Regionalization of parameters of a conceptual rainfall runoff model

Abstract

This work was aimed at developing a methodology for the regionalization of parameters of a conceptual continuous water balance rainfall-runoff model based on measurable physiographic and land use/land cover characteristics of a catchment. The motivation for this work lies in the need to address two problems that have drawn much attention in recent years. Firstly, traditional methods of estimating model parameters are based on calibrating the model against observed catchment responses, such as runoff from the catchment. In the absence of such observed catchment responses, estimation of the model parameters would not be straightforward and therefore there should be a way to estimate them from some attributes of the catchment. Secondly, assessment of the hydrologic impact of changes in land use/land cover attributes of a catchment will be possible only if the changes in these attributes are reflected in the model parameters. Therefore there is a need to relate the model parameters with the land use/land cover characteristics of a catchment.

Different attempts have been made so far to develop a scheme to relate model parameters with catchment attributes. Many of the works done generally involved first calibrating a model to a number of catchments without any reference to any of the catchment properties and then fitting an empirical relationship between the parameters of the calibrated model and the catchment attributes. This approach has, however, met with limited success so far mainly due to the fact that model calibration doesn’t lead to a unique set of parameters when calibrated against observed catchment response. The parameters thus obtained are a single realisation among many other sets of parameters that would lead to a similar model performance. Therefore, the fitted empirical relationship between the parameters and the catchment properties tends to be rather random and the relationship would be weak.

This work was therefore devoted to developing a different methodology of establishing the relationship between model parameters and the catchment attributes. A modified version of a conceptual Rainfall-Runoff model, the HBV-IWS model, was calibrated for a number of gauged sub-catchments within the German part of the Rhine basin with the dual objective of reproducing the observed catchment responses based on daily observations of meteorological forcing data and catchment response data, and achieving a stronger relationship between the parameters and the catchment attributes. The catchment attributes were implicitly incorporated in the model setup by establishing a functional relationship between them and the model parameters a-priori and an automatic model calibration procedure was implemented to estimate the optimum regional relationship using a non-linear optimisation routine. The catchment attributes used for regionalizing the model parameters include a range of readily measurable physical catchment properties indexing land use and physiographic properties.

Since the model parameters are estimated based on readily measurable catchment attributes, estimation of model parameters corresponding to ungauged catchments is possible, rendering the scheme potentially suitable for modelling the runoff from such catchments. The results obtained from validation of the parameter estimation scheme in gauged subcatchments that were not used in deriving the regional relationship between the model parameters and the catchment descriptors suggest that the model performances in terms of different evaluation criteria in these subcatchments are comparable with that of the catchments used to derive the regional relationships.

The methodology was further implemented in the prediction of the hydrological consequence of land use changes, as land use was also considered for regionalization of the model parameters. The changes in the catchment reaction obtained for different land use change scenarios were consistent with the physical explanations that can be given about the effect of the scenarios on the runoff generation of a catchment and were supportive of the findings of many of the previous studies conducted on this issue using different approaches. The results indicate that there is an increase both in the long-term water yield and event based runoff from catchments due to urbanization, while they indicate a reduction in both attributes of the catchment response due to afforestation.

Diese Arbeit zielt darauf ab, eine Methode zur Regionalisierung der parameter in einem konzeptionellen Niederschlag-Abfluss-Modell zu entwickeln. Das untersuchte Modell berücksichtigt eine kontinuierliche Wasserbilanz und basiert auf physiographischen Eigenschaften sowie messbaren Landnutzungsdaten des jeweiligen Einzugsgebiets.

Motivation waren zwei Fragestellungen, die in den letzten Jahren wachsende Aufmerksamkeit auf sich zogen: Traditionelle Methoden der Parameter schätzung basieren auf einer Kalibrierung des Modells mittels beobachteter Einzugsgebiets-Reaktionen auf jeweilige Niederschlags-ereignisse. Es sollte aber zum einen eine Möglichkeit geben, diese Parameter aus den Eigenschaften des Einzugsgebiets abzuschätzen, wenn keine Abfluss-Beobachtungen vorliegen. Zum anderen sind die Auswirkungen einer sich ändernden Landnutzung in einem Einzugsgebiet nur dann erfassbar, wenn die entsprechenden Größen auch in den Parametern des Modells berücksichtigt sind. Aus diesen zwei Punkten ergibt sich die Notwendigkeit, die Modellparameter mit den Landnutzungsdaten und anderen Einzugsgebietseigenschaften zu verbinden.

Bisher wurden verschiedene Ansätze entwickelt, um die Modell-Parameter mit den Charakteristika des Einzugsgebiets in Beziehung zu setzen. Viele der Arbeiten folgten dem Prinzip, zuerst ein Modell auf einige Einzugsgebiete zu kalibrieren und anschließend eine empirische Beziehung zwischen den Parametern des kalibrierten Models und den Eigenschaften der Einzugsgebiete anzupassen . Dieser Ansatz war bisher jedoch nur von begrenztem Erfolg. Dies liegt hauptsächlich daran, dass die Kalibrierung mit beobachteten Niederschlag-Abfluss-Ereignissen nicht zu einem eindeutigen Parameter-Satz führt. Die erzeugten Parameter sind also nur eine Realisation unter vielen anderen möglichen Parameter-Sätzen, die zu ähnlicher Modellgüte führen würden. Folglich ist die Beziehung zwischen den angepassten Modell-Parametern und den Charakteristika des Einzugsgebietes eher schwach.

Deshalb sollte in dieser Arbeit eine andere Methode entwickelt werden, um die Parameter des Modells mit den Kennwerten des Einzugsgebietes zu verbinden. Verwendet wurde das HBV-IWS Modell, eine modifizierte Version eines vorhandenen konzeptionellen Niederschlag-Abfluss-Modells. Die Kalibrierung wurde durchgeführt für einige mit Messpegeln bestückte Teileinzugsgebiete der deutschen Seite des Rhein-Einzugsgebiets. Dabei bestand eine doppelte Zielsetzung. Erstens sollte die Reaktion der Einzugsgebiete auf Niederschlags-ereignisse auf der Basis von täglichen Beobachtungen meteorologischer Daten vom Modell nachgebildet werden. Zweitens sollte ein stärkerer Zusammenhang erreicht werden zwischen den Modellparametern und den Kennwerten des Einzugsgebietes. Die Attribute der Einzugsgebiete wurden dazu implizit in den Modellaufbau eingegliedert. Es wurde a priori ein funktionaler Zusammenhang zu den Modelparametern festgelegt und anschließend ein automatischer Ablauf zur Modellkalibrierung implementiert. Mit einer nicht-linearen Routine wurde dabei die optimale regionale Beziehung zwischen Einzugsgebietsdaten und Modellparametern berechnet. Die Kennwerte des Einzugsgebietes, welche für die Regionalisierung der Modell-Parameter genutzt werden, beinhalten direkt messbare physikalische Eigenschaften des Einzugsgebietes, welche die Landnutzung und die physiographischen Bedingungen charakterisieren.

Da ja die Abschätzung der Modellparameter nun auf direkt messbaren Einzugsgebiets-Kennwerten basiert, ist es möglich, diese Parameter auch für Einzugsgebiete ohne Pegel festzulegen. Dadurch kann es das System potentiell leisten, den Abfluss in solchen Einzugsgebieten ebenfalls zu modellieren. Dies wurde anhand von Teileinzugsgebieten mit Pegeln validiert, die nicht für die Kalibrierung verwendet wurden. Die Validierung lässt darauf schließen, dass die Anpassungsgüte des Modells in Bezug auf verschiedene Bewertungskriterien vergleichbar ist, ob es sich nun um die für das Modell neuen Einzugsgebiete handelt oder um jene, die verwendet wurden, um die regionalen Beziehungen herzuleiten.

Zusätzlich wurde diese Methode dazu eingesetzt, die Auswirkungen von veränderter Landnutzung auf die Abflussbildung vorherzusagen, da die Landnutzung in der Regionalisierung der Modellparameter berücksichtigt wird. Wenn auf ein Einzugsgebiet verschiedene Szenarien einer geänderten Landnutzung angesetzt werden, dann sind die Änderungen im simulierten Abfluss aus dem Einzugsgebiet konsistent mit der physikalischen Erklärung, wie sich die Landnutzung auf die Abflussbildung auswirkt. Die Ergebnisse stützen darüber hinaus die Befunde vieler anderer Untersuchungen dieses Problems, die mit unterschiedlichsten Ansätzen durchgeführt wurden. Bei zunehmender Urbanisierung zeigt sich gleichermaßen ein Einstieg im langzeitlichen Abfluss, wie im ereignisabhängigen Abfluss aus dem Einzugsgebiet. Als Antwort auf eine Aufforstung hingegen, reduzieren sich beide Größen.