Sustainable urban drainage and IoT monitoring for urban flood mitigation in a changing climate [Sistemi di drenaggio urbano sostenibile e IoT per la mitigazione delle inondazioni urbane in un contesto di cambiamento climatico]

Urbanization, coupled with global warming and inadequate urban planning, is altering the hydrological cycle, intensifying natural hazards and specifically urban flooding. Effective flood risk management necessitates both structural and non-structural mitigation measures, emphasizing the role of Best Management Practices (BMPs) and Sustainable Urban Drainage Systems (SUDs) in enhancing urban resilience. This present thesis aims to develop a set of tools for mitigating flooding in urban areas by introducing new methodologies and approaches as advancements in the mitigation and detection of such events due to expected future changes in precipitation patterns in terms of magnitude and intensity. Firstly, climate change is tackled by developing a new methodology for deriving future Depth Duration Frequency (DDF) curves using simple scaling assumptions and hourly EURO-CORDEX projections from the Climate Model Intercomparison Project 5 (CMIP 5). The approach is based on the use of change factors (CFs) to perturb the present climate and obtain the future DDFs without the need for temporal disaggregation techniques. This methodology is applied to a set of locations in Sicily, Italy, within three independent climatic subregions. The results show high variability among different model combinations. Ensemble averages indicate an increase in DDFs, with a greater rise for RCP4.5 than RCP8.5 emission scenarios. Additionally, future DDFs may correspond to return periods that are more than twice as long as those in the control climate, highlighting climate variability and underscoring the necessity of incorporating climate change into flood protection planning. Secondly, the research assesses the future hydrological behaviour of the pilot tray-module Blue Roof (BR) developed at the University campus of Catania. This involves introducing the climatic conditions of the pilot site and applying the BR model to a set of rain events registered between September 2023 and June 2024. The BR model is then applied to synthetic hyetographs consistent with the previously derived future DDFs, highlighting the potential benefits of BR with average 58% of peak attenuation compared to the conventional impervious surface under future changing climatic conditions. Lastly, the research focuses on developing a new low-cost IoT-based sensor for urban flooding. The primary objectives and functional requirements of the sensor are defined, along with the main technologies used as low-cost solutions for early warning systems (EWS) against flooding. The development process, including algorithm details and initial testing phases, is discussed alongside prospects for using this low-cost solution as a flood risk reduction measure in urban areas. This approach aims to address the complex challenges of urban flooding and provide practical, cost-effective solutions for future mitigation efforts. Overall, the present work emphasized the importance of the new developed methodologies as useful and effective flood protection strategies against urban flooding under expected future climate change.

L'urbanizzazione, insieme al riscaldamento globale e alla pianificazione urbana inadeguata, sta alterando il ciclo idrologico, intensificando i rischi naturali e, in particolare, le inondazioni in ambito urbano. Una gestione efficace del rischio di inondazione richiede sia misure di mitigazione strutturali che non strutturali, sottolineando il ruolo delle pratiche di gestione dei deflussi e dei Sistemi di Drenaggio Urbano Sostenibile nel migliorare la resilienza urbana. Il presente lavoro mira a sviluppare un insieme di strumenti per mitigare il rischio d inondazioni nelle aree urbane introducendo nuove metodologie e approcci in un contesto di cambiamento climatico. Nella prima parte del lavoro, il cambiamento climatico viene affrontato sviluppando una nuova metodologia per derivare curve di probabilità pluviometrica (CPP) future utilizzando l’ipotesi di invarianza di scala e le proiezioni orarie EURO-CORDEX sviluppate durante il Climate Model Intercomparison Project 5 (CMIP 5). L'approccio si basa sull'uso di fattori di cambiamento per perturbare il clima attuale e ottenere le CPP future senza la necessità di tecniche di disaggregazione temporale. Questa metodologia viene applicata ad un insieme di località in Sicilia, Italia, all'interno di tre sotto regioni climatiche indipendenti. I risultati mostrano una grande variabilità tra le diverse combinazioni di modelli. Le medie ensemble indicano un aumento delle CPP, con un incremento maggiore per gli scenari di emissione RCP4.5 rispetto agli scenari RCP8.5. Inoltre, le CPP future potrebbero corrispondere a periodi di ritorno più che raddoppiati rispetto al clima di controllo, evidenziando la variabilità climatica e sottolineando la necessità di incorporare il cambiamento climatico nella pianificazione e progettazione di infrastrutture di difesa idraulica contro le inondazioni. Successivamente, il presente lavoro valuta il comportamento idrologico futuro del sito sperimentale del tetto blu (BR) implementato presso il la Cittadella Universitaria dell’Università di Catania. Ciò comporta la caratterizzazione delle condizioni climatiche del sito sperimentale e l'applicazione del modello BR ad un insieme di eventi piovosi registrati tra settembre 2023 e giugno 2024. Il modello BR viene quindi applicato a ietogrammi sintetici consistenti con le CPP future precedentemente derivate, evidenziando i potenziali benefici del tetto blu con un'attenuazione media del picco del 58% rispetto ad una superficie impermeabile convenzionale nelle future condizioni climatiche. Infine, il lavoro di tesi si concentra sullo sviluppo di un nuovo sensore basato sull’ Internet of Things e a basso costo per il rilevamento di inondazioni in contesto urbano. Preliminarmente allo sviluppo del sensore, gli obiettivi principali e i requisiti funzionali del sensore vengono definiti, insieme alle principali tecnologie utilizzate come soluzioni a basso costo per i sistemi di preallerta contro le inondazioni. Il processo di sviluppo, compresi i dettagli dell'algoritmo e i test iniziali, viene discusso insieme alle prospettive per l'uso di questa soluzione a basso costo come misura di riduzione del rischio di inondazione nelle aree urbane. Questo approccio mira ad affrontare le complesse sfide delle inondazioni urbane e a fornire soluzioni pratiche e a basso costo per i futuri sforzi di mitigazione. Complessivamente, il presente lavoro ha enfatizzato l'importanza delle nuove metodologie sviluppate come strategie utili ed efficaci di protezione contro le inondazioni urbane previste nel futuro a causa del cambiamento climatico.