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Despite its societal relevance, the question whether fluctuations in flood occurrence or magnitude are coherent in space has hardly been addressed in quantitative terms. We investigate this question for Germany by analysing fluctuations in annual maximum series (AMS) values at 68 discharge gauges for the common time period 1932-2005. We find remarkable spatial coherence across Germany given its different flood regimes. For example, there is a tendency that flood-rich/-poor years in sub-catchments of the Rhine basin, which are dominated by winter floods, coincide with flood-rich/-poor years in the southern sub-catchments of the Danube basin, which have their dominant flood season in summer. Our findings indicate that coherence is caused rather by persistence in catchment wetness than by persistent periods of higher/lower event precipitation. Further, we propose to differentiate between event-type and non-event-type coherence. There are quite a number of hydrological years with considerable nonevent-type coherence, i.e. AMS values of the 68 gauges are spread out through the year but in the same magnitude range. Years with extreme flooding tend to be of event-type and non-coherent, i.e. there is at least one precipitation event that affects many catchments to various degree. Although spatial coherence is a remarkable phenomenon, and large-scale flooding across Germany can lead to severe situations, extreme magnitudes across the whole country within one event or within one year were not observed in the investigated period. (C) 2018 Elsevier B.V. All rights reserved.
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.
We investigate whether the distribution of maximum seasonal streamflow is significantly affected by catchment or climate state of the season/month ahead. We fit the Generalized Extreme Value (GEV) distribution to extreme seasonal streamflow for around 600 stations across Europe by conditioning the GEV location and scale parameters on 14 indices, which represent the season-ahead climate or catchment state. The comparison of these climate-informed models with the classical GEV distribution, with time-constant parameters, suggests that there is a substantial potential for seasonal forecasting of flood probabilities. The potential varies between seasons and regions. Overall, the season-ahead catchment wetness shows the highest potential, although climate indices based on large-scale atmospheric circulation, sea surface temperature or sea ice concentration also show some skill for certain regions and seasons. Spatially coherent patterns and a substantial fraction of climate-informed models are promising signs towards early alerts to increase flood preparedness already a season ahead.