Catchment classification and regionalisation with Self-Organising Maps (SOMs) and flexible model structures.
Final Report Abstract
In diesem Projekt wurden 99 EZG in Rheinland-Pfalz und Baden-Württemberg mit 12 Modellstrukturen aus dem SUPERFLEX Framework kalibriert und die mit den kalibrierten Modellen simulierten Abflüsse analysiert. Der Vergleich unterschiedlicher Gütemaße für die Modell-Evaluation zeigt, dass vier von der FDC abgeleitete Signature Indizes gut geeignet sind, das Modellverhalten nachzuvollziehen und vergleichbar zu machen. Die Kombination der Signature Indizes zu einem Kennwert ermöglicht zudem einen einfachen Vergleich unterschiedlicher Simulationen. Darüber hinaus zeigen die Signature Indizes, in welchen Abflussbereichen ein Modell den Abfluss gut oder schlecht nachbildet. Diese Information ist für die Modellinterpretation und -weiterentwicklung wichtig. Die 12 verwendeten Modellstrukturen zeigen für die untersuchten EZG unterschiedliche Ergebnisse und führen für die große Mehrzahl der EZG zu akzeptablen bis sehr guten Abflusssimulationen. Keine Modellstruktur ist für alle EZG gut geeignet. Nach den Simulationsergebnissen wurden die EZG in Gruppen ohne akzeptables Modell, EZG mit Model-Equifinality und EZG mit unterschiedlichen Simulationen abhängig von der Modellstruktur unterschieden. Die Ergebnisse zeigen, dass die Ursachen für die unterschiedliche Reaktion der Modelle der EZG in den Eigenschaften der EZG begründet sein müssen. Auf Basis gängiger Gebietseigenschaften und der räumlichen Anordnung konnten diese Ursachen jedoch nicht gefunden werden. Der Transfer von Modellen auf andere Gebiete als die, für die sie kalibriert wurden, der sog. Parametertransfer, zeigt, dass eine Übertragung der konzeptionellen Modelle auf andere EZG nur in sehr wenigen Fällen zufriedenstellend möglich ist. Damit ist weder die Identifikation hydrologisch ähnlicher EZG über geeignete Modellstrukturen noch die Regionalisierung von konzeptionellen Modellen möglich. Unsere Ergebnisse lassen vermuten, dass konzeptionelle Modellstrukturen nicht geeignet sind, unterschiedliche Gebietseigenschaften wie Klima, Topographie, Größe, Geologie oder Landnutzung nachzubilden. Für EZG mit guten Simulationen in Abhängigkeit von der Modellstruktur erscheinen die geeigneten Modellstrukturen in diesem Zusammenhang als beliebig. Für komplexe EZG deren Abflussreaktionen aus der Überlagerung einer Vielzahl unterschiedlicher Abflussprozesse und Abflusswege besteht, sind mehrere Modellstrukturen für eine akzeptable Simulation geeignet. Damit scheinen konzeptionelle Modellstrukturen vor allem gedämpfte Abflussreaktionen komplexer Gebiete zufriedenstellend nachbilden zu können. Der erfolgreiche Einsatz der Selbstorganisierenden Merkmalskarten (Self-Organizing Maps, SOMs) für die Analyse großer Datenmengen zeigt das Potenzial dieser Technik für wissenschaftliche Untersuchungen wie Klassifikationen, Modellbewertungen und Identifikation ähnlicher Datensätze aus großen Datenmengen. Mit den genutzten Modellen, Gütemaßen und Gebietseigenschaften kann das gesetzte Ziel, eine Klassifikation der EZG nach geeigneten Modellstrukturen und die Übertragung von Modellen zwischen hydrologisch ähnlichen EZG (Regionalisierung) nicht erreicht werden. Die Ergebnisse dieses Projektes geben jedoch wichtige Hinweise über die Wirkung wichtiger Gütemaße und das Verhalten konzeptioneller Modelle in Abhängigkeit von den Eigenschaften der zu kalibrierenden EZG.
Publications
- (2015): Assessment of classical performance measures and signature indices from Flow Duration Curves for model evaluation. EGU General Assembly Conference Abstracts, Vol 17, 2015EGUGA..17.4432L
Rita Ley, Hugo Hellebrand, Markus C. Casper, F. Fenicia
- Catchment classification by means of hydrological models. Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 33.13, 2013, S. 105-110
Hugo Hellebrand, Rita Ley and Markus C. Casper
- (2015): Identification of hydrologically similar basins by means of parameter transfer with a view to regionalization. EGU General Assembly Conference Abstracts, Vol 17, 2015EGUGA..17.9562H
Hugo Hellebrand, Rita Ley, Markus C. Casper, Fabrizio Fenicia
- (2015): Parameter transfer as a test for hydrological model regionalization strategies. 4.Trierer Workshop zur Niederschlags-Abfluss-Modellierung
Hugo Hellebrand, Rita Ley, Markus C. Casper
- (2016): Catchments characterization by means of lumped conceptual models – a case study. EGU General Assembly Conference Abstracts, Vol 18, 2016EGUGA..1811329
Rita Ley, Markus C. Casper
- Abbildung räumlicher Einzugsgebiets-Eigenschaften mit konzeptionellen Modellen. Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 36.16, 2016, S. 95-105
Rita Ley, Hugo Hellebrand, Markus C. Casper
(See online at https://dx.doi.org/10.14617/for.hydrol.wasbew.36.16) - Comparing classical performance measures with signature indices derived from flow duration curves to assess model structures as tools for catchment classification. Hydrology Research 47.1, 2016
Rita Ley, Hugo Hellebrand, Markus C. Casper and Fabrizio Fenicia
(See online at https://dx.doi.org/10.2166/nh2015.221) - Is catchment classification possible by means of multiple model structures? A case study based on 99 catchments in Germany, Hydrology, 3.22, 2016
Rita Ley, Hugo Hellebrand, Markus C Casper and Fabrizio Fenicia
(See online at https://doi.org/10.3390/hydrology3020022) - Parameter transfer as a test for hydrological model regionalization strategies. Forum für Hydrologie und Wasserbewirtschaftung Heft 36.16, 2016, S. 107-111
Hugo Hellebrand, Rita Ley and Markus C. Casper
(See online at https://dx.doi.org/10.14617/for.hydrol.wasbew.36.16)
