Distributed conceptual hydrological modelling - simulation of climate, land use change impact and uncertainty analysis

Abstract

This thesis deals with the application of distributed conceptual hydrological models for the simulation of climate and land use change impact, and the quantification of prediction uncertainty. The following four main questions are addressed:

- Can we model the impact of global change on water resources, and what kind of models are necessary to predict the effect of land use change on the water balance in a catchment? - How can we use these models within current policy approaches such as integrated water resources management? Is it possible to integrate regional-scale models to simulate and evaluate interdisciplinary water management scenarios? - What will be the impact of a changing climate and land use on the water resources in a catchment? - In general, how can we quantify the uncertainties associated with such simulations in a universally-valid framework?

Most of the results which are presented here have been achieved within the framework of the EU-funded project RIVERTWIN, an acronym for “A Regional Model for Integrated Water Management in Twinned River Basins''. In light of the EU Water Framework Directive and the EU-Water Initiative, this project has dealt with adjusting, testing and implementing an integrated regional model for the strategic planning of water resources management in twinned river basins under contrasting ecological, social and economic conditions. The regional model allows for the impact assessment of demographic and economic development and the effects of global climate and land use changes on the availability and quality of water bodies in humid-temperate, subhumid tropical as well as semiarid regions. The existing integration framework was first tested in the European Neckar basin, which has high data availability and adequate data density. The transferability of the model to other regions with different economic levels, ecological standards and with low data availability was tested using the Ouémé basin in Benin (West Africa).

To reach these goals, the semi-distributed, conceptual HBV model was transformed into a raster-based version. Four regionalisation methods for parameter estimation were developed and compared. Model integration with the groundwater flow model was achieved by exchanging simulated groundwater recharge and baseflow. To assess the impact of global change, four climate and four land use scenarios in the Neckar basin and two climate and four land use scenarios in the Ouémé basin were simulated. In the Neckar, the results were compared to the conceptual model LARSIM, which is operational at the State Institute for Environmental Protection Baden-Württemberg.

Finally, a new uncertainty analysis methodology was developed. It is based on the separation of model error into input and process-based uncertainty sources. The model error due to uncertain meteorological data can be quantified by stochastic methods. The process uncertainty can be derived from the model sensitivity with respect to the parameter groups describing the considered process. Both parts together can be used to define a consistent error model that improves the calibration and uncertainty estimation of the environmental models.

The thesis is structured in the following way: In Chapter 2, after a short review of hydrological modelling, the basics of regionalisation, integrated water resources management, the LARSIM and HBV models, and the basics of uncertainty analysis are introduced. Chapter 3 provides some details on the study sites chosen for this thesis, the Neckar basin and the Ouémé basin, and the available data for these sites. Chapter 4 forms the core of this thesis, by providing the description of the distributed HBV model, the regionalisation methods, the integration concept and the climate scenarios. The results for both of the basins are presented in Chapter 5. A new uncertainty analysis method is introduced and demonstrated by a case study in Chapter 6. Chapter 7 closes the thesis with a summary, some general conclusions and an outlook on future work.

Die Arbeit beschäftigt sich mit der Anwendung räumlich verteilter konzeptioneller hydrologischer Modelle zur Simulation der Auswirkungen von Klima- und Landnutzungsänderungen auf den Wasserhaushalt mesoskaliger Einzugsgebiete. Die vier Hauptfragestellungen sind: - Wie kann man die Auswirkungen von global change auf die Wasserressourcen eines Einzugsgebiets beschreiben und welche Modelle sind notwendig, um diese abschätzen zu können? - Wie kann man solche Modelle für die integrierte Bewirtschaftung von Einzugsgebieten nutzen? Ist es möglich, regionale Modelle verschiedener Sektoren zu integrieren, um interdisziplinäre Bewirtschaftungsszenarien zu evaluieren? - Welche Auswirkungen hat ein sich änderndes Klima auf die Wasserressourcen eines Einzugsgebiets? - Wie kann man die Unsicherheiten solcher Simulationen, auch in einem allgemeinen Kontext, sinnvoll abschätzen?

Die Arbeit wurde überwiegend im Rahmen des EU-Projekts RIVERTWIN (A Regional Model for Integrated Water Management in Twinned River Basins'') erstellt. Dessen Ziel war die Aufstellung eines integrierten regionalen Modells zur strategischen Planung der Bewirtschaftung von Einzugsgebieten unter verschiedenen ökologischen, sozialen und ökonomischen Bedingungen im Sinne der EU-Wasserrahmenrichtlinie und der EU-Wasserinitiative. Dieses regionale Modell bildet die Effekte der demographischen und wirtschaftlichen Entwicklung sowie globaler Klima- und Landnutzungsänderungen auf die Wassermenge und -qualität der Gewässer in feucht-gemäßigten, subhumid tropischen und semiariden Gebieten ab. Die Modellintegration wurde zuerst im mitteleuropäischen Neckareinzugsgebiet mit guter Datenverfügbarkeit erprobt. Die Übertragbarkeit des Ansatzes auf weitere Regionen mit anderem ökonomischen Niveau, ökologischen Standards und geringerer Datenverfügbarkeit wurde im Ouémé Einzugsgebiet in Benin (Westafrika) getestet.

Zu diesem Zweck wurde das räumlich aggregierte HBV-Modell in eine rasterbasierte Version umgewandelt. Zur Bestimmung der Modellparameter wurden vier Regionalisierungsmethoden entwickelt und verglichen. Die Verknüpfung mit dem Grundwassermodell MODFLOW wurde durch Austausch der simulierten Grundwasserneubildung und des Basisabfluss realisiert. Zur Abschätzung der Auswirkungen von global change wurden zwei beziehungsweise vier Klima- und jeweils vier Landnutzungsszenarien simuliert. Im Neckareinzugsgebiet konnten die Ergebnisse mit dem Modell LARSIM der Landesanstalt für Umwelt, Messungen und Naturschutz verglichen werden. Abschließend wurde eine neue Methode zur Analyse der inhärenten Modellunsicherheit entwickelt. Diese stützt sich auf die Aufteilung der Fehler in meteorologische und prozessbasierte Anteile. Die Unsicherheit der Eingangsdaten kann mithilfe von stochastischen Methoden beschrieben werden. Die Prozessunsicherheit schließlich wird aus der Modellsensitivität bezüglich bestimmter Parametergruppen abgeleitet. Zusammen kann die Summe beider Teile zur Definition eines plausiblen Fehlermodells genutzt werden, das die Kalibrierung hydrologischer Modelle deutlich verbessert.