Change search
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf
Design Flood Estimation: Exploring the Potentials and Limitations of Two Alternative Approaches
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL. Centre of Natural Hazards and Disaster Science (CNDS), Uppsala, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-5880-607X
Centre of Natural Hazards and Disaster Science (CNDS), Uppsala, Sweden; Institute of Hydraulic Engineering and Water Resources Management, TU Vienna, Vienna, Austria.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences. Centre of Natural Hazards and Disaster Science (CNDS), Uppsala, Sweden.
Uppsala University, Disciplinary Domain of Science and Technology, Earth Sciences, Department of Earth Sciences, LUVAL. Centre of Natural Hazards and Disaster Science (CNDS), Uppsala, Sweden.ORCID iD: 0000-0002-8180-4996
2019 (English)In: Water, E-ISSN 2073-4441, Vol. 11, no 4, article id 729Article in journal (Refereed) Published
Abstract [en]

The design of flood defence structures requires the estimation of flood water levels corresponding to a given probability of exceedance, or return period. In river flood management, this estimation is often done by statistically analysing the frequency of flood discharge peaks. This typically requires three main steps. First, direct measurements of annual maximum water levels at a river cross-section are converted into annual maximum flows by using a rating curve. Second, a probability distribution function is fitted to these annual maximum flows to derive the design peak flow corresponding to a given return period. Third, the design peak flow is used as input to a hydraulic model to derive the corresponding design flood level. Each of these three steps is associated with significant uncertainty that affects the accuracy of estimated design flood levels. Here, we propose a simulation framework to compare this common approach (based on the frequency analysis of annual maximum flows) with an alternative approach based on the frequency analysis of annual maximum water levels. The rationale behind this study is that high water levels are directly measured, and they often come along with less uncertainty than river flows. While this alternative approach is common for storm surge and coastal flooding, the potential of this approach in the context of river flooding has not been sufficiently explored. Our framework is based on the generation of synthetic data to perform a numerical experiment and compare the accuracy and precision of estimated design flood levels based on either annual maximum river flows (common approach) or annual maximum water levels (alternative approach).

Place, publisher, year, edition, pages
2019. Vol. 11, no 4, article id 729
Keywords [en]
Design flood, Design flood levels
National Category
Water Engineering
Research subject
Hydrology
Identifiers
URN: urn:nbn:se:uu:diva-390325DOI: 10.3390/w11040729ISI: 000473105700099OAI: oai:DiVA.org:uu-390325DiVA, id: diva2:1341444
Projects
Hydraulic EngineeringAvailable from: 2019-08-08 Created: 2019-08-08 Last updated: 2019-09-09Bibliographically approved
In thesis
1. Design flood estimation under uncertainty
Open this publication in new window or tab >>Design flood estimation under uncertainty
2019 (English)Doctoral thesis, comprehensive summary (Other academic)
Abstract [sv]

Att bestämma dimensionerande flöden, d.v.s. sannolikheten för att vat-tenföringen i ett vattendrag överskrider ett givet värde, är ett allmänt hydrologiskt problem som exempelvis används för att utvärdera över-svämningsrisker i vattendrag samt för att dimensionera hydrauliska kon-struktioner. Vanliga tillvägagångsätt för att bestämma dimensionerande flöden är baserade på: (i) hydrologiska metoder (t.ex. avrinningsmodel-lering), eller (ii) statistiska metoder (t.ex. anpassning av en sannolikhets-fördelning till en tidsserie med årliga vattenföringstoppar). I denna av-handling så jämförs dessa två tillvägagångssätt då olika osäkerhetskällor för dimensionerande flöden tillgodoses; valet av tillvägagångsätt, osä-kerhet i modellens uppbyggnad, osäkerheter i vattenföringsmätningar, samt mätfrekvens av dimensionerande flöden, begrundades i denna avhandling. Sannolikhetsfördelningen av vattenföringen i ett hypotetisk vattendrag antogs vara känt sedan tidigare; en uppsättning av virtuella experiment (’numeriska experiment där modellen antas vara sann och beskriva den modellerade processen korrekt’) utvecklades och tillämpa-des för båda tillvägagångssätten som utvärderades utifrån hur väl de uppskattade den sedan tidigare kända sannolikhetsfördelningen av vat-tenföringen. Resultaten visar att användningen av enklare avrinnings-modeller för att bestämma dimensionerande flöden har en lägre osäker-het än då statistiska metoder används, även för längre återkomstperi-oder. Båda tillvägagångsätten bör dock användas som komplement till varandra för att bestämma dimensionerande flöden, givet osäkerheten i båda.

Abstract [sv]

Att bestämma dimensionerande flöden, d.v.s. sannolikheten för att vat-tenföringen i ett vattendrag överskrider ett givet värde, är ett allmänt hydrologiskt problem som exempelvis används för att utvärdera över-svämningsrisker i vattendrag samt för att dimensionera hydrauliska kon-struktioner. Vanliga tillvägagångsätt för att bestämma dimensionerande flöden är baserade på: (i) hydrologiska metoder (t.ex. avrinningsmodel-lering), eller (ii) statistiska metoder (t.ex. anpassning av en sannolikhets-fördelning till en tidsserie med årliga vattenföringstoppar). I denna av-handling så jämförs dessa två tillvägagångssätt då olika osäkerhetskällor för dimensionerande flöden tillgodoses; valet av tillvägagångsätt, osä-kerhet i modellens uppbyggnad, osäkerheter i vattenföringsmätningar, samt mätfrekvens av dimensionerande flöden, begrundades i denna avhandling. Sannolikhetsfördelningen av vattenföringen i ett hypotetisk vattendrag antogs vara känt sedan tidigare; en uppsättning av virtuella experiment (’numeriska experiment där modellen antas vara sann och beskriva den modellerade processen korrekt’) utvecklades och tillämpa-des för båda tillvägagångssätten som utvärderades utifrån hur väl de uppskattade den sedan tidigare kända sannolikhetsfördelningen av vat-tenföringen. Resultaten visar att användningen av enklare avrinnings-modeller för att bestämma dimensionerande flöden har en lägre osäker-het än då statistiska metoder används, även för längre återkomstperi-oder. Båda tillvägagångsätten bör dock användas som komplement till varandra för att bestämma dimensionerande flöden, givet osäkerheten i båda.

Abstract [no]

A common task in hydrology is the estimation of the design flood, i.e. a value of river discharge corresponding to a given exceedance probability that is often expressed as a return period in years. Flood risk assessment, floodplain mapping and the design of hydraulic structures are a few examples of applications where estimates of design floods are required. Common approaches for estimating a design flood are based on: (i) hydrological methods such as continuous simulations with rainfall–runoff models, or (ii) statistical methods, such as the fitting of a probability distribution function to a record of annual maximum values. In this thesis, these alternative approaches are compared in view of the various sources of uncertainties affecting the estimation of the design flood. Since design floods are typically not known a priori, a series of virtual experiments was developed and implemented for both estimation methods, hence the magnitudes and frequencies of the design floods are known ab initio, and the quality of estimates (i.e., in terms of their accuracy and precision) were analysed. These virtual experiments are defined as ‘numerical experiments with a model considered as the truth and best understanding of the modelled processes’. This thesis looked at the influence of method of estimation, model structure uncertainty, errors in the flow data, and sampling on design flood estimation. The results show that design floods estimated by using a simple rainfall-runoff model have small uncertainties (i.e., variance of the errors) even for high return periods compared to statistical methods. Statistical methods performed better than the simple rainfall-runoff model in terms of median errors for high return periods, but their uncertainty (i.e. variance of the error) is larger. The thesis concludes that given the sources of uncertainty of statistical and hydrological methods, they both should be applied as complementary.

Place, publisher, year, edition, pages
Uppsala: Acta Universitatis Upsaliensis, 2019. p. 47
Series
Digital Comprehensive Summaries of Uppsala Dissertations from the Faculty of Science and Technology, ISSN 1651-6214 ; 1832
Keywords
Dimensionerande flöden, osäkerheter, avrinningsmodellering, frekvens analys., Dimensionerande flöden, osäkerheter, avrinningsmodellering, frekvens analys., Design flood, uncertainty, rainfall-runoff, frequency analysis.
National Category
Oceanography, Hydrology and Water Resources
Research subject
Hydrology
Identifiers
urn:nbn:se:uu:diva-390362 (URN)978-91-513-0706-0 (ISBN)
Public defence
2019-09-27, Hambergsalen Geocentrum, Villavägen 16, Uppsala, 10:00 (English)
Opponent
Supervisors
Available from: 2019-09-04 Created: 2019-08-08 Last updated: 2019-09-17

Open Access in DiVA

fulltext(2864 kB)66 downloads
File information
File name FULLTEXT01.pdfFile size 2864 kBChecksum SHA-512
2fd3b6b333b636f0950f3553ce799b3f08f8303a023174b0ad2c83191726f8f3aaed09a5ad2c390a73cea6699182b200a52c74c52c111cc04790a4e2d3e5c9c1
Type fulltextMimetype application/pdf

Other links

Publisher's full text

Search in DiVA

By author/editor
Okoli, KenechukwuMazzoleni, MaurizioDi Baldassarre, Giuliano
By organisation
LUVALDepartment of Earth Sciences
Water Engineering

Search outside of DiVA

GoogleGoogle Scholar
Total: 66 downloads
The number of downloads is the sum of all downloads of full texts. It may include eg previous versions that are now no longer available

doi
urn-nbn

Altmetric score

doi
urn-nbn
Total: 77 hits
CiteExportLink to record
Permanent link

Direct link
Cite
Citation style
  • apa
  • ieee
  • modern-language-association-8th-edition
  • vancouver
  • Other style
More styles
Language
  • de-DE
  • en-GB
  • en-US
  • fi-FI
  • nn-NO
  • nn-NB
  • sv-SE
  • Other locale
More languages
Output format
  • html
  • text
  • asciidoc
  • rtf