Flood frequency analyses based on streamflow time series, historical information and paleohydrological data

Abstract

Beregning av dimensjonerende flomverdier (20-1000-årsflommer) er et krav ved bygging av dammer, infrastrukturer og arealplanlegging. Robuste og pålitelige beregninger er viktig for korrekte risikovurderinger og for å ta best mulige beslutninger. En av de anbefalte metodene for å beregne dimensjonerende flommer er basert på årlige maksimalverdier fra en tidsserie med vannføring. Disse seriene tilpasses så en statistisk fordeling, vanligvis den generelle ekstremverdifordelingen (GEV-fordeling). En utfordring med denne tilnærmingen er at man som regel har relativt korte tidsserier med vannføring, de fleste er kortere enn 50 år. Estimat av en 200- eller 1000-årsflom er derfor basert på ekstrapolering av data, noe som inneholder store usikkerheter i beregningene. For å utvide datagrunnlaget for estimering av dimensjonerende flommer er det i denne studien benyttet informasjon om flommer fra før systematiske observasjoner av vannføring ble igangsatt; (i) historiske flomkilder (f.eks. flomsteiner) og (ii) paleohydrologi – flominformasjon fra sedimentprøver er undersøkt. I dette studiet er kjerneprøve FLS113 (18.0 cm lang, representerer omtrent de siste 65 årene) og FLS213 (516 cm lang, representerer trolig de siste 10 000 årene) fra Flyginnsjøen brukt. Ved å studere sedimentene i FLS113 kan man finne igjen karakteristiske flomlag for når Glomma var i flom og vannføringen oversteg terskelen, som i dag er beregnet til 1500 m3/s. Resultatene viser at det er en sammenheng mellom bifurkasjonshendelser i Glomma ved Kongsvinger og sedimentlag i kjerneprøver fra Flyginnsjøen. Dette gir grunnlag for å bruke paleohydrologi til å forlenge flomhistorien og dermed basere flomfrekvensanalysen på lengre datagrunnlag utover det instrumentelle målinger kan gi. De tidligste instrumentelle målingene startet rundt 1870. Historisk informasjon brukt i dette studiet legger til ni flommer i perioden 1650-1850 og paleohydrologisk informasjon legger til 155 flommer siden år 1200. Nye flomfrekvenskurver er laget på bakgrunn av denne utvidede flominformasjonen og man kan, ved å sammenligne disse med tidligere flomfrekvenskurver, se at det utgjør en forskjell. I diskusjons-kapittelet diskuteres det hvorvidt de ulike informasjonskildene og lengden på perioden med informasjon, har av betydning for flomfrekvensanalysene. Resultatene viser generelt at ved å inkludere historiske flomhendelser øker vannføringen for forventede gjentaksintervaller, mens ved å inkludere paleohydrologisk flomdata minker vannføringen for forventede gjentaksintervaller, sammenlignet med flomfrekvensanalyser basert på systematisk data. Bruken av historisk informasjon i flomfrekvensanalyse anses å være av verdi, da beregningene blir gjort på utvidet grunnlag om flomhistorien. Spesielt er det nyttig i beregninger av lengre gjentaksintervaller der det kun finnes korte instrumentelle måleserier. Å bruke paleohydrologisk flominformasjon i flomfrekvensanalyse er en nyere og meget spennende metode som det trengs å forskes mer på.

Estimation of design floods (20 – 1000-years floods) is a requirement when building dams, infrastructure and areal planning. Therefore, to make the best decision possible, it is important to have robust and reliable estimations of the flood risk. One of the recommended methods to estimate the design flood is based on yearly maximum values from a long time series with water discharge. Then these yearly time series are fitted to a statistical distribution, most commonly the general extreme value (GEV) distribution. One of the challenges is the relatively short time series of values of discharge, rarely larger than 50 years. Estimate of a 200- or a 1000-years flood is therefore based on extrapolation from the data, and these estimations can contain large uncertainties. To extend the flood records the design floods are based upon, it is in this study obtained flood information from the period before the systematic measurements started; (i) historical flood information (e.g. flood monuments) and (ii) paleohydrology – flood information from sediment cores are investigated. In this study, sediment cores FLS113 (18.0 cm long, representing the last approximately 65 years) and FLP213 (516 cm long, representing the last 10 000 years) from Flyginnsjøen are used. By studying core FLS113 one can find characteristic flood layers for when Glomma was flooded and the water discharge exceeded the threshold, which today is approximately 1500 m3/s. The results show that there is a relationship between bifurcation events in Glomma at Kongsvinger and the sediment layers in cores from Flyginnsjøen. This provides the basis for using paleohydrology to extend the flood history and therefore base new flood frequency analyses on longer data records than what instrumental measurements can provide. Instrumental measurements started around 1870. Historical information used in this study adds nine floods in the period 1650-1850 and paleohydrological information adds 155 floods since year 1200. New flood frequency analyses are made based on this extended flood information, and one can, by comparing these with previous flood frequency analysis, see that this makes a difference. In the discussion-chapter, it is discussed how the different types of information sources and the length of the period with information influences the flood frequency analysis. The results show that by including the historical flood history, the water discharge for design floods will generally increase, and by including paleohydrological flood information, the water discharge for design floods will generally decrease, compared to flood frequency analyses based on modern, instrumental data. The use of historical information in flood frequency analysis is assessed to be valuable, because the estimated are done on an extended flood record. It is useful especially for short record lengths and long return periods. The use of paleohydrological information in flood frequency analysis is a newer and interesting method that needs further research.