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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
www.hydrotec.de 314.09.2009
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
www.hydrotec.de 414.09.2009
Vortragsinhalte
Einführung / Projektkontext
NASIM-PEST-Kopplung
HW-sensitive Parameter
Automatisierte Kalibrierung ValidierungVergleich zur manuellen Kalibrierung
Einfluss der N-Variabilität
Fazit
www.hydrotec.de 514.09.2009
Kalibrierung mit PEST-SCE
NASIM-PEST-KopplungGlobales Suchverfahren (SCE, Shuffled Complex Evolution)Lokales Suchverfahren (Gauss-Marquardt-Levenberg)
Zielfunktion
www.hydrotec.de 614.09.2009
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
www.hydrotec.de 914.09.2009
Parameter- sensitivitäten
4 EinzelereignisseRet InterflowRet OFHoriz. LFInfiltration
Qsim/QmessPeak
Fazit: Sensitivitätensind ereignis-abhängig
www.hydrotec.de 1014.09.2009
Parameter- sensitivitäten
WWJ 95/96Ret InterflowRet OFHorz. LFInfiltration
NS-Koeffizient
Fazit: Auswahl des Ereignisses hat deutlichenEinfluss auf Parameter-optimum
www.hydrotec.de 1114.09.2009
Kalibrierung mit PEST-SCE
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
www.hydrotec.de 1214.09.2009
Kalibrierung mit PEST-SCE
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
www.hydrotec.de 1314.09.2009
Kalibrierungsstrategie Optimierung am Pegel Zoeblitz mit Pest
Optimierung HW 05/95, 008
Optimierung HW 09/95, 008
Optimierung HW 07/96, 008
Validierung HW 08/2002, 008
www.hydrotec.de 1414.09.2009
Nur für HW-Ereignisse Gesamtzeitraum Manuelle Kalibrierung
RMSE
Nash- Sutcliffe
www.hydrotec.de 1514.09.2009
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
www.hydrotec.de 1614.09.2009
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
]
www.hydrotec.de 1714.09.2009
Einfluss der Niederschlagvariabilität
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
www.hydrotec.de 1814.09.2009
Einfluss der Niederschlagvariabilität
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]
www.hydrotec.de 1914.09.2009
Einfluss der Niederschlagvariabilität
HW 08/2002Wird von OF dominiert (Sättigungsüberschuss)Q verhält sich proportional zu NKein signifikanterUnterschied imAbflussrückgang
www.hydrotec.de 2014.09.2009
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
www.hydrotec.de 2114.09.2009
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.
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