Challenging the standard dike freeboard: Methods to quantify statistical uncertainties in river flood protection

Abstract

In most developed and developing nations, a freeboard is being applied to flood defense structures as a margin of uncertainty in the estimated flood stage. In some jurisdictions, practice is shifting towards the use of confidence intervals based on the fitted flood probability distribution, albeit often relying on only one statistical distribution and on only annual maximum flows. In this paper, we argue that, independent of geotechnical, geomorphological or hydrological uncertainties pertaining to the estimation of flood stage, the application of standard freeboards ignores stochastic uncertainty, the inclusion of which would provide a more scientifically defensible measure for allowable freeboard. The river stage estimate is subject to multiple sources of uncertainty, including but not limited to model and parameter uncertainty. Consequently, freeboards should be determined via a frequency analysis that explicitly takes into consideration, as well as minimizes, the uncertainty of the estimate due to known factors. Confidence intervals are a common way to represent uncertainty of a statistical estimate such as for the river stage. The choice of the confidence level will be critical, and in many cases will be associated with significant cost implications for the construction or upgrade of flood defense structures. Quantitative flood risk assessments, which are emerging as a standard in developed nations, are well suited to address this issue by allowing loss and mitigation cost comparisons for different flood scenarios. Our paper provides guidance for confidence interval calculations of river stage using an extension of the classical peaks-over-threshold method for daily river levels.

Dans la plupart des pays développés et en développement, un freeboard est appliquée à inonder les structures de défense que d’une marge d’incertitude dans l’estimation du niveau d’inondation. Dans certains pays, la pratique évolue vers l’utilisation des intervalles de confiance sur la base de la distribution de probabilité des inondations équipée, toutefois en s’appuyant souvent sur ​​une seule distribution statistique et seulement débits maximums annuels. Dans cet article, nous soutenons que, indépendamment de la géotechnique, incertitude-certitudes géomorphologiques ou hydrologiques relatives à l’estimation des niveaux d’inondation, l’application des freeboards standards ignore incertitude stochastique, dont l’inclusion de fournir une mesure plus scientifiquement défendable pour le franc-bord admissible. L’estimation de la scène de la rivièreest soumis à de multiples sources d’incertitude, y compris mais sans s’y limiter, le modèle et l’incertitude des paramètres. Par conséquent, le freeboard doit être déterminées par une analyse de fréquence qui prend explicitement en considération, ainsi que minimise, l’incertitude de l’estimation en raison de facteurs connus. Les intervalles de confiance sont un moyen courant de représenter l’incertitude d’une estimation statistique, comme pour la scène de la rivière. Le choix du niveau de confiance sera essentiel, et dans de nombreux cas être associée à des incidences financières importantes pour la construction ou la mise à niveau des structures de protection contre les inondations. Évaluations des risques d’inondation quantitatives, qui apparaissent comme une norme dans les pays développés, sont bien adaptés pour traiter de cette question en permettant de comparer la perte et l’atténuation coûts pour différents scénarios d’inondation. Notre document donne des orientations pour le calcul de l’intervalle de confiance de l’étape de la rivière à l’aide d’une extension de la méthode des pics-plus-seuil classique pour les niveaux quotidiens de la rivière.

Acknowledgements

Mike Church, Roy Mayfield and two anonymous reviewers provided helpful comments on earlier versions of this paper. The first author would like to acknowledge the financial support of the Natural Sciences and Engineering Research Council of Canada.