Application of logistic regression to simulate the influence of rainfall genesis on storm overflow operations: a probabilistic approach

Abstract. One of the key parameters constituting the basis for the operational assessment of stormwater systems is the annual number of storm overflows. Since uncontrolled overflows are a source of pollution washed away from the surface of the catchment area, which leads to imbalanced receiving waters, there is a need for their prognosis and potential reduction. The paper presents a probabilistic model for simulating the annual number of storm overflows. In this model, an innovative solution is to use the logistic regression method to analyze the impact of rainfall genesis on the functioning of a storm overflow (OV) in the example of a catchment located in the city of Kielce (central Poland). The developed model consists of two independent elements. The first element of the model is a synthetic precipitation generator, in which the simulation of rainfall takes into account its genesis resulting from various processes and phenomena occurring in the troposphere. This approach makes it possible to account for the stochastic nature of rainfall in relation to the annual number of events. The second element is the model of logistic regression, which can be used to model the storm overflow resulting from the occurrence of a single rainfall event. The paper confirmed that storm overflow can be modeled based on data on the total rainfall and its duration. An alternative approach was also proposed, providing the possibility of predicting storm overflow only based on the average rainfall intensity. Substantial simplification in the simulation of the phenomenon under study was achieved compared with the works published in this area to date. It is worth noting that the coefficients determined in the logit models have a physical interpretation, and the universal character of these models facilitates their easy adaptation to other examined catchment areas. The calculations made in the paper using the example of the examined catchment allowed for an assessment of the influence of rainfall characteristics (depth, intensity, and duration) of different genesis on the probability of storm overflow. Based on the obtained results, the range of the variability of the average rainfall intensity, which determines the storm overflow, and the annual number of overflows resulting from the occurrence of rain of different genesis were defined. The results are suited for the implementation in the assessment of storm overflows only based on the genetic type of rainfall. The results may be used to develop warning systems in which information about the predicted rainfall genesis is an element of the assessment of the rainwater system and its facilities. This approach is an original solution that has not yet been considered by other researchers. On the other hand, it represents an important simplification and an opportunity to reduce the amount of data to be measured

The spatial distribution of probable maximum precipitation (PMP) over the Kielce Upland in one day and multi-day intervals

This paper presents an attempt to estimate the value of Probable Maximum Precipitation (PMP) over the Kielce Upland for one-day and multi-day intervals. Statistical methods were employed in the calculations. Precipitation data were obtained from 23 gauging stations. A regional frequency factor km (from Hershfield’s formula) was calculated for each station based on a series of maximum annual precipitation totals from 1961 to 2006. The calculated PMP values range from 120.7 mm to 228.4 mm (within the 1-day precipitation group), from 140.7 mm to 266.3 mm (2-day group), from 158.9 mm to 294.1 mm (3-day group), and from 175.2 mm to 294.8 mm (4-day group). These values became reference values used to show the spatial distribution of PMP throughout the Kielce Upland region

Hydrological aspects of the designed “wierna rzeka” reservoir (przedbórz upland), Poland Łososina River, small water retention, water reservoir, water resources

W pracy określono uwarunkowania hydrologiczne i morfologiczne niezbędne do utworzenia zbiornika wodnego małej retencji „Wierna Rzeka” zlokalizowanego na rzece Łososinie. Zbiornik ten jest projektowany w środkowej części rolniczo-leśnej zlewni Łososiny – w mezoregionie Wzgórz Łopuszańskich. Powierzchnia zlewni zamkniętej zaporą czołową będzie wynosić 149,7 km2 , a zbiornika w warunkach normalnego poziomu piętrzenia (NPP) – 0,74 km2. Objętość osiągnie ok. 1,1 mln m3, a maksymalna głębokość – 3,9 m. Charakterystykę hydrologiczną zlewni zbiornikowej opracowano na podstawie danych IMGW (rzeka Łososina, przekrój Bocheniec, 1961–1995), wykorzystując metodę analogii. Na podstawie numerycznego modelu terenu, wykonanego technikami skaningu laserowego, wyznaczono linię brzegową misy zbiornika, opracowano krzywe – batymetryczną i pojemności. Określono natężenie przepływów charakterystycznych (m.in. NNQ = 0,05 m 3· s-1, SSQ = 0,808 m3·s-1 i WWQ = 14,45 m3 · s-1), obliczono średni roczny odpływ jednostkowy (SSq = 5,4 dm3· s-1· km-2) oraz współczynnik odpływu (α = 27%). W analizie uwzględniono również reżim odpływu, a także przepływy nienaruszalne obliczone trzema metodami, w tym najbardziej restrykcyjną – metodą Kostrzewy. Na podstawie przeprowadzonej analizy hydrologicznej można stwierdzić, że zasoby wód rzeki Łososiny są wystarczające do szybkiego napełnienia zbiornika „Wierna Rzeka” (od 21 do 96 dni w zależności od pory roku), nawet gdy uwzględni się najbardziej wymagające kryterium wyznaczania przepływów nienaruszalnych. Stan jakości wód rzeki zasilającej w 2015 r. nie wskazywał na występowanie istotnych zagrożeń ekologicznych, ponieważ w zakresie stanu elementów: fizykochemicznych, hydromorfologicznych i biologicznych udokumentowano stan dobry i powyżej dobrego. Zatem zasoby jakościowe wód płynących w zlewni Łososiny są również wystarczające do prawidłowego funkcjonowania planowanego zbiornika.“Wierna Rzeka” water reservoir is designed in the middle part of the Łososina River catchment, in the Łopuszno Hills physiographic mesoregion. The area of the planned reservoir catchment is 149.7 km2, and the area of its surface at the normal water level (NPP) will reach 0.74 km2. Under those conditions water volume is designed to be about 1.1 million m3, and the reservoir’s maximum depth – 3.9 m. The hydrological characteristics of the reservoir catchment were compiled on the basis of data from the Institute of Meteorology and Water Management (Łososina River, cross-section Bocheniec, 1961–1995) using the method of hydrological analogy. The high resolution digital elevation model made with Airborne Laser Scanning technique allowed to determine the course of the reservoir shoreline and to develop the bathymetric and capacity curves. The calculated characteristics included the mean annual values of specific runoff (5.4 dm3·s-1 ·km-2 ), runoff coefficient (27%), specific discharge and the filling time. The analysis also concerned the flow regime and the environmental flow, which was calculated with the use of three different methods. The performed research showed that the Łososina River water resources are enough to fill the designed “Wierna Rzeka” Reservoir (depending on the season it will take from 22 to 96 days), even when applying the most restrictive criteria of environmental flow calculation. The ecological quality of the Łososina water in 2015 did not show any significant environmental threats in terms of physicochemical, hydromorphological and biological criteria and therefore Łososina River water quality is enough for proper functioning of the planned reservoir

Analysis of commune’s water environment based on the hydrographic map in 1:50,000 scale – on example of the Piekoszów commune in Świętokrzyskie voivodeship

Celem pracy jest określenie możliwości zastosowania mapy hydrograficznej w skali 1:50 000 do wielokierunkowego rozpoznania cech środowiska wodnego, jego zagrożeń oraz wykorzystania gospodarczego. Za przykładowy obszar badań wybrano gminę wiejską Piekoszów, objętą zasięgiem trzech arkuszy tej mapy. Dokonano analizy jej treści w warstwach tematycznych, uwzględniając także komentarz zamieszczony na rewersie mapy. Wykazano, że mapa hydrograficzna – szczególnie w wersji numerycznej, jest przydatną publikacją naukową, a jednocześnie praktycznym narzędziem umożliwiającym ocenę stanu komponentów środowiska wodnego na obszarze gminy, w tym zarządzania zasobami wodnymi, w ujęciu jakościowym i ilościowym. Może ona być zatem wykorzystywana w trakcie opracowywania różnorodnych dokumentów wymaganych prawem, w tym ocen środowiskowych, strategii rozwoju, planów przestrzennego zagospodarowania, a także podejmowaniu decyzji związanych z gospodarką wodną i zagrożeniami środowiska na terenach wiejskich oraz w prognozowaniu kierunków przeobrażeń stosunków wodnych, występowania zjawisk ekstremalnych itp.The aim of the present paper is to assess the possibilities of multidirectional interpretation of the hydrographic map in 1:50,000 scale leading to recognition of the water environment characteristic, its threats and economic use. The rural commune of Piekoszów, which area is covered by three sheets of the hydrographic map, was taken as an example. An analysis of the map content, which is organized in several dozen thematic layers along with the comments on the maps reverse was performed. It was proven that the hydrographic map is an useful publication and simultaneously a practical tool enabling the assessment of the water environment components state in the commune’s area. This analysis could include management of the water resources in qualitative and quantitative terms and its results could be used in creating various documents required by law, including environmental assessments, strategies of development or spatial development plans. Furthermore, the map could be used when making decisions related to water management and environmental threats in rural areas, as well as in forecasting the directions of water environment changes and the occurrence of extreme events, etc

Land use and environmental stability in rural areas of the Swiętokrzyskie voivodeship

W artykule przedstawiono wpływ użytkowania ziemi na stabilność ekologiczną obszarów wiejskich województwa świętokrzyskiego. Na podstawie zestawień danych dotyczących 24 form użytkowania ziemi, dostępnych w Banku Danych Lokalnych GUS, obliczono wskaźnik stabilności ekologicznej powierzchni ziemi. W obrębie terenów rolniczych i nierolniczych wyróżniono cechy korzystne i niekorzystne z ekologicznego punktu widzenia. Klasyfikację typologiczną gmin wykonano z zastosowaniem metody hierarchicznej analizy skupień. Wyniki badań wskazują, że obszary wiejskie województwa świętokrzyskiego w obrazie ogólnym charakteryzują się stosunkowo małym wskaźnikiem stabilności ekologicznej, a jednocześnie bardzo dużym zróżnicowaniem przestrzennym. Przeprowadzona wskaźnikowa ocena stabilności ekologicznej terenów wiejskich gmin może być jednym z elementów uwzględnianych przy sporządzaniu różnych dokumentów planistycznych, w tym związanych z gospodarowaniem według zasad zrównoważonego rozwoju.The paper presents the impact of land use on the ecological stability of rural areas in the Świętokrzyskie province. The work is based on the data published by the Local Data Bank regarding 24 types of land use. According to the methodology used for calculating the ecological stability indicator, these types were divided into two groups: agricultural (with positive and negative characteristics) and non-agricultural. Typological classification of communes was done with the use of Hierarchical Cluster Analysis. Research results show that rural areas of the Świętokrzyskie province have generally low ecological stability indicator, but they are characterised by high spatial diversity. The assessment of rural communes based on the ecological stability indicator may thus be one of the elements taken into consideration while drafting various planning documents, including those related to the management built on the sustainable development principles

Możliwości zachowania terenów podmokłych w zasięgu lejów depresyjnych kopalni wapieni i margli Leśnica-Małogoszcz oraz Bukowa w sytuacji pogłębiania poziomu eksploatacji

As a result of enlarging the depth of exploitation of raw rock material deposits of marl and limestone at Leśnica-Małogoszcz (Przedborsko- Małogoskie Range – Świętokrzyskie Voivodeship), initially to the level of +215 m a.s.l. and then +200 m a.s.l., a mine depression cone will develop, which may threaten the existence of wetlands included in the Natura 2000 network. The wetlands are present in the pre-gorge section of Łososina river flowing through Grząby Bolmińskie and Gnieździskie Hills, at the mouth section of its hydrometrically ungauged tributary – the Wrzosówka river. In the study there has been demonstrated the possibility of preserving the current state of moisture content of the habitats which exist here, taking into account the quantitative characteristics of the components of water cycle and morphological conditions. The analysis of water resources has shown that under the conditions of a functioning mine depression cone, they will be sufficient to supply endangered wetlands and enable their irrigation. The solutions of an ecohydrological character have also been put forward which would compensate the loss of water in the area within the open-pit mine depression cone. This would require the construction of dams (e.g. artifi cial rapids) in the Wrzosówka river bed and a system of ditches at the bottom of its valley.W wyniku powiększania głębokości eksploatacji surowców skalnych złoża margli i wapieni Leśnica- Małogoszcz (Pasmo Przedborsko-Małogoskie – województwo świętokrzyskie), najpierw do poziomu +215 m n.p.m., a następnie +200 m n.p.m., rozwinięciu ulegnie lej depresji. Może on zagrozić istnieniu obszarów podmokłych wchodzących w skład sieci Natura 2000, położonych w jego zasięgu. Podmokłości te występują w strefie przedprzełomowej rzeki Łososiny przez Grząby Bolmińskie i Wzgórza Gnieździskie, w ujściowym odcinku jej niekontrolowanego hydrometrycznie dopływu – Wrzosówki. W pracy wykazano możliwość zachowania obecnego stanu uwilgotnienia istniejących tu siedlisk naturowych, z uwzględnieniem charakterystyk ilościowych elementów składowych obiegu wody oraz uwarunkowań morfologicznych. Analiza zasobów wodnych wykazała, że w warunkach funkcjonującego leja depresyjnego będą one wystarczające do zasilania zagrożonych obszarów podmokłych i umożliwią ich nawodnienie. Zaproponowano również rozwiązania o charakterze ekohydrologicznym, które rekompensowałyby ubytki wody na tym terenie w obrębie leja depresyjnego kopalni odkrywkowej. Wymagałoby to wybudowania urządzeń piętrzących (np. próg-bystrotok) w korycie Wrzosówki oraz systemu rowów irygacyjnych w dnie jej doliny

The Influence of Water Discharge from Planned Limestone Mine in Iłża Foothills on Runoff of 5th to 2nd Order Streams

In the paper, the influence of predicted mine water discharge from the planned excavation of Jurassic limestone from Marylin 1 deposit (Iłża Foothills) on two levels of exploitation (167 and 155 m a.s.l.) on runoff of 5th to 2nd streams order (5th – stream from Śniadków, 4th – Oronka river, 3rd – Szabasówka river, 2nd – Radomka river) was examined. Excavation with its surface catchment creates endorheic area of 32.25 hectares, which will be dewatered. The source material consisted of: topographic and thematic maps, digital elevation model, hydrogeological documentation and field survey results. The analysis included river catchments delimitation, rainfall calculation in the area of the planned excavation mine and its catchment during the average year, month and day with the highest total precipitation during the 10 and 15 minute storms, calculation of specific discharge in gauged and ungauged streams which drains the excavation pit, calculation of the amount of runoff entering the excavation pit and the mine water discharge forming the runoff in subsequent streams. Unreliable rainfall intensity was determined by various methods: Błaszczyk equation, Reinhold formula, Bogdanowicz-Stachy probabilistic model. Specific discharges and runoff of the stream of Śniadków, Oronka river and Szabasówka river were obtained using specific runoff methods, Iszkowski equation and Punzet formula. Runoff of the Radomka river was calculated based on IMGW data (Słowików water gauge). The total percentage of surface water and groundwater at the 155 m a.s.l. exploitation level conditions will reach: 287.0% (year), 297.8% (month) and 467.4% (day) of the average runoff. In the following streams this influence will be moderate: Oronka (up to about 47%), Szabasówka (up to 8%) and Radomka (up to 5%). The biggest hydrological consequences, as a result of surface inflow, will occur after the torrential rain (10-15 minutes) in the stream from Sniadków. The resulting discharge will depend on the time required to pump out water from the excavation mine. In the scenario of the most intensive 15 minutes rainfall (return period 10%), the optimal duration of pumping out the water in the 155 m exploitation level conditions will be about 14 hours. Then, the mine water discharge will not exceed the average year discharge in the stream from Sniadków