Development of a coastal vulnerability assessment model: application in the pilot area of the Gulf of Patras, Greece

Abstract

In this Doctoral thesis, a thorough investigation was conducted to assess various coastal hazards affecting the Gulf of Patras coastal zone, extending from the city of Patras to the cape of Araxos in Western Greece. Within this framework, two hazards were identified: coastal erosion and soil liquefaction. For both hazards, calculations were performed using indices, specifically the Coastal Vulnerability Index (CVI) for coastal erosion and the Liquefaction Potential Index (LPI) for soil liquefaction. Among the two hazards, coastal erosion was considered more significant, necessitating an in-depth exploration of its impacts on the coastal zone of the investigation area. The primary objective of this thesis was to develop a methodological approach for coastal vulnerability assessment that could be applied along the shoreline of the Gulf of Patras and more generally in similar areas at a local scale. Consequently, a new Coastal Vulnerability Index (CVI) was created adapted to the specific conditions of the area, using seven variables with different effectiveness in the investigation area. The new index was named Geotechnical Coastal Vulnerability Index (GCVI) due to the highest importance given to the geotechnical variable. At the end, the developed index and the overall methodology, is considered as an attempt for the creation of a holistic model for the calculation of vulnerability against coastal erosion at a local scale. According to the GCVI results for both FAHP and PCA indicates that the greatest part of the study’s area shoreline is under the regime of high and very high vulnerability. Comparison between of the GCVIFAHP and GCVIPCA results indicates higher rates in the high and very high vulnerability classes for the GCVIFAHP, while the GCVIPCA shows lower rates in the same classes. The reason is that the GCVIPCA gives more importance on the wave height and tidal range parameters in comparison with GCVIFAHP. Furthermore, the GCVIFAHP and GCVIPCA exhibit similar vulnerability regimes in some parts of the investigation area, especially in the high vulnerability zones. In general, GCVIFAHP and GCVIPCA are identical in their vulnerability indications, with the exception of some parts along the shoreline area, upon which GCVIPCA is more conservative in terms of vulnerability. Both analytical methods were used for the validation of the GCVI results and the comparison between them showed that the PCA was more efficient than the FAHP since it was coincided better with the rates of historical shoreline movement and bed level change. Furthermore, the sensitivity analysis of the GCVI results indicated small rates of change in the GCVIFAHP and GCVIPCA variables for each 4% change in weight, which exhibit stability in GCVI outcomes even with significant percentage changes (±20%).Another key objective of this PhD Thesis was to explore the potential for soil liquefaction. For this reason, Geotechnical in-situ tests, including Standard Penetration Tests (SPT) and Cone Penetration Tests (CPT), were carried along the shoreline of the investigation to calculate the safety factor (FS) and the Liquefaction Potential Index (LPI) for three different earthquake scenarios. This resulted to the construction of LPI distribution maps for the entire area, that are very helpful for urban planners and engineers to design safely infrastructure and buildings along the shoreline and develop future touristic activities for its economic growth. In conclusion, this thesis presents an innovative and comprehensive methodology for developing a Geotechnical Coastal Vulnerability Index, addressing uncertainties and validating results. The application in the Gulf of Patras showcases the potential of GCVI as a valuable tool for coastal hazard assessment and management.

Σε αυτή τη διδακτορική διατριβή, διεξήχθη ενδελεχής έρευνα για την αξιολόγηση διαφόρων παράκτιων κινδύνων που επηρεάζουν την παράκτια ζώνη του Πατραϊκού Κόλπου, που εκτείνεται από την πόλη της Πάτρας έως το ακρωτήριο του Αράξου στη Δυτική Ελλάδα. Στο πλαίσιο αυτό, εντοπίστηκαν δύο κίνδυνοι: η διάβρωση των ακτών και η ρευστοποίηση του εδάφους. Και για τους δύο κινδύνους, οι υπολογισμοί πραγματοποιήθηκαν με τη χρήση δεικτών, και συγκεκριμένα του Παράκτιου Δείκτη Τρωτότητας (CVI) για τη διάβρωση των ακτών και του δείκτη δυναμικού ρευστοποιήσης (LPI) για τη ρευστοποίηση του εδάφους. Μεταξύ των δύο κινδύνων, η παράκτια διάβρωση θεωρήθηκε πιο σημαντική, γεγονός που καθιστά αναγκαία τη διερεύνηση σε βάθος των επιπτώσεών της στην παράκτια ζώνη της περιοχής έρευνας. Πρωταρχικός στόχος της παρούσας διπλωματικής εργασίας ήταν η ανάπτυξη μιας μεθοδολογικής προσέγγισης για την εκτίμηση της παράκτιας τρωτότητας που θα μπορούσε να εφαρμοστεί κατά μήκος της ακτογραμμής του Πατραϊκού Κόλπου και γενικότερα σε παρόμοιες περιοχές σε τοπική κλίμακα. Κατά συνέπεια, δημιουργήθηκε ένας νέος δείκτης παράκτιας τρωτότητας (CVI) προσαρμοσμένος στις ιδιαίτερες συνθήκες της περιοχής, χρησιμοποιώντας επτά μεταβλητές με διαφορετική αποτελεσματικότητα στην περιοχή έρευνας. Ο νέος δείκτης ονομάστηκε γεωτεχνικός δείκτης παράκτιας τρωτότητας (GCVI) λόγω της μεγαλύτερης σημασίας που δόθηκε στη γεωτεχνική μεταβλητή. Τέλος, ο αναπτυγμένος δείκτης και η συνολική μεθοδολογία, θεωρείται ως μια προσπάθεια για τη δημιουργία ενός ολιστικού μοντέλου για τον υπολογισμό της παράκτιας τρωτότητας έναντι διάβρωσης των ακτών σε τοπική κλίμακα. Σύμφωνα με τα αποτελέσματα του GCVI τόσο για το FAHP όσο και για το PCA υποδεικνύουν ότι το μεγαλύτερο μέρος της ακτογραμμής της περιοχής της μελέτης βρίσκεται υπό καθεστώς υψηλής και πολύ υψηλής τρωτότητας. Η σύγκριση μεταξύ των αποτελεσμάτων GCVIFAHP και GCVIPCA δείχνει υψηλότερα ποσοστά στις τάξεις υψηλής και πολύ υψηλής ευπάθειας για το GCVIFAHP, ενώ το GCVIPCA δείχνει χαμηλότερα ποσοστά στις ίδιες κατηγορίες. Ο λόγος είναι ότι το GCVIPCA δίνει μεγαλύτερη σημασία στις παραμέτρους του ύψους κύματος και του παλιρροιακού εύρους σε σχέση με το GCVIFAHP. Επιπλέον, το GCVIFAHP και το GCVIPCA παρουσιάζουν παρόμοια καθεστώτα τρωτότητας σε ορισμένα σημεία της περιοχής έρευνας, ειδικά στις ζώνες υψηλής ευπάθειας. Γενικά, το GCVIFAHP και το GCVIPCA έχουν παρόμοια συμπεριφορά στις ενδείξεις τρωτότητας, με εξαίρεση ορισμένα τμήματα κατά μήκος της ακτογραμμής, στα οποία το GCVIPCA είναι πιο συντηρητικό όσον αφορά την ευπάθεια.Και οι δύο αναλυτικές μέθοδοι χρησιμοποιήθηκαν για την επικύρωση των αποτελεσμάτων GCVI και η σύγκριση μεταξύ τους έδειξε ότι το PCA ήταν πιο αποτελεσματική από την FAHP, καθώς συνέπεσε καλύτερα με τους ρυθμούς της ιστορικής μεταβολής της ακτογραμμής και της μεταβολής του πυθμένα. Επιπλέον, η ανάλυση ευαισθησίας των αποτελεσμάτων GCVI έδειξε μικρούς ρυθμούς μεταβολής στις μεταβλητές GCVIFAHP και GCVIPCA για κάθε αλλαγή βάρους 4%, που παρουσιάζουν σταθερότητα στα αποτελέσματα GCVI ακόμη και με σημαντικές ποσοστιαίες μεταβολές (±20%). Ένας άλλος βασικός στόχος αυτής της διδακτορικής διατριβής ήταν η διερεύνηση του δυναμικού ρευστοποίησης του εδάφους. Για το λόγο αυτό, πραγματοποιήθηκαν επί τόπου γεωτεχνικές δοκιμές, συμπεριλαμβανομένων των Δοκιμών Πρότυπης Διείσδυσης (SPT) και των Δοκιμών Στατικής Πενετρομέτρησης Κώνου (CPT), κατά μήκος της ακτογραμμής της έρευνας για τον υπολογισμό του συντελεστή ασφαλείας (FS) και του δείκτη δυναμικού ρευστοποίησης (LPI) για τρία διαφορετικά σενάρια σεισμού. Αυτό είχε ως αποτέλεσμα την κατασκευή χαρτών κατανομής LPI για ολόκληρη την περιοχή, που είναι πολύ χρήσιμοι για τους μηχανικούς , ώστε να σχεδιάσουν με ασφάλεια υποδομές και κτίρια κατά μήκος της ακτογραμμής και να αναπτύξουν μελλοντικές τουριστικές δραστηριότητες για την οικονομική της ανάπτυξη. Συμπερασματικά, η παρούσα διατριβή παρουσιάζει μια καινοτόμο και περιεκτική μεθοδολογία για την ανάπτυξη του Γεωτεχνικού Δείκτη Παράκτιας Τρωτότητας, την αντιμετώπιση των αβεβαιοτήτων και την επικύρωση των αποτελεσμάτων. Η εφαρμογή στον Πατραϊκό Κόλπο αναδεικνύει τις δυνατότητες του GCVI ως πολύτιμου εργαλείου για την αξιολόγηση και τη διαχείριση παράκτιων κινδύνων.