Eftersom klimatförändringarna fortsätter att orsaka oförutsägbara och extrema väderhändelser runt om i världen, Xi'an Jiaotong-Liverpool Universitys forskare uppmanar ingenjörer att ompröva hur de utformar för att förebygga översvämningar.

I en nyligen publicerad artikel i Journal of Hydrology , Ph.D. student Mengzhu Chen och dekanus vid Xi'an Jiaotong-Liverpool Universitys designskola, Dr. Konstantinos Papadikis, analyserade historiska översvämningsserier och meteorologiska data från 158 avrinningsområden över hela Storbritannien.

De fann att översvämningsserier i de flesta områden inte följer historiska mönster. Detta fynd utmanar direkt användningen av en typ av analys som fokuserar på hur ofta översvämningar inträffade i ett område tidigare. Översvämningsfrekvensanalys har varit hörnstenen i kontroll av översvämningsrisk, design av hydraulisk struktur, och vattenresursförvaltning.

"Konventionella metoder för analys av översvämningsfrekvens tar inte hänsyn till den flyktiga karaktären hos översvämningar orsakade av klimatförändringar, mänskligt ingripande, och markanvändningsförändringar, " säger Chen.

"Detta beror på att metoden använder det "stationära antagandet" - ett antagande som förlitar sig på historiska data för att förutsäga frekvensen av översvämningar och antar att översvämningar kommer att inträffa inom ett oföränderligt intervall.

"Under de senaste åren har vi har sett ökad frekvens av extremt väder, vilket har gjort det stationära antagandet tveksamt. Vår studie visar att i många delar av Storbritannien, översvämningsserier följer inte längre historiska mönster, gör det mer oförutsägbart."

Undvika katastrof

Chen säger att om ingenjörer eller hydrologer fortsätter att följa de traditionella metoderna, det kan leda till en underskattning av översvämningstoppar med potentiellt katastrofala konsekvenser.

"Att fortsätta att basera design och ingenjörskonst på det stationära antagandet kan öka risken för att hydrauliska strukturer och översvämningsförebyggande åtgärder misslyckas eftersom infrastrukturen inte är designad för att motstå ytterligare – eller allvarligare – översvämningar än förutspått, " hon säger.

"Om vi ​​designar strukturer för att motstå "ett-på-100-år" översvämningar men dessa extrema händelser händer nu tre eller fyra gånger på ett decennium, det skulle vara katastrofalt.

"Vattenrelaterad planering bör alltid bero på analysen av tidigare data för att informera om prognoser om framtida förhållanden. Men de nuvarande icke-stationära förhållanden som vi ser nu betyder att tidigare data ensam inte längre kan tillhandahålla all nödvändig information vi behöver för att förstå framtida statistiska beteende av extrem nederbörd och översvämningar."

Flera förare

Studien utvärderade olika orsaker som kan bidra till att översvämningsfrekvensen inte är stationär. Resultaten indikerar att icke-stationärt beteende är mer sannolikt att orsakas av en kombination av flera faktorer än ett enda element.

"Medan klimatförändringar spelar en roll för att översvämningsfrekvensen inte är stationär, vår forskning visar att variationen i nederbördsregimen fortfarande är den dominerande drivkraften för förändringar i översvämningar, " säger Chen.

"I UK, Icke-stationariteten är också nära relaterad till två atmosfäriska cirkulationsmönster - den nordatlantiska oscillationen och det östra Atlantiska mönstret."

Studie ger förståelse

Trots en växande mängd forskning, hydraulisk konstruktion och projekt är fortfarande baserade på det traditionella stationära antagandet eftersom det inte finns någon konsensus om metoder för att analysera översvämningsfrekvens under ett icke-stationärt antagande.

Chen, som är baserad på XJTLU:s institution för samhällsbyggnad, säger att deras studie bidrar till förståelsen av översvämningsbeteenden i dessa allt vanligare icke-stationära miljöer.

"Den nuvarande icke-stationära modelleringen för översvämningar är fortfarande i ett tidigt skede, " hon säger.

"Även om många nya koncept och tekniker för icke-stationär översvämningsfrekvensanalys håller på att dyka upp, de flesta av de befintliga studierna är begränsade till upptäckt och diagnos av uppenbara trender utan att undersöka de bakomliggande orsaksfaktorerna på grund av den höga komplexiteten hos översvämningsgenererande mekanismer. Vår studie ger nya insikter om dessa översvämningsgenererande mekanismer, vilket är viktigt för översvämningsrisk och vattenresurshantering. Vi måste anpassa vårt tillvägagångssätt för teknik för att mildra effekterna av allt mer oförutsägbara och extrema översvämningshändelser."

Forskningsartikeln "An study on the non-stationarity of flood frequency across the UK" publiceras i Journal of Hydrology .