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Potential areas of flood impoundment in human environments, Bükkösd Valley, SW Hungary

Extension des surfaces potentiellement inondables en zone habitée, vallée du Bükkösd, sud-ouest de la Hongrie
Szabolcs Czigány, Ervin Pirkhoffer, László Nagyváradi, Anita Szebényi, Péter Vass et István Geresdi
p. 301-310

Résumés

En raison de la suburbanisation et de la diminution des secteurs restés naturels et des surfaces de sols perméables, l’augmentation du ruissellement superficiel et des inondations dites urbaines, déclenchés par les pluies, est souvent à l’origine de pertes non négligeables de biens et peut même menacer des vies humaines. Ces phénomènes sont étudiés dans le bassin-versant du Bükkösd, au sud-ouest de la Hongrie, en utilisant les bases de données concernant la topographie, l’hydrologie de surface et l’utilisation du sol. Les villages de Bükkösd et d’Hetvehely, intégrés dans l’agglomération de Pécs, ont été affectés plusieurs fois par les inondations de la rivière, depuis que l’on dispose d’observations régulières. Pour tenter de réduire les pertes économiques envisageables, l’objectif de cette étude était de mettre au point une méthode rapide de délimitation de l’extension des zones inondables à 1 m, 5 m et 10 m au-dessus du lit de la rivière (cartographie des inondations basée sur la dénivellation, VDBIM). Au total, les zones submergées dans la plaine d’inondation de la rivière Bükkösd couvriraient respectivement 102 ha, 151 ha et 178 ha pour des hauteurs d’eau de 1 m, 5 m et 10 m. En raison de l’étroitesse des vallées en amont du bassin-versant, la surface totale inondable dans ces vallées n’augmente que dans un rapport de 1 à 1,75 quand la hauteur d’eau passe de 1 m à 10 m. Les zones impactées comprennent des quartiers résidentiels, des voies de transport (principalement la voie ferrée), des zones industrielles et des équipements agroalimentaires. Le phénomène d’inondation brutale est une menace sérieuse pour la voie ferrée, axe de transport d’importance stratégique entre Pecs et la capitale.

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Notes de la rédaction

Article soumis le 29 octobre 2009, accepté le 10 juin 2010

Texte intégral

Texte intégral en libre accès disponible depuis le 01 octobre 2012.

This research was supported by the Jedlik Ányos Foundation (Grant No. NKFP3-00022/2005), a Baross Gábor Grant (Grant ID: REG_DD_KFI_09/ PTE_TM09) and the Bolyai János Scholarship. The authors are grateful to Péter Zalavári, Ákos Horváth, Tamás Bötkös, Gábor Horváth, Sándor Szél, Roland Vendégh, Gábor Földing and Bálint Tasnádi for their help and contribution to the present work. The authors are also indebted to Robert Hickey (Central Washington University, Ellensburg, WA, United States), Dénes Lóczy (university of Pécs) and two anonymous referees for reviewing and correcting the drafts of the manuscript, and Yvonne Battiau-Queney (university of Lille 1) for the French editing.

Introduction

Research background

1Among the numerous natural disasters that disrupt human and industrial activity worldwide, floods are among the most devastating and rank number one in terms of total economic loss and fatalities (Droegemeier et al., 2000; Gaume et al., 2009). The majority of the flood-generated losses are caused by conventional large riverine floods (Lóczy and Juhász, 1996), however, streams and rivers located in small mountainous catchments may pose significant threat to both properties and human lives (Horváth, 2005). As a result of intensifying human impacts on the physical environment, water budgets as well the magnitude and proportion of individual elements of the hydrologic cycle are often altered (Andriani and Walsh, 2009). Increased surface runoff and decreased infiltration due to the increased percentage of impervious surfaces often generate flash floods and urban floods (Schmittner and Giresse, 1999; Czigány et al., 2009). As a consequence of global climate change, the temporal frequency of extreme weather phenomena is also expected to increase; one result is that extreme stages and floods are observed with an increasing frequency in small mountainous catchments (Van der Ploeg et al., 2001; Horváth, 2005; Sharif et al., 2005). Processes of this type are clearly observable in suburban regions where the former natural environment has been dramatically altered over the past decades. Recently, suburbanization has profoundly impacted the hydrologic cycle in areas near Pécs. Pécs, located in SW Hungary, has a history extending for more than 2,000 years. Land use in the area has changed dramatically over this time, according to the local needs (Gyenizse and Vass, 1998). Human impacts on the landscape and the physical environment have intensified with an increasing rate over the past decades, when immigration into the Pécs suburban areas has gradually increased and is clearly identifiable based on the actual military surveys (Gyenizse, 2009). The first, second and third military surveys were carried out in 1763 to 1785, 1806 to 1869 and 1869 to 1887, respectively. Due to the outward migration into the suburbs of Pécs, the population of central Pécs has been decreasing since 1990 (Központi Statisztikai Hivatal, 2008). According to the 2001 census, the population of Pécs totalled 162,500 inhabitants, indicating a 4% decrease compared to 1990. The number of residents totalled only 156,000 by 2008. However, a strong seasonal fluctuation is observable in the number of residents living in both the central core and the peripheral zones (Kovács, 2003). A significant fraction of the peripheral zone functions as recreational zone with maximum number of visitors having in the summer. Recreational activities here include hiking and rafting, thus an US-type short-term flash flood guidance system (e.g., Georgakakos and Hudlow, 1984; Georgakakos 1986, 1987, 2002, 2006) is preferred to adequately inform visitors of stream (flood) stages and to avoid casualties or fatalities. The declining population of Pécs is a result of both outward migration and a declining birth rate (Szebényi and Tóth, 2008). Simultaneously, the population of the Pécs suburbs has increased since 1990 (Szebényi, 2006). The total number of residents has increased by 1.5 times over this period (from 16,200 to 24,200). Population density in the central core decreased from 1,049 to 962 people/km2, while the suburban population density increased from 63 to 92 people/km2 (Szebényi, 2007). The process of suburban development generates serious environmental concerns in the outskirts of large cities. Such processes involve the decreasing surface area of natural environment, and the increasing rate of urban development in the marginal areas of urban agglomerations. Suburbanisation also enhances the need for commuting between the agglomeration core and the suburbs (Molnár, 2002). For instance, according to 2001 census, 5,290 people, (72% of all employees) in the suburbs commuted between downtown Pécs and their sites of residence, while 4,608 people who lived in the city centre commuted everyday to work in the suburbs. This requires the continuous use of transport routes. In case of natural disasters, such as floods, the use such transport routes is hindered. For instance, following the July 17, 1951 flash flood event in the catchment of the Bükkösd Stream, the railroad service between Pécs and the national capital ceased for 28 days (Vass, 1997). Popular outward migration destinations in the Pécs suburbs include the villages of Hetvehely and Bükkösd (both settlements are located in the valley of the Bükkösd Stream), NE from Pécs (fig. 1).

Fig. 1 – Location of study area (inset map) and the population of the suburbs of the Pécs agglomeration (settlements are shown with their administrative border).
Fig. 1 – Localisation du secteur d’étude (carte insérée) et population des banlieues de l’agglomération de Pécs (les installations sont indiquées avec leurs limites administratives).

Fig. 1 – Location of study area (inset map) and the population of the suburbs of the Pécs agglomeration (settlements are shown with their administrative border).Fig. 1 – Localisation du secteur d’étude (carte insérée) et population des banlieues de l’agglomération de Pécs (les installations sont indiquées avec leurs limites administratives).

A: Highway; B: Major road; C: Arterial road; D: Secondary arterial road; Population (in inhabitants): 1: 68-108; 2: 108-302; 3: 302-476; 4: 476-811; 5: 811-1156; 6: 1156-1910; 7: 1910-4151; 8: 4151-7206; 9: 7206-27084; 10: 27084-154502.
A : Autoroute ; B : Route majeure ; C : Route de desserte ; D : Route de desserte secondaire ; Population (en habitants) : 1 : 68-108 ; 2 : 108-302 ; 3 : 302-476 ; 4 : 476-811 ; 5 : 811-1156 ; 6 : 1156-1910 ; 7 : 1910-4151 ; 8 : 4151-7206 ; 9 : 7206-27084 ; 10 : 27084-154502.

2Research area overview and historical flash flood events in the Bükkösd Valley. Bükkösd and Hetvehely are located in the catchment of the Bükkösd Valley (SW Hungary) that covers an area of 137 km2 upstream of Szentlőrinc. The Bükkösd Stream has a variable, primarily rainfall-affected flow regime (fig. 2). The highest discharge between January 1, 2000 and December 31, 2009 was 8.8 m3/s at Hetvehely, with an increasing temporal frequency of flood-level stages in the second half of the period of observation (fig. 2).

Fig. 2 – Flow regime of the Bükkösd Stream between January 1, 2000 and December 31, 2009, observed at Hetvehely.
Fig. 2 – Régime hydrologique de la rivière du Bükkösd à Hetvehely, entre le 1er janvier 2000 et le 31 décembre 2009.

Fig. 2 – Flow regime of the Bükkösd Stream between January 1, 2000 and December 31, 2009, observed at Hetvehely.Fig. 2 – Régime hydrologique de la rivière du Bükkösd à Hetvehely, entre le 1er janvier 2000 et le 31 décembre 2009.

3By comparison, peak flow reached 18 m3/s during the May 6, 1987 flood event, 25 m3/s at 4-m stage during the July 10, 1967 event, and 35 m3/s at 3.7-m stage during the June 27, 1987 event (Eszéky, 1987, 1992; Vass, 1997). The upper catchment of the Bükkösd Stream is heavily forested, primarily by deciduous trees, particularly beech (Fagus sylvatica). About 68.9% of the entire catchment is covered by either forests or clear cuts, 28.6% is agricultural land, 2.3% is urban or impervious surfaces (i.e. roads), and about 0.15% is covered by surface water. The riverbed is incised by 2-3 m along most of its course. However, in places, incision decreases to less than a meter creating alternative water flow routes and sites of inundation. Vegetation in the riverbed (predominantly willow) is rarely removed, thus flow is heavily hindered in many places around the village of Hetvehely (fig. 3).

Fig. 3 – Valley cross-section of the Bükkösd catchment at three points of the entire reach (A) and image of the Bükkösd Stream immediately southeast of the village of Hetvehely (B).
Fig. 3 – Coupe transversale de la vallée dans le bassin-versant du Bükkösd sur trois sites (A) et photo de la rivière du Bükkösd immédiatement au sud-est du village de Hetvehely (B).

Fig. 3 – Valley cross-section of the Bükkösd catchment at three points of the entire reach (A) and image of the Bükkösd Stream immediately southeast of the village of Hetvehely (B). Fig. 3 – Coupe transversale de la vallée dans le bassin-versant du Bükkösd sur trois sites (A) et photo de la rivière du Bükkösd immédiatement au sud-est du village de Hetvehely (B).

1: valley cross-section at 5 river-km; 2: valley cross-section at 15 river-km; 3: valley cross-section at 25 river-km.
1 : coupe transversale au kilomètre 5 de la rivière ; 2 : coupe transversale au kilomètre 15 de la rivière ; 3 : coupe transversale au kilomètre 25 de la rivière.

4Villages located in the upper narrow part of the valley have been inundated by flash floods several times since records are available, causing significant economic losses. For instance, during the July 10, 1967 flash flood, 10 and 4 buildings collapsed in Hetvehely and Okorvölgy, respectively. With a few exceptions, reliable inundation data is unavailable for the period prior to 1900. Two documents dated in 1733 and 1840 report significant flood-triggered damages (Vass, 1998). According to the latter report, one-third of Hetvehely was flooded. Flow has been measured regularly since 1951 at the Hetvehely automated stream gage. Since then, seven significant flood events affected the two villages (Vass, 1998). Notable (i.e., when properties were damaged) flash-flood events were reported on July, 1 1954; July 31, 1959; July 10, 1967; May 6, 1987; June 27, 1987; and May 16, 1996. All these flood events were generated by extremely intense, convective rainfall events when soil moisture values were relatively high (Vass, 1998). In all cases, the measured daily precipitation exceeded 60 mm, although estimated rainfall duration ranged between 1 and 3 hours for the six flood events (Vass, 1998). Times of concentrations (1-5 hours) were relatively short in all cases, allowing a very limited time for prevention and/or evacuation. Due to their environmental settings, the largest flood-water depths were observed in Hetvehely and Bükkösd. Three major reasons contribute to the extreme impounding of Hetvehely and Bükkösd: (i) the narrow valley, (ii) the confluence of the Bükkösd Stream and the Hétméhevölgyi, Nyárás and Okorvölgyi Streams, and (iii) the fluctuating width of the headwater part of the Bükkösd Valley that creates intermittent bottlenecks for the drainage of the excess water (fig. 4).

Fig. 4 – Location of the valley floor delineated in ArcGIS 9.2 based on the location of the slope inflection points.
Fig. 4 – Délimitation du fond de vallée sous ArcGIS 9.2, d’après la localisation des points d’inflexion de la pente.

Fig. 4 – Location of the valley floor delineated in ArcGIS 9.2 based on the location of the slope inflection points.Fig. 4 – Délimitation du fond de vallée sous ArcGIS 9.2, d’après la localisation des points d’inflexion de la pente.

5Floodplain width ranges between a few meters to 200 m upstream of Bükkösd. South of the village of Bükkösd the valley of the Bükkösd Stream broadens in a funnel shape reaching a width of 800-900 m; downstream of Bükkösd the valley is unaffected by flash floods (Eszéky, 1987; fig. 4). The three aforementioned reasons around Hetvehely triggers very rapidly increasing flood levels: for instance, in 1996 the rising limb of the hydrograph lasted for a mere 6 mn, while the falling limb lasted for 3-3.5 h (Vass, 1997). During the June 27, 2007 flood event, the flood level increased by 1 m in 10 mn (Vass, 1997). In at least two cases at peak discharge, the water level was about 4 m above the stream bed (e.g., on July 10, 1967 and June 27, 1987) Considering that the riverbed in places in the village is 2.5-3 m below the surrounding floodplain (or bordered by manmade levees of about the same height), water depths may reach 1-1.5 m at the lowest part of Hetvehely during a flood event similar to that of the July 10, 1967. Furthermore, in the past decades, floods were reported with an increasing frequency in the Bükkösd catchment and on its tributaries. The reason for the decreased return time lies in the (i) increasing frequency of extreme rainfall events (e.g., Horváth 2005; Pirkhoffer et al., 2010) and (ii) increasing urban development in the studied area (fig. 5). With increasing area of impervious surfaces (which implies enhanced runoff and depleted infiltration), and increased development of the floodplain and low-elevation stream terraces along the Bükkösd Stream, the potential impact of a flash flood is expected to be more devastating than during any of the aforementioned flood events (Pirkhoffer et al., 2008). However, settlement area growth seems discontinuous based on the Military Surveys. According to the map of the Third Military Survey (fig. 5B), the combined developed urban area decreased by the survey period of the Third Military Survey compared to the Second Military Survey. Prior to 1990, i.e. the period if intense suburbanisation, increase of human impact was rather limited, whereas human influence sped up in an exponential fashion since the early 1990s.

Fig. 5 – Area and extent of settlements in the Bükkösd Valley according to: (A) First Military Survey (1784 to 1787); (B) Second Military Survey (1819 to 1869); (C) Third Military Survey (1869 to 1887); (D) 2005 aerial photo of the area.
Fig. 5 – Surface et extension des installations humaines dans la vallée du Bükkösd d’après : (A) les Premiers Levés des Armées (de 1784 à 1787) ; (B) les Seconds Levés des Armées (de 1819 à 1869) ; (C) les Troisièmes Levés des Armées (de 1869 à 1887) ; (D) une photo aérienne de 2005 du secteur.

Fig. 5 – Area and extent of settlements in the Bükkösd Valley according to: (A) First Military Survey (1784 to 1787); (B) Second Military Survey (1819 to 1869); (C) Third Military Survey (1869 to 1887); (D) 2005 aerial photo of the area.Fig. 5 – Surface et extension des installations humaines dans la vallée du Bükkösd d’après : (A) les Premiers Levés des Armées (de 1784 à 1787) ; (B) les Seconds Levés des Armées (de 1819 à 1869) ; (C) les Troisièmes Levés des Armées (de 1869 à 1887) ; (D) une photo aérienne de 2005 du secteur.

6The objective of the current paper is to verify the applicability of the vertical distance based inundation mapping (VDBIM) method and to explore the potential area of flash floods at three water depths above the stream bed using GIS analysis. Inundation areas were delineated at water depths of 1 m, 5 m and 10 m. We also aimed to determine the proportion of various land use types that would be flooded by flash flood at the selected impoundment depths. In addition, primary data was verified in the Sás Valley (tributary of the Bükkösd Stream) by comparing HEC-RAS output inundation map with the 1-m water-depth map.

Materials and methods

7In the current study, we employ a simplified but rapid method to calculate the extent of flood affected areas. This method is based on the calculation of surfaces that are located at a certain vertical distance from the lowermost point of the streambed. Inundation area delineation required the use of the 10-m resolution topographic map of the Bükkösd catchment. This digital elevation model was generated for the portion of the catchment that is located upstream of Szentlőrinc. Land use types were studied with the use of the 1:50,000 resolution CLC 50 land use maps (surveyed in 2000). Both datasets were purchased from the FÖMI (Institute of Geodesy, Cartography and Remote Sensing). The topographic valley floor and floodplain extents were delineated using a combination of elevation and slope angle calculations in Arg GIS 9.2 The VDBIM inundation maps were first generated in SAGA 2.0.0 employing the vertical distance to surface function. Data was then exported to ArcGIS 9.2 for further analysis, specifically to calculate the total area of inundated portions of the catchment and to calculate the proportion of inundated land use types. For data validation, HEC-RAS 4.0, HEC-GeoRAS 4.0 and ArcGIS were used to compare extent of inundated areas in the Sás Valley (tributary valley of the Bükkösd Valley). HEC-RAS is designed to perform one-dimensional hydraulic calculations for a full network of natural and constructed channels (US Army Corps of Engineers, 2008). HEC-RAS simulated inundation output map was generated at a stream flow of 4.73 m3/s.

Results

Results of the VDBIM method

8The river system of the Bükkösd Stream was selected for the purpose of the present study because it is convenient to the University of Pécs, is undergoing rapid suburbanization, and is of a size appropriate for this study; it belongs to flood risk classes of 4 and 5, on a scale where class 2 being the least hazardous and 6 being the most hazardous within the borders of Hungary (Pirkhoffer et al., 2010; fig. 6). A considerable fraction of properties of economic significance is located on the floodplain of the Bükkösd Stream. For obvious transportation reasons, 100% of the railroad system, which connects Pécs and the national capital, runs in the Bükkösd Valley (however, it partly runs in tunnels and is often elevated by embankment). Part of a limestone quarry may also be affected by water inundation in a case of a flood event. 91% of all industrial estates, slightly more than 25% of housing estates and residential areas, and 27% of agricultural facilities are located on the floodplain. The extent of flooded areas hardly differed at the three selected water depth values (fig. 7). This low difference is explained by the steep valley slopes and the abrupt increase of surface elevation above the inflection points of the valley cross-sections. The total extent of flooded areas, in the case of 1-m water depth upstream of Bükkösd, covers a land area of 102.8 ha, including areas where even though streambed depth exceeds 1 m along most of its course, but water may flow behind the levees due to overflowing upstream from the concerned area. In this case, 46.07% of the entire floodplain is flooded. About two-third of the railways and associated features (e.g., railway embankment) located in the floodplain were inundated at this water depth (tab. 1). About half of the residential areas will be inundated at this stage, while 77% of industrial estates will be flooded at this water depth compared to the streambed. 22% of agricultural lands and associated processing facilities will be flooded. The reason for this considerably low fraction in terms of tilled land is their high-elevation position due to the negative effects caused by the relative proximity of groundwater. When water depth was increased to 5 m, area of inundated areas total 151.88 ha, which is a 150.5% increase compared to the 1-m water depth, and water covers 68.6% of the alluvial floodplain (tab. 1). The only small industrial estate of the area (lumber plant) will be entirely flooded, about 20% of the quarry will be flooded and 75% of residential areas will be covered with water. When the flood stage was further increased to 10 m, flooded areas foototalled 178.03 ha, covering about 80% of the floodplain (tab. 1). Railways will be almost 90% covered, while 85% of all residential areas will be flooded. 33% of the limestone quarry will be flooded at 10-meter flood level stage, while about 80% of the arable land and food processing plants will be affected by floods. However, we need to emphasize that likelihood of flood of this magnitude is extremely low.

Fig. 6 – Risk classes of the studied area based on the former studies of E. Pirkhoffer et al. (2010).
Fig. 6 – Niveaux de risques dans le secteur d’étude, d’après les études antérieures de E. Pirkhoffer et al. (2010

Fig. 6 – Risk classes of the studied area based on the former studies of E. Pirkhoffer et al. (2010). Fig. 6 – Niveaux de risques dans le secteur d’étude, d’après les études antérieures de E. Pirkhoffer et al. (2010

Class 1 being the least hazardous, class 6 is the most hazardous; here only classes 2 to 5 are shown. 2: almost no flash-flood hazard; 3: minor flash-flood hazard; 4. moderate flash-flood hazard; 5: major flash-flood hazard.
Le niveau 1 est le plus faible, le niveau 6 le plus élevé ; ici seuls les niveaux 2 à 5 sont représentés. 2 : presqu’aucun risque d’inondation rapide ; 3 : risque mineur d’inondation rapide ; 4 : risque modéré d’inondation rapide ; 5 : risque majeur d’inondation rapide.

9Fig. 7 – Extent of impounded areas, at a water depth of 1m and 10 m, form the stream-bed bottom.
Fig. 7 – Extension des surfaces affectées pour des hauteurs d’eau de 1 m et 10 m au-dessus du fond du lit fluvial.

Fig. 7 – Extent of impounded areas, at a water depth of 1m and 10 m, form the stream-bed bottom. Fig. 7 – Extension des surfaces affectées pour des hauteurs d’eau de 1 m et 10 m au-dessus du fond du lit fluvial.

1: flooded areas at 1 m water depth; 2: flooded areas at 10 m water depth.
1 : surfaces inondables pour 1 m de hauteur d’eau ; 2 : surfaces inondables pour 10 m de hauteur d’eau.

Tab. 1 – Area and percentage of inundated areas in the Bükkösd Valley at a water depth of 1 m, 5 m and 10 m.
Tab. 1 – Superficie et pourcentage des surfaces de zones inondables dans la vallée du Bükkösd pour des hauteurs d’eau de 1 m, 5 m et 10 m.

 Type of human land use type

Total area in the floodplain

(in ha)

1 m

5 m

10 m

Inundated area

(in ha)

Percentage

 of total area

(in%)

Inundated area

(in ha)

Percentage

 of total area

(in%)

Inundated area

(in ha)

Percentage

 of total area

(in%)

Railroads, embankment and associated facilities

20.85

13.80

66.19

17.63

84.56

18.65

89.46

Residential areas

157.17

79.43

50.54

117.00

74.44

133.48

84.93

Industrial estates

4.98

3.85

77.31

4.98

100.00

4.98

100.00

Quarries/open-pit mines

24.80

2.44

9.84

4.74

19.11

8.40

33.87

Agricultural lands and associated processing facilities

15.36

3.28

21.35

7.53

49.02

12.52

81.51

Total

223.16

102.80

46.07

151.88

68.06

178.03

79.78

Comparison of the VDBIM map at 1-m water depth with the HEC-RAS generated map

10VDBIM maps were compared with HEC-RAS simulated flood map in the catchment of the Sás Valley (tributary of the Bükkösd Stream).The suitability of HEC-RAS to simulate flooding was tested on the example of the Szerencs Stream (NE Hungary) where observed data for flood extent were available (Pirkhoffer et al. 2010). Field observations in the watershed of the Bükkösd and Sás Streams also proved the applicability of HEC-RAS for modelling flooded are in small mountainous watersheds (fig. 8). When 4.73 m3/sinput discharge value was employed as input data in the HEC-RAS inundation simulation runs, 16.5 ha of floodplain land was flooded along the Sás Stream, up to its confluence with the Bükkösd Stream (fig. 8). Here highest water level reached nearly 1 m. This water depth is predicted in the eastern foreground of the Pécs-Budapest railroad embankment (fig. 8). The railroad embankment here functions as an artificial, manmade dam, with one narrow culvert left open for the stream. The bridge culvert behaves like a bottleneck over flood events, and significantly backups water even at relatively low discharge values. A second reason for the increased inundation here is the confluence of the Sás and Bükkösd Streams about 100 m downstream from the culvert. Based on the observations of P. Vass (1997), the increased water levels of the Sás Stream are highly responsible for the congested water on the Bükkösd Stream right upstream from the confluence. The VDBIM map overestimates flood extent, as in this case water covers 166 ha, i.e. covers 10 times larger area than in the case of the HEC-RAS simulated map. This large difference is likely caused by the relatively low depth of the Sás riverbed compared to the adjacent surfaces.

11Fig. 8 – Flooded area along the Sás Stream right upstream from the confluence of the Bükkösd and Sás Streams on May 16, 2010 (A).
Fig. 8 – Zone inondée le long de la rivière du Sás, juste en amont de la confluence avec le Bükkösd, le 16 mai 2010 (A).

Fig. 8 – Flooded area along the Sás Stream right upstream from the confluence of the Bükkösd and Sás Streams on May 16, 2010 (A). Fig. 8 – Zone inondée le long de la rivière du Sás, juste en amont de la confluence avec le Bükkösd, le 16 mai 2010 (A).

Location is shown on fig. 8C, indicated by an arrow ; Stream stage of the Bükkösd Stream on May 16, 2010, compare with fig 3B (B) ; Inundation maps in the Sás Stream catchment generated by the VDBIM method and simulated with HEC-RAS 4.0 at an input discharge value of 4.73 m3/s (C).
La localisation est indiquée sur la fig. 8C par une flèche ; niveau d’eau du Bükkösd le 16 mai 2010, à comparer avec la fig. 3B (B) ; cartes des zones inondables dans le bassin-versant du Sás produites à partir de la méthode VDBIM et par simulation HEC-RAS 4.0 pour un débit de 4,73 m3/s (C).

Conclusions

12In the present study, we employed a simplified but rapid method of flood inundation mapping. This process calculates the inundated area based on various vertical distances (equal to water depths) relative to the streambed. This method provides an approximation for the extent of the flooded areas. Extent of flooded areas was calculated at water depths values of 1 m, 5 m and 10 m. The latter two values exceed the highest-ever-documented stage (July 10, 1967) by 1 m and 6 m, respectively ; thus, both 5-m and 10-m flood stages are considered worst case simulation scenarios. The reason for selecting higher-than-ever-recorded flood levels is the increasing area of paved surfaces and consequently the decreasing infiltration and increased surface runoff in the catchment, due to the process of suburbanisation in the studied region. The extent of inundated areas, however, hardly differed at vertical distances of 1 m, 5 m and 10 m from the streambed bottom in the trunk valley, differences, however were more significant in the tributary valleys, where stream incision is less than in the trunk river. On average, the depth of the riverbed ranges between 2 m and 3 m. However, in places this depth decreases to less than one meter, generating potential extended flooding sites. Furthermore, the riverbed is often dissected by culverts and in places is densely covered by vegetation. Total inundated areas in the floodplain of the Bükkösd Stream cover 102 ha, 151 ha and 178 ha at water depths of 1 m, 5 m and 10 m, respectively. Industrial estates and railway routes are affected the most in the case of a potential flooding. The railway closely follows the river and the lowermost point of the valley ; in the case of a 10-m vertical water level increase, almost 90 % of the railway in the studied catchment would be flooded. Impoundment calculations in the Sás Valley largely differed even at 1-m water depth from the HEC-RAS predicted flooded areas. If streambed elevation difference is minute compared to the surrounding surfaces, VDBIM vertical distances should be set accordingly. Likely, the values used in the present study are exaggerated, representing a worst case scenario for water depths of both 5 m and 10 m. Vertical water-depth characterisation seems adequate for a preliminary mapping of quasi-unexplored catchments, however data need to be handled with extreme caution and need to be validated by either field observations or hydrological model simulations.

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Bibliographie

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Annexe

Version abrégée en français

Parmi les nombreuses catastrophes naturelles qui perturbent les activités humaines et industrielles à travers le monde, les inondations sont les plus dévastatrices et se placent au premier rang en termes de pertes économiques et humaines (Droegemeier et al., 2000 ; Gaume et al., 2009). La majorité des pertes engendrées par les inondations est due classiquement aux inondations des grandes rivières (Lóczy et Juhász, 1996). Cependant, les cours d’eau drainant de petits bassins versants de montagne peuvent aussi créer de sérieuses menaces tant aux biens qu’aux vies humaines (Horváth, 2005). A la suite des impacts anthropiques de plus en plus forts sur l’environnement physique, les bilans hydrologiques, aussi bien que l’amplitude et les proportions de chaque paramètre individuel du cycle hydrologique, sont souvent modifiés (Andriani et Walsh, 2009). Le renforcement du ruissellement superficiel et la moindre infiltration des eaux dus au pourcentage accru des surfaces imperméabilisées provoquent souvent des crues brutales et l’inondation d’espaces urbanisés (Schmittner et Giresse, 1999 ; Czigány et al., 2009). L’une des conséquences prévues du changement climatique global est l’accroissement de la fréquence des phénomènes climatiques extrêmes. Il s’en suit que les niveaux d’eau et les inondations extrêmes se produisent avec une fréquence accrue dans les petits bassins versants de montagne (Van der Ploeg et al., 2001 ; Horváth, 2005 ; Sharif et al., 2005). De tels phénomènes sont clairement observés dans les secteurs suburbains où le paléoenvironnement naturel a été spectaculairement modifié ces dernières décennies. Récemment, la suburbanisation a profondément modifié le cycle hydrologique dans les environs de Pécs. La ville de Pécs, localisée dans le sud-ouest de la Hongrie, a une histoire vieille de plus de 2000 ans. L’utilisation des sols de cette région a spectaculairement changé au fil du temps, en fonction des besoins locaux (Gyenizse et Vass, 1998). Une proportion significative de la zone périphérique fonctionne en aire récréative qui reçoit un maximum de visiteurs l’été. Les activités récréatives comprennent la randonnée et le rafting. C’est pourquoi un système d’information copié sur celui des Etats-Unis (e.g., Georgakakos et Hudlow, 1984 ; Georgakakos 1986, 1987, 2002, 2006) a été privilégié pour informer correctement les visiteurs des niveaux de crue des cours d’eau et éviter accidents et décès. Simultanément, la population des faubourgs de Pécs s’est accrue depuis 1990 (Szebényi, 2006). Ce processus implique une diminution des surfaces où prédomine encore un environnement relativement naturel et le développement de l’urbanisation dans les zones marginales de l’agglomération. Parmi les destinations prisées des populations qui se sont déplacées à la périphérie de Pécs, se trouvent les villages de Hetvehely et de Bükkösd, tous deux situés dans la vallée de la rivière Bükkösd, au nord-est de Pécs.
Le bassin-versant du Bükkösd, où se trouvent les villages de Bükkösd et Hetvehely a une superficie de 137 km2 en amont de Szentlörinc. Le cours du Bükkösd a un régime hydrologique variable sous influence pluviale dominante. Le débit le plus élevé observé entre le 1er janvier 2000 et le 31 décembre 2009 a été de 8,8 m3/s à Hetvehely, avec une fréquence accrue des épisodes de crue dans la deuxième partie de la période d’observation. Par comparaison, le débit de pointe atteignit 18 m3/s le 6 mai 1987, 25 m3/s avec une hauteur d’eau de 4 m lors de la crue du 10 juillet 1967 et 35 m3/s et une hauteur d’eau de 3,7 m le 27 juin 1987 (Eszéky, 1987, 1992 ; Vass, 1997). Environ 68,9 % de tout le bassin-versant est couvert de forêts ou de coupes à blanc ; 28,6 % de la surface est en terre agricole, 2,3 % est urbanisée ou imperméabilisée (i.e., routes) et environ 0,15 % correspond à des surfaces en eau. La végétation du lit de la rivière (surtout des saules) est rarement supprimée, si bien que le courant est fortement entravé dans beaucoup d’endroits autour des villages de Hetvehely et Bükkösd. Les villages localisés dans l’étroite partie amont de la vallée ont plusieurs fois été inondés par des crues très brutales, depuis que des données sont disponibles, causant des pertes économiques notables. Depuis 1951, début des mesures régulières du débit, plusieurs épisodes significatifs de crue ont touché Bükkösd et Hetvehely (Vass, 1998). Des épisodes notables de crue-éclair ont été signalés le 1er juillet 1954, le 31 juillet 1959, le 10 juillet 1967, le 6 mai 1987, le 27 juin 1987 et le 16 mai 1996. Toutes ces crues ont été déclenchées par des épisodes de pluies de convection extrêmement intenses, tombant sur des sols proches de la saturation (Vass, 1998). Dans tous les cas, les précipitations journalières mesurées ont dépassé 60 mm, bien que la durée estimée de la pluie n’ait été que de 1 h à 3 h pour ces 6 épisodes de crue (Vass, 1998). Les périodes de concentration des eaux (1 h à 5 h) étaient toujours relativement courtes, n’offrant que très peu de temps pour prévenir et/ou évacuer la population. En raison de leur contexte environnemental, les hauteurs d’eau les plus importantes ont été observées à Hetvehely et Bükkösd. Trois raisons majeures contribuent à l’extrême vulnérabilité de Hetvehely et Bükkösd : 1) l’étroitesse de la vallée, 2) la confluence de la rivière du Bükkösd avec celles du Hétméhevölgyi, du Nyárás et du Okorvölgyi, et 3) la largeur variable de la vallée supérieure de la vallée du Bükkösd, entraînant des étranglements intermittents qui gênent l’écoulement des eaux en excès. Les trois raisons mentionnées ci-dessus déclenchent, autour d’Hetvehely, une montée très rapide des eaux d’inondation : par exemple, en 1996, l’hydrographe a indiqué une montée des eaux en 6 min seulement, tandis que la baisse des eaux a duré de 3 h à 3,5 h (Vass, 1997). Lors de l’épisode de crue du 27 juin 2007, le niveau d’eau est monté d’1 m en 10 min (Vass, 1997). Par deux fois au moins (à savoir le 10 juillet 1967 et le 27 juin 1987), au moment du pic de débit, le niveau d’eau s’est trouvé à environ 4 m au-dessus du lit de la rivière.
L’objectif de l’article est de vérifier l’applicabilité d’une méthode de cartographie des inondations basée sur la dénivellation (VDBIM ou « Vertical Distance Based Inundation Mapping ») et d’explorer l’étendue potentielle des inondations rapides pour trois hauteurs d’eau au-dessus du lit de la rivière, en utilisant un SIG. Les zones inondables ont été délimitées pour des hauteurs d’eau de 1 m, 5 m et 10 m. Nous voulons aussi déterminer la proportion des différents types d’utilisation des sols qui pourraient être impactés par les crues rapides pour les hauteurs d’eau sélectionnées. De plus, les principales données ont été vérifiées dans la vallée du Sás (affluent de la rivière Bükkösd) en comparant la carte de la zone inondable obtenue avec le procédé HEC-RAS et la carte correspondant à une hauteur d’eau de 1 m. Dans la présente étude, nous utilisons une méthode simplifiée mais rapide de cartographie des zones inondables. Elle consiste à calculer la surface inondable en se basant sur différentes dénivellations (égales à la hauteur d’eau) par rapport au lit de la rivière. Cette méthode fournit une étendue approximative des zones inondables. Celle-ci a été calculée pour des hauteurs d’eau de 1 m, 5 m et 10 m. Ces deux dernières valeurs dépassent respectivement de 1 m et 6 m le niveau le plus élevé qui ait jamais été signalé (le 10 juillet 1967). Aussi, les deux niveaux d’inondation de 5 m et 10 m sont-ils considérés comme les pires scénarios possibles. La raison pour laquelle de tels niveaux, supérieurs à tous ceux qui ont été signalés jusqu’à maintenant, ont été retenus est l’augmentation des surfaces à revêtement imperméable et, en conséquence, l’infiltration moindre des eaux et un ruissellement superficiel accru dans le bassin-versant, par suite de la suburbanisation de la zone étudiée. Si l’étendue des zones inondables dans la vallée principale diffère peu quand on passe de 1 m à 5 m et 10 m de dénivellation au-dessus du lit fluvial, ces différences sont cependant plus notables dans les vallées affluentes, où l’incision du cours d’eau est moindre que dans la vallée principale. En moyenne, l’incision du lit de la rivière varie entre 2 m et 3 m. Cependant, localement, l’incision du lit est de moins d’1 m, créant de ce fait des sites potentiellement inondables. De plus, le lit de la rivière, localement couvert d’une dense végétation, emprunte d’étroits passages à travers des tuyaux sous calibrés (« culvert » en anglais). Au total, les superficies inondables dans le lit majeur de la rivière Bükkösd couvriraient 102 ha, 151 ha et 178 ha pour des hauteurs d’eau respectives de 1 m, 5 m et 10 m. Les sites les plus touchés en cas d’inondation sont des zones industrielles et les voies ferrées (tab. 1). La voie ferrée suit la rivière de près et se trouve aux points les plus bas de la vallée. Dans le cas où les eaux monteraient de 10 m, presque 90 % de la voie ferrée serait submergée dans sa traversée du bassin-versant. Dans la vallée du Sás, les calculs de l’impact des inondations diffèrent beaucoup de ceux prédits par la méthode HEC-RAS, même avec une hauteur d’eau de 1 m. Si la différence d’altitude du lit de la rivière est infime par rapport aux surfaces alentour, les dénivellations (VDBIM) doivent être adaptées en conséquence. Les valeurs utilisées dans la présente étude sont probablement exagérées, car elles correspondent aux pires scénarios, avec des hauteurs d’eau de 5 m et 10 m. La détermination verticale de la tranche d’eau semble adéquate pour une cartographie préliminaire de bassins versants très mal connus ; cependant les données doivent être maniées avec une extrême prudence et validées par d’autres observations de terrain ou des simulations basées sur des modèles hydrologiques.

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Table des illustrations

Titre Fig. 1 – Location of study area (inset map) and the population of the suburbs of the Pécs agglomeration (settlements are shown with their administrative border).Fig. 1 – Localisation du secteur d’étude (carte insérée) et population des banlieues de l’agglomération de Pécs (les installations sont indiquées avec leurs limites administratives).
Légende A: Highway; B: Major road; C: Arterial road; D: Secondary arterial road; Population (in inhabitants): 1: 68-108; 2: 108-302; 3: 302-476; 4: 476-811; 5: 811-1156; 6: 1156-1910; 7: 1910-4151; 8: 4151-7206; 9: 7206-27084; 10: 27084-154502.A : Autoroute ; B : Route majeure ; C : Route de desserte ; D : Route de desserte secondaire ; Population (en habitants) : 1 : 68-108 ; 2 : 108-302 ; 3 : 302-476 ; 4 : 476-811 ; 5 : 811-1156 ; 6 : 1156-1910 ; 7 : 1910-4151 ; 8 : 4151-7206 ; 9 : 7206-27084 ; 10 : 27084-154502.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-1.jpg
Fichier image/jpeg, 288k
Titre Fig. 2 – Flow regime of the Bükkösd Stream between January 1, 2000 and December 31, 2009, observed at Hetvehely.Fig. 2 – Régime hydrologique de la rivière du Bükkösd à Hetvehely, entre le 1er janvier 2000 et le 31 décembre 2009.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-2.jpg
Fichier image/jpeg, 136k
Titre Fig. 3 – Valley cross-section of the Bükkösd catchment at three points of the entire reach (A) and image of the Bükkösd Stream immediately southeast of the village of Hetvehely (B). Fig. 3 – Coupe transversale de la vallée dans le bassin-versant du Bükkösd sur trois sites (A) et photo de la rivière du Bükkösd immédiatement au sud-est du village de Hetvehely (B).
Légende 1: valley cross-section at 5 river-km; 2: valley cross-section at 15 river-km; 3: valley cross-section at 25 river-km.1 : coupe transversale au kilomètre 5 de la rivière ; 2 : coupe transversale au kilomètre 15 de la rivière ; 3 : coupe transversale au kilomètre 25 de la rivière.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-3.jpg
Fichier image/jpeg, 172k
Titre Fig. 4 – Location of the valley floor delineated in ArcGIS 9.2 based on the location of the slope inflection points.Fig. 4 – Délimitation du fond de vallée sous ArcGIS 9.2, d’après la localisation des points d’inflexion de la pente.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-4.jpg
Fichier image/jpeg, 224k
Titre Fig. 5 – Area and extent of settlements in the Bükkösd Valley according to: (A) First Military Survey (1784 to 1787); (B) Second Military Survey (1819 to 1869); (C) Third Military Survey (1869 to 1887); (D) 2005 aerial photo of the area.Fig. 5 – Surface et extension des installations humaines dans la vallée du Bükkösd d’après : (A) les Premiers Levés des Armées (de 1784 à 1787) ; (B) les Seconds Levés des Armées (de 1819 à 1869) ; (C) les Troisièmes Levés des Armées (de 1869 à 1887) ; (D) une photo aérienne de 2005 du secteur.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-5.jpg
Fichier image/jpeg, 980k
Titre Fig. 6 – Risk classes of the studied area based on the former studies of E. Pirkhoffer et al. (2010). Fig. 6 – Niveaux de risques dans le secteur d’étude, d’après les études antérieures de E. Pirkhoffer et al. (2010
Légende Class 1 being the least hazardous, class 6 is the most hazardous; here only classes 2 to 5 are shown. 2: almost no flash-flood hazard; 3: minor flash-flood hazard; 4. moderate flash-flood hazard; 5: major flash-flood hazard.Le niveau 1 est le plus faible, le niveau 6 le plus élevé ; ici seuls les niveaux 2 à 5 sont représentés. 2 : presqu’aucun risque d’inondation rapide ; 3 : risque mineur d’inondation rapide ; 4 : risque modéré d’inondation rapide ; 5 : risque majeur d’inondation rapide.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-6.jpg
Fichier image/jpeg, 280k
Titre Fig. 7 – Extent of impounded areas, at a water depth of 1m and 10 m, form the stream-bed bottom. Fig. 7 – Extension des surfaces affectées pour des hauteurs d’eau de 1 m et 10 m au-dessus du fond du lit fluvial.
Légende 1: flooded areas at 1 m water depth; 2: flooded areas at 10 m water depth.1 : surfaces inondables pour 1 m de hauteur d’eau ; 2 : surfaces inondables pour 10 m de hauteur d’eau.
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-7.jpg
Fichier image/jpeg, 288k
Titre Fig. 8 – Flooded area along the Sás Stream right upstream from the confluence of the Bükkösd and Sás Streams on May 16, 2010 (A). Fig. 8 – Zone inondée le long de la rivière du Sás, juste en amont de la confluence avec le Bükkösd, le 16 mai 2010 (A).
Légende Location is shown on fig. 8C, indicated by an arrow ; Stream stage of the Bükkösd Stream on May 16, 2010, compare with fig 3B (B) ; Inundation maps in the Sás Stream catchment generated by the VDBIM method and simulated with HEC-RAS 4.0 at an input discharge value of 4.73 m3/s (C).La localisation est indiquée sur la fig. 8C par une flèche ; niveau d’eau du Bükkösd le 16 mai 2010, à comparer avec la fig. 3B (B) ; cartes des zones inondables dans le bassin-versant du Sás produites à partir de la méthode VDBIM et par simulation HEC-RAS 4.0 pour un débit de 4,73 m3/s (C).
URL http://geomorphologie.revues.org/docannexe/image/8007/img-8.jpg
Fichier image/jpeg, 497k
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Pour citer cet article

Référence papier

Szabolcs Czigány, Ervin Pirkhoffer, László Nagyváradi, Anita Szebényi, Péter Vass et István Geresdi, « Potential areas of flood impoundment in human environments, Bükkösd Valley, SW Hungary », Géomorphologie : relief, processus, environnement, 3/2010 | 2010, 301-310.

Référence électronique

Szabolcs Czigány, Ervin Pirkhoffer, László Nagyváradi, Anita Szebényi, Péter Vass et István Geresdi, « Potential areas of flood impoundment in human environments, Bükkösd Valley, SW Hungary », Géomorphologie : relief, processus, environnement [En ligne], 3/2010 | 2010, mis en ligne le 01 octobre 2012, consulté le 29 juillet 2014. URL : http://geomorphologie.revues.org/8007 ; DOI : 10.4000/geomorphologie.8007

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Auteurs

Szabolcs Czigány

University of Pécs - Institute of Environmental Sciences, Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs - Hungary (sczigany@gamma.ttk.pte.hu)

Ervin Pirkhoffer

University of Pécs - Institute of Environmental Sciences, Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs - Hungary

László Nagyváradi

University of Pécs - Institute of Geography - Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs - Hungary

Anita Szebényi

University of Pécs - Institute of Geography - Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs - Hungary

Péter Vass

Formerly at University of Pécs - Institute of Geography - Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs - Hungary

István Geresdi

University of Pécs - Institute of Environmental Sciences, Ifjúság útja 6 - H-7624 Pécs – Hungary

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