Drought risk for water supply systems based on low-flow regionalization

Rossi, Giuseppe

Die vorliegende Arbeit konzentriert sich auf Niedrigwasserindices, die im Allgemeinen mit Hilfe von an geeichten Anlagen beobachteten Abflusszeitreihen bewertet werden. Hydrologische Daten sind für die betreffenden Anlagen nicht immer verfügbar: regionale Frequenzanalysen werden meist für die Strömungsschätzung derjenigen Anlagen verwendet, für welchekeine oder nur wenige Daten vorliegen. Die Studie bezieht sich auf zwischen 1949 und 2008 aufgezeichnete Abflussdatensätze toskanischer Flüsse. Das Gebiet wird unter Anwendung der L-Moment-Methode in homogene Regionen unterteilt und die Indices werden anhand deterministischer und geostatistischer Methoden ausgewertet. Darüber hinaus wird ein multivariates auf geomorphoklimatischen Eigenschaften basierendes Modell untersucht. Für jede Subregion wird das Verhältnis zwischen Indices und geomorphoklimatischen Eigenschaften aufgezeigt. Dürreindices zeigen eine geringe Korrelation mit Wassermangelsituationen , die durch Staumaßnahmen, Nachfrageschwankungen sowie Maßnahmen zur Reduzierung von Dürreeffekten ausgelöst werden. Daher ist ein Indikator notwendig, der Angebot und Nachfrage ins Verhältnis setzt, um das Risiko von Wassermangelsituation bestimmen zu können. Mittels Monte-Carlo-Simulationen wird die Beziehung zwischen dem Versagen von Wasserversorgungssystemen und Reservevolumen für das Gebiet Florenz analysiert. Unter Verwendung der Zeitreihen zwischen 1970 und 2005 werden Reserveniveaus und -volumen simuliert. Dabei werden vier verschiedene Szenarien bezüglich Schweregrad der Dürre definiert. Es werden Grenzwerte identifiziert, um eine bestimmte Nachfrage in einem bestimmten Zeithorizont zu gewährleisten. Diese werden dann mittels einer Optimierungsmethode kalibriert, die versucht v.a. schwerere Wassermangelsituationen zu minimisieren. Die kritischen Situationen werden Monat für Monat untersucht, um über das Jahr optimale Managementregeln aufzuzeigen, die Situationen totalen Wassermangels zu vermeiden helfen.

This work focuses on low flow indices that are commonly evaluated at gauged sites from observed streamflow time series. Hydrological data are not always available at the site of interest: regional frequency analysis is commonly used for the estimation of flows at sites where little or no data exists. The study is applied to Tuscany rivers discharge dataset, recorded from 1949 to 2008. The area is subdivided into homogeneous regions using an L-moments procedure. The low flow indices are evaluated with deterministic and geostatistical methods. A multivariate model, based on geomorphoclimatic characteristics, is also assessed. For each sub-region a relation connecting low flow indices and geomorphoclimatic characteristics is found. Drought indices show little correlation with water shortage situations that depend also on water storage, demand fluctuation and on the actions carried out to reduce drought effects. For that reason an indicator relating supply and demand is required in order to identify situations of risk of water shortages. An analysis of the relationship between failure of water supply systems and reservoir volumes for the area of Firenze, is performed using Monte Carlo simulations. The reservoir levels and volumes are simulated using time series of the period 1970-2005. Four scenarios (i.e. normal, pre-alert, alert and emergency) associated with different levels of severity of drought are defined. Threshold values are identified considering the probability to assure a given fraction of the demand in a certain time horizon, and are calibrated with an optimization method, which try to minimize the water shortages, especially the heavier. The critical situations are assessed month by month in order to evaluate optimal management rules during the year and avoid conditions of total water shortage.

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Rossi, Giuseppe: Drought risk for water supply systems based on low-flow regionalization. 2011.

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