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From precipitation to damage
(2018)
Flood risk assessments for large river basins often involve piecing together smaller-scale assessments leading to erroneous risk statements. We describe a coupled model chain for quantifying flood risk at the scale of 100,000 km(2). It consists of a catchment model, a 1D-2D river network model, and a loss model. We introduce the model chain and present two applications. The first application for the Elbe River basin with an area of 66,000 km(2) demonstrates that it is feasible to simulate the complete risk chain for large river basins in a continuous simulation mode with high temporal and spatial resolution. In the second application, RFM is coupled to a multisite weather generator and applied to the Mulde catchment with an area of 6,000 km(2). This approach is able to provide a very long time series of spatially heterogeneous patterns of precipitation, discharge, inundation, and damage. These patterns respect the spatial correlation of the different processes and are suitable to derive large-scale risk estimates. We discuss how the RFM approach can be transferred to the continental scale.
Groundwater transit time is an essential hydrologic metric for groundwater resources management. However, especially in tropical environments, studies on the transit time distribution (TTD) of groundwater infiltration and its corresponding mean transit time (mTT) have been extremely limited due to data sparsity. In this study, we primarily use stable isotopes to examine the TTDs and their mTTs of both vertical and horizontal infiltration at a riverbank infiltration area in the Vietnamese Mekong Delta (VMD), representative of the tropical climate in Asian monsoon regions. Precipitation, river water, groundwater, and local ponding surface water were sampled for 3 to 9 years and analysed for stable isotopes (delta O-18 and delta H-2), providing a unique data set of stable isotope records for a tropical region. We quantified the contribution that the two sources contributed to the local shallow groundwater by a novel concept of two-component lumped parameter models (LPMs) that are solved using delta O-18 records. The study illustrates that two-component LPMs, in conjunction with hydrological and isotopic measurements, are able to identify subsurface flow conditions and water mixing at riverbank infiltration systems. However, the predictive skill and the reliability of the models decrease for locations farther from the river, where recharge by precipitation dominates, and a low-permeable aquitard layer above the highly permeable aquifer is present. This specific setting impairs the identifiability of model parameters. For river infiltration, short mTTs (<40 weeks) were determined for sites closer to the river (<200 m), whereas for the precipitation infiltration, the mTTs were longer (>80 weeks) and independent of the distance to the river. The results not only enhance the understanding of the groundwater recharge dynamics in the VMD but also suggest that the highly complex mechanisms of surface-groundwater interaction can be conceptualized by exploiting two-component LPMs in general. The model concept could thus be a powerful tool for better understanding both the hydrological functioning of mixing processes and the movement of different water components in riverbank infiltration systems.
Die Hochwasserkatastrophe im Juli 2021 in Westdeutschland erfordert eine kritische Diskussion über die Abschätzung der Hochwassergefährdung, Aktualisierung von Hochwassergefahrenkarten und Kommunikation von extremen Hochwasserszenarien. In der vorliegenden Arbeit wurde die Extremwertstatistik für die jährlichen maximalen Spitzenabflüsse am Pegel Altenahr im Ahrtal mit und ohne Berücksichtigung historischer Hochwasser berechnet und verglichen. Die Schätzung der Wiederkehrperiode für das aktuelle Hochwasser mittels Generalisierter Extremwertverteilung (GEV) unter Berücksichtigung historischer Hochwasser schwankt zwischen etwa 2.600 und über 58.700 Jahren (90%-Konfidenzintervall) mit einem Median bei etwa 8.600 Jahren, wogegen die Schätzung, die nur auf der systematisch gemessenen Abflusszeitreihe von 74 Jahren basiert, theoretisch eine Wiederkehrperiode von über 100 Millionen Jahren ergeben würde. Die Berücksichtigung der historischen Hochwasser führt zu einer dramatischen Änderung der Hochwasserquan-
tile, die für eine Gefahrenkartierung zugrunde gelegt werden. Die Anpassung der GEV an die Zeitreihe mit historischen Hochwassern zeigt dennoch, dass das GEV-Modell möglicherweise die Grundgesamtheit der Hochwasser im Ahrtal nicht adäquat abbilden kann. Es könnte sich im vorliegenden Fall um eine gemischte Stichprobe handeln, in der die extremen Hochwasser im Vergleich zu kleineren Ereignissen durch besondere Prozesse hervorgerufen werden. Somit könnten die Wahrscheinlichkeiten von extremen Hochwassern deutlich größer sein, als aus dem GEV-Modell hervorgeht. Hier sollte in Zukunft die Anwendung einer prozessbasierten Mischverteilung
untersucht werden. Der Vergleich von amtlichen Gefahrenkarten zu Extremhochwassern (HQextrem) im Ahrtal mit den Überflutungsflächen vom Juli 2021
zeigt eine deutliche Diskrepanz in den betroffenen Gebieten und die Notwendigkeit, die Grundlagen zur Erstellung der Extremszenarien zu überdenken. Die hydrodynamisch-numerischen Simulationen von 1.000-jährlichen Hochwassern (HQ1000) unter Berücksichtigung historischer Ereignisse und des größten historischen Hochwassers 1804 können die Gefährdung des Juli-Hochwassers 2021 deutlich besser widerspiegeln, wenngleich auch diese beiden Szenarien die Überflutungsflächen unterschätzen. Besondere Effekte wie die Verklausung von Brücken und die geomorphologischen Änderungen im Flussschlauch führten zu noch größeren Überflutungs- flächen im Juli 2021, als die Simulationsergebnisse zeigten. Basierend auf dieser Analyse wird eine einheitliche Festlegung von HQextrem bei Hochwassergefahrenkartierungen in Deutschland vorgeschlagen, die sich an höheren Hochwasserquantilen im Bereich von HQ1000 orientiert. Zusätzlich sollen simulationsbasierte Rekonstruktionen von den größten verlässlich dokumentierten historischen Hochwassern und/oder synthetische Worst-Case-Szenarien in den Hochwassergefahrenkarten gesondert dargestellt werden. Damit wird ein wichtiger Beitrag geleistet, um die potenziell betroffene Bevölkerung und das Katastrophenmanagement vor Überraschungen durch sehr seltene und extreme Hochwasser in Zukunft besser zu schützen.