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Catchment- and event-type specific synthetic design hydrographs : estimation, characterization, regionalization, and uncertainty


Brunner, Manuela Irene. Catchment- and event-type specific synthetic design hydrographs : estimation, characterization, regionalization, and uncertainty. 2018, University of Zurich, Faculty of Science.

Abstract

Design flood estimates are needed in hydraulic design for the construction of dams and retention basins and in flood management for drawing hazard maps or modeling inundation areas. Traditionally, such design floods have been expressed in terms of peak discharge estimated in a univariate flood frequency analysis. However, design or flood management tasks involving storage, in addition to peak discharge, also require information on hydrograph vol- ume, duration, and shape. A bivariate flood frequency analysis allows the joint estimation of peak discharge and hydrograph volume and the consideration of their dependence. While such bivariate design quantiles describe the magnitude of a design flood, they lack information on its shape. An attractive way of modeling the whole shape of a design flood is to express a repre- sentative normalized hydrograph shape as a probability density function. The combination of such a probability density function with bivariate design quantiles allows for the construction of a synthetic design hydrograph for a certain return period which describes the magnitude of a flood along with its shape. Such synthetic design hydrographs have the potential to be a useful and simple tool in design flood estimation. However, the use of such hydrographs is faced by the following limitations. First, they rely on the definition of a bivariate return period which is not uniquely defined. Second, they usually describe the specific behavior of a catchment and do not express process variability represented by different flood types. Third, they are neither available for ungauged catchments nor are they usually provided together with an uncertainty estimate. To overcome these limitations, this thesis explores possibilities for the construction of synthetic design hydrographs in gauged and ungauged catchments and ways of representing process variability in design flood construction. Tools are proposed for both catchment- and flood-type specific design hydrograph construction and regionalization, and for the assessment of their uncertainty. The thesis shows that synthetic design hydrographs are a flexible tool allowing for the consideration of different flood or event types in design flood estimation. A comparison of different regionalization methods, including spatial, similarity, and proximity based approaches, showed that catchment-specific design hydrographs can be best regionalized to ungauged catch- ments using linear and nonlinear regression methods. It was further shown that event-type specific design hydrograph sets can be regionalized using a bivariate index flood approach. In such a setting, a functional representation of hydrograph shapes was found to be a useful tool for the delineation of regions with similar flood reactivities. An uncertainty assessment showed that the record length and the choice of the sampling strategy are major uncertainty sources in the construction of synthetic design hydrographs and that this uncertainty propagates through the regionalization process. This thesis highlights that an ensemble-based design flood approach allows for the consideration of different flood types and runoff processes. This is a step from flood frequency statistics to flood frequency hydrology which allows for the consideration of process variability and therefore better-informed decision making.

Für hydraulische Problemstellungen und im Hochwassermanagement werden Bemessungshochwasser benötigt. Sie sind wichtig für die Planung von Dämmen und Retentionsbecken, um Gefahrenkarten zu erstellen und um Überflutungsflächen zu berechnen. Üblicherweise werden solche Bemessungshochwasser mit dem Wert der Hochwasserspitze ausgedrückt und mittels einer univariaten Analyse abgeschätzt. Für die Bemessung hydraulischer Strukturen oder Hochwassermanagementaufgaben werden aber zusätzlich zu der Hochwasserspitze auch Informationen über das Hochwasservolumen, die Dauer des Hochwassers und über die Form der Hochwasserganglinie benötigt. Eine bivariate Analyse erlaubt die gemeinsame Abschätzung von Hochwasserspitzen und –volumen unter Berücksichtigung deren gegenseitigen Abhängigkeit. Solche bivariaten Bemessungsquantile beschreiben die Grösse eines Ereignisses, nicht aber dessen Ganglinie. Die Ganglinie eines Hochwasserereignisses kann modelliert werden, indem ein repräsentativer, normalisierter Hydrograph durch eine Dichtefunktion ausgedrückt wird. Die Kombination einer Dichtefunktion mit bivariaten Bemessungsquantilen erlaubt die Konstruktion einer synthetischen Bemessungsganglinie mit einer bestimmten Wiederkehrperiode. Eine Be- messungsganglinie beschreibt die Grösse eines Hochwassers zusammen mit seiner Form. Solche Bemessungsganglinien erlauben eine einfache Abschätzung von Bemessungshochwassern, haben jedoch einige Limitationen. Erstens stützen sie sich auf eine Definition von einer bivariaten Wiederkehrperiode, welche nicht eindeutig definiert ist. Zweitens beschreiben sie das Verhalten eines Einzugsgebietes als Ganzes und erlauben es nicht die Variabilität von Prozessen in einem Gebiet zu berücksichtigen, welche durch verschiedene Hochwassertypen repräsentiert werden. Drittens sind sie weder für Gebiete ohne Abflussmessungen verfügbar noch werden sie üblicher- weise zusammen mit Unsicherheitsangaben angegeben. In dieser Doktorarbeit wurden deshalb Möglichkeiten zur Konstruktion von synthetischen Bemessungsganglinien untersucht wobei sowohl gemessene als ungemessene Gebiete berücksichtigt wurden. Des Weiteren wurden Mög- lichkeiten untersucht um Prozessvariabilität in der Konstruktion von Bemessungshochwassern zu berücksichtigen. Es wurden Werkzeuge für die Konstruktion von gebiets- und ereigniss- pezifischen Bemessungsganglinien und deren Regionalisierung und Unsicherheitsbeurteilung vorgeschlagen. Die Arbeit hat aufgezeigt, dass synthetische Bemessungsganglinien ein flexibles Werkzeug sind, das die Berücksichtigung von verschiedenen Hochwasser- oder Ereignistypen erlaubt. Ein Vergleich von verschiedenen Regionalisierungsmethoden, der räumliche Methoden, sowie Methoden, die auf Ähnlichkeit oder Nähe basieren umfasste, hat gezeigt, dass gebietsspezi- fische Bemessungsganglinien am besten mit linearen oder nichtlinearen Regressionsmethoden regionalisiert werden können. Es wurde weiter aufgezeigt, dass ereignisspezifische Sets von Bemessungshochwassern mittels eines bivariaten Index Hochwasser Ansatzes regionalisiert werden können. In einem solchen Ansatz hat sich eine funktionale Repräsentation von Gang- linien als nützlich erwiesen, um Regionen mit ähnlichen Hochwasserreaktionen abzugrenzen. Eine Unsicherheitsanalyse hat gezeigt, dass die Länge der zur Verfügung stehenden Datenreihe und die Wahl des Hochwasserauswahlverfahrens die grössten Unsicherheitsquellen in der Konstruktion von Bemessungsganglinien sind und dass sich diese Unsicherheiten durch den Regionalisierungsprozess fortpflanzen. Ein Bemessungshochwasseransatz, der auf mehreren Ganglinien basiert, ermöglicht die Berücksichtigung von verschiedenen Hochwassertypen und Abflussprozessen. Dies ist ein Schritt von einer reinen Hochwasserhäufigkeitsstatistik in Rich- tung Hochwasserhäufigkeitshydrologie, welche den Einbezug von Prozessvariabilität erlaubt und somit die Entscheidungsfindung dank umfassender Information erleichtert.

Abstract

Design flood estimates are needed in hydraulic design for the construction of dams and retention basins and in flood management for drawing hazard maps or modeling inundation areas. Traditionally, such design floods have been expressed in terms of peak discharge estimated in a univariate flood frequency analysis. However, design or flood management tasks involving storage, in addition to peak discharge, also require information on hydrograph vol- ume, duration, and shape. A bivariate flood frequency analysis allows the joint estimation of peak discharge and hydrograph volume and the consideration of their dependence. While such bivariate design quantiles describe the magnitude of a design flood, they lack information on its shape. An attractive way of modeling the whole shape of a design flood is to express a repre- sentative normalized hydrograph shape as a probability density function. The combination of such a probability density function with bivariate design quantiles allows for the construction of a synthetic design hydrograph for a certain return period which describes the magnitude of a flood along with its shape. Such synthetic design hydrographs have the potential to be a useful and simple tool in design flood estimation. However, the use of such hydrographs is faced by the following limitations. First, they rely on the definition of a bivariate return period which is not uniquely defined. Second, they usually describe the specific behavior of a catchment and do not express process variability represented by different flood types. Third, they are neither available for ungauged catchments nor are they usually provided together with an uncertainty estimate. To overcome these limitations, this thesis explores possibilities for the construction of synthetic design hydrographs in gauged and ungauged catchments and ways of representing process variability in design flood construction. Tools are proposed for both catchment- and flood-type specific design hydrograph construction and regionalization, and for the assessment of their uncertainty. The thesis shows that synthetic design hydrographs are a flexible tool allowing for the consideration of different flood or event types in design flood estimation. A comparison of different regionalization methods, including spatial, similarity, and proximity based approaches, showed that catchment-specific design hydrographs can be best regionalized to ungauged catch- ments using linear and nonlinear regression methods. It was further shown that event-type specific design hydrograph sets can be regionalized using a bivariate index flood approach. In such a setting, a functional representation of hydrograph shapes was found to be a useful tool for the delineation of regions with similar flood reactivities. An uncertainty assessment showed that the record length and the choice of the sampling strategy are major uncertainty sources in the construction of synthetic design hydrographs and that this uncertainty propagates through the regionalization process. This thesis highlights that an ensemble-based design flood approach allows for the consideration of different flood types and runoff processes. This is a step from flood frequency statistics to flood frequency hydrology which allows for the consideration of process variability and therefore better-informed decision making.

Für hydraulische Problemstellungen und im Hochwassermanagement werden Bemessungshochwasser benötigt. Sie sind wichtig für die Planung von Dämmen und Retentionsbecken, um Gefahrenkarten zu erstellen und um Überflutungsflächen zu berechnen. Üblicherweise werden solche Bemessungshochwasser mit dem Wert der Hochwasserspitze ausgedrückt und mittels einer univariaten Analyse abgeschätzt. Für die Bemessung hydraulischer Strukturen oder Hochwassermanagementaufgaben werden aber zusätzlich zu der Hochwasserspitze auch Informationen über das Hochwasservolumen, die Dauer des Hochwassers und über die Form der Hochwasserganglinie benötigt. Eine bivariate Analyse erlaubt die gemeinsame Abschätzung von Hochwasserspitzen und –volumen unter Berücksichtigung deren gegenseitigen Abhängigkeit. Solche bivariaten Bemessungsquantile beschreiben die Grösse eines Ereignisses, nicht aber dessen Ganglinie. Die Ganglinie eines Hochwasserereignisses kann modelliert werden, indem ein repräsentativer, normalisierter Hydrograph durch eine Dichtefunktion ausgedrückt wird. Die Kombination einer Dichtefunktion mit bivariaten Bemessungsquantilen erlaubt die Konstruktion einer synthetischen Bemessungsganglinie mit einer bestimmten Wiederkehrperiode. Eine Be- messungsganglinie beschreibt die Grösse eines Hochwassers zusammen mit seiner Form. Solche Bemessungsganglinien erlauben eine einfache Abschätzung von Bemessungshochwassern, haben jedoch einige Limitationen. Erstens stützen sie sich auf eine Definition von einer bivariaten Wiederkehrperiode, welche nicht eindeutig definiert ist. Zweitens beschreiben sie das Verhalten eines Einzugsgebietes als Ganzes und erlauben es nicht die Variabilität von Prozessen in einem Gebiet zu berücksichtigen, welche durch verschiedene Hochwassertypen repräsentiert werden. Drittens sind sie weder für Gebiete ohne Abflussmessungen verfügbar noch werden sie üblicher- weise zusammen mit Unsicherheitsangaben angegeben. In dieser Doktorarbeit wurden deshalb Möglichkeiten zur Konstruktion von synthetischen Bemessungsganglinien untersucht wobei sowohl gemessene als ungemessene Gebiete berücksichtigt wurden. Des Weiteren wurden Mög- lichkeiten untersucht um Prozessvariabilität in der Konstruktion von Bemessungshochwassern zu berücksichtigen. Es wurden Werkzeuge für die Konstruktion von gebiets- und ereigniss- pezifischen Bemessungsganglinien und deren Regionalisierung und Unsicherheitsbeurteilung vorgeschlagen. Die Arbeit hat aufgezeigt, dass synthetische Bemessungsganglinien ein flexibles Werkzeug sind, das die Berücksichtigung von verschiedenen Hochwasser- oder Ereignistypen erlaubt. Ein Vergleich von verschiedenen Regionalisierungsmethoden, der räumliche Methoden, sowie Methoden, die auf Ähnlichkeit oder Nähe basieren umfasste, hat gezeigt, dass gebietsspezi- fische Bemessungsganglinien am besten mit linearen oder nichtlinearen Regressionsmethoden regionalisiert werden können. Es wurde weiter aufgezeigt, dass ereignisspezifische Sets von Bemessungshochwassern mittels eines bivariaten Index Hochwasser Ansatzes regionalisiert werden können. In einem solchen Ansatz hat sich eine funktionale Repräsentation von Gang- linien als nützlich erwiesen, um Regionen mit ähnlichen Hochwasserreaktionen abzugrenzen. Eine Unsicherheitsanalyse hat gezeigt, dass die Länge der zur Verfügung stehenden Datenreihe und die Wahl des Hochwasserauswahlverfahrens die grössten Unsicherheitsquellen in der Konstruktion von Bemessungsganglinien sind und dass sich diese Unsicherheiten durch den Regionalisierungsprozess fortpflanzen. Ein Bemessungshochwasseransatz, der auf mehreren Ganglinien basiert, ermöglicht die Berücksichtigung von verschiedenen Hochwassertypen und Abflussprozessen. Dies ist ein Schritt von einer reinen Hochwasserhäufigkeitsstatistik in Rich- tung Hochwasserhäufigkeitshydrologie, welche den Einbezug von Prozessvariabilität erlaubt und somit die Entscheidungsfindung dank umfassender Information erleichtert.

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Item Type:Dissertation (monographical)
Referees:Seibert Jan, Favre Anne-Catherine, Furrer Reinhard
Communities & Collections:07 Faculty of Science > Institute of Geography
UZH Dissertations
Dewey Decimal Classification:910 Geography & travel
Language:English
Place of Publication:Zürich
Date:2018
Deposited On:25 Jan 2019 12:51
Last Modified:25 Sep 2019 00:15
Number of Pages:244
OA Status:Green
Related URLs:https://www.recherche-portal.ch/primo-explore/fulldisplay?docid=ebi01_prod011191808&context=L&vid=ZAD&search_scope=default_scope&tab=default_tab&lang=de_DE (Library Catalogue)

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