Simplifying the Complex: Pool Stage-Frequency Analysis of USACE’s Largest Reservoir

Simplification du complexe : analyse de la fréquence d’élévation du plus grand réservoir d’USACE

¹ U.S. Army Corps of Engineers Omaha District, Omaha, NE, USA
² U.S. Army Corps of Engineers Risk Management Center, Lakewood, CO, USA

^* Corresponding author: Joshua.J.Melliger@usace.army.mil

Abstract

Lake Sakakawea in North Dakota, U.S.A., was formed following the closure of Garrison Dam in 1953 and is the largest U.S. Army Corps of Engineers (USACE) reservoir. It is the second of six mainstem reservoirs located in series on the Missouri River operated as a system by USACE. Critical for dam safety risk analysis, a pool stage-frequency curve, extending to water levels above the top of dam, was developed for an Issue Evaluation Study using a combination of tools, including Monte Carlo simulation with the recently released USACE reservoir frequency analysis software, RMCRFA. This paper describes the hydrologic tools leveraged to expedite the pool stage-frequency analysis and discusses the challenges overcome during the study. The methods used to reduce a complex reservoir system to a simplified single reservoir model are presented, and statistical challenges associated with mixed population rain/snow floods, paleofloods, and regulated basin data are discussed. The simplified approach was capable of incorporating a variety of hydrology inputs, while providing a reasonable approximation for the complex reservoir operations. The results were transparent and easily understood by decision makers tasked with making portfolio-wide investment decisions.

Résumé

Le lac Sakakawea, dans le Dakota du Nord, aux États-Unis, a été formé à la suite de la fermeture du barrage Garrison en 1953 et est le plus grand réservoir du Corps des ingénieurs de l’armée américaine (USACE). Il s’agit du deuxième des six réservoirs principaux situés en série sur le fleuve Missouri et exploités en tant que système par l’USACE. Critique pour l’analyse des risques liés à la sécurité des barrages, une courbe de fréquence d’étage de piscine, s’étendant jusqu’aux niveaux d’eau au-dessus du sommet du barrage, a été développée pour une étude d’évaluation des problèmes en utilisant une combinaison d’outils, y compris la simulation de Monte Carlo avec le logiciel d’analyse de fréquence des réservoirs USACE récemment publié, RMC-RFA. Cet article décrit les outils hydrologiques mis à profit pour accélérer l’analyse de la fréquence d’étape de la piscine et aborde les défis surmontés au cours de l’étude. Les méthodes utilisées pour réduire un système de réservoir complexe à un modèle de réservoir unique simplifié sont présentées, et les défis statistiques associés aux inondations de pluie / neige dans une population mixte, aux inondations passées et aux données de bassin réglementé sont discutés. L’approche simplifiée était capable d’incorporer une variété d’entrées hydrologiques, tout en fournissant une approximation raisonnable pour les opérations complexes du réservoir. Les résultats étaient transparents et faciles à comprendre par les décideurs chargés de prendre des décisions d’investissement à l’échelle du portefeuille.