Determining the Optimum Map Scale for use in Hydraulic Modeling of Flood (Economic-Hydraulic Approach)

Document Type : Research Paper


Assistant Professor in Water Engineering Department/ Imam Khomeini International University


One the most important methods of presenting the river geometry is the using of Digital elevation models (DEMs). Among the several factors that affect the quality of a terrain model, DEM resolution and the scale of topographic maps are the most important ones. This research addressed the sensitivity of terrain model and 1D hydraulic parameters of HEC-RAS model to different map scales in two different rivers. Besides, investigating the role of DEM resolution on the quality of cross-sections and hydraulic outputs are another aspects of this study. Results show that using 1:2000 and 1:5000 maps instead of 1:1000 and 1:2000 maps in SojasRood and Sarbaz rivers, respectively lead to relative error lower than 8 % in simulating inundated extents, while the reduction of land surveying cost in both rivers is more than 77%. Also, evaluating the effect of DEM resolution on flood’s hydraulic properties indicates that when DEM resolution getting coarser the water surface elevation (WSE) and inundated extents will be increased in both rivers. However, it should be noted that the effect of DEM resolution on inundated extents is more considerable than WSE. In other words, if the only objective of hydraulic simulation is limited to estimation of WSE, DEM resolution plays a minor role and therefore low resolution DEMs can be used.


Main Subjects

Aguilar, F. J., Mills, J. P., Delgado, J., Aguilar, M. A., Negreiros, J. G., and Pérez, J. L. (2010). Modelling vertical error in LiDAR-derived digital elevation models. ISPRS Journal of Photogrammetry and Remote Sensing, 65(1), 103–110.
Azizian, A. and Shokoohi, A.R. (2015a). Effects of Data resolution and stream delineation threshold effects on the results of a Kinematic Wave based GIUH model. Journal of Water S.A, 4(9), 61-70.
Azizian, A. and Shokoohi, A.R. (2015b). Investigation of the Effects of DEM Creation Methods on the Performance of a Semi distributed Model: TOPMODEL. Journal of Hydrologic. Engineering, 20(11), 05015005(1-9).
Brandt, S. (2005). Resolution issues of elevation data during inundation modeling of river floods. In Proceedings of XXXI International Association of Hydraulic Engineering and Research Congress (IAHR), pp. 3573–3581.
Casas, A., Benito, G., Thorndycraft, V.R. and Rico, M. (2006). The topographic data source of digital terrain models as a key element in the accuracy of hydraulic flood modelling. Earth Surf. Proc. Land, 31, 444–456.
Chaplot, V., Darboux, F., Bourennane, H., Leguédois, S., Silvera, N. and Phachomphon, K. (2006). Accuracy of interpolation techniques for the derivation of digital elevation models in relation to landform types and data density. Geomorphology, 77(1-2), 126–141.
Cook, A. and Merwade, V. (2009). Effect of topographic data, geometric configuration and modeling approach on flood inundation mapping. J. Hydrol, 377, 131–142.
Darnell, A. R., Tate, N. J. and Brunsdon, C. (2008). Improving user assessment of error implications in digital elevation models. Computers, Environment and Urban Systems, 32(4), 268–277.
Fisher, P. F. and Tate, N. J. (2006). Causes and consequences of error in digital elevation models. Progress in Physical Geography, 30(4), 467–489.
Gonga-Saholiariliva, N., Gunnell, Y., Petit, C. and Mering, C. (2011). Techniques for quantifying the accuracy of gridded elevation models and for mapping uncertainty in digital terrain analysis. Progress in Physical Geography, 35(6), 739–764.
Haile, A. and Rientjes, T. (2005). Effects of LiDAR DEM Resolution in Flood Modelling: A Model Sensitivity Study for the City of Tegucigalpa, Honduras. ISPRS WG III/3, III/4 V/3 Workshop Laser Scanning, 168–173.
Heritage, G. L., Milan, D. J., Large, A. R. G., and Fuller, I. C. (2009). Influence of survey strategy and interpolation model on DEM quality. Geomorphology, 112(3-4), 334– 344.
Hodgson, M. E., Jensen, J. R., Schmidt, L., Schill, S., and Davis, B. (2003). An evaluation of LIDAR- and IFSAR-derived digital elevation models in leaf-on conditions with USGS Level 1 and Level 2 DEMs. Remote Sensing of Environment, 84(2), 295–308.
Laks, I., Sojka, M., Walczak, Z. and Wró˙zyn´ski, R. (2017). Possibilities of Using Low Quality Digital Elevation Models of Floodplains in Hydraulic Numerical Models. Water, 9, 283-300.
Moya, Q., Popescu, V., Solomatine, I. and Bociort, L. (2013). Cloud and cluster computing in uncertainty analysis of integrated flood models. Journal of Hydro informatics, 15, 55–69.
Merwade, V., Du, L. and Sangwan, N. (2015). Creating a national scale floodplain map for the United States using soil information. In: Abstract H51E-1420 presented at the 2015 fall meeting, December 2015. AGU, San Francisco, Calif., pp. 14-18.
Saksena, S. and Merwade, V. (2015). incorporating the effect of DEM resolution and accuracy for improved flood inundation mapping. Journal of Hydrology, 530, 180–194.
Sanders, B.F. (2007). Evaluation of on-line DEMs for flood inundation modeling. Advances in Water Resources, 30 (8), 1831–1843.
Schumann, G., Matgen, P., Cutler, M.E.J., Black, A., Hoffmann, L. and Pfister, L. (2008). Comparison of remotely sensed water stages from LiDAR, topographic contours and SRTM. ISPRS J. Photogramm. Remote Sensing, 63 (3), 283–296.
Smith, S., Holland, D. and Longley, P. (2004). The importance of understanding error in LIDAR digital elevation models. Proceedings of XXth ISPRS.
Tarekegn, T.H., Haile, A.T., Rientjes, T., Reggiani, P. and Alkema, D. (2010). Assessment of an ASTER generated DEM for 2D flood modelling. International Journal of Applied Earth Observation and Geo information, 12, 457–465.
US Army Corps of Engineers (2010) HEC-RAS River Analysis System Hydraulic Reference Manual. Version 4.1. Hydrologic Engineering Center, Davis, California, 411p.
Vaze, J., Teng, J. and Spencer, G. (2010). Impact of DEM accuracy and resolution on topographic indices. Environmental Modelling Software, 25, 1086–1098.
Werner, M.G.F. (2001). Impact of grid size in GIS based flood extent mapping using 1-D flow model. Journal of Physics and Chemistry of the Earth (B), 26, 517–522.
Wilson, M.D. and Atkinson, P.M. (2005). The use of elevation data in flood inundation modelling: a comparison of ERS interferometric SAR and combined contour and differential GPS data. International. Journal of River Basin Management, 3, 3–20.
یکی از مهم‌ترین روش‌های معرفی هندسه رودخانه استفاده از مدل‌های رقومی ارتفاعی (DEMs) با ساختار رستری می‌باشد. از جمله مهم‌ترین مواردی که بر کیفیت و کمیت یک DEM تأثیرگذار هستند می‌توان به توان تفکیک DEM و همچنین مقیاس نقشه توپوگرافی مورد استفاده برای ساخت آن اشاره نمود. در پژوهش حاضر و با استفاده از نقشه‌های توپوگرافی با مقیاس‌های مختلف، میزان حساسیت مدل هندسی سطح زمین و متعاقب آن پارامترهای هیدرولیکی شبیه‌سازی شده توسط مدل یک‌بعدی HEC-RAS در دو رودخانه با ویژگی‌های متفاوت، مورد بررسی قرار گرفته است. همچنین بررسی اثر توان تفکیک DEM بر کیفیت مقاطع عرضی و همچنین پارامترهای هیدرولیکی سیلاب از دیگر اهداف این تحقیق می‌باشد. نتایج بدست آمده در دو رودخانه سجاس‌رود و سرباز حاکی از آن است که استفاده از نقشه‌های کوچک مقیاس به جای نقشه‌های بزرگ مقیاس علاوه‌بر کاهش قابل توجه در هزینه‌های نقشه‌برداری تأثیر چندان زیادی بر پارامترهای هیدرولیکی شبیه‌سازی شده ایجاد نمی‌نمایند. به عنوان مثال استفاده از نقشه‌های 2000/1 و 5000/1 به جای نقشه‌های 1000/1 و 2000/1 در دو رودخانه سجاس‌رود و سرباز موجب ایجاد کمتر از 8 درصد خطا در پهنه سیلاب می‌شود و این در حالی است که هزینه برداشت نقشه در هر دو رودخانه به طور متوسط بیش از 77%کاهش یافته است. ارزیابی اثر توان تفکیک DEM بر پارامترهای هیدرولیکی سیلاب در رودخانه‌های مورد مطالعه نیز حاکی از آن است که کاهش توان تفکیک DEM موجب افزایش تراز سطح آب و نیز پهنه سیلاب گردیده است. البته لازم به ذکر است که میزان تأثیر توان تفکیک DEM بر رقوم سطح آب بسیار کمتر از تأثیر آن بر پهنه سیلاب می‌باشد. به عبارت بهتر چنانچه هدف مدل‌سازی هیدرولیکی تنها برآورد تراز سطح آب باشد، توان تفکیک از اهمیت بالائی برخوردار نیست و لذا می‌توان از مدل‌های رقومی با ابعاد سلولی بزرگ‌تر نیز استفاده نمود.