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:

A hydrological model was applied to select the best infilling method of missing precipitation (1) to assess the impact of the length of deleted and filled precipitation data (2) and the impact on model outputs of applying progressively simpler representations of spatial variability in land use (3), superficial geology (4) and their combination (5). The model was calibrated and validated using the hourly observed discharges in the Eddleston Water experimental watershed located in Scotland, UK. For first two goals, two stream gauges located in the outlet of the catchment (62.34 km2) and in the inner sub-catchment (2.05 km2) were used for the calibration while six gauges were applied in remaining aims. Precipitation from four gauges was spatially interpolated over the overall catchment, while the sub-catchment used the precipitation from one gauge. Four scenarios of different lengths of deletion within three high-intensity events were established in the data of this gauge. Three infilling methods were applied and compared: substitution, linear regression and inverse distance weighting (IDW). Substitution showed the best results, followed by linear regression and IDW in both scales. Differences between methods were significant only in 8.3% and 19.4% of all cases (sub-catchment and catchment, respectively). Higher differences in discharges were found on the catchment scale compared to the inner sub-catchment and were insignificant for all events and scenarios. The hypothesis that a longer length of deleted and filled data would lead to a greater error in discharges was wrong for 11.1% and 16.7% of all cases (sub-catchment and catchment, respectively). In several cases (33.4% sub-catchment, 27.1% catchment), the model produced better results using the time series with filled gaps compared to the configuration with observed data. Alternative representations of the spatial distribution of superficial geology and land use produced differences in model outputs. These differences were generally small with the exception of the maximum absolute error (Emax). Inter-model differences were most sensitive to the largest precipitation events. Although variations in superficial geology dominated over those for land use, exceptions were seen in two sub-catchments. These were connected with particularly large variations in land use and/or the small spatial extent of superficial geology. Lower resolution spatial data produced superior model performance in the majority of sub-catchments.

Abstract:

Pre určenie najvhodnejšej metódy dopĺňania chýbajúcich hodnôt v časových radách zrážok (1), pre určenie vplyvu dĺžky doplnených zrážkových úhrnov (2) a vplyvu rozdielnej priestorovej reprezentácie krajinného pokryvu (3), kvartérnej geológie (4) a ich kombinácie (5) bol použitý prepojený hydrologický model. Model bol kalibrovaný a validovaný na pozorované hodinové prietoky v experimentálnom povodí Eddleston Water v Škótsku. Pre splnenie prvých dvoch cieľov boli pre kalibráciu a validáciu použité dve vodomerné stanice, nachádzajúce sa v blízkosti záverového profilu povodia (62,34 km2) a menšieho subpovodia, ktoré bolo jeho súčasťou (2,05 km2). Pre splnenie zvyšných cieľov bol model kalibrovaný na šesť staníc. Zrážkové úhrny zo štyroch zrážkomerných staníc boli interpolované na plochu celého povodia, pričom subpovodie využívalo úhrny iba z jednej stanice. Z časových radov zrážok tejto stanice boli vybrané tri udalosti a z nich boli následne vymazané hodnoty o rôznej dĺžke (štyri scenáre vymazaných hodnôt). Boli použité tri interpolačné metódy a ich výsledky boli vzájomne porovnávané: substitúcia, lineárna regresia a inverse distance weighting (IDW). Substitúcia poskytla najlepšie výsledky, nasledovaná lineárnou regresiou a IDW na úrovni povodia i subpovodia. Rozdiely medzi metódami boli signifikantné iba v 8,3 % (povodie) a 19,4 % (subpovodie) zo všetkých prípadov. Na úrovni povodia boli zaznamenané väčšie, avšak nesignifikantné rozdiely v prietokoch v porovnaní so subpovodím pre všetky udalosti a scenáre. Hypotéza, že model používajúci dlhšiu doplnenú časovú radu bude generovať väčšiu chybu vo výstupoch, bola nesprávna pre 11,1 % (subpovodie) a 16,7 % (povodie) zo všetkých prípadov. V niektorých prípadoch produkoval model lepšie výsledky v konfigurácii s doplnenými časovými radami ako s originálnymi zrážkami (33,4 % subpovodie, 27,1 % povodie). Rozdielna priestorová reprezentácia krajinného pokryvu a kvartérnej geológie spôsobili rozdiely vo výstupoch prepojeného modelu. Tieto rozdiely však boli vo väčšine prípadov malé, s výnimkou maximálnej absolútnej chyby (Emax). Poukazuje to na zvýšenú citlivosť na udalosti s väčšou zrážkovou intenzitou. Najväčšie rozdiely boli spôsobené kombinovaným vplyvom krajinného pokryvu a kvartérnej geológie. V prípade povodia Eddleston Water boli rozdiely spôsobené kvartérnou geológiou vo väčšine subpovodí výraznejšie ako rozdiely zapríčinené krajinným pokryvom. Výnimkou boli subpovodia s výraznými rozdielmi v krajinnom pokryve a/alebo malou plochou kvartérnej geológie. Priestorové dáta o nižšom rozlíšení dosiahli lepšie výsledky modelu vo väčšine subpovodí.

Keywords

MIKE SHE, MIKE 11, hydrologický model, zrážky, krajinný pokryv, kvartérna geológia, porovnanie

Language used: Slovak

Date on which the thesis was submitted / produced: 1. 6. 2020

Accessible from:: 31. 12. 2999

Thesis defence

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

University of Ostrava

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geography / Environmental Geography