A comprehensive uncertainty framework for historical flood frequency analysis: a 500-year-long case study
Modèle probabiliste avec incertitudes pour l'étude de la distribution des crues historiques : étude de cas sur une période de 500 ans
Résumé
The value of historical data for flood frequency analysis has been acknowledged and studied for a long time. A specific statistical framework must be used to comply with the censored nature of historical data, for which only floods large enough to induce written records or to trigger flood marks are usually recorded. It is assumed that all floods which exceeded a given perception threshold were recorded as written testimonies or flood marks. Conversely, all years without a flood record in the historical period are assumed to have had a maximum discharge below the perception threshold. This paper proposes a binomial model that explicitly recognizes the uncertain nature of both the perception threshold and the starting date of the historical period. This model is applied to a case study for the Rhône River at Beaucaire, France, where a long (1816–2020) systematic series of annual maximum discharges is available along with a collection of 13 historical floods from documentary evidence over 3 centuries (1500–1815). Results indicate that the inclusion of historical floods reduces the uncertainty of 100- or 1000-year flood quantiles, even when only the number of perception threshold exceedances is known. However, ignoring the uncertainty around the perception threshold leads to a noticeable underestimation of flood quantile uncertainty. A qualitatively similar conclusion is found when ignoring the uncertainty around the historical period length. However, its impact on flood quantile uncertainty appears to be much smaller than that of the perception threshold.
L’intérêt des données historiques pour l'estimation des crues extrêmes est reconnu depuis longtemps. Le cadre statistique utilisé doit s’adapter à la nature censurée des données historiques, pour lesquelles seules les inondations suffisamment importantes, supérieures à un seuil de perception, sont recensées à partir de témoignages écrits ou de marques d'inondation sur des bâtiments. On suppose que toutes les années sans enregistrement d'inondation dans la période historique ont eu un débit maximal inférieur au seuil de perception. Cet article propose un modèle binomial qui reconnaît explicitement la nature incertaine du seuil de perception et de la date de début de la période historique. Ce modèle est appliqué à une étude de cas sur le Rhône à Beaucaire, en France, où l'on dispose d'une longue série systématique (1816-2020) de débits maximaux annuels ainsi que d'une collection de 13 inondations historiques provenant de sources documentaires sur 3 siècles (1500-1815). Les résultats indiquent que l'introduction des crues historiques réduit l'incertitude sur l’estimation de la crue centennale ou millénale, même lorsque seul le nombre de dépassements du seuil de perception est connu. Cependant, ignorer l'incertitude sur le seuil de perception conduit à sous-estimer l'incertitude sur les quantiles de crue. C’est également le cas pour l'incertitude autour de la longueur de la période historique, mais son impact sur l'incertitude des quantiles de crue est plus faible que pour le seuil de perception.
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