Snow avalanches are gravitational phenomena characterized by the rapid movement of a snow mass with a volume greater than 100 m3 along a slope for a distance of at least 50 m. These phenomena typically take place in mountain areas and constitute serious natural hazards threating the inhabitants and visitors of these areas. Gravitational phenomena, and in particular snow avalanches, are extremely complex phenomena and for this reason several different numerical models have been developed over the years, in order to reproduce the dynamics of these events over a given topography. Among these models, in this thesis we used RAMMS::AVALANCHE and FLO-2D. The first is a two-dimensional numerical simulation model to reproduce the gravitational motion of mass flows, developed by the WLS Institute for Snow and Avalanche Research SLF (Davos, Switzerland). FLO-2D is a hydrological-hydraulic two-dimensional simulation model, developed by “FLO-2D Software Inc.”, able to simulate the propagation of flood waves and debris flows in hydrographic basins and the interaction with the various structures that characterize the urban areas. This thesis work aims to test the performance of the two-dimensional simulation models RAMMS::AVALANCHE and FLO-2D to predict the deposition area of snow avalanches. Furthermore, the thesis project wants to assess the capacity of the FLO-2D simulation model, normally used in flood or debris flow simulations, in predicting the motion of snow avalanches. To achieve these objectives, three well-documented avalanche events located in the province of Bolzano (IT) were selected (Valanga Knollgraben, Valanga Pichlereschbaum, Valanga Breitlahn). For each study case, the deposition areas were simulated with both simulation models through back analysis processes. Simulation results have been investigated analysing the maximum flow depth, maximum flow velocity and the deposition depth. Subsequently, the simulated deposits have been compared with the observed ones and evaluated through statistical indices. The model RAMMS::AVALNCHE provides good results for wet snow avalanches even with a limited calibration process of the rheological parameters. However, it did not adequately simulate the dry snow avalanche (Valanga Pichlereschbaum). Better results could be achieved calibrating the friction parameters. The model FLO-2D provided acceptable results for both wet and dry snow avalanches only after a meticulous calibration process of the rheological parameters, which require a fair degree of attention as they are not those typically considered in avalanches rheology studies. Results showed that FLO-2D can be used to study snow avalanches through back analysis processes, even if the calibration of the rheological parameters is not very immediate. To improve the range of values of the rheological parameters, further back analysis studies are necessary, in order to consider different types of avalanches to enlarge the application of the model.

Le valanghe di neve sono fenomeni gravitativi caratterizzati dal rapido movimento di una determinata massa neve, di volume superiore a 100 m3, lungo un pendio per una distanza di almeno 50 m. Questi fenomeni hanno luogo tipicamente in aree montane e costituiscono pericoli naturali molto seri per gli abitanti ed i frequentatori di queste aree. I fenomeni gravitativi, ed in particolare le valanghe, sono fenomeni estremamente complessi, per questo motivo negli anni sono stati sviluppati diversi modelli, in grado di prevedere la dinamica di questi eventi su una determinata topografia a partire da parametri iniziali. Tra questi modelli rientrano il RAMMS::AVALANCHE, modello di simulazione numerica bidimensionale per calcolare il moto gravitativo di flussi di massa, sviluppato dal WLS Institute for Snow and Avalanche Research SLF (Davos, Svizzera), e FLO-2D, modello idrologico-idraulico bidimensionale, sviluppato dalla “FLO-2D Software Inc.”, in grado di simulare la propagazione dell’onda di piena e di colate detritiche in bacini idrografici e l’interazione con le varie strutture che caratterizzano le aree antropizzate. Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di testare le performance dei modelli di simulazione bidimensionali RAMMS::AVALANCHE e FLO-2D nel predire l’area di deposito di valanghe di neve. Inoltre, si vuole valutare la capacità del modello di simulazione FLO-2D, solitamente utilizzato in simulazioni di piene o debris flow, per la predizione di valanghe di neve di diversa tipologia. Per raggiungere tali obiettivi sono stati selezionati tre eventi valanghivi ben documentati, localizzati nella provincia di Bolzano (IT) (Valanga Knollgraben, Valanga Pichlereschbaum, Valanga Breitlahn). Per ciascun caso studio sono stati simulati, tramite processo di back analysis, i tre eventi valanghivi. I risultati delle simulazioni dei due modelli sono stati analizzati, investigando i parametri di velocità massima, profondità massima del flusso e del deposito. Inoltre, le aree dei depositi realmente osservate sono state confrontate con quelle calcolate dai due modelli di simulazione attraverso indici statistici. Il modello RAMMS::AVALANCHE ha dimostrato di poter fornire buoni risultati per le valanghe di neve bagnata anche con un processo di calibrazione dei parametri reologici limitato. Tuttavia, non è stato invece possibile simulare in maniera realistica il deposito della valanga di neve asciutta (Valanga Pichlereschbaum). Si ritiene che una calibrazione più accurata dei parametri reologici possa garantire risultati migliori. Il modello FLO-2D ha fornito risultati accettabili sia per le valanghe di neve bagnata che per quelle di neve asciutta solo in seguito ad una meticolosa calibrazione dei parametri reologici, i quali richiedono un discreto grado di attenzione in quanto non sono quelli tipicamente considerati nello studio della reologia delle valanghe. Il modello FLO-2D ha dimostrato di avere le potenzialità per essere applicato allo studio delle valanghe attraverso il processo di back analysis, seppur la calibrazione dei parametri reologici risulti poco immediata. Al fine di definire in modo rigoroso i range di valori dei parametri reologici, ulteriori studi di back analysis risultano necessari, per rafforzare i risultati di questo studio e ampliare il campo di utilizzo del modello.

Comparazione dei modelli di simulazione "FLO-2D" e "RAMMS::Avalanche" per la back-analysis di valanghe di neve

MARTINI, MARCO
2021/2022

Abstract

Snow avalanches are gravitational phenomena characterized by the rapid movement of a snow mass with a volume greater than 100 m3 along a slope for a distance of at least 50 m. These phenomena typically take place in mountain areas and constitute serious natural hazards threating the inhabitants and visitors of these areas. Gravitational phenomena, and in particular snow avalanches, are extremely complex phenomena and for this reason several different numerical models have been developed over the years, in order to reproduce the dynamics of these events over a given topography. Among these models, in this thesis we used RAMMS::AVALANCHE and FLO-2D. The first is a two-dimensional numerical simulation model to reproduce the gravitational motion of mass flows, developed by the WLS Institute for Snow and Avalanche Research SLF (Davos, Switzerland). FLO-2D is a hydrological-hydraulic two-dimensional simulation model, developed by “FLO-2D Software Inc.”, able to simulate the propagation of flood waves and debris flows in hydrographic basins and the interaction with the various structures that characterize the urban areas. This thesis work aims to test the performance of the two-dimensional simulation models RAMMS::AVALANCHE and FLO-2D to predict the deposition area of snow avalanches. Furthermore, the thesis project wants to assess the capacity of the FLO-2D simulation model, normally used in flood or debris flow simulations, in predicting the motion of snow avalanches. To achieve these objectives, three well-documented avalanche events located in the province of Bolzano (IT) were selected (Valanga Knollgraben, Valanga Pichlereschbaum, Valanga Breitlahn). For each study case, the deposition areas were simulated with both simulation models through back analysis processes. Simulation results have been investigated analysing the maximum flow depth, maximum flow velocity and the deposition depth. Subsequently, the simulated deposits have been compared with the observed ones and evaluated through statistical indices. The model RAMMS::AVALNCHE provides good results for wet snow avalanches even with a limited calibration process of the rheological parameters. However, it did not adequately simulate the dry snow avalanche (Valanga Pichlereschbaum). Better results could be achieved calibrating the friction parameters. The model FLO-2D provided acceptable results for both wet and dry snow avalanches only after a meticulous calibration process of the rheological parameters, which require a fair degree of attention as they are not those typically considered in avalanches rheology studies. Results showed that FLO-2D can be used to study snow avalanches through back analysis processes, even if the calibration of the rheological parameters is not very immediate. To improve the range of values of the rheological parameters, further back analysis studies are necessary, in order to consider different types of avalanches to enlarge the application of the model.
2021
Comparison of simulation models "FLO-2D" and "RAMMS::Avalanche" for the back-analysis of snow avalanches
Le valanghe di neve sono fenomeni gravitativi caratterizzati dal rapido movimento di una determinata massa neve, di volume superiore a 100 m3, lungo un pendio per una distanza di almeno 50 m. Questi fenomeni hanno luogo tipicamente in aree montane e costituiscono pericoli naturali molto seri per gli abitanti ed i frequentatori di queste aree. I fenomeni gravitativi, ed in particolare le valanghe, sono fenomeni estremamente complessi, per questo motivo negli anni sono stati sviluppati diversi modelli, in grado di prevedere la dinamica di questi eventi su una determinata topografia a partire da parametri iniziali. Tra questi modelli rientrano il RAMMS::AVALANCHE, modello di simulazione numerica bidimensionale per calcolare il moto gravitativo di flussi di massa, sviluppato dal WLS Institute for Snow and Avalanche Research SLF (Davos, Svizzera), e FLO-2D, modello idrologico-idraulico bidimensionale, sviluppato dalla “FLO-2D Software Inc.”, in grado di simulare la propagazione dell’onda di piena e di colate detritiche in bacini idrografici e l’interazione con le varie strutture che caratterizzano le aree antropizzate. Questo lavoro di tesi si pone come obiettivo quello di testare le performance dei modelli di simulazione bidimensionali RAMMS::AVALANCHE e FLO-2D nel predire l’area di deposito di valanghe di neve. Inoltre, si vuole valutare la capacità del modello di simulazione FLO-2D, solitamente utilizzato in simulazioni di piene o debris flow, per la predizione di valanghe di neve di diversa tipologia. Per raggiungere tali obiettivi sono stati selezionati tre eventi valanghivi ben documentati, localizzati nella provincia di Bolzano (IT) (Valanga Knollgraben, Valanga Pichlereschbaum, Valanga Breitlahn). Per ciascun caso studio sono stati simulati, tramite processo di back analysis, i tre eventi valanghivi. I risultati delle simulazioni dei due modelli sono stati analizzati, investigando i parametri di velocità massima, profondità massima del flusso e del deposito. Inoltre, le aree dei depositi realmente osservate sono state confrontate con quelle calcolate dai due modelli di simulazione attraverso indici statistici. Il modello RAMMS::AVALANCHE ha dimostrato di poter fornire buoni risultati per le valanghe di neve bagnata anche con un processo di calibrazione dei parametri reologici limitato. Tuttavia, non è stato invece possibile simulare in maniera realistica il deposito della valanga di neve asciutta (Valanga Pichlereschbaum). Si ritiene che una calibrazione più accurata dei parametri reologici possa garantire risultati migliori. Il modello FLO-2D ha fornito risultati accettabili sia per le valanghe di neve bagnata che per quelle di neve asciutta solo in seguito ad una meticolosa calibrazione dei parametri reologici, i quali richiedono un discreto grado di attenzione in quanto non sono quelli tipicamente considerati nello studio della reologia delle valanghe. Il modello FLO-2D ha dimostrato di avere le potenzialità per essere applicato allo studio delle valanghe attraverso il processo di back analysis, seppur la calibrazione dei parametri reologici risulti poco immediata. Al fine di definire in modo rigoroso i range di valori dei parametri reologici, ulteriori studi di back analysis risultano necessari, per rafforzare i risultati di questo studio e ampliare il campo di utilizzo del modello.
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