Transcript ArcGIS tool to estimate hydrograph using the VAPI and WFIUH
GIT – Geology and Information Technology
9 a Riunione del Gruppo di Geologia informatica - Sezione della Società Geologica Italiana Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014
An ArcGIS tool to estimate the design hydrograph using the VAPI and WFIUH methods in the District of the Central Apennine
Antonio Annis
, Fernando Nardi
University for Foreigners of Perugia Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014
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OUTLINES
1.
2.
3.
4.
5.
Background GIS algorithm A. Hydrobase B. Sub Basins C.
• • • WFIUH-SB Basin Width Function WFIUH (VAPI, SCS-CN, VAPI, Weghited Width function, Convolution) Sample applications and calibration Performances and comparison vs standard models Discussion
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FLOOD RISK ASSESSMENT
Synthetic rainfall: Design hyetograph Rainfall-runoff: Design hydrograph Flood routing and hazard mapping Flood zoning: risk mapping
PROPOSED WORK
An Arc-GIS parsimonious model using largely available input data (DEM, landuse) to estimate the design hydrologic forcing scenario for unguaged basins
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TOOL 1: HYDROBASE
DEM sinks pit filling FLOW DIRECTION FLOW ACCUMULATION Treshold area STREAM NETWORK Antonio Annis, Fernando Nardi – University For Foreigners of Perugia
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TOOL 2: SUBBASINS (TORRENTE ASSINO)
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TOOL 3: WFIUH-SB: MODULES
1 BASIN Morphometric parameters 2 WIDTH FUNCTION Flow Length Flow Time Width Function 3 WFIUH Rainfall hyetograph (from historic event or VAPI method) Hydrograph
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 1: BASIN (ASSINO)
Area [km 2 ] Perimeter [km] H max [m.s.l.m] H min [m.s.l.m] H mean [m.s.l.m] ΔH [m] Drainage density [km/km 2 ] Basin mean slope [%] Mean channel length [km] Mean channel slope [km]
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 2: WIDTH FUNCTION
FLOW LENGTH FLOW TIME V channel = f(slope) V hillslope = f(slope, CN) WIDTH FUNCTION Times of concentration tc (WF) tc (WF)= f(V channel , V hillslope ) tc (Giandotti - Kirpich) tc (G-K)=f(A
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b ,H m ,L q )
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - VAPI
Antonio Annis, Fernando Nardi – University For Foreigners of Perugia VAPI (Valutazione Piene in Italia) method:
Rainfall intensity:
i t c
(
T
,
t c
,
y m
,
SZO
) (
b
(
a
(
T
,
SZO
)
SZO
)
t c
) m(SZO)
T
=Return time
t c
=Duration of the event
SZO
=Climatic Omogeneous Zone
y m
=Mean height
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - Rainfall
h t c
(
T
,
t c
,
y m
,
SZO
)
i t c
t c
Subbasin/Vapi-zone Hyetograph
(Rainfall Duration= tc)
Design time constant hyetograph
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH – Net rain
SCS – CN Method Net cumulated Rain at time step
t P N
,
t
P TOT
,
t P TOT
,
t
I a I a
2
S P TOT
I a P TOT
,
t
=Total cumulated Rain at time step
t S I a
f
(
CN
) =potential maximum soil moisture retention
f
(
S
) =Initial abstraction
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0,1800 0,1600 0,1400 0,1200 0,1000 0,0800 0,0600 0,0400 0,0200 0,0000 30
TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH – Weigthed WF
WF w
,
i
WF i
P i P mean WF w
,
i
Weigthed width function of i-cell
WF i
Simple width function of i-cell 60 90 120 150 180 210 240 Time [min] 270 300 330 360 390 420 Simple WF Weigthd WF
P i
Cumulated net rainfall of i-cell
P mean
Spatial Mean net rainfall
P i P mean
f
(
SZO
,
CN
)
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - Flow
t
Convolution
Q
(
t
) 0
P NET
( )
IUH
t
d
Q n
m n
1
P m WF n
m
1
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WFIUH VS. RATIONAL METHOD
Rational Method
Q C
(
t c
)
i
c
A b
Triangular Hydrograph
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CALIBRATION
Avaiable measurements (2014)
183 Rain gauges 14 Hydrometers avaiable The tool allows to input hystoric hyetograph from rain gauges instead of a synthetic hyetograph of VAPI Method trough a drop-down menu
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CALIBRATION – ASSINO BASIN (169 km
2
)
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CALIBRATION – GALERIA BASIN (153 km
2
)
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CALIBRATION – ANIENE BASIN (1469 km
2
)
Medium size basin Recession limb Hillslope flux Groundwater flow
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STRENGTHS VS. WEAKNESSES
PROs
Fast and easy to use Few input and calibration parameters Tailored for design hydrology in small ungauged basins Mimic dishomegenous rainfall events in small-to-big basins by WF rescaling Able to represent/calibrate basin impulsive/real flood events
CONs
Inherits all cons of: concentrated IUH-based rainfall-runoff methods (no routing and groundwater component) SCS-CN rainfall method Constant spatial/temporal distribution of the rainfall Issues in representing multimodal non-impulsice flood events
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WHAT NEXT
Coding of
Large basin module
for taking into account the spatial distribution of the climate (considering different return times depending on the climatic zone and stream order) Implementation of a modified version of the WF using simplified algorithms for considering missing physical processes (groundwater flow, soil moisture distribution) Implementation of a event-based hillslope-to-channel erosion and sediment transport model to evaluate the bulking factor in the hydrograph estimation Linking WFIUH with FLO-2D: outputs hydrograph as input for a semplified 2D hydraulic flood routing model
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