The Regional Hydrology of Extreme Floods in an Urbanizing Drainage Basin

1. The Regional Hydrology of Extreme Floods in an Urbanizing Drainage Basin Smith , J. A., M. L. Baeck, J. E. Morrison, P. Sturdevant-Rees, D. F. Turner-Gillespie, and P. D. Bates, 2002, J. Hydrometero., volume 3,267-282 學生：傅佑瑜 指導教授：楊明仁 老師 日期： 3/23/2006

2. 大綱 • 前言 • 水文反應的長期趨勢(1962-1995) • Little Sugar Creek 的颱風事件 • 極端洪水的水文反應 • 結論

3. 前言 • 本篇文章主要是在探討North Carolina 的Little Sugar Creek中的Charlotte從1990年後期的極端洪水事件。 • 為了達到這個目標，於是提出了三個假說為調查方向。

4. 增加Charlotte大都市區域的洪水尖峰流量是由於排水密度增加，並且增加了在街道和其他環境構造物排水網的精密度(Graf 1997) 。有一個非主流的假說說法是增加洪水流量起初是因為逕流體積增加和不滲透面積的增加(Leopold 1968)。 • 之前的土壤濕度由於洪水反應隨著都市化而減少，是因為不滲透面積的增加所影響。但在非常大的洪水事件時，之前的土壤濕度可以被忽略。 • 從1995年開始就有一連串異常大的洪水尖峰大部分是由異常大的降雨而發生。

5. Little Sugar Creek Irwin-Sugar Creek McAlpine Creek Location map for Mecklenburg County, North Carolina, with LULC and drainage basin boundaries for Little Sugar Creek

6. 水文反應的長期趨勢 (1962-1995)

7. Summary of flood response and trends in flood response based on stream-gauging observations for annual flood peaks from 1962 to 1995 for five catchments in the Charlotte metropolitan area. 差五小時 差兩倍 差兩倍 • Little Sugar Creek Long Creek 較少郊區化的發展，擔任集 • Irwin-Sugar Creek 水區的控制 • McAlpine Creek • McMullen Creek • McMullen Creek每年洪水尖峰的線性的趨勢為3.4%，為近30年來的兩倍。河 流的改變伴隨著強烈的郊區發展，還原時間最快為1-10年。 • 1990年後期持續抬升洪水尖峰，暗示永久工程的改變對排水和流域系統支配了 McMullen Creek的時間趨勢。 都市化 郊區化

8. Little Sugar Creek 流域西北方的Charlotte是一個極度都市化的地區。 • 都市化區域的水文反應的典型特徵：洪水尖峰流量增加、延遲時間減少，和逕流體積增加(Leopold 1968)。 • 郊區化區域的時間和洪水尖峰流量，對排水系統的流域和水力效率的排水密度增加，在排水網中是很敏感的(Graf 1977)。

9. Summary of basin characteristics for catchments of five stream-gauging stations in Little Sugar Creek, where Ksat denotes the mean saturated hydraulic conductivity over the basin. ＋ 最大 ＝52 52%為有效不滲透部分的百分比

10. Little Sugar Creek 颱風事件

11. 五個颱風的降雨分析資料為根據雨量資料和天氣監測雷達-都卜勒雷達(WSR-88D)反射率觀察得知。美國地質調查協會(U.S. Geological Survey, USGS)在Mecklenburg設立46個雨量站， 而Little Sugar Creek 附近有9個。 • 雷達降雨估計運用降雨強度-雷達回波因子關係式(Z-R) 做轉換：Z=300R1.4。 • 雷達根據降雨量估計，當在足夠的時間尺度(5-15min)和空間尺度(1km)以獲得降雨量的變化性，來分析Little Sugar Creek的反應時間和水平衡。

12. Rainfall summaries based on rain gauges in the Little Sugar Creek basin for five flood events. 23 July 1997颱風 5分鐘尖峰降雨強度 161mmh-1為100年來5分鐘尖峰降雨強度的64%，為2年來5分鐘尖峰降雨強度的111%。 60分鐘尖峰降雨強度 78mmh-1為100年來60分鐘尖峰降雨強度的86%，為2年來60分鐘尖峰降雨強度的181%。(Frederick et al. 1977) Basin-averaged rainfall and fraction of storm total rainfall at rainfall rates exceeding 5, 25, 50, and 100 mm Aug 1995，23 July 1997， July 1998三個颱風，超過 50%總降雨量被釋放在降雨 強度超過25mmh-1，超過25% 的總降雨量在降雨強度超過50mmh-1中釋放。

13. 為了描繪Little Sugar Creek流域降雨的空間變化性，用尺度為5-min，1-km雷達降雨場來計算： M(t) ：在時間t時，集水區在颱風期間的平均降雨強度 Z(t) ：在時間t時，降雨強度超過25mmh-1的流域範圍 D(t) ：在時間t時，降雨從流域出口標準化距離 R(t,x) ：降雨場函數 d(x) ：為距離函數，公制，分析降雨量空間分佈 Little Sugar Creek的D(t)=0.62 D(t)=0時，降雨分佈靠近流域出口 D(t)=1時，降雨分佈集中在流域外圍 （當降雨均勻分佈在集水區）

14. 在0500-0900 UTC時，一連串小颱風經過流域，導致很大的空間和時間變化性降雨。 1200-1400 UTC時， Little Sugar Creek集水區的降雨面積增加。以上兩段時間都有造成大雨。 降雨分佈由D(t)標準化距離表示，在兩小時之間(0430-0630 and 1200-1400 UTC) ，從低流域移動到高流域。 5 9

15. 颱風快速移動通過區域和流域尺度有關的線性範圍很大。颱風快速移動通過區域和流域尺度有關的線性範圍很大。 尖峰範圍的大雨部份Z(t)反映經過主要的對流線。 整個降雨時期，洪水展現整個流域和空間降雨均勻分佈有關。

16. 極端洪水的水文反應

17. A B • Little Sugar Creek流域中的Medical Center(測站1) 都市發展很強烈，Little Hope Creek為郊區並被住宅區的發展所控制。 • Archdale(測站4)對流域西邊都市化的部份有最有貢獻。Briar Creek(測站2)洪水尖峰到下游測站Archdale之後，其流量退回到Archdale。 A B A B

18. 洪水反應時間在都市和郊區的集水區有很大的不同。洪水反應時間在都市和郊區的集水區有很大的不同。 Little Sugar Creek at Medical Center 為31.6km2，延遲時間1.0h；Little Hope Creek 為6.7km2 ，延遲時間1.1h。 前期土壤水分在Little Sugar Creek的洪水反應很重要，對集水區大部分都市化的極端事件以三個時期0400 UTC 23 July直到1200 UTC 24 July 1997的颱風來說明，逕流率由0.64上升到1.00又下降到0.81。 Little Sugar Creek的最大流速發生在流域中心和流域較上方的位置。 Flood summaries for Little Sugar Creek at Medical Center for the five storms (note that the 23 Jul 1997 and 27 Aug 1995 events are each broken into two periods.) 都市 Flood summaries for Little Hope Creek for the seven storm periods 郊區

20. 擴大排水網(結果減少反應時間)是增加Little Sugar Creek洪水流量的方法。 Little Sugar Creek流域中的Medical Center排水網： Stormwater Drainage System：在Charlotte市中心，下水道較Equivalent Natural Network 多。 Equivalent Natural Network：有較高的解析度。 以上兩者排水密度皆為0.010m-1，

21. July 1998的洪水比April 1998有更明顯的尖峰流量。Archdale在July 1998時，V/P ratio為3.2h，在April 1998時，V/P ratio為5.0h。 在Archdale(測站4)和NC 51(測站5)之間的河段流量減少，洪水波減少和地質控制流域的縱向剖面以及流域底部的擴展有關，洪水波的減少也是延遲Briar Creek(測站2)到Archdale(測站4)集流時間的因素 (Turner-Gillespie 2001) 。 A A N N

22. b圖(4月)的降雨呈比較均勻的分佈，c圖(7月)大雨最初集中在流域比較低的地方，颱風尖峰強度趨勢有更為均勻分佈的現象。

23. 結論

24. Charlotte集水區洪水反應在不同的土地利用和覆蓋，時間和流量有很大的不同，擴大排水網和增加水力效率為主要增加洪水流量趨勢的方法。Charlotte集水區洪水反應在不同的土地利用和覆蓋，時間和流量有很大的不同，擴大排水網和增加水力效率為主要增加洪水流量趨勢的方法。 • 增加逕流和不滲透面積對集水區水平衡很重要，但在Little Sugar Creek流域的極端洪水反應則為沒那麼重要，當流量和降雨強度比飽和水力傳導值大很多時，極端洪水在滲透和不滲透區域的反應是由超滲逕流所支配。 • 前期土壤水分在Little Sugar Creek流域的極度都市化區域，其極端洪水反應很重要，如23 July 1997的洪水尖峰由累積降雨產生近兩倍Charlotte100年的雨量紀錄和打破74年最大的洪水尖峰的紀錄。

25. 部分超大降雨流域的範圍對洪水反應尺度在Little Sugar Creek是主要的因素。對於小的流域，像是Little Sugar Creek 的Medical Center(31.2km2) ，洪水部分範圍是由流域反應時間(0-2h) ，近乎100%超大降雨而產生。對於較大的流域，像是Sugar Creek(550km2 ) ，流域反應時間(24-48h) ，有超大降雨期間很小。 • 颱風結構和動向在多變洪水反應的颱風事件中來說是很重要的。 • 減少河段主要是由地質控制縱向剖面和河流底寬的變化性。洪水波的減少滿足下游都市化的洪水反應減少的結果。

26. Sugar Creek區域洪水反應主要的改變，在於都市化和郊區化反應時間、降雨影響尺度和空間時間構造、減少河段的影響。

27. 報告完畢 謝謝大家

28. 逕流率接近1，尤其是在大部分流域承受很大的降雨量的時期，和最大流域飽和部分範圍的滲透分析不一致(Dunne 1978)。 • 逕流率的減少在23-24 July 1997颱風事件和降雨強度控制入滲超滲逕流產物一致的，但和擴大飽和面積逕流控制不一樣。

29. 對水文反應而言，排水網構造可以被當作寬度函數，為很多的渠道從流域出口細小距離的連結(Rodriguez-Iturb and Rinaldo 1997) • 流域的寬度函數和地形學瞬時單位歷線(GIUH)成比例。 • Little Sugar Creek都市發展的影響在流域比較低的部份，寬度函數擴大。