Verification of the Methods for Calculating the Probable Maximum Flow in the Widawa River in the Aspect of Water Management in the Michalice Reservoir

Gruss, Łukasz; Wiatkowski, Mirosław; Buta, Bogna; Tomczyk, Paweł

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Verification of the Methods for Calculating the Probable Maximum Flow in the Widawa River in the Aspect of Water Management in the Michalice Reservoir

Autorzy

Gruss Łukasz , Wiatkowski Mirosław , Buta Bogna , Tomczyk Paweł

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Weryfikacja metod obliczania przepływów maksymalnych prawdopodobnych w rzece Widawie w aspekcie gospodarki wodnej zbiornika Michalice

Języki publikacji

Abstrakty

Flows with a given probability of exceedance are important from the point of view of water management, especially in water reservoirs. By determining these flows, it is possible to design a reservoir adapted to local conditions that will operate in line with the assumed function. Various methods exist in the world for determining the probable maximum flows; these methods are based on various assumptions. The aim of the article is to verify and assess the applicability of the Flood Frequency Analysis (FFA) and the IMGW method for use in catchments of controlled rivers where a retention reservoir was built during the hydrological observation period. This is important in updating the water management instructions and in designing new retention reservoirs. The authors undertook to investigate whether a series of maximum flows prepared for the IMGW method allows one to recognize the regime change, caused by the construction of the retention reservoir, in the water gauge Zbytowa profile on the Widawa River, using the Mann-Kendall test. The following distributions were used in the study: Pearson type III, log-normal and Weibull. The Mann-Kendall test showed homogeneity of three observational series: 1971-2000, 2001-2017 and 1971-2017 prepared for the FFA method despite the fact that in 2001 the Michalice retention reservoir was commissioned on the Widawa river and the water management in the basin changed this watercourse. However, the observational series prepared for the IMGW method were homogenous only prior to the construction of the reservoir (1971-2000). The observational series prepared in this way enabled the Mann-Kandall test to exclude the homogeneous series caused by the regime change as a result of the construction and operation of the Michalice retention reservoir. Only after the construction of the retention reservoir the observational series from the winter half-year were homogeneous. This is due to the fact that the flows in the winter half-year are definitely lower than those in the summer half-year. The best-fitting distribution for the empirical distribution for the Widawa (the Zbytowa profile) in the analyzed series is a log-normal distribution that can be used to calculate the probable maximum flows needed to update the reservoir's water management instructions. The Wilcoxon test showed no difference between the calculation methods analyzed and used to estimate the probable maximum flows in the Zbytowa profile on the Widawa river. Therefore, as a method for calculating the probable maximum flows for the Widawa river (the Zbytowa profile) in the aspect of managing the Michalice reservoir or some other river with controlled catchment and parameters similar to those of the Widawa (in the Zbytowa profile), one can recommend either of the two analyzed methods: both FFA and IMGW.

Przepływy o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia są istotne z punktu widzenia gospodarowania wodami na zbiornikach wodnych. Dzięki wyznaczeniu tych przepływów możliwe jest zaprojektowanie zbiornika dostosowanego do lokalnych warunków, który będzie funkcjonował zgodnie z założoną funkcją. Na świecie obowiązują różne metody wyznaczania przepływów maksymalnych prawdopodobnych, które bazują na odmiennych założeniach. Celem artykułu jest weryfikacja i ocena możliwości zastosowania metody Flood Frequency Analysis (FFA) i metody IMGW do zastosowania w zlewniach rzek kontrolowanych, na których w okresie obserwacji hydrologicznej wybudowano zbiornik retencyjny. Ma to znaczenie w aktualizacji instrukcji gospodarowania wodą oraz w projektowaniu nowych zbiorników retencyjnych. Autorzy podjęli się zbadania czy serie przepływów maksymalnych przygotowane dla metody IMGW pozwalają na rozpoznanie zmiany reżimu, w rzece Widawie w przekroju Zbytowa, przy pomocy testu Manna-Kendalla, spowodowanej wybudowaniem zbiornika retencyjnego. W pracy wykorzystano następujące rozkłady: Pearsona typ III, logarytmiczno-normalnego oraz rozkład Weibulla. Test Manna-Kendalla wykazał jednorodności trzech serii obserwacyjnych: 1971-2000, 2001-2017 i 1971-2017 przygotowanych dla metody FFA pomimo, że na rzece Widawie w 2001 roku został oddany do eksploatacji zbiornik retencyjny Michalice i zmieniło się gospodarowanie wodą w zlewni tego cieku. Natomiast serie obserwacyjne sporządzone dla metody IMGW były jednorodne jedynie przed budową zbiornika (okres 1971-2000). Tak przygotowana seria obserwacyjna umożliwiła testowi Manna-Kandalla wykluczyć serie jednorodne spowodowane zmianą reżimu na skutek wybudowania i pracy zbiornika retencyjnego Michalice. Jedynie po budowie zbiornika retencyjnego serie obserwacyjne z półrocza zimowego były jednorodne. Jest to spowodowane tym, że przepływy w półroczu zimowym są zdecydowanie niższe niż przepływy w półroczu letnim. Najbardziej dopasowanym rozkładem zmiennej Qmax dla rzeki Widawy (profil Zbytowa) w analizowanych seriach jest rozkład logarytmiczno-normalny, który może zostać wykorzystany do obliczeń przepływów maksymalnych prawdopodobnych potrzebnych do aktualizacji instrukcji gospodarki wodnej zbiornika. Test Wilcoxona wykazał, brak różnic pomiędzy analizowanymi metodami obliczeniowymi użytymi do obliczeń maksymalnych przepływów o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia rzeki Widawy (profil Zbytowa), dlatego też jako metodę do obliczania przepływów maksymalnych prawdopodobnych w zlewni rzeki Widawy w profilu Zbytowa w aspekcie gospodarowania wodami zbiornika retencyjnego Michalice lub innej rzeki o zlewni kontrolowanej o podobnych parametrach zlewni co zlewnia rzeki Widawa (profil Zbytowa), można wskazać obie analizowane metody: FFA i IMGW.

Słowa kluczowe

water reservoirs log-normal distribution Pearson type III distribution Weibull distribution maximum flow estimation Flood Frequency Analysis IMGW method

zbiorniki wodne rozkład logarytmiczno-normalny rozkład Pearsona III typu rozkład Weibulla wyznaczanie przepływów maksymalnych metoda IMGW

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2019

Tom

Tom 21, cz. 1

Strony

566--585

Opis fizyczny

Bibliogr. 55 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Gruss Łukasz

lukasz.gruss@upwr.edu.pl

Wroclaw University of Environmental and Life Sciences, Poland

autor

Wiatkowski Mirosław

Wroclaw University of Environmental and Life Sciences, Poland

autor

Buta Bogna

Wroclaw University of Environmental and Life Sciences, Poland

autor

Tomczyk Paweł

Wroclaw University of Environmental and Life Sciences, Poland

Bibliografia

1. Akaike, H. (1974). A new look at the statistical model identification. Automatic Control, 19, 716-723.
2. Bartkut, V., & Sakalauskas, L. (2008). The method of three-parameter Weibull distribution estimation. Acta et Commentationes Universitatis Tartuensis de Mathematica, 12, 65-78.
3. Blain, G.C. (2015). The influence of nonlinear trends on the power of the trend-free prewhitening approach. Acta Scientiarium. Agronomy, 37, 21-28.
4. Condie, R. & Lee, K.A. (1982). Flood frequency analysis with historic information. Journal of Hydrology, 58, 47-61.
5. Cozzi, S. et al. (2018). Flow Regime and Nutrient-Loading Trends from the Largest South European Watersheds: Implications for the Productivity of Mediterranean and Black Sea’s Coastal Areas. Water, 11, 1.
6. Cunnane, C. (1989). Statistical distribution for flood frequency analysis. Geneva: WMO Oper. Hydrol. Rep., 33, 73.
7. Dominguez, R.M., & Arganis, M.L.J. (2012). Validation of methods to estimate design discharge flow rates for dam spillways with large regulating capacity. Hydrological Sciences Journal, 57(3), 460-478.
8. Dordevic, B., & Dasic, T. (2011). Water storage reservoirs and their role in the development, utilization and protection of catchment. SPATIUM International Review, 24, 9-15.
9. Dynowska, I. (1971). Typy reżimów rzecznych w Polsce. Warszawa: Zesz. Nauk. UJ, CCLXVIII, Pr. Geogr., 28, 150.
10. Dynowska, I. (1997). Reżim odpływu rzecznego, Atlas Rzeczypospolitej Polskiej, Warszawa: Główny Geodeta Kraju.
11. Emami, F., & Koch, M. (2018). Sustainability Assessment of the Water Management System for the Boukan Dam, Iran, Using CORDEX-South Asia Climate Projections. Water, 10, 1723.
12. Folton, N. et al. (2018). A 50-year analysis of hydrological trends and processes in Mediterranean catchment. Hydrol. Earth Syst. Sci. Discuss., 547.
13. GDOŚ (The General Directorate for Environmental Protection; 2019). http://clc.gios.gov.pl/ (02.04.2019).
14. Genest, C., Favre A. C., Béliveau, J., Jacques, C. (2007). Metaelliptical copulas and their use in frequency analysis of multivariate hydrological data. Water Resources Research, 43, 1-12.
15. George, M.W. et al. (2017). Reservoir Sustainability and Sediment Management. Journal of Water Resources Planning and Management, 143(3), 04016077.
16. Gunasekara, T.A.G. & Cunnane, C. (1991). Expected probabilities of exceedance for nonnormal flood distributions. Journal of Hydrology, 128(1-4), 101-113.
17. Guo, S.L. et al. (2004). A reservoir flood forecasting and control system for China. Hydrol. Sci. J., 49, 959-972
18. Hajdukiewicz, H. et al. (2018). Ecological state of a mountain river before and after a largeflood:Implications for river status assessment. Science of the Total Environment, 610-611, 244-257.
19. Hassanli, A.M., Beecham, S. (2013) Criteria for Optimizing Check Dam Location and Maintenance Requirements. In: Conesa-Garcia C. & Lenzi M.A. (eds) Check Dams, Morphological Adjustments and Erosion Control in Torrential Streams (2-22). New York: Nova Science Publishers, Inc.
20. Hirsch, R. M. (2011), A perspective on nonstationarity and water management, Journal of the American Water Resources Association (JAWRA), 47, 436–446
21. Instructions for Water Management on the Michalice Reservoir. [In Polish] (Autor A. Dziuba) (2006). Namysłów: 2006, 28.
22. Jayasiri, M.M.J.G.C. (2017). Assessment of Environmental Flow Release from Deduru Oya Reservoir to Mitigate Possible Impacts on Downstream Ecosystem. Tropical Agricultural Research, 28(3), 298-311.
23. Kendall, M. G., Stuart, A. (1968). The Advanced Theory of Statistics, Volume 3 – Design and analysis, and time series, Second edition, London: Griffin.
24. Kidson, R., & Richards, K. (2005). Flood frequency analysis: assumptions and alternatives. Prog Phys Geogr 29(3), 392-410.
25. Krzanowski, et al. (2014). Review Article: Structural flood-protection measures referring to several European case studies. Nat. Hazards Earth Syst. Sci., 14, 135-142.
26. KZGW (2012). Conditions for water use in the Widawa catchment area (In Polish: Warunki korzystania z wód zlewni Widawy), Wrocław, October 2012 r.
27. Laks, I. et al. (2013). Problems with modelling water distribution in open channels with hydraulic engineering structures. Rocznik Ochrona Srodowiska, 15 (1), 245-257.
28. Le, R.K. (2013). Assessment of Statistical Methods for Water Quality Monitoring in Maryland’s Tidal Waterways. REU Site Interdiscip. Program High Perform. Comput. 2013, 22-41. Available online: http://evoq-eval.siam.org/Portals/0/Publi-cations/SIURO/Vol6/Assessment_of_Statistical_Methods.pdf?ver=2018-04-06-151847-293 (accessed on 25 March 2019).
29. Lu, B. et al. (2012). Stochastic simulation for determining the design flood of cascade reservoir systems. Hydrol. Res., 43, 54-63.
30. Machiwal, D., & Kumar, Jha, M. (2006). Time Series Analysis of Hydrologic Data for Water Resources Planning and Management: A Review. Journal of Hydrology and Hydromechanics, 54(3), 237-257
31. McHugh, M.L. (2013). The Chi-square test of independence. Biochem Med., 23(2), 143-149.
32. Mediero, L. et al. (2010). Design flood hydrographs from the relationship between flood peak and volume. Hydrol. Earth Syst. Sci., 14, 2495-2505.
33. Melo, D.C.D. et al. (2016). Reservoir storage and hydrologic responses to droughts in the Parana River basin, south-eastern Brazil. Hydrol. Earth Syst. Sci., 20, 4673-4688.
34. Młyński, D., Wałęga, A., Petroselli, A. (2018). Verification of empirical formulas for calculating annual peak flows with specific return pe-riod in the upper vistula basin. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 17(2), 145–154.
35. Młyński, D. et al. (2019). Estimating Maximum Daily Precipitation in the Upper Vistula Basin, Poland. Atmosphere, 10, 43.
36. Null, S. E., & Viers, J. H. (2013) In bad waters: Water year classification in nonstationary climates. Water Resources Research, 49 (2), 1137-1148.
37. Radecki-Pawlik, A. et al. (2018). Channel Hydraulics, River Hydraulic Structures and Fluvial Geomorphology For Engineers, Geomorphologist and Physical Geographers. CRC Press, Taylor & Francis Group.
38. Reed, D. W., & Robson, A. J. (eds). (1999). Flood Estimation Handbook, vol 3: Statistical Procedures for Flood Frequency Estimation. Wallingford, UK: Institute of Hydrology.
39. Rong-Song, C., & Chan-Ming, T. (2017). Development of an Evaluation System for Sustaining Reservoir Functions – A Case Study of Shiwen Reservoir in Taiwan. Sustainability, 9, 1387.
40. Rossi, F., Florentino, M., Versace, P. (1984). Two-component extreme value distribution for flood frequency analysis. Water Resources Research, 20(7), 847-856.
41. Sordo-Ward, A. et al. (2017). A Parametric Flood Control Method for Dams with Gate- Controlled Spillways. Water, 9, 237.
42. Suen, J.P., & Eheart, J.W. (2006). Reservoir management to balance ecosystem and human needs: Incorporating the paradigm of the ecological flow regime. Water Resources Research, 42(3), W03417.
43. Szulczewski W. & Jakubowski W. (2018). The Application of Mixture Distribution for the Estimation of Extreme Floods in Controlled Catchment Basins. Water Resour Manage, 32, 3519-3534.
44. Szulczewski, W., Jakubowski, W., Tokarczyk, T. (2018). An analysis of the hydrological regime as a factor influencing on the distributions of maximum annual flows. ITM Web of Conferences, 23, 00034.
45. Ullah, Z. et al. (2012). Flood frequency analysis of homogeneous regions of Jhelum River Basin. International Journal of Water Resources and Environmental Engineering, 4(5), 144-149,
46. USWater Resources Council (1981). Guidelines for Determining Flood Flow Frequency; Washington, DC, USA: USWRC.
47. van Vliet, M.T.H. & Zwolsman, J.J.G. (2008). Impact of summer droughts on the water qualityof the Meuse river. Journal of Hydrology, 354, 1-17.
48. Walder, J.S., & O’Connor, J.E. (1997). Methods for predicting peak discharge of floods caused by failure of naturaln and constructed earthen dams. Water Resources Research, 33(10), 2337-2348.
49. Wdowikowski, M. Kaźmierczak, B., Ledvinka, O. (2016). Maximum daily rainfall analysis at selected meteorological stations in the upper Lusatian Neisse River basin. Meteorology, Hydrology and Water Management, 4(1), 53-63.
50. Wiatkowski, M. (2010). Impact of the small water reservoir Psurów on the quality and flows of the Prosna river. Archives of Environmental Protection, 36 (3), 83-96.
51. Wiatkowski, M. (2013). Preliminary results of quality study of water from small Michalice reservoir on Widawa river. Ecological Engineering, 35, 117-125.
52. Wiatkowski, M., Rosik-Dulewska, Cz., Tomczyk, P. (2017). Hydropower Structures in the Natura 2000 Site on the River Radew: an Analysis in the Context of Sustainable Water Management. Rocznik Ochrona Środowiaka, 19, 65-80.
53. Wiatkowski, M., Rosik-Dulewska, Cz., Tymiński, T. (2010). Analysis of water management of the Michalice reservoir in relations to its functions. Ecological Chemistry and Engineering A, 17(11), 1505-1516.
54. Włodek, S. et al. (2016). Precipitation variation in the Widawa river basin in the multi-year period 1956-2012. Infrastructure and Ecology of Rural Areas, 4/2016, 1947-1959.
55. Zeng, X., Wang, D., Wu, J. (2015). Evaluating the Three Methods of Goodness of Fit Test for Frequency Analysis. Journal of Risk Analysis and Crisis Response, 5(3), 178-187.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-a05f87fd-2072-488a-87a7-a3602188e775