Towards a decision support system for flood management in a river Basin

Abstract

The world is experiencing a countless number of impressive and devastating floods causing a range of health impacts and risks with hundreds of thousands of people losing their lives or becoming homeless in a matter of hours. These hydrological extremes are of growing concern for global, regional and national authorities due to the human tragedy and the associated socio-economic losses. EU Floods Directive requires the developing of flood hazard maps, which may include information on hydrological and hydrodynamics characteristics of vulnerable regions, i.e. inundated areas, river flow discharges and water levels. Prediction of flood events can accurately be achieved by applying mathematical modelling for describing rainfall-runoff phenomena as well as surface waters hydrodynamics. In this work a platform for flood forecasting, FEWS-LIMA, implemented with Delft-FEWS software, was successfully applied in the case study of the Portuguese river Lima basin. This platform integrates SOBEK Sacramento hydrological model, SOBEK rivers hydrodynamic models that work together in predicting river hydrodynamics behaviour, and a comprehensive hydrological database. The calibration of these models was achieved using historical river flow discharges and water levels data in different rainfall events and considering the existence and inexistence effect of upstream river dams operation. Models predictions use rainfall time series as input data obtained from meteorological forecasting services, based on atmospheric models. The performance of FEWS-LIMA platform created for the river Lima basin was verified in real rainfall events, using a backcasting approach to 4 flood events occurred in specific weeks in the years 2006, 2010, and 2011 in order to demonstrate the accuracy of the modelled processes. In addition, a forecasting event was also considered in order to show the applicability of this methodology in future situations. It was verified, in this case study, that the obtained results have a high correlation to the actually measured typical flood hydraulic parameters (river flow discharges and water levels).

Nas últimas décadas tem-se registado um número crescente e impressionante de inundações devastadoras com centenas de milhares de vítimas mortais ou desalojados numa questão de poucas horas. Estes fenómenos hidrológicos extremos são motivo de crescente preocupação para as autoridades globais, regionais e nacionais, devido às tragédias humanas e aos prejuízos socioeconómicos que lhe estão associados. A Directiva da UE sobre cheias estabelece a obrigatoriedade de elaboração de cartas de zonas inundáveis, que devem conter informação sobre características hidrológicas e hidrodinâmicas de regiões vulneráveis (áreas inundadas, níveis de água e caudais). A previsão de cheias pode ser realizada com precisão com o auxílio da aplicação de modelos matemáticos que tentam descrever os fenómenos precipitação-escoamento, bem como a dinâmica dos meios hídricos naturais. Neste trabalho foi criada uma plataforma de previsão de cheias (FEWS-LIMA, implementada no software Delft-FEWS) a qual foi aplicada, com sucesso, ao caso de estudo da bacia do rio Lima. Esta plataforma integra ferramentas de modelação de hidrologia e hidrodinâmica (SOBEK) que, em conjunto, prevêem o comportamento hidrodinâmico do sistema fluvial. A calibração destes modelos foi conseguida utilizando dados históricos de caudais e níveis de água em diferentes eventos de precipitação e considerando a existência ou não do efeito da operação das barragens a montante. Os modelos utilizaram, como dados de entrada, séries temporais de precipitação obtidas a partir de serviços de previsão meteorológica baseados em modelos atmosféricos. O desempenho da plataforma FEWS-LIMA foi verificado em eventos reais de precipitação, aplicando-se uma abordagem de “backcasting” em quatro eventos de cheia ocorridos em 2006, 2010 e 2011 por forma a demonstrar a precisão dos processos modelados. Para demonstrar a aplicabilidade desta metodologia em futuras situações considerou-se, ainda, um cenário de previsão. Foi verificado, neste estudo, que os resultados obtidos demonstram uma elevada correlação com os parâmetros hidráulicos medidos (caudais e níveis de água).