WORLD METEOROLOGICAL ORGANIZATION Operational Hydrology Report No.4 APPLICATIONS OF HYDROLOGY TO WATER RESOURCES MANAGEMENT (Planning and design level) by V. Klemes IWMO - No. 356 I Seeretariat of the World Meteorologieal Organization • Geneva • Switzerland IMO·WMO 1973 CENTENARY © 1973, World Meteorological Organization NOTE The designations employed and the presentation of the material in this publication do not imply the expression of any opinion whatsoever on the part of the Secretariat of the World Meteorological Organization concerning the legal status of any country or territory or of its authorities. or concerning the delimitation of its frontiers. CONTENTS FOREWORD ................................................................. VII PREFACE ................................................................. IX SUMMARY (English, French, Russian, Spanish) ................................ XI CHAPTER 1 Water resources management •••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 1 1.1 Hydrology and water resources management ••••.••••••••••. , ••••••• 1 1.2 New trends in water resources management •••••••••••••••••••••••• 1 1.3 New trends in hydrology •••.••••••.•..•.••••••••.•••.••••••••.•.. 3 1.4 Hydrological aspects of water resources management •••••••••••••• 3 CHAPTER 2 Hydrological problems in water resources inventory •.•.••.....••• 7 2.1 Information obtainable from a single station ••••••.•.•.••••••..• 8 2.1.1 Annual runoff •..•....•.••.•......•..•.•......•...•..•....••.••.. 8 2.1.1.1 Mean annual runoff ..••••••••..••.••.•..•..••••.••.•.•••••••..••. 8 2.1.1.2 Variability of annual runoff •••..•••••.•.•.••••••.. o •• ~ ••••••••• 10 2.1.1.3 Distribution of annual runoff ••.•..••••••..••.••••••....•••••.•. 12 2.1.1.3.1 Properties of runoff distributions ••..•••••.•.•..••••••..•.••••• 12 2.1.1.3.2 Distribution models for annual runoff ••.••.•••••••.•....•.•••••• 13 2.1.1.3.3 Fitting of distribution models ••••••.•...••••••...••.•.••••••.•• 15 2.1.1.3.4 Plotting of distribution functions ...•••••••..•.•.••••.••...•••• 17 2.1.1.4 Time-dependent behaviour of annual runoff ••••.•...••••.••••.•.•. 21 2.1.1.4.1 Annual runoff as stationary stochastic process •.....•.••••••••.• 21 2.1.1.4.2 Effect of serial correlation on distribution parameters ••••••••• 22 2.1.1.5 Simulation of series of annual runoff •••....•.••••••••.•..•••••• 23 2.1.1.5.1 Simulation of random sequence .•••••••..••••••••...•.••••••.•..•• 24 2.1.1.5.2 Simulation of first-order Markov chain •••.•...••••••.•...• ; ••••• 24 2.1.2 Sub-annual fluctuations of runoff ••..•..••••••••.•••••••••.••.•• 26 2.1.2.1 Mean monthly flows •••.•••.••.••.•••••••.••.••••.••.•••••••..•••• 27 2.1.2.1.1 Simulation of monthly flow series •••.•.••••••••.••.••.•..•.••••• 27 2.i.2.2 Mean daily flows ••..•..•••••.•••.••.•..•.•.•••••••••••••.•.••.•• 29 2.2 Extending streamflow records of a single station ••••••.••••••••• 30 2.2.1 Statistical approach •••••••••••••••••.....••••.•.•••••.••••••••• 30 2.2.1.1 Effect of correlation on effective'ness of record extension •••••. 30 2.2.1.2 Pitfalls of regressiC?n •.•••.••••••••.•••• •,••••••••••••••••••.••• 31 2.2.2 Deterministic approach ••..••••••••••.••••••••.••••••••••••..•••• 34 2.2.2.1 Lumped systems ••.••.•.••••••••••.•..•••••••...•••.••••••.••••••• 34 2.2.2.2 Distributed systems •.•••••••••••.•...•••••••.•••.••.••••.••••... 35 2.3 Indirect determination of streamflow •.••••••.•••.••••••.••••••.• 36 2.3.1 Hydrological analogy ••••••.....••.••••••••••.••••• ~ •••••••••••.• 36 2.3.2 Regional characteristics of runoff ••••••••.•.••••••••••••••••••• 37 IV CONTENTS 2.3.2.1 Specific runoff ••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 37 2.3.2.2 Coefficient of runoff ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 38 2.3.2.3 Regional pattern of runoff variability •.•••••••••••••••••••••••• 38 2.3.2.4 Evaluation of surface runoff regional availability •••••••••••••• 39 CHAPTER 3 Hydrological problems arising from water deficiency ••••••••••••• 43 3.1 Droughts ••••••••••••••••••••••••••••••••••.••••••••••••••••••••• 43 3.1.1 Interpretations ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 43 3.1.2 Objectives and purpose of analysis •••••••••••••••••••••••••••••• 44 3.1.3 Methods of analysis ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• ~ ••••• 44 3.2 Water deficiency •••••.•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 45 3.2.1 Water needs ~ •••••••••• ~ ••••••• 46 3.2.2 Water requirements •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 3.2.3 Water demands ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 3.2.4 Water use ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 47 3.2.5 Water losses •••••••••••••••••••••••••.••••••••••••-•••••••••••••• 48 3.2.6 Water deficit •••••••'•••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 3.3 Streamflow regulation by means of storage reservoirs •••••••••••• 49 3.3.1 Definition and features ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 49 3.3.2 Elements and their characteristics ••••••.••••••.•••••••••••••••• 50 3:3.3 Types of streamflow regulation ••••••••••••••••• ~ •••••••••••••••• 51 3.3.4 Low-flow regulation ••••••••••••.••••••••••••••• ~ •••••••••••••••• 51 3.3.4.1 The storage equation •••••••••••••••••••••••••••'••••••••••••••••• 51 3.3.4.2 Characteristics of dependability ••••••••••••••••••••••••••••••.• 54 3 •.3.4.3 Target draft •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 55 3.3.4.4 Determlnistic methods of solving storage equation ••••••••••••••• 55 3.3.4.4.1 Numerical technique ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 56 3.3.4.4.2 Graphical technique.••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 59 3.3.4.5 Stochastic methods of solving storage equation •••••••••••••••••• 62 3.3.4.5.1 Simulation techniques ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 62 3.3.4.5.2 Analytical methods ••••••••.••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 62 3.3.4.5.3 Numerical techniques •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 62 3.3.4.6 Semi-stochastic methods of solving storage equation ••••••••••••• 65 3.3.4.7 Pre-computed solutions of storage equation •••••••••••••••••••••• 66 3.304.8 Effect of time horizon on low-flow regulation ••••••••••••••••••• 69 CHAPTER 4 Hydrological problems arising from water excess ••••••••••••••••• 71 4.1 Floods ••• : •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 71 4.1.1 TerminOlogy ••••••••••••••••••••••-••••••••••••••••••••••••••••••• 71 4.1.2 Features of flood ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 71 4.1.3 Objectives of analysis •••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 74 4.1.4 Problems in defining flood frequency •••••••••••••••••• ~ ••••••••• 74 4.1.5 . Problems in estimating flood frequency •••••••••••••••••••••••••• 76 4.2 Flood: synthesis ••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 81 4.2.1 Indirect determination of flood flows •••••••••••••••••••• ~ . 81 4.2.1.1 Rational method' •••••.•••••'•••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 81 4.2.1.2 Regional empirical formulae ••••••••••••••••••••••••••••••••••••• 82 4.2.2 Synthesis of flood hydrographs •••••••••••••••••••••••••••••••••• 83 CONTENTS V Page 4.2.2.1 Geometric methods ..••.•••••••.•••••••••..•••••••...•••.•••.....• 84 4.2.2.2 Correlation methods •....•.............•........•....•........... 85 4.2.2.3 Equal probability methods ...........•.................•....•.... 85 4.2.2.4 Maximum probable flood •.••••....••..•.•..••.•••••••.••••••••.•.. 85 4.2.3 Flood routeing •..•.••.......................•................... 87 4.2.3.1 Reservoir routeing .•....•..........•............................ 87 4.2.3.2 Channel routeing 0· •••••••••••••••••••• 90 4.2.4 Flood control ....•...................................•........•. 93 4.2.4.1 Controlled and uncontrolled reservoir storage •.•••.••••.••.•..•. 94 4.2.4.2 Design of a flood-control reservoir ..•..•..•..•.••....••••..•••• 95 4.2.4.3 Flood control by a multi-purpose reservoir •.••.••••••••••••••••• 97 References ................................................................. 101 FOREWORD The application of hydrological techniques to the planning and design of water resources projects has always been of direct concern to hydrologists who, in view of the increasingly complex scope of water resources projects, need to have a sound know­ ledge of the classical as well as the most modern analytical techniques applied in this field of operational hydrology. For this purpose, the WMO Commission for Hydrology in­ cluded in the WMO Guide to Hydrological Practices an annex containing an outline of such techniques. In arder to provide additional guidance material on this subject, the WMO Secretariat, at the request of the Commission for Hydrology, arranged for the prepara­ tion of this report by Dr. V. Kleme~ (Canada). The note was reviewed by the Commis­ sion's Working Group on Design Data for Water Resources Projects, which suggested that it be published by WMO in its Operational Hydrology Reports series of publications. It is a great pleasure for me to express the thanks of WMO to Dr. Kleme~ for his valuable contribution to a very complex and important topic. ~.. D. A. Davies Secretary-General PRE F ACE The present report is not intended as a substitute for a textbook or a hand­ book on applied hydrology. The focus is not on presenting a complete survey of hydro­ logical problems that are of interest to water resources management. Rather, its aim is to show some of these problems in a somewhat unorthodox perspective: in the per­ spective of a water resources manager who finds himself in a region that is to be eco­ nomically developed and who is supposed