Understanding and estimating flood probabilities at the regional scale

Abstract

Hochwässer sind eine Folge eines Zusammenspiels verschiedener hydrologischer Prozesse. Die Komplexität und Interaktion der verschiedenen Prozesse erschwerte bisher die Erforschung der Prozessursachen für eine große Region, wie etwa Österreich. Diese Arbeit ist ein Beitrag zu einem besseren Verständnis der regionalen Prozesse der Hochwasserentstehung, als notwendige Voraussetzung einer zuverlässigen Bestimmung von Hochwässern verschiedener Wahrscheinlichkeiten in beobachteten und unbeobachteten Gebieten. Als Ausgangspunkt wird ein systematischer Vergleich von Hochwasserregionalisierungsmethoden für unbeobachtete Einzugsgebiete durchgeführt. Die Zuverlässigkeit der Schätzungen wird mit Hilfe eines ?Jack Knife?-Vergleichs von lokalen und regionalen Schätzungen von Hochwasserquantilen für 575 österreichische Einzugsgebiete untersucht. Es zeigt sich, dass die räumliche Distanz ein wesentlich besseres Maß für die hydrologische Ähnlichkeit zwischen Gebieten ist als Gebietseigenschaften. Die Untersuchungen zeigen, dass für eine verbesserte Schätzung regionaler Hochwasserwahrscheinlichkeiten, mehr Information über die Entstehungsprozesse von Hochwässern, besonders der Gebietszustand vorliegen muss. Daher wird die tägliche Wasserbilanz 490 österreichischer Gebiete mit einer Gebietsfläche zwischen 3 und 130 000 km² unter Verwendung eines konzeptionellen Abflussmodelles simuliert. Skaleneffekte der Modellierung werden diskutiert und verschiedene Aspekte der Regionalisierung von Modellparametern werden analysiert. Eine Typologisierung von regionalen Hochwässern nach ihren Entstehungsursachen wird vorgestellt. Durch eine Kombination verschiedener Prozessindikatoren werden 11518 Jahrehöchsthochwässer in 490 österreichischen Gebieten klassifiziert. Es zeigen sich deutliche regionale Unterschiede in der Häufigkeit der Prozesstypen die sich je nach Größe der Hochwässer ändern. Die statistischen Eigenschaften der Hochwasserkollektive, aufgegliedert nach Prozesstypen, zeigen deutliche Unterschiede, was die Bedeutung des Einbeziehens der Prozesstypologisierung in Hochwasserschätzungen unterstreicht.

The aim of this thesis is to contribute to a better understanding of flood producing processes at the regional scale in the context of improving the estimation of floods of a given return period or probability in both gauged and ungauged catchments. To set the scene, the predictive performance of various flood regionalisation methods for the ungauged catchment case is examined. The analysis is based on a jack-knifing comparison of locally estimated and regionalised flood quantiles for 575 Austrian catchments. The main result is that spatial proximity is a significantly better predictor of regional flood frequencies than are catchment attributes. It is concluded that, to improve on these methods, more detailed information on the flood generating processes is needed, particularly the catchment state in terms of soil moisture and snow prior to each flood event. To provide this information, we simulated the water balance dynamics of 490 catchments in Austria. Scale effects of conceptual water balance modelling are discussed and the predictive performance of parameter regionalisation methods are examined. A framework for identifying types of causative mechanisms of floods is proposed. The types are long-rain floods, short-rain floods, flash-floods, rain-on-snow floods and snow-melt floods. We use a combination of a number of process indicators to identify the process types of 11518 maximum annual flood peaks in 490 Austrian catchments. Regional patterns of process occurrence, process event properties and statistical differences in the stratified flood samples are discussed.