계수 0.9 이상, NSE 0.8 이상의 높은 정확도를 보이는 것으로 나타났다.
5장에서는 도시 배수 시스템의 지능형 최적화 운영 계획 방법을 개발하였으며, 연구 지역 내 펌프장 및 저류시설의 운영 전략을 효과적으로 계획할 수 있음을 보였다. 이를 통해 도시 배수 인프라 및 수공구조물의 최적화된 활용을 목표로 하고자 한다.
마지막으로, 6장에서는 도시 환경에서 최적의 구조적 홍수 완화 전략을 고안하기 위해 체계적인 도시 홍수위험도 평가 방법을 제시하고, 전통적인 홍수 저감 조치와 GI 기술을 결합한 하이브리드 전략을 제안하였다. 본 하이브리드 접근 방식의 효과 및 적용성은 미래 기후변화 시나리오 및 다양한 GI 기술 시나리오 적용을 통해 평가되었다.
본 학위 논문의 연구 결과는 기후 변화에 대응하여 도시 홍수 방어 및 회복력 향상을 위한 전략 설계에 활용되고 중요한 통찰을 제공할 수 있을 것으로 기대된다.

목차 (Table of Contents)

• CHAPTER I. GENERAL INTRODUCTION 1
• Problem Statement and Research Relevance 1
• Study Objectives 3
• Outline 3
• References 6
• CHAPTER II. STUDY AREAS AND DATA 8
• Study Areas 8
• Dorim River Basin 8
• Daerim3 Catchment 11
• Data 12
• Precipitation and Water-level 12
• Tropical Cyclone (TC) 14
• Digital Elevation Model (DEM) and Slope (SL) 14
• River Network Density (RND) and Sewage Pipe Network (SPN) 15
• Hydrological Soil 15
• Hydraulic Structures 15
• References 16
• CHAPTER III. STATISTICAL PREDICTION FOR TYPHOON-INDUCED RAINFALL BASED ON THE TROPICAL CYCLONE TRACK SIMILARITY 17
• Abstract 17
• Introduction 18
• Methods 20
• Calculation of Typhoon-induced Accumulated Rainfall (TAR) 20
• TC Similarity Analysis 23
• TAR Prediction Method 34
• Optimal Ensemble Number (OEN) Selection 34
• Results 35
• Test Description 35
• Clustering Results 39
• TAR Prediction Performance 45
• Comparison Between TMAI, KDSI and CI 49
• Conclusion 50
• References 51
• CHAPTER IV. URBAN FLOOD FORECASTING USING AN INTEGRATED MODELING APPROACH BASED ON A DEEP LEARNING TECHNIQUE 54
• Abstract 54
• Introduction 55
• Methods 56
• LSTM Network 58
• R-R Model 62
• Virtual Rainfall Scenarios 63
• Results 64
• SWMM Calibration and Validation Result 64
• Generation of Input Datasets for the LSTM Model 68
• Development and Assessment of the LSTM Model 70
• Impact of Rainfall Variables on Flooding Time 73
• Discussion 76
• Application of the Integrated Modeling Approach for Flood Forecasting and Early Warning 76
• Limitations and Improvements 78
• Conclusion 80
• References 81
• CHAPTER V. INTELLIGENT OPERATION OF URBAN DRAINAGE SYSTEMS IN A CHANGING CLIMATE 86
• Abstract 86
• Introduction 87
• Methods 89
• TC-Induced Rainfall Identification 89
• Multi-Objective Particle Swarm Optimization Algorithm 90
• Multi-Objective Optimization Scheduling Model 93
• Results 96
• Model Performance under Non-TC Rainfall Events 96
• Model Performance under TC-induced Rainfall Events 98
• Comparison of Different Strategies 101
• Discussion 108
• Performance of the Multi-Objective Intelligent Scheduling Model 108
• Comparison of Multi-Objective Intelligent Scheduling-Based Strategy and Local Adaption Strategies 109
• Conclusion 109
• References 110
• CHAPTER VI. MITIGATING URBAN FLOOD HAZARDS: HYBRID STRATEGY OF STRUCTURAL MEASURES 116
• Abstract 116
• Introduction 117
• Methods 122
• Flood Damage and Risk Analysis 123
• Hybrid Strategy with CFPP and GI Techniques 129
• Climate Change Downscaling Analysis 134
• Results 137
• Urban Flood Hazard Assessment 137
• Optimal CFPP Combination 141
• Flood Control Effect of GI Techniques 146
• Flood Mitigation Assessment of the Hybrid Strategy 150
• Discussion 159
• Assessment of Development Process for Hybrid Strategy 159
• Challenging Issues of Climate Change Impact on Urban Flooding 160
• Framework for Enhanced Urban Flood Hazards Mitigation 162
• Conclusion 164
• References 166
• CHAPTER VII. GENERAL CONCLUSIONS 174
• Summary 174
• Conclusion 176
• ABSTRACT IN KOREAN 177
• ACKNOWLEDGEMENTS 179
• VITA 181