Surface runoff modelling using the SCS-CN method and delineation of flood extents by a non-hydrodynamic GIS tool

Mgr. Martin Caletka, Ph.D.

Doctoral thesis

Abstract:

Vědecký popis jednotlivých komponent hydrologického cyklu, resp. poznání jejich fyzikální podstaty a matematické vyjádření, započaly v první polovině 18. století. Od té doby byla vyvinuta celá řada metod, které jsou využívány nepřeberným množstvím hydrologických modelů. Hydrologické modelování se stalo svébytnou a naprosto nezastupitelnou disciplínou v rámci hydrologie a jiných oborů a neustále se rozvíjí. Je to dáno současnými technickými možnostmi, rostoucí výpočetní kapacitou počítačů, dostupností a kvalitou vstupních dat. Aktuální rozvoj se také odehrává v období zintenzivňujících se projevů globální změny klimatu, která vyvolává řadu environmentálních a společensko-ekonomických problémů. V tomto kontextu bylo úvodním cílem dizertační práce zhodnotit vývoj v oblasti hydrologického modelování na základě analýzy odborných publikací během uplynulých více než dvaceti let. Výsledky ukazují na rostoucí význam mezinárodní spolupráce a interdisciplinarity v rámci řešení již nastíněných globálních problémů. To však nesnižuje význam modelů a metod určených pro simulování procesů v menších dimenzích. Dizertační práce se v další části věnuje problematice modelování přímého odtoku metodou SCS-CN v měřítku malých a středně velkých převážně zemědělsky využívaných povodí v České republice. Cílem bylo ověřit užití tradiční metody SCS-CN a navrhnout její možné úpravy s důrazem na optimální nastavení koeficientu počáteční ztráty, resp. počáteční ztráty, za účelem dosažení přesnějších odhadů celkového přímého odtoku v konkrétních geografických podmínkách při zachování relativní jednoduchosti a snadné aplikovatelnosti metody. V zásadě bylo využito tří přístupů. První byl založen na užití tabelovaných čísel CN, druhý vycházel z určení příslušných parametrů z konkrétních srážko-odtokových událostí a třetí odvozoval nastavení metody SCS-CN čistě numericky. Stručně řečeno, z provedených analýz vyplynulo, že metoda SCS-CN je ve své původní podobě pro geografické podmínky vybraných experimentálních povodí nevhodná. Ve většině případů je potřebné snížit hodnotu koeficientu 0.2 počáteční ztráty a odpovídajícím způsobem upravit číslo CN. Jako nejvhodnější se jeví přístup, kdy je nastavení metody SCS-CN odvozeno z dostatečně rozmanitého vzorku zaznamenaných událostí, tedy ideálně s výskytem extrémů. Dosažené výsledky naznačují potřebu do budoucna systematicky revidovat metodu SCS-CN pro užívání v konkrétním prostředí. Třetí oblastí dizertační práce je problematika stanovení záplavových území prostřednictvím nehydrodynamického GIS modelu AIZM (ze slovenského názvu Alternatívny Indikatívny Záplavový Model). Za účelem identifikace vhodných a limitujících podmínek využití nástroje AIZM byla provedena simulace a zhodnocena přesnost povodňových rozlivů podél šedesáti rozmanitých úseků vodních toků v České republice. Důraz byl přitom kladen na vliv jednotlivých vlastností koryt i přilehlých niv a také technické řešení modelu jako takové. Z výsledků vyplývá, že model AIZM je schopen produkovat relevantní a spolehlivé výstupy, jejichž kvalita je srovnatelná s klasickými hydrodynamickými modely. Jeho použitelnost je však omezena právě z důvodu zanedbání hydrauliky kapalin. Je vhodný pro říční úseky, kde koncept „linearizace“ úrovně hladiny není narušen přítomností příčných překážek a dominující dynamikou proudění. Rovněž se ukazuje, že lepších výsledků je dosahováno spíše u širších koryt z důvodu limitů použitého digitálního modelu terénu. Znalost těchto omezení je však dobrým předpokladem pro další úpravy a úspěšnou aplika

Abstract:

ci modelu například při rekonstrukcích historických záplav či předběžné rychlé identifikaci záplavových území.

Abstract:

The scientific description of various components of the hydrological cycle began in the first half of the 18th century. Since then, a number of methods have been developed, which are used by a plethora of hydrological models. Hydrological modelling has become a self-contained and irreplaceable discipline within hydrology and other fields and has constantly been developing. This is due to contemporary technological capabilities, the increasing computing capacity, availability and quality of input data. The current progress is also taking place in the light of intensifying global climate change manifestations, resulting in a number of environmental and socio-economic problems. In this context, the initial aim of the Ph.D. thesis was to assess the development of hydrological modelling on the basis of an analysis of research publications over the past two decades. The results indicate the growing importance of international cooperation and interdisciplinary approach in addressing the global challenges already outlined. However, this does not diminish the importance of models and methods designed to simulate processes in smaller dimensions. In the next section, the Ph.D. thesis addresses the issue of modelling direct runoff using the SCS-CN method at the scale of small and medium-sized predominantly agricultural catchments in the Czech Republic. The aim was to evaluate the use of the traditional SCS-CN method and suggest its possible modifications, with emphasis on the optimisation of the initial abstraction coefficient, in order to achieve more accurate direct runoff estimates in specific geographic conditions. At the same time, it was the author’s intention to maintain the method’s relative simplicity and ease of application. Principally, three approaches were used. The first was based on the use of tabulated CN values, the second was based on the determination of the appropriate parameters for recorded rainfall-runoff events, and the third derived the method’s setting solely numerically. The conducted analyses showed that the SCS-CN method, in its original form, is not suitable for the geographical conditions of the chosen experimental watersheds. In most cases, the initial abstraction coefficient value of 0.2 should be reduced and CN values adjusted accordingly. The approach where the SCS-CN parameters were derived from a diverse sample of events, i.e. including extreme ones, demonstrated the best performance. Thus, the results indicate the need to systematically revise the SCS-CN method for practical use in a specific environment. The third section of the Ph.D. thesis focuses on flood extent delineation by a non-hydrodynamic GIS tool AIZM (from the original Slovak name Alternatívny Indikatívny Záplavový Model, translated into English as Alternative Indicative Inundation Model). In order to identify the favourable and limiting conditions of the AIZM application, flood extents were delineated and the accuracy assessed along sixty diverse river reaches in the Czech Republic. Special attention was paid to the influence of the channel and floodplain characteristics, as well as the technical details of the model. The results indicate that the AIZM model is able to deliver relevant and reliable outputs of comparable quality to classic hydrodynamic models. However, its applicability is limited because of the lack of hydraulics. It performs well in river reaches, where the concept of ‘linearization’ of the water level extension is not impaired by the presence of transverse barriers and without dominating dynamics of flow. In addition, better results are more likely to be achieved along wider channels due to certain limitations of the digital elevation model used. Knowledge of these limitations, however, is a good precondition for further modifications and successful application of the model in, for example, reconstructions of historic floods or preliminary rapid identification of flooded areas.

Keywords

AIZM, curve number, digitální model terénu, GIS, hydrologické modelování, koeficient počáteční ztráty, modelování srážko-odtokového procesu, povodňové značky, přímý odtok, SCS-CN, záplavové území, mapy záplavových území, digital elevation model, direct runoff, flood inundation, flood maps, flood marks, hydrological modelling, initial abstraction coefficient, rainfall-runoff modelling

Language used: English

Date on which the thesis was submitted / produced: 23. 2. 2021

Thesis defence

• Date of defence: 12. 5. 2021
• Supervisor: Mgr. Monika Šulc Michalková, Ph.D. et Ph.D.
• Reader: prof. Ing. Martin Hanel, Ph.D., prof. Ing. Kamila Hlavčová, Ph.D.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Physical geography / Physical geography