Parameter identification of a conceptual rainfall-runoff model for a small urban catchment

Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW
Land Reclamation No 42 (2), 2010: 279–293
(Ann. Warsaw Univ. of Life Sci. – SGGW, Land Reclam. 42 (2), 2010)

Parameter identification of a conceptual rainfall-runoff model for a small urban catchment

ANNA SIKORSKA, KAZIMIERZ BANASIK
Department of Water Engineering and Environmental Restoration, Warsaw University of Life Sciences – SGGW

Abstract: As a consequence of city expansion, the conditions of catchments located in urban areas have been permanently changing. This leads to an increase of flood risk in an urban area resulting from overflows of small streams, which are not prepared to receive more water. Moreover, hydrological data from long-time period are usually not available for small streams in an urban area and are limited to the last few years or to the moment after introduced changes within catchment in relation to urbanization. Therefore, it becomes hardly possible to use direct methods of estimating flood flows for small streams, which needs a reach data set. For that reason, mathematical modelling is growing as a basic method of evaluation of flood flows in urban area with limited information of a catchment. The object of this paper is to identify parameters of a conceptual model of rainfall-runoff process within a small ungauged urban catchment and to verify how chosen characteristics of a model depend on chosen rainfall characteristics. The results of modelling of pluvial flooding, conducted in a small urban catchment – Służew Creek catchment (located in Warsaw, Poland), have been presented in the paper. This catchment has been monitored by Department of Water Engineering and Environmental Restoration (Warsaw University of Life Sciences – SGGW) for a few years. Next, the results present a comparison of estimation of instantaneous unit hydrograph (IUH) by the Rao, Delleur and Sarma equations with the one established on recorded data. This empirical method consists of the ratio of urbanized area within catchment as well as in the duration and amount of an effective rainfall during a storm event. Moreover, including ratio of urbanized area allows user to adopt this method in a simple way to new conditions of the catchment, which is important as far as urban areas are considered. Considered IUHs were based on the Nash model, in which catchment is depicted as a cascade of N linear reservoirs with the same retention parameter k. For separation of the effective rainfall from the recorded storm the CN-SCS method was applied. To compare two methods, IUHs were estimated basing on three hydrological years (2007–2009) for a Berensewicz Pond profi le and the comparison was made on the base of an IUH characteristic value – Lag time. The results of identification and verification of characteristics values of IUH (Lag and k) for Służew Creek catchment, presented in this paper, have indicated a statistical correlation between lag time and the sum of total and effective precipitation, and between k parameter and the sum of total and effective precipitation as well. Moreover, the analysis has shown that IUH characteristics estimated with the use of Rao, Delleur and Sarma equation has given promising results in comparison with the characteristics of measured IUH. Therefore, this method could be useful to estimate and predict flood flows in ungauged urban catchments in situation of limited information. However, this research needs further investigation and verification.

Key words: instantaneous unit hydrograph - IUH, Nash model, Rao, Delleur and Sarma equations, CN-SCS, gauged catchment, lag time

Streszczenie: Identyfikacja parametrów modelu koncepcyjnego opad-odpływ małej zlewni zurbanizowanej. W wyniku rozbudowy miast warunki w zlewniach miejskich są stale zmieniane. Prowadzi to do wzrostu zagrożenia powodziowego na obszarze miejskim, w wyniku przepełnienia małych strumieni, które nie są przygotowane na przyjęcie większej ilości wody. Co więcej, dane hydrologiczne z długiego okresu czasu nie są zazwyczaj dostępne dla małych strumieni na terenach miejskich, a jeśli występują ograniczają się do kilku ostatnich lat lub do momentu, po wprowadzonych zmianach w zlewni w następstwie urbanizacji. W związku z tym, zastosowanie bezpośrednich metod wyznaczania przepływów wezbraniowych dla małych strumieni staje się prawie niemożliwe. Z tego powodu rośnie znaczenie modelowania matematycznego jako podstawowej metody oceny przepływów wezbraniowych w miastach o ograniczonej informacji o zlewni. Celem niniejszej pracy jest identyfikacja parametrów koncepcyjnego modelu procesu opad-odpływ w małych nieobserwowanych zlewniach miejskich i weryfikacja, jak wybrane charakterystyki modelu zależą od wybranych charakterystyk opadów. Wyniki modelowania prowadzonego w małej zlewni miejskiej – zlewni Potoku Służewieckiego (zlokalizowanego w Warszawie), zostały przedstawione w artykule. Zlewnia ta monitorowana jest przez Zakład Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska (SGGW) od kilku lat. Następnie przedstawiono wyniki porównania charakterystyk chwilowego hydrogramu jednostkowego (IUH) wyznaczonego wg metody Rao, Delleur i Sarma z charakterystykami IUH ustalonego na podstawie obserwowanych danych opad-odpływ. W metodzie Rao i współautorów, charakterystyki modelu uzależnione są od udziału powierzchni zurbanizowanych w zlewni, jak również czasu trwania i ilości opadu efektywnego. Ponadto, udział obszaru zurbanizowanego pozwala użytkownikowi na adaptację tej metody w prosty sposób do nowych warunków zlewni, co jest szczególnie istotne dla obszarów miejskich. Chwilowe hydrogramy jednostkowe wyznaczone zostały wg modelu Nash, w którym zlewnia przedstawiana jest jako kaskady N zbiorników liniowych o tym samym parametrze retencji k. Wydzielenie opadu efektywnego z zaobserwowanego przeprowadzono wg metody CN-SCS. Porównanie dwóch metod wyznaczania charakterystyk hydrogramów IUH zostało przeprowadzone na podstawie trzech lat hydrologicznych (2007–2009) dla profilu Staw Berensewicza, a porównania dokonano na podstawie wartości charakterystycznej IUH (lag – czas opóźnienia). Przeprowadzona analiza wykazała istnienie zależności statystycznej pomiędzy Lag i k a charakterystykami deszczy (wysokością opadu całkowitego i efektywnego). Ponadto, charakterystyki IUH wyznaczone wg równań Rao, Delleur i Sarma dają obiecujące wyniki w porównaniu z charakterystykami wyznaczonymi na podstawie zaobserwowanych danych. Dlatego metoda ta może być przydatna do oceny i przewidywania przepływów powodziowych w małych nieobserwowanych zlewniach miejskich w sytuacji ograniczonej informacji. Zagadnienie to wymaga jednak dalszych badań i weryfikacji.

Please use the following format to cite the selected article:
SIKORSKA A., BANASIK K.: Parameter identification of a conceptual rainfall-runoff model for a small urban catchment. Annals of Warsaw University of Life Sciences – SGGW. Land Reclamation No 42 (2), 2010: 279–293

Authors’ addresses:
Anna Sikorska
Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW
ul. Nowoursynowska 159
02-787 Warszawa, Poland
e-mail: anna_sikorska@sggw.pl

SIKORSKA A., BANASIK K.: Parameter identification of a conceptual rainfall-runoff model for a small urban catchment

DOI 10.2478/v10060-008-0086-2