Multi-hazard modelling of hydro-geomorphological events for early warning systems. Application to the Val d’Aran (Central Pyrenees, Spain)
(English) Hydro-geomorphological hazards such as floods and rainfall-induced landslides frequently co-occur in mountainous regions, driven by shared meteorological forcing but governed by distinct hydrological and geotechnical mechanisms. Improving their anticipation requires modelling frameworks capable of consistently representing subsurface hydrological conditioning and its interaction with transient triggering processes. This thesis develops and evaluates a physically based, forecast-driven multi-hazard modelling framework for early warning applications in the Upper Garonne River Basin (Val d’Aran, Central Pyrenees, Spain). The research progresses through three interconnected stages. First, an event-based slope stability model is enhanced through a novel multi-objective calibration strategy that explicitly represents both antecedent and final slope stability conditions. Results demonstrate that inadequate representation of subsurface hydrological states leads to physically inconsistent pre-event instability, highlighting the sensitivity of slope response to antecedent moisture conditions. Building on this finding, a continuous distributed hydrological–geotechnical modelling system (SCLAM) is developed to dynamically simulate snowmelt, rainfall–runoff processes, groundwater redistribution, and slope stability within a unified framework. By replacing externally imposed antecedent conditions with internally simulated hydrological states, the model improves physical consistency and identifies Baseflow Excess as a main indicator of destabilizing subsurface conditions. The coupled framework is subsequently extended into a prototype multi-hazard early warning system integrating flood and landslide forecasting under bias-corrected ensemble meteorological forcings. The system operates at 30 m spatial resolution over more than one million grid cells and completes a full forecast-driven multi-hazard simulation cycle in approximately one minute, demonstrating its operational feasibility under real-time constraints. Results show that flood hazard responds primarily to short-term precipitation intensity, whereas landslide hazard is governed by cumulative subsurface conditioning. The asymmetric yet conditionally coupled behaviour of both hazards underscores the necessity of a unified, state-based modelling approach. Overall, this research demonstrates that physically consistent and computationally efficient multi-hazard modelling is feasible for operational early warning in mountainous regions, providing a transferable framework that links improved subsurface representation, hydro-geotechnical coupling, and forecast-driven implementation. (Català) Els perills hidrogeomorfològics, com les inundacions i les esllavissades desencadenades per la pluja, ocorren sovint en regions muntanyoses, i estan impulsats per un mateix esdeveniment meteorològic però es regeixen per mecanismes hidrològics i geotècnics diferents. La seva anticipació requereix marcs de modelització capaços de representar de manera consistent el condicionament hidrològic del subsol i la seva interacció amb processos d’activació transitoris. Aquesta tesi desenvolupa i avalua un marc de modelització multiperill, basat en models físics i orientat a la predicció, per a la seva aplicació en un sistema d’alerta a la capçalera de la conca del riu Garona (Val d’Aran, Pirineus Centrals, Espanya). La recerca s’estructura en tres etapes. En primer lloc, es millora el model d’estabilitat de vessants basat en esdeveniments mitjançant una estratègia de calibració multiobjectiu que representa explícitament les condicions prèvies i finals d’estabilitat. Els resultats mostren que una representació inadequada dels estats hidrològics del subsol condueix a inestabilitats que són físicament inconsistents abans de l’episodi de pluja desencadenant, posant en evidència la sensibilitat a la humitat antecedent. A partir d’aquest resultat, es desenvolupa un sistema continu i distribuït de modelització hidrològica–geotècnica (SCLAM) que simula el desgel, l’escorrentiu, la redistribució de les aigües subterrànies i l’estabilitat de vessants en un marc unificat. En substituir les condicions antecedents imposades per estats hidrològics simulats, el model millora la coherència física i identifica l'excés de cabal de base com a indicador integrador de les condicions desestabilitzants del subsòl. El marc s’amplia a un prototip de sistema d’alerta primerenca multiperill que integra la predicció d’inundacions i esllavissaments sota esdeveniments meteorològics en conjunt corregits per biaix. El sistema opera a 30 m de resolució sobre més d’un milió de cel·les i completa un cicle de simulació en aproximadament un minut, demostrant la seva viabilitat operativa. Els resultats indiquen que el perill d’inundació respon principalment a la intensitat de la precipitació a curt termini, mentre que el d’esllavissades depèn del condicionant acumulat del subsòl. Aquest comportament asimètric, però acoblat, reforça la necessitat d’un enfocament unificat i basat en estats hidrològics subsuperficials. En conjunt, la tesi demostra que la modelització multiperill és consistent amb la física, computacionalment eficient i és viable per a la seva implementació en sistemes d’alerta de manera operativa en regions muntanyoses, oferint un marc transferible que integra una representació millorada de l’estat hidrològic subsuperficial, l’acoblament hidrogeotècnic i la incorporació de forçaments de predicció meteorològica. (Español) Los peligros hidrogeomorfológicos, como las inundaciones y los deslizamientos inducidos por la lluvia, coocurren con frecuencia en regiones montañosas, impulsados por un forzamiento meteorológico común pero regidos por mecanismos hidrológicos y geotécnicos distintos. Su anticipación requiere marcos de modelización capaces de representar de forma consistente el estado hidrológico del subsuelo y su interacción con los procesos transitorios de su desencadenamiento. Esta tesis desarrolla y evalúa un marco de modelización multi-peligro, físicamente basado y orientado a pronóstico, para aplicaciones de alerta temprana en la cuenca alta del río Garona (Val d’Aran, Pirineos Centrales, España). La investigación se estructura en tres etapas. En primer lugar, se mejora un modelo de estabilidad de laderas basado en eventos mediante una estrategia de calibración multiobjetivo que representa explícitamente las condiciones previas y finales de estabilidad. Los resultados muestran que una representación inadecuada de los estados hidrológicos del subsuelo conduce a la ocurrencia de inestabilidades físicamente inconsistentes antes del evento, evidenciando la sensibilidad a la humedad antecedente. A partir de este resultado, se desarrolla un sistema continuo y distribuido de modelización hidrológico–geotécnica (SCLAM) que simula el deshielo, la escorrentía, la redistribución de aguas subterráneas y la estabilidad de laderas en un marco unificado. Al sustituir las condiciones antecedentes impuestas por estados hidrológicos simulados, el modelo mejora la coherencia física e identifica el exceso de flujo base como principal indicador de condiciones desestabilizadoras del subsuelo. El marco se amplía a un prototipo de sistema de alerta temprana multi-peligro que integra la predicción de inundaciones y deslizamientos a partir de forzamientos meteorológicos corregidos por sesgo. El sistema opera a 30 m de resolución sobre más de un millón de celdas y completa un ciclo de simulación en aproximadamente un minuto, demostrando su viabilidad operativa. Los resultados indican que el peligro de inundación responde principalmente a la intensidad de la precipitación a corto plazo, mientras que el de deslizamientos depende de los estados acumulados antecedente del subsuelo. Este comportamiento asimétrico, pero acoplado, refuerza la necesidad de un enfoque unificado y basado en los estados subsuperficiales. En conjunto, la tesis demuestra que la modelización multi-peligro físicamente consistente y computacionalmente eficiente es viable para la alerta temprana operativa en regiones montañosas, ofreciendo un marco transferible que integra la representación mejorada del estado hidrológico subsuperficial, el acoplamiento hidro-geotécnico y la implementación de forzantes de pronóstico meteorológico.