Forecasting the design maxima water discharges of floods on the Latorica river according to the data of the Mukachevo gauging station using plotting position formulas
DOI:
https://doi.org/10.32347/2411-4049.2024.3.123-140Ключові слова:
щорічна ймовірність перевищення, розрахункова максимальна витрата води, епістемічна невизначеність, екстраполяція, повінь, прогнозування, дані спостережень, параметричні розподіли ймовірності, формули емпіричної ймовірності, «зважені» оцінкиАнотація
У статті наведено результати прогнозування розрахункових максимальних витрат води паводків на річці Латориця в межах м. Мукачево з використанням формул емпіричної ймовірності за даними гідрологічних спостережень на гідрологічному посту «Мукачево». При вирішенні поставленої задачі застосовано новий непараметричний метод прогнозування за даними спостережень. Метод ґрунтується на екстраполяції розбіжності між статистичними оцінками річних ймовірностей перевищення пікових витрат води, отриманими за допомогою різних формул емпіричної ймовірності. Завдання досліджень розглядається в межах гіпотези стаціонарності максимального стоку річки з використанням ряду даних щодо максимальних витрат річки Латориця, спостережених на гідропосту «Мукачево» з 1947 по 1999 рік.
Всього було використано тринадцять формул емпіричної ймовірності. Вибір формул був довільним. Усі застосовані в дослідженні формули розглядалися як допустимі альтернативи оцінювання емпіричних ймовірностей перевищення спостережених витрат, а отримані за їх допомогою результати – як експертні оцінки, які відображають схильність носіїв рішення при розробці стратегій управління повенями до більш обережних, але більш вартісних, або до менш вартісних, але більш ризикованих варіантів рішень.
Для зменшення епістемічної невизначеності оцінок емпіричних ймовірностей перевищення екстремальних витрат, отриманих за різними емпіричними формулами, використовувалося правило Фішберна. Згідно з цим правилом рівень значущості оцінок емпіричних ймовірностей перевищення екстремальних витрат води, отриманих за різними формулами емпіричної ймовірності, встановлювався їх ранжуванням в порядку зменшення важливості їх значення при прийнятті рішення. Залежно від вибраного варіанту поведінки носія рішення щодо значущості емпіричних оцінок, отриманих за різними формулами емпіричної ймовірності, було обчислено наступні, «зважені» за рангом, оцінки розрахункових пікових витрат (щорічними ймовірностями перевищення 1%, 0,5% та 0,2%): (1) зважені оцінки для верхньої межі (sup-оцінки), що можуть відповідати схильності носія рішення до більш обережних варіантів рішень; (2) зважені оцінки для нижньої межі (inf-оцінки), що можуть відповідати схильності носія рішення до менш вартісних, але більш ризикованих варіантів рішень в стратегіях управління повенями. В якості можливих теоретичних альтернатив, які можуть використовуватися для прогнозування розрахункових значень максимальних витрат води, розглядалися п'ять параметричних розподілів ймовірностей: 1) трьохпараметричний гамма-розподіл Крицького-Менкеля; 2) розподіл Пірсона III типу; 3) екстремальний розподіл І типу (розподіл І типу Гумбеля); 4) логарифмічний розподіл Пірсона III типу; 5) двохпараметричний логарифмічно-нормальний розподіл. Статистичні параметри сукупності для вибраних параметричних розподілів ймовірності оцінювалися за вибірковою статистикою методом моментів.
Посилання
Ukraine – Vulnerability. Climate Change Knowledge Portal. Available from https://climateknowledgeportal.worldbank.org/country/ukraine/vulnerability.
Flood protection of territories. United Nations Development Programme. UNDP in Ukraine. Available from https://www1.undp.org/content/dam/ukraine/docs/EE/Flood.
Stefanyshyn, D.V. (2022). What could we have learnt from the previous flood data to predict losses caused by the 1980, 1986, and 1998 catastrophic floods in Ukrainian Transcarpathian? Environmental safety and natural resources, 43(3), 81–109; https://doi.org/10.32347/2411-4049.2022.3.81-109.
Stoyko, S.M. (2002). The causes of catastrophic floods in the Transcarpathian region and the system of ecological prophylactic measures for their prevention. TISCIA monograph series, 6, 17–28.
Lukianets, O., Malytska, L., and Moskalenko, S. (2020). Maximum Riverine Runoff in the Basin of Tysa and Prut within Ukraine. In: Proceedings of the XXVIIІ Conference of the Danubian Countries on Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management (Kyiv, November 6-8, 2019). Edited by V. Osadchiy, et al. Kyiv, Nika-Tsentr; DOI:10.15407/uhmi.conference.01.18, Corpus ID: 228979870.
Didovets, I., Lobanova, A., Bronstert, A., Snizhko, S, Fox Maule, C, and Krysanova, V. (2017). Assessment of Climate Change Impacts on Water Resources in Three Representative Ukrainian Catchments Using Eco-Hydrological Modelling. Water, 9, 204; doi:10.3390/w9030204.
Susidko, M.M., and Lukyanets, O.I. (2004). Zoning of the territory of Ukraine according to the degree of hydrological danger. UkrNDGMI, Issue 253, 196–204. (In Ukrainian) [Сусідко М.М., Лук’янець, О.І. (2004). Районування території України за ступенем гідрологічної небезпеки. УкрНДГМІ, Вип. 253, 196–204].
Sub-Basin Level Flood Action Plan for Tisza River Basin. (2009). Int. Commission for the Protection of the Danube River (ICPDR), Flood Protection Expert Group, 52 p. Available from https://www.icpdr.org/main/sites/default/files/FAP09_Tisza.pdf.
Lukіanets, O., Moskalenko, S. (2019). Generalization and multi-annual variability of the maximum annual runoff river water in accordance with the hydrographic zoning of Ukraine. Hidrolohiiа, hidrokhimiiа i hidroekolohiiа, № 2 (53), 6–20. (In Ukrainian) [Лук’янець, О.І., Москаленко, С.О. (2019). Узагальнення та багаторічна мінливість максимального річного стоку води річок відповідно до гідрографічного районування України. Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія, Т. 2 (53), 6–20].
Gönczy, S., Fodor, G., Oláh, N., Nagy, T., Ésik, Z., and Szepesi, J. (2020). Geoheritage Values of the Northeastern Carpathians, Transcarpathia, Ukraine. Geoconservation Research, Vol. 3, Issue 2, 32–48; DOI: 10.30486/gcr.2020.1904340.1026.
Kirilyuk, M.I. (2001). Regime of formation of historical floods in the Ukrainian Carpathians. Environmental aspects of the formation of small rivers (problem analysis). Hydrology, hydrochemistry and hydroecology. [Resp. ed. V.K., Khilchevsky]. Kyiv, Nika-Center, Vol. 2, 146–156. (In Ukrainian) [Кирилюк, М.І. (2001). Режим формування історичних паводків в Українських Карпатах. Екологічні аспекти русло формування малих річок (аналіз проблеми). Гідрологія, гідрохімія і гідроекологія. [Відп. ред. В.К. Хільчевський]. Київ, Ніка-Центр, Т. 2, 146–156].
Konovalenko, O.S. (2016). Latorica. Encyclopedia of Modern Ukraine. Ed.: I.M. Dzyuba, A.I. Zhukovsky, M.G. Zheleznyak [and others]; National Academy of Sciences of Ukraine, Institute of Encyclopedic Research of the National Academy of Sciences of Ukraine. Available from https://esu.com.ua/article-53425. (In Ukrainian) [Коноваленко, О.С. (2016). Латориця. Енциклопедія Сучасної України. Редкол.: І.М. Дзюба, А.І. Жуковський, М.Г. Железняк [та ін.]; НАН України, НТШ, Інститут енциклопедичних досліджень НАН України].
Thematic maps of the Danube River Basin. Social and Economic Characteristics with particular attention to Hot Spots, Significant Impact Areas and Hydraulic Structures. (1999). Programme Coordination Unit UNDP/GEF Assistance. Zinke Environment Consulting for Central and Eastern Europe and Mihaela Popovici, Vienna, Austria; https://www.icpdr.org/sites/default/files/TA_THEMATIC_MAPS.pdf.
Flood issues and climate changes – Integrated Report for Tisza River Basin. (2018). Danube Transnational Programme JOINTISZA. Deliverable 5.1.2. https://www.interreg-danube.eu/uploads/media/approved_project_output/0001/36/49d50d0b2429884b0a1f2eafc8c158b70bc31679.pdf.
Obodovsky, O., Onyschuk, V., Rozlach, Z. et all. (2012). Latorica: hydrology, hydromorphology, channel processes. Kyiv National University, Kyiv, “Rivers of the Carpathians” Series. (In Ukrainian) [Ободовський, О.Г., Онищук, В.В., Розлач, З.В. та ін. (2012). Латориця: гідрологія, гідроморфологія, руслові процеси. Монографія. [За ред. О.Г. Ободовського], Київ, Видавничо-поліграфічний центр «Київський університет», Серія «Річки Карпат»].
Leta, V.V., Mykyta, M.M., Salyuk, M.R., Feketa, I.Yu., and Melnychuk, V.P. (2022). Water use in the Latoritsa river basin: condition and optimization. Hydrology, Hydrochemistry and Hydroecology, No. 1 (63), 30-39; DOI: https://doi.org/10.17721/2306-5680.2022.1.3. (In Ukrainian) [Лета, В.В., Микита, М.М., Салюк, М.Р., Фекета, І.Ю., Мельничук, В.П. (2022). Водокористування у басейні річки Латориця: стан та оптимізація. Гідрологія, гідрохімія та гідроекологія, № 1 (63), 30–39].
Kozak, O., and Didukh, Y. (2014). Assessment of mountain ecosystems changes under anthropogenic pressure in Latorica river basin (Transcarpathian region, Ukraine). Ekológia (Bratislava), Vol. 33, No. 4, 365–379; doi:10.2478/eko-2014-0033.
Central Geophysical Observatory named after Boris Sreznevsky. Available from http://cgo-sreznevskyi.kyiv.ua/index.php?lang=en&dv=main.
Stedinger, J.R., Vogel, R.M. and Foufoula-Georgia, E. (1993). Frequency Analysis of Extreme Events. Chapter 18. In Maidment, D.R., Ed., Handbook of Hydrology, McGraw Hill, New York, 18.1-18.66.
Cunnane, C. (1978). Unbiased plotting positions – A review. Journal of Hydrology, Vol. 37, Issues 3-4, 205–222; https://doi.org/10.1016/0022-1694(78)90017-3.
Apel, H., Merz, B., Thieken, and A.H. (2008). Quantification of uncertainties in flood risk assessments. International Journal of River Basin Management (JRBM), Vol. 6, No. 2, 149–162; DOI: 10.1080/15715124.2008.9635344.
Stefanyshyn, D.V. (2021). Probability assessment of the Kyiv reservoir overflow. Environmental safety and natural resources, 40 (4), 73–99; DOI: 10.32347/2411-4049.2021.4.73-99.
Anghel, C.G., Stanca, S.C., Ilinca, C. (2023). Extreme Events Analysis Using LH-Moments Method and Quantile Function Family. Hydrology, 10, 159; https://doi.org/10.3390/hydrology10080159.
Review of Applied-Statistical Methods for Flood-Frequency Analysis in Europe. (2012). Editors: Castellarin, A., Kohnová, S., Gaál, L., Fleig, A., Salinas, J.L., Toumazis, A., Kjeldsen, T.R., and Macdonald, N. NERC/Centre for Ecology & Hydrology, 122 p. Available from https://nora.nerc.ac.uk/id/eprint/19286/.
Ren, M., He, X., Kan, G., Wang, F., Zhang, H., Li, H., Cao, D., Wang, H., Sun, D., Jiang, X., Wang, G., and Zhang, Z. (2017). A Comparison of Flood Control Standards for Reservoir Engineering for Different Countries. Water, 9, 152; doi.org/10.3390/w9030152.
Makkonen, L. (2006). Plotting Positions in Extreme Value Analysis. Journal of Applied Meteorology and Climatology, Vol. 45, 334–340; https://doi.org/10.1175/JAM2349.1.
Ahmad Shukri Yahaya, Norlida Md. Nor, Nor Rohashikin Mat Jali, Nor Azam Ramli, Fauziah Ahmad, and Ahmad Zia Ul-Saufie (2012). Determination of the Probability Plotting Position for Type I Extreme Value Distribution. Journal of Applied Sciences, 12, 1501–1506; DOI: 10.3923/jas.2012.1501.1506.
Ologhadien, I. (2021). Study of Unbiased Plotting Position Formulae for the Generalized Extreme Value (GEV) Distribution. European J. of Eng. and Technology Research, Vol. 6, Issue 4, 94–99; DOI: http://dx.doi.org/10.24018/ejers.2021.6.4.2468.
Van der Spuy, D., and du Plessis, J.A. (2022). Flood frequency analysis – Part 2: Development of a modified plotting position. Water SA 48(2), 120–33; https://doi.org/10.17159/wsa/2022.v48.i2.3848.2.
Stefanyshyn, D.V. (2023). Testing a numerically-analytical method for prediction design maxima discharges of floods using plotting position formulas: the river Uzh case, the “Uzhhorod” gauging station data, Environmental safety and natural resources, 46:2, 138–162; doi.org/10.32347/2411-4049.2023.2.138-162.
Stefanyshyn, D.V. (2023). A Design Water Discharge Maxima Forecasting Method Based on Observation Data Using Plotting Position Formulas, in: Proceedings of the International scientific and practical conference “Modeling, Control and Information Technologies”, 6, 199–202; doi.org/10.31713/MCIT.2023.061.
Hossein Hassani, H., and Silva, E.S. (2015). Forecasting with Big Data: A Review. Ann. Data. Sci., 2(1), 5–19; DOI 10.1007/s40745-015-0029-9.
##submission.downloads##
Опубліковано
Як цитувати
Номер
Розділ
Ліцензія
Авторське право (c) 2024 Д.В. Стефанишин
Ця робота ліцензується відповідно до Creative Commons Attribution 4.0 International License.
Збірник «Екологічна безпека та природокористування» працює у рамках міжнародної ліцензії Creative Commons Attribution («із зазначенням авторства») 4.0 International (CC BY 4.0).
Ліцензійна політика журналу сумісна з переважною більшістю політик відкритого доступу та архівування матеріалів.
