Overcoming the challenges of flow forecasting in a data poor region

Abstract

In Ontario, the Ministry of Natural Resources and Forestry (MNRF) is responsible for the provincial flood forecasting and warning (PFFW) program. The goal of Ontario’s PFFW program is to reduce the risk of loss of life, injury, and property damage due to flooding. The Surface Water Monitoring Centre (SWMC) fulfills MNRF’s provincial mandate for public safety by providing daily provincial scale Hazard Identification and Risk Assessment (HIRA) for flooding for the province at a provincial scale. The SWMC uses a variety of tools to complete the HIRA, however, there are currently no operational flood forecasting capabilities available within the suite of monitoring tools used by the province. Ontario’s Special Advisor on Flooding Report and the Ontario Flooding Strategy highlights flood forecasting as a part of overall flood management. As a follow up, a pilot study using WATFLOOD® was undertaken in the Severn River in Northern Ontario to explore the use and implications of operational forecasting capabilities in a data poor region. There are currently no year-round meteorological stations in this watershed. WATFLOOD is well suited for application in remote and data poor regions as the hydrological parameters are not watershed based and can be calibrated with data from watersheds in a similar physiographic/climatic domain – e.g. the Hudson Bay Lowlands. This paper will show: that hydrological and routing parameters from a more densely instrumented region can be applied to a data poor region; that WATFLOOD can be used to provide an acceptable flow forecast and calibration in a data-poor region; and Numerical weather model data, rather than conventional gauge data can be used to successfully calibrate a hydrological model in a data poor region.

RÉSUMÉ

En Ontario, le Ministère du Développement du Nord, des Mines, des Richesses naturelles et des Forêts (MRNF) est responsable du programme provincial de prévision des crues et d‘avertissement du public (PCAP). L'objectif du programme PCAP de l‘Ontario est de réduire les risques de pertes de vie, de blessures et de dommages matériels dûs aux inondations. Le Centre de controle des eaux de surface (CCES) remplit le mandat provincial du MRNF en matière de sécurité publique en fournissant quotidiennement une identification des dangers et une évaluation des risques (IDER) d‘inondation à l‘échelle provinciale pour la province. Le CCES utilise une variété d‘outils pour effectuer l‘évaluation des risques d‘inondation, mais il n‘existe actuellement aucune capacité de prévision opérationnelle des inondations dans la série d‘outils de surveillance utilisés par la province. Le rapport du conseiller spécial en matière d‘inondation de l‘Ontario et la stratégie ontarienne en matière d‘inondation soulignent que la prévision des inondations fait partie de la gestion globale des inondations. À titre de suivi, une étude pilote utilisant WATFLOOD® a été entreprise dans la rivière Severn, dans le nord de l‘Ontario, pour explorer la mise en oeuvre de capacités de prévision opérationnelle dans une région pauvre en données et les implications de celle-ci. Il n‘y a actuellement aucune station météorologique ouverte toute l‘année dans ce bassin versant. WATFLOOD est bien adapté à l‘application dans les régions éloignées et pauvres en données car les paramètres hydrologiques ne sont pas basés sur le bassin versant et peuvent être calibrés avec des données provenant de bassins versants dans un domaine physiographique/climatique similaire - par exemple les basses terres de la baie d‘Hudson. Cet article montrera: que les paramètres hydrologiques et de routage d‘une région plus densément instrumentée peuvent être appliqués à une région pauvre en données; que WATFLOOD peut être utilisé pour fournir une prévision de débit et un calibrage acceptables dans une région pauvre en données; et que les données d‘un modèle météorologique numérique, plutôt que les données d‘observation conventionnelles peuvent être utilisées pour calibrer avec succès un modèle hydrologique dans une région pauvre en données.

KEYWORDS:

• WATFLOOD
• hydrology
• flow forecasting
• hydrological modelling
• Grouped Response Units (GRU)
• donor catchments

Acknowledgements

The authors would like to thank Vincent Fortin of Environment Canada for his many helpful replies to questions about the various Canadian numerical weather model products, especially the CMC – RDPA. Thank you also to Tegan Holmes for creating the GRU schematic, Figure 4. Images in Figures 5 and 6 were created using the Green Kenue software tool Version 3.8.2. As well, the work of the reviewers and editors is very much appreciated. Many thanks to the editors and reviewers. Their suggestions and comments helped a great deal to improve the original submission.

Disclaimer

This paper does not constitute any particular “endorsement” or “acceptance” of WATFLOOD by MNRF nor commit MNRF to any possible future forecasting efforts.

Disclosure statement

No potential conflict of interests was reported by the authors.

Data availability statement

This paper is based on real-time data downloads not all of which are kept due to large amounts of data. However, the WATFLOOD software is public domain and a working model of a forecast can be made available on request.

Additional information

Funding

This work was partially funded by MNRF.