Original paper

An integrated study for the evaluation of natural and anthropogenic causes of flooding in small catchments based on geomorphological and meteorological data and modeling techniques: The case of the Xerias torrent (Corinth, Greece)

[Eine zusammenfassende Studie über die Beurteilung der natürlichen und anthropogenen Gründe für Flutereignisse in kleinen Einzugsgebieten, basierend auf geomorphologischen und meteorologischen Daten sowie Modelltechniken: Der Xerias Strom (Korinth, Griechenland) Une étude intégrée pour l'évaluation des causes naturelles et anthropogéniques am?]

Karymbalis, Efthimios; Katsafados, Petros; Chalkias, Christos; Gaki-Papanastassiou, Kaliopi

Abstract

This study investigates the natural (hydro-meteorological and geomorphological) and anthropogenic factors responsible for flooding events in the ungauged Xerias torrent drainage basin, which is located in northeastern Peloponnesus, Greece. The study focuses on the analysis of the meteorological and hydrological processes of the most severe flooding event of the torrent, which happened on January 11th and 12th, 1997. The combined effects of spatially-varied precipitation and catchment characteristics on surface runoff were examined for this flash-flood event. The major meteorological feature of this event is associated with the passage of a cyclonic system accompanied by a cold front. 176 mm of rainfall in 10 hours was recorded at the meteorological station closest to the flooded area, demonstrating the severity of the event. In order to investigate the development and evolution of this cyclonic system, a numerical simulation was performed using a non-hydrostatic limited area atmospheric model on a very fine spatiotemporal resolution. Detailed atmospheric and soil parameters derived from the atmospheric simulation were imported into an integrated Geographical Information System (GIS) for further hydrological analysis and estimation of hydrographs throughout the catchment area. Additionally, the quantitative geomorphological characteristics of the Xerias torrent drainage basin were estimated and studied. The hierarchical drainage by stream order was investigated and the longitudinal profiles, as well as the stream power diagrams of the main stream and seven of its major tributaries, were constructed and analysed. The estimated maximum discharge for the outlet was ∼610 m3/sec at almost 21:00 (12/12/1997), while this value for Solomos (9 km upstream from the river mouth) and Soussana (13.6 km upstream from the mouth) were estimated as ∼540 m3/sec and ∼410 m3/sec, respectively. Among the most important natural flood causes are extreme rainfall and the geomorphological characteristics of the drainage network. These features include irregularities in the number of channels that drain directly into streams of higher order, as well as the high bifurcation ratio values between the fourth and the fifth order streams and high channel gradients in the upper reaches of the tributaries. A crucial flood factor is also human interference, expressed by artificial confinement of the channels and the construction of inefficient bridges and pipes to facilitate the discharge.

Kurzfassung

Diese Studie untersucht die natürlichen (hydro-meteorologische und geomorphologische) und anthropogenen Faktoren, die für das Hochwasser in der Umgebung des Xerias Stroms (nordöstliche Peloponnes, Griechenland) verantwortlich sind. Die Studie konzentriert sich auf die Analyse der meteorologischen und hydrologischen Prozesse der schwersten Hochwasserkatastrophe vom 11. und 12. Januar 1997. Sowohl die räumlich variierende Niederschlagsmenge als auch die Beschaffenheit des Oberflächenabflusses wird hierfür untersucht. Der wesentliche meteorologische Bestandteil dieses Ereignisses ist der Durchzug eines Tiefdruckgebietes, das von einer Kaltfront begleitet wird. Eine Niederschlagsmenge von 176 mm in 10 Stunden wird von der nahegelegenen meteorologischen Station gemessen. Um die Entstehung und Entwicklung dieses Zyklons zu erforschen, wird eine numerische Simulation benutzt, unter Verwendung eines nicht hydrostatisch begrenzten Modells mit einer sehr feinen spatiotemporalen Auflösung. Detaillierte atmosphärischen Parameter sowie die des Bodens sind das Ergebnis der atmosphärischen Simulation. Diese wurden für weitere hydrologische Analysen und Einschätzung von Ganglinien im gesamten Einzugsgebiet in ein integriertes geographisches Informationssystem (GIS) eingegeben. Die Deutung dieser Hydrographs trägt zur dynamischen Auswertung des Ereignisses, sowie zur quantitativen Schätzung der Höchstentladungen bei. Zusätzlich wurden die quantitativen geomorphologischen morphometrischen Eigenschaften des Xerias Strom-Entwässerungsgebietes geschätzt und studiert. Die hierarchische Entwässerung durch Verdampfung wurde erforscht und die Längsprofie des Hauptstromes und der sieben Nebenflüsse wurden konstruiert und analysiert. Der geschätzte maximale Abfluss war ∼610 m3/s um 21:00 (12/12/1997) für den Abflusskanal, ∼540 m3/s für Solomos (9 km von der Mündung flussaufwärts) und ∼410 m3/s für Soussana (13,6 km von der Mündung flussaufwärts). Die Ursachen dieser Flut sind extremer Niederschlag und die geomorphologischen Eigenschaften des Entwässerungsnetzes. Zu diesen Funktionen zählen Unregelmä?igkeiten in der Anzahl der Kanäle, die direkt in Bäche höherer Ordnung, sowie die hohen Bifurkation Ratio-Werte zwischen dem vierten und fünften Ordnung Ströme und hohe Kanal-Gradienten in den Oberläufen der Nebenflüsse entwässern. Ein entscheidender Faktor Flut ist auch menschliche Eingriffe, ausgedrückt durch künstliche Beschränkung der Kanäle und der Bau von Brücken und ineffizient Rohre, die Entladung zu erleichtern.

Résumé

Cette étude vise à examiner l'environnement hydro-météorologique et géomorphologique aussi bien que les facteurs humains responsables pour les inondations dans le secteur plus large du bassin de drainage du torrent Xerias, situé au NE du Péloponnèse, Grèce. L'étude est concentrée sur l'analyse des processus météorologiques et hydrologiques concernant les inondations les plus graves qui ont eu lieu les 11 et 12 Janvier 1997. A l'occasion de cette inondation exceptionnelle, la distribution spatiale de la précipitation ainsi que les caractéristiques du bassin de drainage ont été examinées. Les caractéristiques météorologiques majeures de cet événement ont été liées au passage d'un système cyclonique accompagné d'un front froid. Presque 176 mm de pluie ont été enregistrés en dix heures à la station météorologique la plus proche de la région étudiée. Les paramètres atmosphériques détaillés et du sol sont le résultat de la simulation atmosphérique utilisée comme données dans un système d'information géographique intégré (GIS) pour l'analyse hydrologique et l'évaluation des hydrogrammes directs et des décharges maximales aux endroits spécifiques du bassin de drainage. En plus, les caractéristiques morphométriques géomorphologiques quantitatives du bassin de drainage de torrent de Xerias ont été estimées et étudiées. L'hiérarchisation du drainage par ordre de tributaires a été étudiée ainsi que les diagrammes de puissance du torrent et les profiles longitudinaux du torrent principal et de ses sept tributaires majeurs ont été également étudiés. La décharge maximale estimée à l'embouchure était de 610 m3/sec le 12/12/1997 vers 21:00 h, alors que ces valeurs pour Solomos (à 9 km en amont) et Soussana (à 13,6 km en amont) étaient respectivement estimées à 540 m3/sec et 410 m3/sec. Parmi les causes les plus importantes de la provocation de l'inondation fut la précipitation exceptionnelle et les caractéristiques géomorphologiques du réseau de drainage. Ces caractéristiques incluent l'hiérarchisation du drainage par ordre de tributaires, la valeur élevée du ratio de bifurcation entre le quatrième et le cinquième ordre tributaires et la grande pente à l'amont des tributaires. Le facteur crucial provoquant l'inondation est également les interférences humaines qui se manifestent par l'arrangement artificiel du canal et la construction des ponts et des conducteurs insuffisants pour faciliter le déchargement d'eaux.

Keywords

xerias torrentflash-flood eventgeographical information system (gis)runoff simulationstream power