ArcGIS tool to estimate hydrograph using the VAPI and WFIUH

GIT – Geology and Information Technology
9a Riunione del Gruppo di Geologia informatica - Sezione della Società Geologica Italiana
Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014
An ArcGIS tool to estimate the design hydrograph using
the VAPI and WFIUH methods in the District of the
Central Apennine
Antonio Annis, Fernando Nardi
University for Foreigners of Perugia
Montefalco (PG), 16 - 19 giugno 2014
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OUTLINES
1.
2.
3.
4.
5.
Background
GIS algorithm
A. Hydrobase
B. Sub Basins
C. WFIUH-SB
• Basin
• Width Function
• WFIUH (VAPI, SCS-CN, VAPI, Weghited Width function,
Convolution)
Sample applications and calibration
Performances and comparison vs standard models
Discussion
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FLOOD RISK ASSESSMENT
Synthetic rainfall: Design hyetograph
Rainfall-runoff: Design hydrograph
Flood routing and hazard mapping
Flood zoning: risk mapping
PROPOSED WORK
An Arc-GIS parsimonious model using largely available input data
(DEM, landuse) to estimate the design hydrologic forcing scenario for
unguaged basins
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TOOL 1: HYDROBASE
DEM
sinks
pit filling
FLOW DIRECTION
FLOW ACCUMULATION
Treshold area
STREAM NETWORK
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TOOL 2: SUBBASINS (TORRENTE ASSINO)
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TOOL 3: WFIUH-SB: MODULES
1 BASIN
Morphometric
parameters
2 WIDTH FUNCTION
Flow Length Flow Time
Width Function
3 WFIUH
Rainfall hyetograph
(from historic event
or VAPI method)
Hydrograph
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 1: BASIN (ASSINO)
Area [km2]
Perimeter [km]
H max [m.s.l.m]
H min [m.s.l.m]
H mean [m.s.l.m]
ΔH [m]
Drainage density
[km/km2]
Basin mean slope [%]
Mean channel length [km]
Mean channel slope [km]
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 2: WIDTH FUNCTION
 FLOW LENGTH
 FLOW TIME
Vchannel = f(slope)
Vhillslope = f(slope, CN)
Times of concentration
 WIDTH FUNCTION
tc (WF)
tc (Giandotti - Kirpich)
tc (WF)= f(Vchannel, Vhillslope)
tc (G-K)=f(Ab,Hm,Lq)
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - VAPI
VAPI (Valutazione Piene in Italia) method:
Rainfall intensity:
itc (T , tc , ym , SZO) 
a(T , SZO)
(b( SZO)  tc ) m(SZO)
T
tc
=Return time
=Duration of the event
SZO=Climatic Omogeneous Zone
ym =Mean height
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - Rainfall
htc (T , tc , ym , SZO)  itc  tc
Subbasin/Vapi-zone
Hyetograph
(Rainfall Duration= tc)
Design time constant
hyetograph
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH – Net rain
SCS – CN Method
Net cumulated Rain at time step t
PN ,t 
P
TOT ,t  I a 
2
PTOT ,t  I a  S
PTOT ,t
PTOT  I a
=Total cumulated Rain
at time step t
S  f (CN ) =potential maximum
soil moisture
retention
I a  f (S )
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=Initial
abstraction
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH – Weigthed WF
WFw,i 
Pi
WFw,i  WFi 
Pmean
WFi 
0,1800
0,1600
Weigthed width
function of i-cell
Simple width
function of i-cell
0,1400
Pi 
WF [-]
0,1200
0,1000
Cumulated net
rainfall of i-cell
0,0800
Pmean 
0,0600
0,0400
0,0200
0,0000
30
60
90
120
150
180
210
240
270
300
Time [min]
Simple WF
Weigthd WF
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330
360
390
420
Spatial Mean net
rainfall
Pi
 f ( SZO, CN )
Pmean
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TOOL 3: WFIUH-SB, MODULE 3: WFIUH - Flow
t
Q(t )   PNET ( )IUH t   d
Convolution
0
n
Qn   PmWFn m1
m 1
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WFIUH VS. RATIONAL METHOD
Rational Method
QC (tc )    itc  Ab
Triangular Hydrograph
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CALIBRATION
Avaiable measurements (2014)
183 Rain gauges
14 Hydrometers avaiable
The tool allows to input hystoric hyetograph
from rain gauges instead of a synthetic
hyetograph of VAPI Method trough a drop-down
menu
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CALIBRATION – ASSINO BASIN (169 km2)
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CALIBRATION – GALERIA BASIN (153 km2)
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CALIBRATION – ANIENE BASIN (1469 km2)
Medium size
basin Recession
limb
Hillslope flux
Groundwater flow
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STRENGTHS VS. WEAKNESSES
PROs
 Fast and easy to use
 Few input and calibration parameters
 Tailored for design hydrology in small ungauged basins
 Mimic dishomegenous rainfall events in small-to-big basins by WF rescaling
 Able to represent/calibrate basin impulsive/real flood events
CONs
 Inherits all cons of:
 concentrated IUH-based rainfall-runoff methods (no routing and
groundwater component)
 SCS-CN rainfall method
 Constant spatial/temporal distribution of the rainfall
 Issues in representing multimodal non-impulsice flood events
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WHAT NEXT
 Coding of Large basin module for taking into account the spatial
distribution of the climate (considering different return times depending
on the climatic zone and stream order)
 Implementation of a modified version of the WF using simplified
algorithms for considering missing physical processes (groundwater flow,
soil moisture distribution)
 Implementation of a event-based hillslope-to-channel erosion and
sediment transport model to evaluate the bulking factor in the
hydrograph estimation
 Linking WFIUH with FLO-2D: outputs hydrograph as input for a semplified
2D hydraulic flood routing model
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