Introduzione

L'ingegneria costiera è sempre stata una disciplina definita dalla sua battaglia contro le forze naturali dinamiche. Le strutture e i sistemi di progettazione degli ingegneri per proteggere la vita, la proprietà e gli ecosistemi dall'azione incessante di onde, maree e tempeste. Tuttavia, il cambiamento climatico sta riscrivendo fondamentalmente le regole di questo impegno.

Comprendere l'analisi Hazard in ingegneria costiera

L'analisi dei rischi nell'ingegneria costiera è un processo sistematico di identificazione, caratterizzazione e quantificazione delle minacce naturali che possono danneggiare o distruggere le infrastrutture costiere. I rischi principali includono l'alluvione costiera, l'erosione della costa, l'ondata di tempesta e la sovrapposizione dell'onda.

I componenti chiave dell'analisi dei rischi tradizionali includono:

  • Valutazione del rischio probabilistico:[] Usando la teoria del valore estremo per stimare la probabilità di eventi di determinate magnitudine.
  • Modellazione di carattere deterministico:[] Simulare scenari specifici (ad esempio, una categoria 4 che fa caduta di terra) per valutare le prestazioni strutturali.
  • Relazioni empiriche:[ Equazioni che collegano la velocità del vento all'altezza dell'onda, per esempio.
  • Analisi geomorfologica:] Comprendere come le coste si evolvono in condizioni normali e tempestive.

Come osserva la National Climate Assessment, “il cambiamento climatico sta alterando la frequenza, l’intensità e la durata degli eventi estremi in modi che sono al di fuori della gamma storica di variabilità”. Questo costringe gli ingegneri a passare oltre gli approcci puramente storici e a incorporare le proiezioni climatiche nelle loro analisi.

Effetti del cambiamento climatico sui fattori pericolosi

Rialzo del livello del mare

L’aumento del livello del mare è l’impatto più diretto e diffuso dei cambiamenti climatici sui pericoli costieri. Il livello globale del mare medio è aumentato di circa 8–9 pollici dalla fine del XIX secolo e sta accelerando. Il NASA Sea Level Change Portal] traccia i dati satellitari che mostrano un tasso medio di 3.4 mm all’anno negli ultimi tre decenni.

L'aumento del livello del mare influisce sull'analisi dei rischi in diversi modi:

  • L'inondazione di inondazione aumentata:[ I livelli di acqua di base più elevati significano sovratensioni e onde raggiungono l'interno.
  • Libera di recupero:[ Per i muri e i rivernici, la lavagna (l'altezza sopra il livello dell'acqua di progettazione) diminuisce, aumentando il rischio di sovrapposizione.
  • L'erosione costiera accelerata:[ I livelli più elevati di acqua consentono alle onde di agire più in alto sul profilo della spiaggia, accelerando il trasporto dei sedimenti e il ritiro delle coste.
  • Intrusione di acqua salata:[ I livelli di mare in aumento spingono l'acqua salina in aquiferi ed estuari, che influenzano sia le fondazioni delle infrastrutture che le forniture di acqua dolce.

Gli ingegneri devono ora tenere conto delle proiezioni non stazionarie del livello del mare durante la vita progettuale di un progetto, di circa 50-100 anni, che richiede l’inserimento di scenari dal rapporto di valutazione [Sixth] (AR6), che fornisce probabilmente intervalli per l’aumento del livello del mare sotto diverse vie di emissioni.

Aumento dell'intensità della tempesta

Le temperature oceaniche più calde forniscono più energia per i cicloni tropicali, portando ad un aumento della percentuale di tempeste maggiori (Category 3 o più in alto sulla scala Saffir-Simpson).

Esempi di come le tempeste intensificate influiscono sull'analisi dei rischi includono:

  • Alti livelli e periodi d'onda più elevati: I venti più lunghi generano onde più grandi che possono superare le difese costiere e causare più danni.
  • Aumentata tempesta:[ Le velocità del vento più elevate e le pressioni centrali inferiori spingono più acqua verso la costa.
  • Greater rain flooding:[ Molti eventi di inondazione costiera ora comportano inondazioni composte, dove un'ondata di tempesta coincide con precipitazione pesante, sistemi di drenaggio schiaccianti.

Gli ingegneri stanno rispondendo adottando valutazioni “di vulnerabilità dinamica” che considerano come le caratteristiche della tempesta possono evolversi nel tempo, piuttosto che utilizzare periodi di ritorno statico.

Cambiare modelli meteo e non-stazione

Oltre all’aumento del livello del mare e alle tempeste, il cambiamento climatico sta alterando i cicli di circolazione atmosferica, portando a cambiamenti nelle precipitazioni, nella direzione dell’onda e nella frequenza dei fiumi atmosferici. Ad esempio, la costa occidentale degli Stati Uniti ha visto un aumento dell’intensità degli eventi fluviali atmosferici, che portano precipitazioni estreme e inondazioni successive ai spartiacque costieri.

Questi cambiamenti presentano sfide distinte per l'analisi dei rischi:

  • La mancanza di stazionaria nel clima d'onda:[ I diagrammi di rosa d'onda (che mostrano la direzione e l'altezza dell'onda dominante) non possono più contare su un ostacolo di 30 anni; devono essere aggiornati con le proiezioni del cambiamento climatico d'onda.
  • Modifiche al trasporto dei sedimenti:[] Gli angoli e le correnti d'onda altered possono cambiare la direzione e la magnitudine della deriva lungolago, che influiscono sui modelli di erosione alle spiagge nutrite e nei pressi dei porti.
  • Eventi completi:[ La combinazione di alte maree, sovratensioni e precipitazioni pesanti—una volta rare— sta diventando più comune. L'analisi dei pericoli deve tener conto di queste probabilità di composti, che sfidano statisticamente i metodi tradizionali univariati.

Sfide nell'analisi dei rischi a causa del cambiamento climatico

Modelli di processi non stazionari

La sfida fondamentale è che i dati storici non costituiscono più una base affidabile per la predizione. L’analisi tradizionale della frequenza con distribuzioni estreme (ad esempio, Gumbel, Valore Estrema Generalizzato) assume che il processo sottostante sia stazionario. Il cambiamento climatico introduce tendenze e cambiamenti che violano questa ipotesi. Gli ingegneri stanno sviluppando “modelli di valore estremo non stazionari” che incorporano covariati come la temperatura media globale o la serie di tempo di livello regionale del mare.

Selezione di incertezza e scenario

Le proiezioni climatiche sono dotate di grandi incertezze. Diversi scenari di emissioni, modelli climatici e metodi di downscaling producono una vasta gamma di condizioni future. Ad esempio, le proiezioni di livello marino IPCC AR6 sotto SSP2-4.5 (uno scenario moderato) vanno da ~0.4 a 0,8 m per 2100, mentre sotto SSP5-8.5 raggiungono fino a 1.0 m. Gli ingegneri devono decidere quale scenario da utilizzare per il design, bilanciare la sicurezza con la fattibilità economica adottano.

Gaps dati e richieste computazionali

I modelli non stazionari richiedono proiezioni climatiche a lungo termine ad alta risoluzione spaziale, che non sono sempre disponibili per ogni costa. L'aumento dei modelli climatici globali a scala locale è computazionalmente costoso e introduce ulteriori incertezze.

Integrazione dei fattori sociali ed economici

L'analisi dei rischi è sempre più legata alla vulnerabilità sociale. Il cambiamento climatico colpisce in modo sproporzionato le comunità più povere, che spesso vivono in aree meno protette e hanno meno risorse da recuperare. Gli ingegneri devono considerare non solo il rischio fisico, ma anche l'esposizione e la capacità adattativa delle popolazioni, ciò richiede una collaborazione interdisciplinare con scienziati sociali, urbanisti e economisti, un cambiamento che molte aziende ingegneristiche stanno appena iniziando ad adottare.

Adattare le pratiche di ingegneria costiera

Approcci strutturali: Difesa di aumento e di rafforzamento

L’adattamento più visibile è l’aggiornamento delle dure difese costiere. Le pareti, i dighe e le barriere di sbalzo della tempesta sono state progettate con creste più alte e una maggiore resilienza. Ad esempio, la barriera di sovratensione della tempesta di Scheldt nei Paesi Bassi è stata costruita con una durata di progettazione di 200 anni e incorpora meccanismi per sollevare le sue porte come livelli di mare.

Soluzioni basate sulla natura: lavorare con i sistemi naturali

Le soluzioni basate sulla natura, come il restauro delle mangrovie, l’edilizia delle dune e la creazione di scogliere dei crostacei, stanno guadagnando la trazione come approcci complementari o alternativi. Queste difese “verdi” possono mantenere il passo con l’aumento del livello del mare attraverso l’accrescimento naturale e fornire co-benefici degli habitat.

Infrastrutture flessibili e adattiva

Oltre a costruire una sola difesa fissa, gli ingegneri stanno progettando sempre più percorsi adattativi, che possono essere facilmente modificati nel tempo come cambiamento delle condizioni, un approccio chiamato “progetto flessibile” o “progetto adattativo gestito”. Ad esempio, le basi per la costruzione possono essere sovradimensionate per ospitare un aumento di elevazione futuro, e le barriere di inondazione possono essere costruite in fasi.

Miglioramento della mappatura dei pericoli e dei sistemi di allarme precoce

I dati relativi all'apprendimento automatico e ai satelliti consentono ai modelli di prevedere inondazioni di ore e giorni di anticipo, riducendo il rischio alla vita. Gli ingegneri stanno anche sviluppando mappe probabilistiche di pericolo di inondazione che mostrano probabilità di inondazione sotto molteplici scenari climatici, fornendo ai pianificatori e ai responsabili di emergenza una serie di possibili risultati piuttosto che una singola mappa deterministica.

Studi sui casi: Analisi dei pericoli informati sul clima nella pratica

New York City: Valutazione del rischio post-sandy

Dopo l'uragano Sandy nel 2012, New York City ha intrapreso una revisione completa del rischio di inondazione costiera, incorporando le proiezioni di aumento del livello del mare dal New York City Panel on Climate Change (NPCC). Il progetto risultante "East Side Coastal Resiliency" utilizza una combinazione di parchi rialzati, pareti di inondazione e stazioni di pompaggio dell'acqua di tempesta progettate per resistere a 2,5 piedi di livello del mare in aumento entro i 2050 e 5 piedi dai 2080s.

Paesi Bassi: Delta Programma e Delta Adaptive Delta

Il suo programma Delta rappresenta la gamma completa di scenari climatici fino a 2100 e utilizza un approccio di gestione del delta adattativo. Piuttosto che un design fisso, il programma identifica le condizioni di “segnapa”: soglia di aumento del livello del mare o di scarico del fiume, che innescano misure di adattamento specifiche (ad esempio, rinforzo di dighe o costruzione di nuovi aggiornamenti).

Miami Beach: Sistemi di Elevation e Pompe

Miami Beach, Florida, sta vivendo “sunny day flooding” a causa di alte maree e aumento del livello del mare. La risposta della città include strade di elevazione, l’installazione di pompe massicce, e la costruzione di sistemi di gestione delle acque meteorologiche che rappresentano un aumento del livello del mare proiettato di 2 piedi per 2060.

Le direzioni future nell'analisi Hazard per l'ingegneria costiera

Il campo si sta muovendo verso approcci completamente dinamici e basati sui rischi che trattano i rischi costieri come sistemi in evoluzione.

  • Modelli di sistema di terra:[ Atmosfera di accoppiamento, oceano, onda e modelli di idrologia per rappresentare meglio gli eventi composti e i loop di feedback.
  • Probabilistic sea level raise proiezioni:[] Passando oltre i valori “miglior stima” a distribuzioni di probabilità complete che incorporano l'incertezza nelle dinamiche del ghiacciaio e il riscaldamento dell'oceano.
  • Living liguri e design dinamico:[] Utilizzando il monitoraggio autonomo (ad esempio, droni, sensori) per aggiornare le valutazioni dei rischi in tempo reale e regolare le strategie di gestione adattativa.
  • Integrazione sociale della vulnerabilità:[] Compresi i dati socioeconomici nella mappatura dei rischi per priorità delle risorse per le popolazioni più a rischio.

Le organizzazioni standard aggiornano anche i codici. L’American Society of Civil Engineers (ASCE) ha rilasciato il manuale della pratica 140, “Climate-Resilient Infrastructure”, che fornisce indicazioni per incorporare le proiezioni climatiche nella progettazione.

Conclusioni

Il cambiamento climatico non è una preoccupazione periferica per l'ingegneria costiera, sta ridefinindo la pratica principale dell'analisi dei rischi. La perdita della stabilitÃ, l'amplificazione degli estremi, e l'emergere di eventi composti richiedono che gli ingegneri si muovono oltre i precedenti storici e abbracciano metodi di prospettiva, probabilistica e adattativa.