GWC-4 Runoff Genera/on CTB3300WCx: Introduc2on to Water - - PowerPoint PPT Presentation

Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡

GWC-­‑4 ¡ ¡Runoff ¡Genera/on ¡

CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡

Runoff ¡processes ¡

Intercep(on ¡ Ponding ¡ Surface ¡runoff ¡ On ¡water ¡or ¡ wetland ¡ Soil ¡storage ¡ Interflow ¡ Groundwater ¡ storage ¡ Groundwater ¡ flow ¡ Precipita6on ¡ Evapora6on ¡ River ¡runoff ¡ Groundwater ¡exchange ¡ Infiltra6on ¡ Very ¡fast ¡ Fast ¡ Medium ¡ Slow ¡

Intercep/on ¡evapora/on ¡

Percola6on ¡

Satura/on ¡excess ¡overland ¡flow ¡ Infiltra/on ¡excess ¡overland ¡flow ¡ ¡ ¡ ¡(Horton) ¡ Storage ¡excess ¡(rapid) ¡subsurface ¡ ¡ ¡ ¡flow ¡ Seepage ¡(slow) ¡flow ¡ Capillary ¡rise ¡ Transpira/on ¡and ¡soil ¡ evapora/on ¡

Runoff ¡components ¡

Fast ¡surface ¡runoff ¡ ¡ = ¡ Precipita(on ¡ -­‑ ¡ Fast ¡sub-­‑surface ¡ runoff ¡ ¡

= ¡ Infiltra(on ¡

• ­‑ ¡

Base ¡flow ¡ (seepage ¡to ¡ surface ¡water) ¡

= ¡ Percola(on ¡

• ­‑ ¡

§ Intercep(on ¡ § Infiltra(on ¡ § Transpira(on ¡and ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡soil ¡evapora(on ¡ § Percola(on ¡ § Capillary ¡rise ¡ ¡ ¡ ¡

River ¡runoff ¡

Surface ¡runoff ¡(fast ¡and ¡turbid) ¡

§ Hortonian ¡(infiltra6on ¡excess) ¡overland ¡flow ¡ § Satura6on ¡excess ¡overland ¡flow ¡

Sub-­‑surface ¡runoff ¡(fast ¡and ¡mostly ¡clear) ¡

§ Storage ¡excess ¡(rapid) ¡subsurface ¡flow ¡(interflow) ¡

Base ¡flow ¡(slow ¡and ¡clear) ¡

§ Seepage ¡flow ¡to ¡stream ¡network ¡

¡

Monthly ¡runoff ¡signatures ¡

J F M A M J J A S O N D ¡ 5000 ¡ 4000 ¡ 3000 ¡ 2000 ¡ 1000 ¡ 500 ¡ 400 ¡ 300 ¡ 200 ¡ 100 ¡ Runoff ¡Rhine ¡(m3/s) ¡ Runoff ¡Meuse ¡(m3/s) ¡

Average ¡runoff ¡Meuse ¡ Average ¡runoff ¡Rhine ¡ Meuse ¡10% ¡ Rhine ¡10% ¡

Types ¡of ¡rivers ¡

J ¡F ¡M ¡A ¡M ¡J ¡J ¡A ¡S ¡O ¡N ¡D ¡J ¡ J ¡F ¡M ¡A ¡M ¡J ¡J ¡A ¡S ¡O ¡N ¡D ¡J ¡ J ¡F ¡M ¡A ¡M ¡J ¡J ¡A ¡S ¡O ¡N ¡D ¡J ¡ Q ¡ Q ¡ Q ¡

Ephemeral ¡(wadis) ¡ IntermiHent ¡ Perennial ¡

Discharge ¡measurement ¡

Rotor ¡ Tailfin ¡ Current ¡

∫ ∑ ∫ ∫

Δ ≈ = = b h v b h v A v Q d d d

A ¡ H ¡ B ¡

Field ¡work ¡

Field ¡work ¡

Ra/ng ¡curve ¡

1 ¡ 2 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 200 ¡ 0.1 ¡ 0.2 ¡ 0.5 ¡ 1.0 ¡ 2.0 ¡

h-­‑h0 ¡(m) ¡ Q ¡(m3/s) ¡

Ra/ng ¡curves ¡

( )

log log log h h b a Q − + =

Q = a h − h0

( )

b

• r ¡

Manning: ¡

Q = Av = 1 n AR

2 3

S = 1 n S ∗ BhR

2 3 ≈ a h − h0

( )

b R ¡= ¡A ¡/ ¡P ¡ P ¡ A ¡ h ¡ Reference ¡

Stevens’ ¡method ¡

H ¡ Q ¡ AR2/3 ¡ Extrapola/on ¡

Q = cAR

2 3

[L3 / T]

P ¡ A ¡ h ¡ Reference ¡

Excep/onal ¡circumstances ¡

Bangladesh ¡

§ Bank ¡overtopping ¡ § Backwater ¡effects ¡

Mozambique ¡

§ Bank ¡overtopping ¡

¡

Ra/ng ¡curve ¡Limpopo ¡river ¡

1981 ¡ 1979 ¡ 1977 ¡

Bangladesh ¡

Flooding ¡of ¡Sylhet ¡area ¡

Depth ¡of ¡flooding ¡ More ¡than ¡4m ¡ deep ¡flooded ¡

Backwater ¡effect ¡of ¡Ganges ¡and ¡Bramaputhra ¡

16 ¡ 15 ¡ 14 ¡ 13 ¡ 12 ¡ 11 ¡ 10 ¡ 9 ¡ 8 ¡ 7 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 0 ¡ ¡20 ¡ ¡40 ¡ ¡60 ¡ ¡80 ¡ ¡100 ¡ ¡120 ¡ ¡140 ¡ ¡160 ¡ ¡180 ¡ ¡200 ¡ ¡220 ¡ ¡240 ¡ ¡ ¡260 ¡ ¡ ¡280 ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ ¡320 ¡ ¡ ¡340 ¡

Design ¡flood ¡levels ¡

Surma ¡– ¡Dhanu ¡Boulai ¡ Surma ¡– ¡Meghna ¡ Monsoon ¡1:100 ¡ Monsoon ¡1:20 ¡ Monsoon ¡Mean ¡ May ¡1:10 ¡ May ¡1:5 ¡

Effects ¡on ¡ra/ng ¡curve ¡

1 ¡ 2 ¡ 5 ¡ 10 ¡ 20 ¡ 50 ¡ 100 ¡ 200 ¡ 0.1 ¡ 0.2 ¡ 0.5 ¡ 1.0 ¡ 2.0 ¡

h-­‑h0 ¡(m) ¡ Q ¡(m3/s) ¡

Backwater ¡effect ¡of ¡Ganges ¡and ¡Bramaputhra ¡

16 ¡ 15 ¡ 14 ¡ 13 ¡ 12 ¡ 11 ¡ 10 ¡ 9 ¡ 8 ¡ 7 ¡ 6 ¡ 5 ¡ 4 ¡ 3 ¡ 0 ¡ ¡20 ¡ ¡40 ¡ ¡60 ¡ ¡80 ¡ ¡100 ¡ ¡120 ¡ ¡140 ¡ ¡160 ¡ ¡180 ¡ ¡200 ¡ ¡220 ¡ ¡240 ¡ ¡ ¡260 ¡ ¡ ¡280 ¡ ¡ ¡300 ¡ ¡ ¡320 ¡ ¡ ¡340 ¡

Design ¡flood ¡levels ¡

Surma ¡– ¡Dhanu ¡Boulai ¡ Surma ¡– ¡Meghna ¡ Monsoon ¡1:100 ¡ Monsoon ¡1:20 ¡ Monsoon ¡Mean ¡ May ¡1:10 ¡ May ¡1:5 ¡

Extreme ¡discharge ¡

Dura(on ¡curves ¡ ¡Frequency ¡curves ¡ Extreme ¡value ¡distribu(on ¡for ¡floods ¡

§ Annual ¡maxima ¡

Gumbel ¡extreme ¡values ¡analysis ¡(flood ¡frequency ¡analysis) ¡ ¡

Dura/on ¡curve ¡

J F M A M J J A S O N D ¡

Q ¡(m3/s) ¡

0 ¡ 20 ¡ 40 ¡ 60 ¡ 80 ¡ 100 ¡

Discharge ¡(m3/s) ¡ % ¡/me ¡of ¡undershoot ¡ T ¡= ¡100 ¡years ¡ p ¡= ¡1-­‑1/100 ¡= ¡99% ¡year-­‑1 ¡

Gumbel ¡(1891-­‑1966) ¡extreme ¡values ¡analysis ¡

For ¡the ¡purpose ¡of: ¡

§ Design ¡discharge ¡ § Design ¡dike ¡level ¡ § Design ¡of ¡culvert ¡or ¡bridge ¡capacity ¡

¡

Extreme ¡flood ¡levels ¡

Gumbel ¡assump/on ¡

“Assuming ¡a ¡phenomenon ¡is ¡normally ¡distributed, ¡then ¡the ¡ extremes ¡follow ¡the ¡Gumbel ¡distribu(on” ¡ ¡

BUT ¡ ¡

This ¡seldom ¡holds ¡true ¡ ¡

Addi/onal ¡Gumbel ¡assump/ons ¡

§ Series ¡is ¡homogeneous ¡ § Series ¡is ¡sta(onary ¡ § Series ¡is ¡long ¡enough ¡(seldom ¡true) ¡ ¡

Gumbel ¡equa/on ¡

( )

y

y p x Q P q

−

−

= − − = − = ≤ =

e

e )) exp( exp( 1

( )

y

y x Q P p

−

−

− = − − − = > =

e

e 1 )) exp( exp( 1

⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − − = − − − = − − = T p q y 1 1 ln ln )) 1 ln( ln( )) ln( ln(

y = a x − b

( )

Reduced ¡variate ¡of ¡Gumbel: ¡

Analogy ¡with ¡normal ¡distribu/on ¡

Reduced ¡variate ¡of ¡Gauss: ¡ Reduced ¡variate ¡of ¡Gumbel: ¡

q = P x < X

( ) =

1 σ 2π e

−1 2t2

dt

−∞ X

∫

t = X − µ σ = 1 σ X − µ

( )

y = a x − b

( ) ≈ 1

S (x − Xm)

How ¡to ¡do ¡Gumbel ¡analysis ¡

§ Determine ¡the ¡anual ¡extreme ¡occurrences ¡ § This ¡gives ¡N ¡extreme ¡values ¡for ¡N ¡years ¡ § Ranking ¡from ¡large ¡to ¡small ¡with ¡rank ¡number ¡m ¡ § Calculate ¡the ¡frequency ¡of ¡occurrence ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡ ¡using ¡the ¡“plo`ng ¡posi(on” ¡

Ploeng ¡posi/on ¡

1 + = N m p m N T 1 + =

p: ¡probability ¡of ¡exceedence ¡(yr-­‑1) ¡ T: ¡frequency ¡scale ¡(yr) ¡ N: ¡number ¡of ¡years ¡of ¡observa(on ¡(yr) ¡ m: ¡rank ¡number ¡(-­‑) ¡

Peak ¡table ¡

431 ¡ 387 ¡ 383 ¡ 376 ¡ 345 ¡ 343 ¡ 339 ¡

Gumbel ¡paper ¡

y = ax + b

Thailand ¡2011 ¡

Phraya ¡Banlu ¡

Gumbel ¡graph ¡

Probability ¡of ¡occurrence ¡

What ¡is ¡the ¡probability ¡that ¡within ¡a ¡period ¡of ¡n ¡years ¡the ¡ ¡ design ¡discharge ¡of ¡once ¡in ¡T ¡years ¡occurs? ¡ ¡ ¡

n n

T P ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ − − = 1 1 1

Be ¡cri/cal ¡

Because ¡observa(on ¡series ¡are ¡generally: ¡

§ Not ¡normally ¡distributed ¡ § Too ¡short ¡ § Not ¡homogeneous ¡ § Not ¡sta6onary ¡

Prof.dr.ir. ¡Hubert ¡H.G. ¡Savenije ¡

GWC-­‑4 ¡ ¡Runoff ¡Genera/on ¡

CTB3300WCx: ¡Introduc2on ¡to ¡Water ¡and ¡Climate ¡