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Nutzung von Abflussprozessinformation in LARSIM

Usage of runoff process information in LARSIM

  • Die in einem Einzugsgebiet herrschende räumliche Inhomogenität wird im Wasserhaushaltsmodell LARSIM (Large Area Runoff Simulation Modell) in den einzelnen Modellkomponenten unterschiedlich stark berücksichtigt. Insbesondere die räumliche Verteilung der Abflussprozesse wurde bisher nicht berücksichtigt, weil keine flächenhaft verfügbare Information über eben diese Verteilung vorlag. Für das Einzugsgebiet der Nahe liegt nun seit dem Jahr 2007 eine Bodenhydrologische Karte vor, die flächenhaft den bei ausreichenden Niederschlägen zu erwartenden Abflussprozess ausweist. In der vorliegenden Dissertation wird die Nutzung dieser Prozessinformation bei der Parametrisierung des Bodenmoduls von LARSIM beschrieben: Für drei Prozessgruppen " gesättigter Oberflächenabfluss, Abfluss im Boden, Tiefenversickerung " werden mittels zweier neuer Parameter P_Bilanz und P_Dämpfung inhomogene Parametersätze aus empirisch ermittelten Kennfeldern gewählt, um die Prozessinformation bei der Abflussbildung im Modell zu berücksichtigen. Für die Abbildung der Prozessintensitäten in den Gebietsspeichern werden zwei unterschiedliche Ansätze vorgestellt, die sich in ihrer Komplexität unterscheiden. In der ersten Variante werden fünf Oberflächenabflussspeicher für unterschiedlich schnell reagierende Prozessgruppen eingeführt, in der zweiten Variante wird der erste Ansatz mit dem ursprünglichen Schwellenwert zur Aufteilung in schnelle und langsame Oberflächenabflusskomponenten kombiniert. Es wird gezeigt, dass die Parametrisierung mit den beiden neuen Parametern P_Bilanz und P_Dämpfung einfacher, effektiver und effizienter ist, da beide Parameter minimale Interaktionen aufweisen und in ihrer Wirkungsweise leicht verständlich sind, was auf die ursprünglichen Bodenparameter nicht zutrifft. Es wird ein Arbeitsfluss vorgestellt, in dem die neuen Parameter in Kombination mit Signature Measures und unterschiedlichen Darstellungen der Abflussdauerlinie gemeinsam genutzt werden können, um in wenigen Arbeitsschritten eine Anpassung des Modells in neuen Einzugsgebieten vorzunehmen. Die Methode wurde durch Anwendung in drei Gebieten validiert. In den drei Gebieten konnte in wenigen Kalibrierungsschritten die Simulationsgüte der ursprünglichen Version erreicht und " je nach Zielsetzung " übertroffen werden. Hinsichtlich der Gütemaße zeigte sich bei der Variante, in der die Gebietsspeicher nicht modifiziert wurden, aber kein eindeutiges Bild, ob die ursprüngliche Parametrisierung oder die neue grundsätzlich überlegen ist. Neben der Auswertung der Validierungszeiträume wurden dabei auch die simulierten Ganglinien in geschachtelten Gebieten betrachtet. Die Version, in der die Gebietsspeicher modifiziert wurden, zeigt hingegen vor allem im Validierungszeitraum tendenziell bessere Simulationsergebnisse. Hinsichtlich der Abbildung der Abflussprozesse ist das neue Verfahren dem alten deutlich überlegen: Es resultiert in plausiblen Anteilen von Abflusskomponenten, deren Verteilung und Abhängigkeit von Speicherkapazitäten, Landnutzungen und Eingangsdaten systematisch ausgewertet wurden. Es zeigte sich, dass vor allem die Speicherkapazität des Bodens einen signifikanten Einfluss hat, der aber im hydrologischen Sinn richtig und hinsichtlich der Modellannahmen plausibel ist. Es wird deutlich gemacht, dass die Einschränkungen, die sich ergeben haben, aufgrund der Modellannahmen zustande kommen, und dass ohne die Änderung dieser Annahmen keine bessere Abbildung möglich ist. Für die Zukunft werden Möglichkeiten aufgezeigt, wie die Annahmen modifiziert werden können, um eine bessere Abbildung zu erzielen, indem der bereits bestehende Infiltrationsansatz in die Methode integriert wird.
  • A Catchment- spatial inhomogeneity is considered with varying accuracy in different components of the water balance model LARSIM (Large Area Runoff Simulation models). Especially the spatial distribution of runoff processes has not been considered at all, as no spatial information concerning these processes has formerly been available. For the Nahe catchment, which is situated in western Germany, a hydrological soil map is available since 2007. This map indicates the expected dominant runoff process for sufficient precipitation events. This dissertation describes the usage of the map in the parameter identification of LARSIM- soil module: parameter maps have been empirically derived for three different process groups " saturated overland flow, subsurface flow and deep percolation. From these maps, parameters are selected using two new parameters p_balance and p_damping to consider the process information in the simulation of runoff generation in the model. To reproduce the processes" intensities, two different approaches are introduced, which differ in complexity. The first version uses five surface runoff storages for different runoff intensities. The second version combines the first version with the original threshold A2 to separate fast and slow surface runoff components. It is shown that the parameter identification using these two new parameters p_balance and p_damping is easier, more effective and more efficient, as the two new parameters do interact as little as possible and their mode of functioning is easily comprehensible, which does not apply for the original parameters. A work flow is presented that uses the two new parameters in combination with signature measures and different diagrams of the flow duration curve to adapt the model in few steps to new catchments. The method has been applied in three catchments. In these three catchments, the original model performance can be reached in few calibration steps and " depending on the objective criterion " even surpassed. Concerning the efficiency, it is not clear whether the old version or the new version without modified surface runoff storages is superior. Apart from the diagnosis of the verification period, the simulated runoff time series of nested catchments have been evaluated. However, the version with modified surface runoff storages shows an improved simulation behavior especially in the verification period. The new version is superior concerning the representation of runoff generation processes: it results in plausible runoff component fractions. The fraction- distribution and dependence on soil storage capacities, land use and input data has been evaluated methodically. The results show a significant influence of the soil storage capacities, which is correct from a hydrological point of view and compulsorily results from the model assumptions. It is shown that the resulting limitations are a consequence of the model assumptions. Without modifications of these assumptions, no further enhancement is possible. For the future, different modifications of the model are proposed and discussed. One of them is the integration of the already existing infiltration module.

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Metadaten
Author:Oliver Gronz
URN:urn:nbn:de:hbz:385-8279
Advisor:Markus C., Casper
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Date of completion:2013/10/25
Publishing institution:Universität Trier
Granting institution:Universität Trier, Fachbereich 6
Date of final exam:2013/10/17
Release Date:2013/10/25
Tag:Abflussprozess; LARSIM; Parametrisierung; Wasserhaushaltsmodellierung
LARSIM; dominant runoff process; parameter identification; water balance model
GND Keyword:Modellierung; Prozess; Wasserhaushalt
Institutes:Fachbereich 6 / Geographie und Geowissenschaften
Dewey Decimal Classification:5 Naturwissenschaften und Mathematik / 55 Geowissenschaften, Geologie / 550 Geowissenschaften

$Rev: 13581 $