Blasi, Alessio⁽¹⁾, Mazzorana, Bruno ^{(2), (3)*}, Sturm, Michael⁽⁴⁾, Gems, Bernhard⁽⁵⁾;

(1) Free University of Bozen-Bolzano, Faculty of Science and Technology, Bolzano 39100, Italy.
(2) Universidad Austral de Chile, Faculty of Sciences, Instituto de Ciencias de la Tierra, Valdivia 5090000, Chile.
(3) Universidad Austral de Chile, RINA, Natural and Anthropogenic Risks Research Center, Valdivia 5090000, Chile.
(4) Department of Water Management, Office of the Tyrolean Regional Government, Imst 6460, Austria.
(5) University of Innsbruck, Unit of Hydraulic Engineering, Innsbruck 6020, Austria.
* Corresponding author: Bruno Mazzorana – tel: 0056966515334; email: bruno.mazzorana@uach.cl; address: Campus Isla 9 Teja, Edificio Pugin, office 339, 5090000, Valdivia, Chile.

Abstract:

Sediment-laden flows with significant amounts of large wood can impact alluvial fans and seriously damage infrastructure and property which makes a profound knowledge of exposure an essential requisite for risk mitigation. To investigate its spatial variability, we executed experiments on a simplified physical model and assessed the observed spatial process and exposure patterns by quantifying synthetic indexes and geostatistically analysing spatial probabilities. We systematically varied the loading conditions, i.e. total flow volume, solid fraction and the tank opening controlling water release, and repeated each experimental configuration eight times. Two alluvial fan layouts were considered, one equipped with a guiding channel and a bridge and one with a guiding channel only. First, we tested the hypothesis, that water released though the fully opened tank outflow valve induces a sediment-laden flow which is associated with higher exposure and lower spatial uncertainty of exposure if compared to flows generated by a half-opened tank outflow valve. Second, we tested whether a higher flow volume is associated with higher exposure on the alluvial fan and with lower spatial uncertainty. It turned out that neither of the aforementioned hypotheses is verified for the whole set of tested flow conditions. The first hypothesis is rejected in the majority of the considered conditions. The second hypothesis is prevailingly corroborated when the exposed areas due to both sediment and water were considered. Instead, when only the areas of sediment deposition are considered, this hypothesis is prevailingly corroborated on the alluvial fan featuring the presence of the bridge. We provided exposure probability maps for all experimental conditions and presented the variability of exposure by standard deviation ellipses. Although solely indicative for the adopted alluvial fan layouts, a variation of the loading parameters led to remarkable changes in the patterns of exposure probability and the parameters of the standard deviation ellipses. Our results urge decision makers to fully acknowledge the potential variability of geomorphic responses on alluvial fans in their risk management practices as to avoid underestimating the impacts for the built environment.

Key words:

alluvial fan, fluvial hazards, exposure, modelling.

Resumen:

Los flujos cargados de sedimentos con cantidades significativas de madera de gran tamaño pueden afectar a los abanicos aluviales y dañar seriamente la infraestructura y la propiedad expuesta, lo que hace que un conocimiento profundo de la exposición sea un requisito esencial para la mitigación del riesgo. Para investigar su variabilidad espacial, ejecutamos experimentos en un modelo físico simplificado y evaluamos el proceso espacial observado y los patrones de exposición cuantificando índices sintéticos y analizando geoestadísticamente las probabilidades espaciales de ocurrencia. Variamos sistemáticamente las condiciones de carga, es decir, el volumen de flujo total, la fracción sólida y la potencia de la corriente, y repetimos cada configuración experimental ocho veces. Se consideraron dos diseños de abanicos aluviales, uno equipado con un canal guía y un puente y otro con el canal guía solamente. En primer lugar, contrastamos la hipótesis de que un régimen de mayor potencia de la corriente del flujo cargado de sedimentos está asociado con una mayor exposición y una menor incertidumbre espacial de la exposición en comparación con flujos generados con una menor potencia de la corriente. En segundo lugar, probamos si un mayor volumen de flujo está asociado con una mayor exposición en el abanico aluvial y con una menor incertidumbre espacial. Ninguna de las hipótesis antes mencionadas se verifica para todo el conjunto de condiciones de flujo. La primera hipótesis se rechaza en la mayoría de las condiciones consideradas. La segunda hipótesis se corrobora predominantemente cuando se consideran las áreas expuestas tanto por sedimentos como por agua. En cambio, cuando se consideran sólo las áreas de depósito de sedimentos, esta hipótesis se corrobora predominantemente en el abanico aluvial que presenta el puente. Proporcionamos mapas de probabilidad de exposición para todas las condiciones experimentales y presentamos la variabilidad de la exposición mediante elipses de desviación estándar. Aunque los resultados cuantitativos de este estudio son concluyentes solamente para los diseños de abanicos aluviales adoptados, ellos, en general, indican que una variación de los parámetros de carga conduce a cambios notables en los patrones de probabilidad de exposición y los parámetros de las elipses de desviación estándar. A la luz de los resultados obtenidos, los tomadores de decisiones deberían tomar en cuenta la variabilidad potencial de las respuestas geomórficas en los abanicos aluviales en sus prácticas de gestión de riesgos para evitar subestimar los impactos en el entorno construido.

Palabras clave:

abanico aluvial, peligros fluviales, exposición, modelización.