Vliv přesnosti dat na výsledky propojeného modelu MIKE SHE/MIKE 11

Mgr. Stanislav RUMAN

Doctoral thesis

Effect of data accuracy on the results of coupled MIKE SHE/MIKE 11 model

Abstract:

The quality and the quantity of the input data are in the case of the distributed, physically -based rainfall-runoff models crucial factors affecting the right simulation of the hydrological processes and adequate quantification of a catchment water balance. The localities for the model benchmarking and the hydrological hypothesis testing are the experimental catchments. The Edleston Water catchment (68 km2), in Scotland, is one of these, where the benchmarking of the precipitation in the hourly time step, various spatial representation of land cover and superficial geology was investigated. The different model structure was applied for the precipitation benchmarking in the first case comparing to later ones. The principal differences lied in the number of stream gauge stations used for the model calibration and validation, the computation grid and the different length of the simulated period. Selected ranking strategies of three quantitatively evaluation method (QPE - IDW, Linear Regression, Substitution) together with the different length of missing values were evaluated using several goodness-of-fit (GOF) in the first part. These were aimed at the high-intensity events. Model calibration and validation showed satisfactory model results in two stream gauge stations. Various ranking strategies produced different results in the best method selection. The hypothesis: higher the errors in the precipitation, higher the errors in discharges was not confirmed and model actually smooth out biases in GOF of latter characteristics. Furthermore, the inability of the GOF to detect the error as well as the model imperfection were revealed. However overall differences in GOF among the QPE were low, probably due to the low intensity of precipitation in selected events. The effect of different spatial representation of the land cover and superficial geology as well as the combination of both were investigated in the second part, using the GOF, water balance and average discharges. Calibration and validation using ten stream gauge stations marked the errors in measured water levels, together with the model structure problems. As a result, in several gauges the model performance was poor. The equfinality was accessed using the average from the twenty best simulations. The results showed, the main differences were caused by superficial geology compared to land cover, while highest changes in average annual discharges were maximally 30 %. By using different land cover, the changes were maximally 9 %. The 21 % maximal change was observed utilizing the superficial geology. Interannual changes produced higher results in every case.

Abstract:

Kvalita a kvantita vstupných dát predstavuje v prípade distribuovaných, procesne orientovaných zrážko-odtokových modelov kľúčový faktor ovplyvňujúci správnu simuláciu hydrologických procesov a adekvátne vyčíslenie hydrologickej bilancie povodia. Experimentálne povodia sú lokality, ktoré umožňujú testovanie tak modelov, ako i hydrologickej teórie. Takýmto povodím je i Eddleston Water (68 km2) v Škótsku, na ktorom boli hodnotené tri druhy vstupných dát a ich vplyv na výstupy modelu. Na jednej strane sú to zrážkové úhrny v hodinovom časovom kroku, na strane druhej rozdielna priestorová reprezentácia kvartérnej geológie a krajinného pokryvu založená na odlišných mapách týchto charakteristík. Pre splnenie cieľov práce bola použitá rozdielna štruktúra modelu, pričom hlavný rozdiel predstavoval počet staníc, veľkosť výpočtového gridu a kalibrácia a validácia na rozdielnu dĺžku periódy. V prvej časti, zameranej na udalosti s najvyššími úhrnmi zrážok, boli vzájomne porovnané stratégie hodnotenia troch interpolačných metód dopĺňania chýbajúcich hodnôt zrážok (Substitúcia a Lineárna Regresia a IDW) a zároveň bol vyhodnotený vplyv dĺžky chýbajúcich hodnôt na výstupy modelu využitím niekoľkých mier výkonnosti. Kalibrácia a validácia poskytla uspokojivé výsledky modelu v dvoch vodmerných staniciach. Hypotéza, že chyby v zrážkach zvyšujú chyby v modelu sa nepotvrdila a model naopak zhladil chyby v simulovaných prietokoch. Rôzne stratégie hodnotenia viedli k rozdielnym záverom pri voľbe najlepšej metódy. Bola zistená nedostatočná schopnosť mier výkonnosti detegovať zmenu v simulovaných prietokoch a nedostatočná kalibrácia modelu. Celkové rozdiely medzi metódami však boli nízke, pravdepodobne v dôsledku nízkych zrážkových úhrnov. V druhej časti práce bol hodnotený vplyv rozdielnej priestorovej reprezentácie kvartérnej geológie a krajinného pokryvu ako i kumulatívny vplyv týchto variant na výstupy modelu využitím mier výkonnosti, hydrologickej bilancie i priemerných ročných prietokov. Kalibrácia a validácia na desať staníc ukázala na chyby v meraných dátach i problém v štruktúre modelu. Z týchto dôvodov bola výkonnosť modelu v niektorých staniciach klasifikovaná ako nedostatočná. Použitie priemeru z dvadsiatich najlepších simulácií, bola jednoduchá stratégia smerujúca k ekvifinalite. Výsledky jasne určili dominantný vplyv rozdielnej priestorovej reprezentácie kvartérnej geológie na zmeny v hydrologickej bilancii (za hydrologický rok), vybraných mierach výkonnosti i priemerných ročných hodnotách prietokov vo väčšine vodomerných staníc. Najvyššie zmeny (30%) v priemerných ročných prietokoch boli pozorované v kombinácií týchto vrstiev. Kým v prípade odlišnej reprezentácie krajinného pokryvu boli zaznamenané maximálne zmeny na úrovni 9 %, v prípade odlišnej kvartérnej geológie zmeny v priemernom ročnom prietoku presahovali hodnoty 21 %. Významnejšie rozdiely boli pozorované v mesačnom chode prietokov.

Keywords

MIKE SHE / MIKE 11, zrážko-odtokový model, neistota, zrážky, interpolácia, krajinný pokryv, kvartérna geológia

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 27. 9. 2017

Thesis defence

• Supervisor: doc. RNDr. Milan Trizna, Ph.D.

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geography / Environmentální geografie