Continuous streamflow simulation for index flood estimation in an Alpine basin of northern Italy

Abstract

Flood frequency estimation is crucial in both engineering practice and hydrological research. Regional analysis of flood peak discharges is used for more accurate estimates of flood quantiles in ungauged or poorly gauged catchments. This is based on the identification of homogeneous zones, where the probability distribution of annual maximum peak flows is invariant, except for a scale factor represented by an index flood. The numerous applications of this method have highlighted obtaining accurate estimates of index flood as a critical step, especially in ungauged or poorly gauged sections, where direct estimation by sample mean of annual flood series (AFS) is not possible, or inaccurate. Therein indirect methods have to be used. Most indirect methods are based upon empirical relationships that link index flood to hydrological, climatological and morphological catchment characteristics, developed by means of multi-regression analysis, or simplified lumped representation of rainfall–runoff processes. The limits of these approaches are increasingly evident as the size and spatial variability of the catchment increases. In these cases, the use of a spatially-distributed, physically-based hydrological model, and time continuous simulation of discharge can improve estimation of the index flood. This work presents an application of the FEST-WB model for the reconstruction of 29 years of hourly streamflows for an Alpine snow-fed catchment in northern Italy, to be used for index flood estimation. To extend the length of the simulated discharge time series, meteorological forcings given by daily precipitation and temperature at ground automatic weather stations are disaggregated hourly, and then fed to FEST-WB. The accuracy of the method in estimating index flood depending upon length of the simulated series is discussed, and suggestions for use of the methodology provided.

Editor D. Koutsoyiannis

Résumé

L’estimation de la fréquence des crues est cruciale tant dans la pratique de l’ingénierie que pour la recherche en hydrologie. L’analyse régionale des débits de pointe est utilisée pour des estimations plus précises des quantiles de crues dans les bassins non jaugés ou mal jaugés. Cette analyse est basée sur l’identification de zones homogènes, où la distribution de probabilité des débits annuels de pointe maximale est invariante, à l’exception d’un facteur d’échelle représenté par un indice de crue. Les nombreuses applications de cette méthode ont permis de montrer que l’obtention d’estimations précises de l’indice de crue était une étape cruciale, en particulier dans les sections non jaugées ou mal jaugées, où l’estimation directe par moyenne de l’échantillon de la série annuelle de crue (AFS) est impossible, ou inexacte. Des méthodes indirectes doivent donc être utilisées. La plupart des méthodes indirectes sont fondées sur des relations empiriques qui lient l’indice de crue aux caractéristiques hydrologiques, climatologiques et morphologiques des bassins versants, qui sont obtenues grâce à une analyse multi-régression, ou à une représentation globale simplifiée des processus pluie-débit. Les limites de ces approches sont de plus en plus évidentes à mesure que la taille et la variabilité spatiale des bassins versants augmentent. Dans ces cas, l’utilisation d’un modèle hydrologique semi-distribué à base physique, et la simulation continue des débits, peuvent améliorer l’estimation de l’indice de crue. Ce travail présente une application du modèle FEST-WB pour la reconstruction de 29 ans de débits horaires pour un bassin versant nival alpin dans le Nord de l’Italie, qui a été utilisée pour l’estimation de l‘indice de crue. Pour prolonger la durée de la série de débits simulés, les forçages météorologiques fournis par les précipitations quotidiennes et de la température aux stations météorologiques automatiques au sol ont été désagrégées au pas de temps horaire, puis fournies au modèle FEST-WB. Nous avons discuté la précision de la méthode pour estimer l’indice de crue en fonction de la longueur de la série simulée, et nous proposons des éléments d’ordre méthodologique.

Key words:

• index flood
• continuous streamflow simulation
• Alpine catchments
• distributed hydrological model
• missing data infilling

Mots clefs:

• indice de crue
• simulation continue des débits
• bassins alpins
• modèle hydrologique distribué
• estimation de données manquantes

Acknowledgements

We acknowledge ARPA Piemonte for providing temperature, precipitation and discharge data from their database. We thank the two anonymous reviewers for their comments and suggestions which contributed to improve the quality of the manuscript.

ORCID

G. Ravazzani http://orcid.org/0000-0002-6850-0883

Additional information

Funding

This work was carried out under the umbrella of the Characterization of Lake Maggiore and Toce River project, funded by Syndial SpA, which also supported the characterization activities.