Tài liệu Probabilistic design of coastal flood defences in vietnam

Probabilistic Design of Coastal Flood Defences in Vietnam Probabilistic Design of Coastal Flood Defences in Vietnam Proefschrift ter verkrijging van de graad van doctor aan de Technische Universiteit Delft, op gezag van de Rector Magnificus professor ir. K.C.A.M. Luyben, voorzitter van het College voor Promoties, in het openbaar te verdedigen op dinsdag 21 september 2010 om 10.00 uur door MAI VAN CONG Master of Science in Hydraulic Engineering geboren te Ninh Binh, Vietnam Dit proefschrift is goedgekeurd door de promotor: Prof. drs. ir. J.K. Vrijling Copromotor: Dr. ir. P.H.A.J.M. van Gelder Samenstelling promotiecommissie: Rector Magnificus, voorzitter Prof. drs. ir. J.K. Vrijling Technical University of Delft, promotor Dr. ir. P.H.A.J.M. van Gelder Technical University of Delft, copromotor Prof. dr. ir. M.J.F. Stive Technical University of Delft Prof. dr. H. Hanson Lund University, Sweden Prof. dr. J.W. Hall Newcastle University, UK Ir. K.W. Pilarczyk Formerly Rijkswaterstaat Dr. ir. S.N. Jonkman Technical University of Delft Prof. dr. W.S.J. Uijttewaal Technical University of Delft, reservelid Copyright © 2010 by Mai Van Cong All rights reserved. No part of this book may be reproduced in any form or by any means including photocopy, without written permission from the copyright holder. ISBN 978-90-9025648-1 Printed by: Sieca Repro, Delft, the Netherlands Cover layout: Pham Quang Dieu Cover image: Violent ocean wave (source: Ocean Waves Wallpapers) to my family SUMMARY Probabilistic design of coastal flood defences in Vietnam The year 2005 brought hurricane Katrina to New Orleans (U.S), it was also a historical year for Vietnam because of the disastrous impact of typhoons on sea flood defences and coastal regions. In total, eight typhoons hit the Vietnamese coast that year resulting in human casualties and enormous economic damage. In response to that, both the central and local governments of Vietnam have paid the highest-ever attention to the rehabilitation of sea dike systems and the improvement of the safety of its coastal regions. The improvement of the flood defence systems of Vietnam calls for the use of the latest available knowledge at all levels. Vietnam has a profound practical experience in the field of flood protection; however, there is a lack of up-to-date knowledge in the field of dike design and flood risk management, especially regarding to coastal flood defences. This study focuses on coastal flood defences in Vietnam and its objectives are to evaluate the current level of safety and reliability, to develop safety standards and design practices and to formulate a proposal for the improvement of the flood defences. To meet the study objectives, the research presented in this thesis has focused on firstly reviewing, developing and widening the application of probabilistic design and state of the art of risk assessment and risk evaluation in the field of flood defences (theory part). Secondly, as a demonstration of knowledge transfer, the proposed approach has been applied to the coastal flood defence system of Nam Dinh province in Vietnam which is considered as a representative coastal system in the country (application part). The main contents covered in this thesis are summarized below. Chapter 2 gives an overview of the coastal area, existing approaches for flood defence in Vietnam and a description of the case study area. The coastal zone in the Red River Delta of Vietnam, where the case study was carried out, is under a potential threat of fluvial flooding, coastal flooding and coastal erosion. In the region, sea dikes have been used as a predominant countermeasure with two intended functions, i.e. protecting lowlying areas from coastal flooding and reducing risk for the hinterland caused by coastal erosion. However, as was also experienced during recent typhoons in the last years, the sea dikes do not seem to function very well and their strength is insufficient to withstand the hydraulic loads with a sufficiently low frequency of occurrence. This is due to the underestimation of the hydraulic boundary conditions and imperfections in the design, construction and maintenance of the dike systems. A qualitative multi-criteria analysis has been developed for proposing a suitable coastal protection strategy for the study area. It is proposed to use a combination of sea dike systems to provide flood protection, i Summary and beach erosion control measures, such as groins and/or sand nourishments to preserve a shallow foreshore. To have a better understanding of the actual hydraulic load conditions in the coastal area and to derive input information for the reliability analysis, methods for the statistical analysis of extreme hydraulic load conditions have been developed and applied (Chapter 3). These include data management techniques (i.e. trend analysis, stationarity tests, seasonality analysis and peaks over threshold analysis); and statistical methods to model the occurrence probabilities of extreme values (the value which is exceeded by the random environmental variable with very small probability p). Hydraulic observations for the coast Vietnam are available for a period of 35 years and on that basis an estimate needs to be derived for a design sea load, i.e. waves and storm surge levels, corresponding to a 100 to 10,000 years return period. The methods of Regional Frequency Analysis (RFA) and Mixed Distribution Fitting (MDF) are used in this study for such a sea load. In order to ensure that the statistically predicted values of the interested sea loads will be as close as possible to the true values, recommendations are made to compare these values with physical hindcast models which are based on historical information of typhoon characteristics such as wind speed. Inspection of monthly sea water level data at Nam Dinh coast reveals that there exists a quadratic rising trend, with periodicity of 6 months, 12 months and 224 months in the data. The 6-month periodicity reflects well the influence of two monsoons per year to the fluctuation of sea water level; the 12-month periodicity is explained by the influence of yearly typhoons in the region. The 224-month periodicity, which is approximately 18.6 years, is almost exactly equal to a tidal circle. Although sea level rise (SLR) is not a focus of this study, based on a detected linear trend of the observed water level data the rate of SLR can be estimated approximately at 0.68 cm per year at Nam Dinh coast. In addition, this study recommends that estimation of SLR should be based on not only mathematical extrapolations, but also the longterm nature of sea level fluctuation. The theoretical background of probabilistic design and reliability analysis of flood defences is reviewed in Chapter 4. Models for safety assessment and reliability based design are developed for the specific application to coastal flood defence systems. In the safety assessment model, present probabilistic calculation techniques are applied to quantify the failure probability of the system and the system components. The effect of the length of the dike system on the system reliability was deployed in the model as well. The reliability-based design model is used to search for an optimal geometry of the dike system given an admissible failure probability. Chapter 5 demonstrates the application of the models proposed in the previous chapter to Vietnam. The case study area is the Nam Dinh coastal flood defence system in the Red River delta of Vietnam. It is found that the existing coastal flood defence system is less safe than its required safety standards. According to the standards the dikes should be designed to provide a target safety of 1/20 per year. However, the total failure probability of the dike system is estimated to be much higher, about 0.15 per year. This corresponds to the occurrence of a failure once in 7 years instead of once in 20 years as intended. Excessive wave overtopping induced dike failure is the dominant failure mode, ii Summary which likely contributes about 44% to the total failure of the dike system. Instability of armour units of the revetments gives an influence of 25%. Overflowing and geotechnical instability of inner slope have smaller, but still a considerable contribution (10 and 20 %, respectively). Piping, geotechnical instability of the outer slope and toe foot instability have a negligible influence on the safety. A sensitivity analysis shows that wave height and water level are the most important loading parameters. The findings are in line with the practical experiences and observations from dike failures in recent years that occurred in the Nam Dinh dike system. The application of the reliability based design model shows that if the existing safety standard (1/20 per year) would be applied, the geometry of the current dikes would be insufficient. For instance, the crest level of the dike required from the reliability based design is 6.80 meters, whereas the existing crest level of the dike is 5.25 to 5.50 meters. An extensive overview of approaches for risk assessment and risk evaluation is given in Chapter 6. In general, risk is defined as the product of probability of occurrence and consequence of disasters to be considered. Regarding flood risk in this study, the consequences are considered in terms of loss of life (individual risk† and societal risk‡) and economic damage (economic risk). A central question in risk management concerns the acceptance of risk by the public and the decision makers. Presently, the acceptable flooding risk is judged from two points of view which relate to the acceptance of inundation consequences. The first is acceptable risk regarding loss of life, which is under judgement of society and individuals. The second is viewed under an economic cost benefit balance. Chapter 7 and Chapter 8 present applications of the theory given in Chapter 6 to the Vietnamese situation. In Chapter 7, an approach for estimation of the level of acceptable flood risk for Vietnam is proposed. The approach is based on earlier framework of Vrijling (2000) in which acceptable risk level is based on characteristics of the activity (benefit, voluntariness) and baseline mortality statistics in a country. In this assessment, first the mortality due to natural causes and daily activities such as traffic is involved. Based on Vietnamese statistics, baseline mortality has been determined including the risks of traffic and living in a flood-prone area in Vietnam. An FN-curve for flooding in Vietnam is constructed showing the probability of accidents with fatalities. Adapting the risk evaluation framework of Vrijling (2000), the national level of acceptable risk of Vietnam is established. Evaluation of the present floods on the national scale shows that acceptable societal risk of Vietnam is five to ten times higher than in the Netherlands. To obtain a risk limit for the Nam Dinh coastal region, the nationally acceptable risk has to be distributed over all the regions in one country. A societal risk limit for Nam Dinh is obtained and it is found that the current level of flood risk exceeds this limit by far. According to the limit the flood risk is acceptable if the low lying coastal region of Nam † Individual risk: The probability (per year) of being killed at a certain location assuming permanent presence of the population. ‡ Societal risk: The probability of exceedance (per year) of an accident with a certain number of fatalities. Societal risk is often shown by means of an FN curve. It displays the probability per year of accidents with N or more fatalities. iii Summary Dinh is protected to a safety standard with exceedance probabilities lower than 1/150 per year. The optimal safety is evaluated based on an economic approach for risk based design in Chapter 8. Historical data on economic loss due to floods in Vietnam is available since 1970. The distribution of these losses can best be approximated by a lognormal distribution and the yearly expected value of the damage equals approximately $US 589x106 per year. This value is comparable with the actual flood damage of Vietnam during the last years (over the the last 10 years the total flood damages on average are about 1.0% of the GDP of Vietnam per year). Economic risk analysis of the Nam Dinh dike ring shows that the safety standard of 1/50 years should be applied to the present economic situation (Situation 1). Because of the fast economic growth and accumulated wealth in the future (Situation 2), a safety standard of 1/100 is proposed. The societal risk of flooding in Nam Dinh as well as in Vietnam appears to be unacceptable according to some existing risk limits that have been referred to literature. These results indicate the necessity of more societal discussion and further studies on the acceptable level of flood risk in Vietnam. The decision has to be made if the current risks are acceptable or additional risk reducing measures are necessary. The methods and results presented in this thesis provide an important input background for making these decisions. Delft, 2010 July 29 Mai Van Cong iv Summary SAMENVATTING♣ Probabilistisch ontwerp van waterkeringen langs de kust van Vietnam In het jaar 2005 werd New Orleans (Verenigde Staten) getroffen door orkaan Katrina. Het was ook een historisch jaar voor Vietnam vanwege de catastrofale impact van tyfoons op de kustverdediging en kustgebieden. In totaal hebben acht tyfoons de Vietnamese kust bereikt. Deze resulteerden in menselijke slachtoffers en enorme economische schade. Als repsons op deze gebeurtenissen hebben de lokale en centrale overheden van Vietnam zeer veel aandacht besteed aan het herstel van de waterkeringen langs de kust en de verbetering van de veiligheid van de kustgebieden. Voor de verbetering van het waterkeringsysteem van Vietnam is de meest recente kennis op verschillende niveaus benodigd. Vietnam heeft uitgebreide praktijkervaring op het gebied van hoogwaterbescherming. Echter, er is een gebrek aan up-to-date kennis over dijkontwerp en de beheersing van overstromingsrisico’s, specifiek voor kustgebieden. Deze studie richt zich op de waterkeringen in de kustgebieden van Vietnam. De doelen betreffen het evalueren van het huidige veiligheidsniveau en de betrouwbaarheid van de waterkeringen, het ontwikkelen van veiligheidsnormen en ontwerprichtlijnen en het formuleren van een voorstel voor de verbetering van de waterkeringen. Om deze doelen te bereiken heeft het onderzoek zich ten eerste gericht op het evalueren, ontwikkelen en verbreden van de toepassing van probabilistisch ontwerpen en risicoanalyse voor waterkeringen (het theorie deel).Vervolgens is, mede in het kader van kennisoverdracht, de voorgestelde aanpak toegepast op het waterkeringssysteem langs de kust van de provincie Nam Dinh in Vietnam. Dit gebied is representatief voor het kustsysteem in Vietnam (het toepassings deel). De belangrijkste onderwerpen die in dit proefschrift zijn behandeld zijn hieronder samengevat. Hoofdstuk 2 geeft een overzicht van het kustgebied, de bestaande wijze van hoogwaterbescherming in Vietnam en een overzicht van het case studie gebied. De kustzone in de delta van de Rode Rivier in Vietnam, waarvoor de case studie is uitgevoerd, wordt bedreigd door rivieroverstromingen, kustoverstromingen en kusterosie. In het gebied hebben waterkeringen langs de kust twee functies, namelijk het beschermen van laaggelegen gebieden tegen overstroming en het beperken van de risico’s voor het achterland door kusterosie. Echter, tijdens recente tyfoons is gebleken dat de waterkeringen langs de kust niet goed functioneren. De sterkte van de keringen is zelfs onvoldoende om hydraulische belastingen die relatief vaak voorkomen te weerstaan. Dit komt (mede) door de onderschatting van de hydraulische belastingen in de huidige praktijk en imperfecties in het ontwerp, de constructie en het beheer en onderhoud van dijksystemen. Een kwalitatieve multi-criteria analyse is ontwikkeld om geschikte strategieën voor kustverdediging van het gebied te bepalen. Er wordt voorgesteld om een combinatie van zeedijken voor be♣ This “Samenvatting” is translated by Bas Jonkman and Wim Kanning (TUDelft) from its English version. v Summary scherming tegen overstromingen, en kusterosie beperkende maatregelen, zoals strandhoofden en zandsuppleties toe te passen om zo een flauwe vooroever the handhaven. Methoden voor de statistische analyse van extreme hydraulische belastingen in het kustgebied zijn ontwikkeld en toegepast (hoofdstuk 3). Hiermee ontstaat een beter begrip van de daadwerkelijke hydraulische belastingen en komt informatie beschikbaar waarmee een betrouwbaarheidsanalyse kan worden uitgevoerd. De beschouwde methoden betreffen technieken voor data beheer (trend analyse, stationariteits testen, seizoenscyclus analyse en peaks-over-threshold analyse) en statistische methoden om de kans op het voorkomen van een extreme waarde (de waarde die wordt overschreden door de willekeurige omgevingsvariabele met een zeer kleine kans) te bepalen. Hydraulische observaties voor de kust van Vietnam zijn beschikbaar over een periode van 35 jaar. Op basis daarvan dient een schatting gemaakt te worden van een ontwerp belasting, bestaande uit golven en stormopzet, die overeen komt met een herhalingstijd van 100 tot 10.000 jaar. De methoden Regionale Frequentie Analyse (RFA) en het fitten met Gemengde Verdelingen zijn gebruikt voor het afleiden van de hydraulische belastingen voor het kustgebied. Om zeker te stellen dat de statistisch voorspelde waarden van de relevante belastingen dicht bij de daadwerkelijke waarden liggen, zijn aanbevelingen gedaan om deze waarden te vergelijken met de resultaten van fysische modelevaluaties van historische gebeurtenissen. Deze zijn gebaseerd op historische kenmerken van tyfoons, zoals de windsnelheid. Hoewel de analyse van zeespiegelstijging niet de focus van deze studie betreft, blijkt dat de zeespiegelstijging lineair verloopt. Op basis van de beschikbare gegevens is de absolute zeespiegelstijging ingeschat op 0,68cm per jaar voor de kust van Nam Dinh. Daarnaast is aanbevolen om de inschatting van zeespiegelstijging niet alleen te baseren op wiskundige extrapolatie van gegevens, maar ook op de langjarige cycli die het zeespiegelniveau bepalen. De theoretische achtergrond van het probabilistisch ontwerp van waterkeringen is beschouwd in hoofdstuk 4. Modellen voor de veiligheidstoetsing en op betrouwbaarheid gebaseerd ontwerp zijn ontwikkeld voor de specifieke toepassing voor waterkeringssystemen langs de kust. In het model voor veiligheidstoetsing zijn probabilistische rekentechnieken gebruikt om de kans op het falen van het systeem en systeemcomponenten te kwantificeren. Het effect van de lengte van het dijkensysteem op de betrouwbaarheid van het systeem is in het model ook meegenomen. Het model voor op betrouwbaarheid gebaseerd ontwerp is gebruikt om een optimale geometrie van het dijksysteem af te leiden uitgaande van een toelaatbare faalkans. Hoofdstuk 5 demonstreert de toepassing voor Vietnam van de modellen die in het vorige hoofdstuk zijn behandeld. Dit is gedaan in een case studie voor de Rode rivier delta in de provincie Nam Dinh in Vietnam. Het blijkt dat het waterkeringsysteem langs de kust minder veilig is dan wordt beoogd met de bestaande ontwerpnormen. Volgens deze normen zouden de dijken ontworpen moeten worden om een veiligheid van 1/20 per jaar te bieden. Echter, de totale faalkans van het dijken system wordt hoger geschat, op ongeveer 0,15 per jaar. Dit komt overeen met het optreden van een faalgeval gemiddeld eens per 7 jaar, in plaats van de beoogde faalkans van eens per 20 jaar. Falen door excessieve golfoverslag is het dominante faalmechanisme en dit draagt voor ongeveer 44% bij aan de faalkans van het totale systeem. Instabiliteit van steenbekledingen draagt 25% bij. Overloop en geotechnische instabiliteit van het binnentalud hebben een kleinere, maar nog vi Summary steeds aanzienlijke bijdrage aan de faalkans (10%, respectievelijk 20%). Piping en geotechnische instabiliteit van het buitenland talud en de dijkteen hebben een verwaarloosbare bijdrage. Uit een gevoeligheidsanalyse blijkt dat de golfhoogte en de waterstand de belangrijkste belasting variabelen zijn. De bevindingen liggen in lijn met praktijkervaringen en observaties betreffende recente dijkdoorbraken in het dijkensysteem van Nam Dinh. De toepassing van het model voor op betrouwbaarheid gebaseerd ontwerp laat zien dat de afmetingen van de bestaande dijken onvoldoende zijn om te voldoen aan de huidige veiligheidsnorm (1/20 per jaar). Het blijkt bijvoorbeeld uit de betrouwbaarheidsgebaseerd ontwerp dat de benodigde kruinhoogte 6.80 meter moet zijn, terwijl de bestaande kruinhoogte 5.25 tot 5.50 meter bedraagt. Een uitgebreid overzicht van methoden voor risicoanalyse en risico evaluatie is gegeven in hoofdstuk 6. Over het algemeen wordt risico gedefinieerd als het product van de kans op het optreden van rampen en de gevolgen daarvan. In deze studie is het overstromingsrisico beschouwd in termen van slachtofferrisico (individueel** en maatschappelijk risico††) en economische schade (economisch risico). Een centrale vraag in risico management betreft de aanvaardbaarheid van risico’s voor het publiek en beleidsmakers. De aanvaardbaarheid van overstromingsrisico’s wordt over het algemeen vanuit twee gezichtspunten beoordeeld. Het eerste betreft de aanvaardbaarheid van slachtofferrisico’s, zowel voor individuen als grote groepen. Het tweede gezichtspunt heeft betrekking op een economische balans van kosten en baten. In hoofdstuk 7 en 8 is de in hoofdstuk 6 gepresenteerde theorie toegepast op Vietnam. In hoofdstuk 7 is een aanpak voor de bepaling van het aanvaardbare niveau van overstromingsrisico’s voor Vietnam voorgesteld. De aanpak is gebaseerd op een eerder raamwerk van Vrijling (2000) waarin het acceptabele risico niveau wordt bepaald op basis van de kenmerken van de activiteit (baten, vrijwilligheid) en statistieken voor sterfte door diverse oorzaken in een land. Hierbij wordt allereerst de sterfte door natuurlijke oorzaken en reguliere activiteiten, zoals deelname aan het verkeer, beschouwd. Op basis van beschikbare statistieken, is de basis sterftekans voor Vietnam bepaald inclusief de risico’s die samenhangen met het verkeer en het leven in overstromingsgevoelige gebieden in Vietnam. Een FN curve voor overstromingen in Vietnam is afgeleid en deze toont de kans op gebeurtenissen met bijbehorende aantallen slachtoffers. Het raamwerk voor risico evaluatie van Vrijling (2000) is aangepast en het nationale acceptabele risiconiveau voor Vietnam is afgeleid. Evaluatie van het overstromingsrisico op nationale schaal laat zien dat het acceptabele maatschappelijk risiconiveau voor Vietnam vijf tot tien maal hoger is dan voor Nederland. Om een risiconorm vast te stellen voor het kustgebied van Nam Dinh, is het nationaal aanvaardbare risico verdeeld over alle regio’s in het land. Hiermee wordt een risiconorm ** Individueel risico: de kans (per jaar) om om het leven te komen op een zekere locatie uitgaande van permanente aanwezigheid van de bevolking. †† Maatschappelijk risico: de overschrijdingskans (per jaar) van een ongeval met meerdere slachtoffers. Maatschappelijk risico wordt vaak afgebeeld in een FN curve. Deze toont de kans per jaar op ongevallen met N of meer slachtoffers. vii Summary voor Nam Dinh verkregen en het blijkt dat het huidige overstromingsrisico ver boven de norm ligt. Volgens de norm is het overstromingsrisico aanvaardbaar als laaggelegen kustgebieden een veiligheidsnorm krijgen van ten minste 1/150 per jaar. Het optimale veiligheidsniveau is geëvalueerd in hoofdstuk 8 op basis van een economische benadering voor risico-gebaseerd ontwerpen. Historische gegevens over economische schade door overstromingen in Vietnam zijn beschikbaar sinds 1970. De statistische verdeling van deze schades kan het best benaderd worden met een lognormale verdeling. De karakteristieke waarde van de jaarlijkse schade is ongeveer gelijk aan $US 589x106 per jaar. Deze waarde is vergelijkbaar met de daadwerkelijk opgetreden schade door overstromingen in Vietnam in recente jaren. Gedurende de laatste tien jaren bedroegen de schades door overstroming gemiddeld 1,5% van het bruto nationaal product van Vietnam. Een economische risicoanalyse (optimalisatie) voor het dijkensysteem van Nam Dinh laat zien dat een veiligheidsnorm van 1/50 per jaar gekozen zou moeten worden uitgaande van de huidige economische situatie. Rekening houdend met snelle economische ontwikkeling in de toekomst wordt een veiligheidsnorm van 1/100 per jaar voorgesteld. Het maatschappelijk risico door overstromingen in Nam Dinh en de rest van Vietnam lijkt niet aanvaardbaar volgens risiconormen die zijn afgeleid op basis van de literatuur. Deze resultaten wijzen op de noodzaak van meer maatschappelijke discussie over en verder onderzoek naar het aanvaardbare niveau van overstromingsrisico’s in Vietnam. Besluitvorming is nodig over de aanvaardbaarheid van de bestaande risico’s en de noodzaak van aanvullende maatregelen. De methoden en resultaten die zijn gepresenteerd in dit proefschrift leveren belangrijke achtergrond informatie aan om deze besluiten te nemen. Delft, 29 juli 2010 Mai Van Cong viii CONTENTS SUMMARY ..................................................................................................................... I CONTENTS ....................................................................................................................9 CHAPTER 1 INTRODUCTION......................................................................................... 15 1.1 General background on flood defences ..................................................................................15 1.2 Developments in the design and safety assessment of flood defences....................................16 1.3 Catalysts in new policy towards flood risk............................................................................18 1.4 Additional stimulus of this research ......................................................................................19 1.5 Probabilistic vs. deterministic approach ...............................................................................19 1.6 Fundamentals of this study ...................................................................................................21 1.6.1 Problem definition ................................................................................................. 21 1.6.2 Study objectives and approach ................................................................................. 21 1.7 Scientific and social relevance ...............................................................................................23 1.7.1 Scientific relevance ................................................................................................ 23 1.7.2 Social relevance ..................................................................................................... 24 1.8 Structure of this thesis ..........................................................................................................24 CHAPTER 2 COASTAL MANAGEMENT AND FLOOD DEFENCES IN VIETNAM ..................... 27 2.1 Flood defences in Vietnam: current situation and design practice .......................................27 2.2 Coastal protection in the Red River Delta: current strategies ..............................................29 2.2.1 Description of study area ........................................................................................ 29 2.2.2 Causes of coastal erosion ........................................................................................ 32 2.2.3 Historical information on coastline changes .............................................................. 34 2.2.4 The year 2005 of typhoons and its consequences ........................................................ 36 2.3 Hydrodynamics in the gulf of Tonkin....................................................................................37 2.4 Longshore sediment transport and coastline changes............................................................38 2.5 Actual safety of the coastal protections ................................................................................40 2.6 Discussion ..............................................................................................................................42 2.7 Conclusions............................................................................................................................45 9 Contents CHAPTER 3 ESTABLISHING THE COASTAL HYDRAULIC CONDITIONS ............................... 47 3.1 Introduction...........................................................................................................................47 3.2 Regional frequency analysis...................................................................................................47 3.3 Data management methods in extreme value analysis..........................................................49 3.3.1 The Annual Maxima (Gumbel) Method .................................................................... 49 3.3.2 Peak-over-threshold in modelling extreme value data.................................................. 50 3.3.3 Trend analysis, stationarity test and detection of seasonality and natural fluctuation .... 51 3.4 Statistical background use in RFA ........................................................................................52 3.4.1 Definitions, steps in RFA and site discordance detection ............................................ 52 3.4.2 L-Moment statistics ............................................................................................... 53 3.4.3 Discordance measure .............................................................................................. 55 3.4.4 Robust distances .................................................................................................... 55 3.5 RFA of extreme sea water level along the Vietnamese East sea coasts.................................57 3.5.1 Extreme sea water level data ................................................................................... 57 3.5.2 Regional frequency analysis of the sea data ............................................................... 58 3.5.3 Discussion on the application of RFA....................................................................... 61 3.6 Statistical model of extreme sea water level at Nam Dinh coast ..........................................62 3.6.1 Introduction .......................................................................................................... 62 3.6.2 Data inspections: rising trend, periodicity and sea level rise........................................ 63 3.6.3 Annual maxima Gumbel to model the extreme ........................................................... 65 3.6.4 Mixed distribution to model the extreme ................................................................... 66 3.6.5 Summary .............................................................................................................. 69 3.7 Combined statistics and physics............................................................................................69 3.7.1 Conceptual model and steps .................................................................................... 69 3.7.2 Example of implementation..................................................................................... 70 3.8 Discussion ..............................................................................................................................73 CHAPTER 4 RELIABILITY-BASED DESIGN: THEORY ....................................................... 75 4.1 Introduction...........................................................................................................................75 4.2 Definition of an engineering system ......................................................................................75 4.3 Reliability of a system component ........................................................................................77 4.3.1 Non linear Z-function and design values................................................................... 81 4.3.2 Non normally distributed basic variables................................................................... 83 4.4 Analysis of a system ..............................................................................................................83 4.4.1 Basic systems ........................................................................................................ 84 4.5 Reliability of a system ...........................................................................................................86 4.6 Length effects and system reliability .....................................................................................89 4.7 4.6.1 Hypothetical case: a dike system comprises one-type cross section ............................... 91 4.6.2 Dike system comprises multi dike sections ................................................................ 96 4.6.3 Correlation distance/scale of fluctuation................................................................... 98 Discussion ..............................................................................................................................99 10 Contents 4.7.1 Application model 1: Reliability safety assessment ..................................................... 99 4.7.2 Application model 2: Reliability based optimal design ................................................100 4.7.3 On the probabilistic models and reliability calculation methods ...................................101 CHAPTER 5 RELIABILITY-BASED DESIGN OF COASTAL FLOOD DEFENCES IN VIETNAM . 109 5.1 Introduction.........................................................................................................................109 5.2 Description of Nam Dinh coastal flood defences .................................................................110 5.3 Possible failure mechanisms of the sea dike systems ...........................................................112 5.4 Physical process-based limit state equations of failure mechanisms ...................................114 5.5 Relibility analysis of the Nam Dinh sea dike system ..........................................................119 5.5.1 Safety assessment .................................................................................................119 5.5.2 Fault tree analysis and system failure probability ......................................................120 5.5.3 Sensitivity analysis of stochastic variables................................................................122 5.5.4 Section length effects .............................................................................................124 5.5.5 System length effects .............................................................................................129 5.5.6 Total failure probability of Hai Hau dike system .......................................................131 5.5.7 Translation of system safety to design frequency of cross sections...............................132 5.5.8 Total failure probability of Nam Dinh coastal flood defence system..............................134 5.5.9 Reliability-based design ..........................................................................................135 5.6 Discussion ............................................................................................................................137 CHAPTER 6 RISK ANALYSIS CONCEPTS AND RISK-BASED DESIGN: THEORY REVIEW ..... 141 6.1 Historical development of risk analysis and risk management ............................................141 6.2 Recent developments in risk analysis ..................................................................................143 6.2.1 Overview..............................................................................................................143 6.2.2 What is risk? Risk definition and presentation .........................................................144 6.2.3 Discussion of risk measures for loss of life ...............................................................146 6.2.4 Damage (economic) risk ........................................................................................149 6.2.5 Flood risk.............................................................................................................149 6.2.6 Risk perception .....................................................................................................150 6.2.7 Risk acceptance.....................................................................................................151 6.3 Development of flood risk policy in the Dutch situation ....................................................152 6.3.1 Overview..............................................................................................................152 6.3.2 Framework for determination of acceptable risk due to floods .....................................153 6.3.3 Individual risk ......................................................................................................154 6.3.4 Societal risk .........................................................................................................155 6.3.5 Estimation of potential loss of life due to floods ........................................................158 6.3.6 Economic optimisation ..........................................................................................160 6.4 Discussion ............................................................................................................................162 6.4.1 Risk related to loss of life .......................................................................................162 6.4.2 Economic risk based approach ................................................................................163 11 Contents 6.4.3 An adapted economic risk-based framework for flood defences in Vietnam ...................164 CHAPTER 7 RISK EVALUATION AND ACCEPTABLE RISK IN THE VIETNAMESE SITUATION ................................................................................................................................ 167 7.1 Introduction.........................................................................................................................167 7.2 Assessment of actual risks and present safety standard ......................................................167 7.2.1 Present risks due to (all possible) natural causes ......................................................168 7.2.2 National acceptable risk levels: Safety standard for Vietnam ......................................168 7.2.3 Present risk due to traffic accidents ........................................................................169 7.2.4 Historical loss of life due to storms and floods in Vietnam.........................................170 7.2.5 Discussion ...........................................................................................................172 7.3 Loss of life due to flooding in Vietnam ...............................................................................173 7.3.1 Individual risk for coastal flooding in Vietnam .........................................................173 7.3.2 Societal risk due to flood on a country level..............................................................174 7.4 Case study: analysis of flood risk in Nam Dinh coastal zone..............................................179 7.4.1 Loss of life estimates for Nam Dinh coastal zone ......................................................179 7.4.2 Acceptable flood risk for Nam Dinh coastal zone .......................................................184 7.4.3 Discussion ...........................................................................................................186 CHAPTER 8 APPLICATION OF ECONOMIC RISK-BASED DESIGN..................................... 187 8.1 Economic losses of Vietnam due to flooding .......................................................................187 8.2 Boundary conditions............................................................................................................ 188 8.2.1 Cost estimates ......................................................................................................188 8.2.2 Sea water levels ....................................................................................................189 8.2.3 Dike height in relation to exceedance frequency of water level.....................................190 8.3 Economic optimisation of Nam Dinh sea flood defences.....................................................191 8.3.1 Cost optimal function............................................................................................191 8.3.2 General assumptions .............................................................................................192 8.3.3 Determination of potential economic risk.................................................................193 8.3.4 Summary of the results ..........................................................................................193 8.3.5 Sensitivity analysis................................................................................................195 8.4 Extension of the van Dantzig model ...................................................................................197 8.4.1 Basic case: van Dantzig model (1956) .....................................................................197 8.4.2 Protected area with inland slope..............................................................................200 8.4.3 Sensitivity analysis................................................................................................204 8.5 Discussion ............................................................................................................................205 CHAPTER 9 CONCLUSIONS AND RECOMMENDATIONS .................................................. 207 9.1 Conclusions..........................................................................................................................207 9.1.1 General ...............................................................................................................207 9.1.2 Establishment of hydraulic boundary conditions for coastal areas...............................208 12