Simulation extremer Abflüsse am Beispiel des ... · 14.09.2009 3 Kontext Kernfrage: Extrapolationsfähigkeit der NA-Modelle Identifikation maßgeblicher Prozesse und Parameter Gibt

14.09.2009 www.hydrotec.de

Simulation extremer Abflüsse am Beispiel des Wasserhaushaltsmodells NASIM

Dr.-Ing. Oliver Buchholz

2. Trierer Workshop zur Niederschlag-Abfluss-Modellierung

14./15. September 2009

www.hydrotec.de 214.09.2009

Kontext

BMBF RIMAX-Projekt HORIX: „Entwicklung eines operationell einsetzbaren Expertensystems zum Hochwasserrisikomanagement unter Berücksichtigung der Vorhersageunsicherheit“Teilprojekt 6: „Quantifizierung der Unsicherheiten und Abhängigkeiten der Modellparameter“, Förderkennzeichen 0330699EProjektpartner:

TP1: UniBW München TP2: Uni DresdenTP3: Uni TrierTP4/5: Uni StuttgartTP6: Hydrotec

KooperationspartnerLUWG Rheinland-Pfalz, LfU Bayern, SLUG SachsenBfG Koblenz, WWA Bad Kissingen, DWD


Kontext

Kernfrage: Extrapolationsfähigkeit der NA-ModelleIdentifikation maßgeblicher Prozesse und ParameterGibt es Parameterwerte, die für das ganze Ereignisspektrum gültig sind?Behält die Prozessbeschreibung ihre Gültigkeit?

Untersuchungsgebiete für HydrotecFränkische Saale, Bayern, 2.700 km²Schwarze Pockau, Sachsen,130 km²

Zielgebiet für Modellvergleich


Vortragsinhalte

Einführung / Projektkontext

NASIM-PEST-Kopplung

HW-sensitive Parameter

Automatisierte Kalibrierung ValidierungVergleich zur manuellen Kalibrierung

Einfluss der N-Variabilität

Fazit


Kalibrierung mit PEST-SCE

NASIM-PEST-KopplungGlobales Suchverfahren (SCE, Shuffled Complex Evolution)Lokales Suchverfahren (Gauss-Marquardt-Levenberg)

Zielfunktion


Die NASIM-Sicht der Welt

NiederschlagNiederschlag VerdunstungVerdunstung

InfiltrationInfiltration

PerkolationPerkolationInterflowInterflow

GrundwasserabflussGrundwasserabfluss

OberflächenabflussOberflächenabfluss

GerinneabflussGerinneabfluss

GesamtabflussGesamtabfluss

Interzeption/SchneeInterzeption/Schnee

AtmosphäreAtmosphäre

OberflächeOberfläche

Gerinne, BauwerkeGerinne, Bauwerke

Ungesättigte BodenzoneUngesättigte Bodenzone

Gesättigte BodenzoneGesättigte Bodenzone


Langfrist-Simulation Schwarze Pockau


Gütemaße


Parameter- sensitivitäten

4 EinzelereignisseRet InterflowRet OFHoriz. LFInfiltration

Qsim/QmessPeak

Fazit: Sensitivitätensind ereignis-abhängig


Parameter- sensitivitäten

WWJ 95/96Ret InterflowRet OFHorz. LFInfiltration

NS-Koeffizient

Fazit: Auswahl des Ereignisses hat deutlichenEinfluss auf Parameter-optimum



Pegel Zöblitz, Schwarze PockauSimulation 01.11.1993 – 28.10.1996Anpassung 01.11.1994 – 28.10.1996Validierung 01.11.1993 – 31.12.2005

Parameter(-faktoren)nieder Niederschlaghorzlf horizontale Leitfähigkeitretofl Retentionskonstante Oberflächenabflussretint Retentionskonstante Interflowretbas Retentionskonstante Basisabflussinfilt maximale Infiltrationexfilt maximale Exfiltrationwelkpk Welkepunktfeldka Feldkapazitätgpvol Gesamtporenvolumen



GütemaßeSSE (Summe Fehlerquadrate)jeder Beobachtung Zeitschritt der Pegelganglinie kann separates Gewicht zugewiesen werden

Maskierungen (Abflussbereiche)als Funktion von MQ

0 bis MQ1 bis 2*MQ2 bis 3*MQ3 größer 3*MQ

zusätzlich Ausschluss der Periode offensichtlicher Simulationsdefizite (Input?)

03 – 06/96Nummer 004

zusätzlich nur HW-Ereignisse 05/95, 09/95, 07/96Nummer 008


Kalibrierungsstrategie Optimierung am Pegel Zoeblitz mit Pest

Optimierung HW 05/95, 008



Validierung HW 08/2002, 008


Nur für HW-Ereignisse Gesamtzeitraum Manuelle Kalibrierung

RMSE

Nash- Sutcliffe


Vergleich automatisierte/manuelle Kalibrierung

NS-Koeffizient

RelativerRMSE

Güte ereignis-abhängig

Gütemaße Einzelereignisse

-2.00

-1.50

-1.00

-0.50

0.00

0.50

1.00

0.00 0.05 0.10 0.15 0.20 0.25 0.30 0.35

RMSE / Qmax [-]

NS-

Koe

ffiz

ient

[-]

HW 06/95

HW 09/95

HW 07/96

HW 08/02

NS-

Koef

fizie

nt [-

]

RMSE / Qmax [-]

004


Einfluss der Niederschlagvariabilität

100 N-Szenarien pro Ereignis einschl. HW 08/2002Variation der Niederschlagssummen und der raumzeitlichen Verteilung

Überproportionale Abflussbildung für mittlere HW

Zeitschritt

N-Szenarien 07/1996

N-In

t. [m

m/ h

]



100 N-Szenarien pro Ereignis Mittelwert pro Zeitschritt entspricht Kalibrier-NN-Summen variieren normalverteilt um N-Summe der KalibrierungMaximale Intensitäten kaum unter max. Intensitäten der Kalibrierung

Summe N [mm]

max

Int.

[mm

/ h]

N-D

if f S

u mm

e [m

m]

Zeitschritt



N-Variabilitätim RaumBsp. 07/1996

70 Zeitreihen(1 ZR / km² = TG)

Fazit: Modell reagiertsensibel und deutlichauf Intensitäts-schwellwerte

Räumliche Variabilität der N-Realisierung minimale N-Summe

Räumliche Variabilität des N-Kalibrierung

N-In

t. [m

m/ h

]N

-Int.

[mm

/ h]



HW 08/2002Wird von OF dominiert (Sättigungsüberschuss)Q verhält sich proportional zu NKein signifikanterUnterschied imAbflussrückgang


Ergebnisse Modellvergleich für NASIM

Spitzenabflüsse in Kalibrierperiode: gutAbbildung Rezessionsäste in Kalibrierperiode: gutSensitivität auf raum-zeitliche Variation des Niederschlagsfeldes: sehr hoch Abbildung Extremereignis 08/2002: gut

Extrapolationsfähigkeit im Vergleich der Modelle am höchstenEinschränkungen

Gilt für HW-ParameterdatensatzErforderlich, da maßgebliche Prozesse des Extremabflusse erfasst sein müssen Im Einzugsgebiet Schwarze PockauNaturräumliche AbhängigkeitPrognose für andere Gebiete?

mehr vergleichende Studien erforderlich


Fazit

Hydrologische Modelle müssen mit komplexen, raum-zeitlich hochdifferenzierten Prozessgeschehen umgehen.Prozessalgorithmen, die nicht mehr kalibriert werden müssen, sind noch nicht erfunden.

Automatisierte Kalibrierung objektiviert, verkürzt, lenkt den Prozess.

Hydrologischer Sachverstand ist erforderlichAufbau der ModellstrukturSensitive Parameter, dominante ProzesseDatenqualität (z.B. Geb-N Kalibrierung / Simulation)Wechselwirkung Parameterwerte / Simulationsoptionen

Für HydrotecModell-, Prozess-, Kalibrierwissen erweitert.„Best practice“ erarbeitet.Wir arbeiten an der Integration in NASIM-Software.

14.09.2009 www.hydrotec.de

Simulation extremer Abflüsse am Beispiel des Wasserhaushaltsmodells NASIM

Danke für Ihre Aufmerksamkeit

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