Extreme flood estimation and runoff processes in alpine catchments

Abstract

Die letzte große Hochwasserkatastrophe in Westösterreich, im Jahr 2005, hat schwere Schäden im Umfang von 600 Millionen EUR verursacht. Um die Auswirkungen solcher Hochwasserkatastrophen in Zukunft zu verringen, müssen Maßnahmen im Rahmen eines integrierten Hochwasserrisikomanagements ergriffen werden. Für viele dieser Maßnahmen ist eine Schätzung von Bemessungshochwässern, extremen Hochwässern mit geringer Auftretenswahrscheinlichkeit, notwendig. Ziel dieser Arbeit ist es, zu einem besseren Verständnis der Prozesse, die zur Entstehung extremer Hochwasserereignisse führen, beizutragen, um damit die Berechnung von Bemessungshochwässern zu erleichtern.<br />Bemessungshochwässer können durch unterschiedliche Methoden ermittelt werden. Sind Pegelmessreihen vorhanden, wird meist eine statistische Auswertung der Jahreshochwässer durchgeführt. In Gebieten ohne gemessene Abflüsse können Bemessungshochwässer über Bemessungsniederschläge durch Niederschlag- Abflussmodellierung bestimmt werden. Beide Methoden führen allerdings für dasselbe Einzugsgebiet oft zu sehr unterschiedlichen Ergebnissen. Im 2. Kapitel dieser Arbeit wurden Bemessungshochwässer, die mit beiden Methoden ermittelt wurden, für zehn alpine Einzugsgebiete in Tirol verglichen und die auftretenden Unterschiede untersucht. Die Ergebnisse zeigen, dass österreichische Bemessungsniederschläge in manchen Fällen wesentlich größer sind als vergleichbare Extremniederschläge aus der Auswertung lokaler Niederschlagsdaten. In diesen Fällen überschätzt die Niederschlag-Abflussmodellierung die Bemessungshochwässer. Ein weiterer Grund für die Unterschiede ist das Auftreten eines Knickes in der Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilung in kleinen Einzugsgebieten. Dieser Knick entsteht durch einen Schwellenwertprozess, wenn große Teile eines Einzugsgebietes eine ähnliche, große Speicherfähigkeit haben, welche bei einem bestimmten Niederschlagsvolumen überschritten wird. Eine Hochwasserstatistik erfasst diese Prozesse in der Regel nicht, vor allem wenn die Pegelmessreihen kurz sind. In solchen Fällen werden die Bemessungshochwässer durch die statistische Analyse unterschätzt. Im 3. Kapitel dieser Arbeit wurden die Prozesse, die zur Entstehung eines Knickes in der Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilung führen, genauer untersucht. Mit Hilfe detaillierter hydrogeologischer Daten wurde die räumliche Verteilung der Bodenspeicher in zwei Einzugsgebieten bestimmt. Dadurch kann die Jährlichkeit, bei welcher der Knick auftritt, ermittelt werden. Im 4. Kapitel wurde eine Sensitivitätsanalyse des Knickes gegenüber räumlichen und zeitlichen Faktoren, die die Speicherfähigkeit beeinflussen, durchgeführt. Für die Analyse wurde ein hypothetisches Einzugsgebiet angenommen, in dem die Abflussentstehung durch Sättigungsflächenabfluss bestimmt wird und es eine permanent gesättigte Region und eine Region mit großer Speicherfähigkeit gibt, die nur bei Extremereignissen gesättigt wird. Die Größe des Knickes wird durch den Wert der zweiten Ableitung der Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilung quantifiziert. Die Ergebnisse zeigen, dass die Größe des Knickes mit zunehmender zeitlicher Variabilität der Speicherfüllstände am Ereignisbeginn abnimmt, und mit zunehmender Größe der Region mit großer Speicherfähigkeit zunimmt. Die Jährlichkeit, bei welcher der Knick auftritt, entspricht in etwa der Jährlichkeit des Niederschlagsvolumens, das notwenig ist, um das Speichervermögen der Region mit großer Speicherfähigkeit zu erschöpfen. Prozesse der Hochwasserentstehung im alpinen Raum können auch durch den Klimawandel beeinflusst werden, wie beispielsweise das Abschmelzen von Permafrost in hochalpinen Gebieten. Im 5. Kapitel dieser Dissertation wird eine Abflussprozessstudie in einem kleinen hochalpinen Gebiet vorgestellt. Mit Hilfe von geophysikalische Feldmessungen wurden typische Abflusskonzepte für verschiedene Arten von Sedimentspeichern entwickelt, welche zur Parameterisierung eines Niederschlag-Abflussmodells verwendet wurden. Mit Hilfe des Modells wurden Abflusssimulationen der derzeitigen Situation und eines zukünftigen Szenarios ohne Permafrost durchgeführt. Die Ergebnisse zeigen, dass ein Abschmelzen des Permafrostes zu einer Verringerung der Hochwasserspitzen um 20% und einer Erhöhung des Abflusses in der Rezessionsphase um 15% führt.<br />Die Ergebnisse dieser Dissertation sind für die Bemessung von Wasserbauten relevant, bei welchen risikotechnische und ökonomische Aspekte erfüllt werden müssen und Bemessungshochwässer daher weder über- noch unterschätzt werden sollten. Bei der Anwendung der Niederschlag-Abflussmodellierung ist ein Vergleich der veröffentlichten Bemessungsniederschläge mit den lokalen Niederschlagsdaten zu empfehlen.<br />Bei der Anwendung einer Hochwasserstatistik sollte die Möglichkeit eines Knickes in der Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilung in Betracht gezogen werden. Ein solches Verhalten ist in kleinen Einzugsgebieten zu erwarten, wo Teile des Gebietes eine ähnlich große Speicherfähigkeit haben. Die Berücksichtigung eines möglichen Knickes in der Hochwasserwahrscheinlichkeitsverteilung ist bei der Bestimmung von extremen Hochwässern mit geringer Auftretenswahrscheinlichkeit wichtig, da es hier zu einer großen Unterschätzung der Bemessungshochwässer kommen kann. Grundsätzlich ist es günstig, mehrere Methoden zur Bestimmung von Bemessungshochwässern heranzuziehen und hydrologische und geophysikalische Informationen von Feldbegehungen zu berücksichtigen, um Bemessungshochwässer möglichst genau bestimmen zu können.<br />

The last major flood event in Austria, the 2005 flood, caused severe damages in alpine regions totalling 600 million Euro. In order to reduce future flood risks, an integrated concept of flood risk management is needed. This requires accurate flood discharge estimates of major, low probability events. The aim of this thesis is to contribute to the understanding of runoff generating processes of such major events in alpine catchments to assist in more accurate estimation of extreme floods.<br />If flood records are available, design floods are usually estimated by the statistical flood frequency method but, if no records are available, design floods are usually estimated from rainfall, e.g. using the design storm method. These methods are not always consistent because of differences in their assumptions. Chapter 2 analyses the differences in the flood estimates of the two methods for ten alpine catchments in Tyrol, Western Austria. The results show that, in some cases, design storms that have been published for Austria are considerably larger than the storms obtained by analysing the rainfall data in the catchment which leads to an overestimation of the flood estimates by the design storm method. The results also show that, because of non-linear runoff generation processes, the flood frequency curve may exhibit a step change if the soil storage capacity is spatially rather uniform. The flood frequency method does not usually capture this step change, particularly if the records are short. This will lead to an underestimation of the flood estimates by the flood frequency method. The runoff processes causing step changes in the flood frequency curve are investigated in more detail in Chapter 3. Detailed field mapping is used to estimate the spatial distribution of the soil storage capacity.<br />This allows prediction of the return period at which the step change occurs. In Chapter 4 the impact of spatial and temporal storage variability on the step change is examined by performing a sensitivity analysis for hypothetical catchments. It is assumed that runoff is generated by the saturation excess mechanism and a clear separation between a permanently saturated region and a variably saturated region with spatially uniform storage deficits exists. The magnitude of the step change is quantified by the maximum of the second derivative of the flood peaks with respect to their return period. The results show that the magnitude of the step change decreases with increasing temporal variability of antecedent soil storage, and increases with increasing area of the variably saturated region. The return period where the step change occurs is very similar to the return period of the rainfall volume that is needed to exceed the storage threshold.<br />Flood generation processes in Alpine areas may also be affected by climate change. Melting mountain permafrost, for instance, may alter the runoff regime which will affect floods. In Chapter 5 a runoff process study in a small high alpine catchment in Tyrol is presented.<br />Geophysical field measurements are used to develop flow path concepts for different types of unconsolidated sediments in the presence and absence of permafrost. These concepts, together with other field information, are used to calibrate a rainfall runoff model and simulate catchment discharge for present day conditions and a future scenario where permafrost has completely disappeared. The simulations indicate that the complete thawing of permafrost will increase the catchment storage capacity which will reduce the flood peaks by up to 20% and increase runoff during recession by about 15%.<br />The findings of the thesis have important implications for the design of hydraulic structures. One strives for both safe and economic design which requires design floods neither to be underestimated nor overestimated. When using the design storm method, it is useful to check the published design storms against local rainfall data. When using the flood frequency method it is useful to ascertain whether step changes in the flood frequency curve are to be expected. They may occur in small catchments with rather uniform soil storage capacity, which can be assessed from hydrogeologic information. Taking step changes into account is particularly important for estimating design floods of low probabilities to avoid underestimation of the floods by the traditional flood frequency method. Comparing different methods and including hydrological and geophysical information from field survey will additionally increase the accuracy of the flood estimates.