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Main Title: Rückkopplungen und Rückwirkungen in der hydrologischen Modellierung am Beispiel von kontinuierlichen Niederschlag-Abfluß-Simulationen und Hochwasservorhersagen
Author(s): Messal, Hilmar E. E.
Advisor(s): Holtorff, G.
Granting Institution: Technische Universität Berlin, ehemalige Fakultät VI - Bauingenieurwesen und Angewandte Geowissenschaften
Type: Doctoral Thesis
Language: German
Language Code: de
Abstract: Rückkopplungen und Rückwirkungen werden in der hydrologischen Modellierung oft vernachlässigt, weil sie schwierig zu handhaben und die entsprechenden Modelle teilweise schwer zu kalibrieren sind. Für die Echtzeitanwendung fehlen allzu häufig geeignete analytische Lösungen. Die Vernachlässigung räumlicher Rückkopplungen hat in Gebirgseinzugsgebieten bei vielen Teilprozessen nur unbedeutende Folgen. Im Flachland kann diese Vorgehensweise zu einer erheblichen Drift der Modellparameter führen. Zeitliche Rückwirkungen in Form von Nachführungsrechnungen (updating) bei Echtzeitmodellen werden fast ausschließlich "singularisch" angewendet, d.h., alle Fehlerquellen werden jeweils nur einer bzw. wenigen physikalischen Größen oder bestimmten Modellparametern zugeordnet. In der vorliegenden Arbeit wird zunächst ein neues systemtheoretisches Modell, die "rückgestaute lineare Speicherkaskade" (RLSK) in Verbindung mit analytischen Lösungsdarstellungen entwickelt. Im Hinblick auf Flußlaufmodelle stellt die RLSK das Verbindungsglied zwischen konzeptionellen linearen Speicherkaskaden- (systemtheoretischen) und linearen Translations-Diffusions- (physikalischen bzw. vereinfachten physikalischen) -Modellen dar. Die RLSK wird dabei auch in die Zustandsraumdarstellung transformiert, die für Steuerungsprozesse im Echtzeitbetrieb benötigt wird. Mit Hilfe verschiedener Varianten der RLSK wurden mehrere Hochwasserereignisse in verschiedenen deutschen Flußläufen erfolgreich simuliert und teilweise mit einem hydrodynamischen Modell verglichen. Vor allem zur Anwendung in Flachlandeinzugsgebieten wurde das konzeptionelle Niederschlag-Abfluß-Modell MULTIHYD entwickelt. Die RLSK dient dabei zur Nachbildung der rückgestauten hypodermischen Abflußkomponente, mit der näherungsweise auch die sog. "Uferspeicherung" im Vorfluter nachgebildet werden kann. Für MULTIHYD wurde ein mehrteiliger Haftwasserspeicher entwickelt, der es gestattet, den Infiltrationsprozeß rückgekoppelt zu modellieren. Des weiteren wurde ein Modul zur Beschreibung des Kapillarwasseraufstiegs aus dem Grundwasser- in den Haftwasserspeicher, einer Rückkopplung, die dem Prozeß der Perkolation, in einem größeren Zeitmaßstab betrachtet, entgegenwirkt, in inverser analytischer Lösungsdarstellung entwickelt. Dazu war es weiterhin erforderlich, einen mittleren Grundwasserstand in jedem Zeitintervall zu berechnen. Es entstand ein sog. "hydrologisches" Grundwasserstandsmodell auf der Basis von Wasserbilanzen. Für grundwassernahe Gebiete wird innerhalb von MULTIHYD eine zusätzliche laterale Abflußkomponente berechnet. Weiterhin kann in Trockenzeiten der Vorfluter über negative Basisabflüsse im Bedarfsfall den Basisspeicher speisen. MULTIHYD gestattet eine vollständige Wasserbilanzkontrolle und erlaubt die Nachführung hydrologischer Größen und Modellparameter im Echtzeitbetrieb, allerdings in Verbindung mit externen Optimierungsprogrammen. Eine Modellanwendung erfolgte für eine Vielzahl von Hochwasserereignissen in drei Flachlandeinzugsgebieten Schleswig-Holsteins mit stark variierender Gebietsgröße. Dabei zeigte sich, daß die Einbeziehung des Kapillarwasseraufstiegs auch bei der Hochwasservorhersage bessere Berechnungsergebnisse liefert. Eine Methode zur Schätzung der beiden Vorfeuchteparameter von MULTIHYD aus dem Anfangsabfluß vor Hochwasserbeginn wurde im größten der drei Einzugsgebiete, der Oberen Stör, mit Erfolg angewendet. In den kleineren Gebieten ließen sich derartige Zusammenhänge nicht nachweisen. Die sicherste Methode zur Schätzung der Vorfeuchte ist und bleibt jedoch die kontinuierliche Modellanwendung auch in hochwasserfreien Perioden. Weiterhin wird der Versuch unternommen, die verschiedenen Arten systemtheoretischer Nachführungsprozeduren in hydrologischen Vorhersagemodellen in Verbindung mit den sonstigen Verfahren zur Datenkorrektur bzw. -prüfung zu systematisieren und durch neue Techniken zu erweitern. Es entstanden zunächst vier Methoden zur Nachführung unterschiedlicher hydrologischer Größen und Parameter. Der eigentliche Durchbruch gelang mit der Kombination und Wichtung der einzelnen Nachführungsmethoden durch die hier entwickelte sog. "gewichtete Mehrfach-Nachführung" (WMU-Technik). Diese Technik wurde mit Erfolg auf vier Hochwasserereignisse im Gebiet der Oberen Stör angewendet. Dabei waren die Resultate der kombinierten (multiplen) Nachführungsvarianten stets besser als alle verwendeten ursprünglichen "singularischen" Nachführungsmethoden sowie deren arithmetische Mittelung. Auf der Basis der Ergebnisse konnten Schlußfolgerungen für die praktische Anwendung abgeleitet werden. Die Kalibrierung des Niederschlag-Abfluß-Modells MULTIHYD erfolgte durch die kombinierte Anwendung eines Gauß-Newton-Verfahrens mit Levenberg-Marquardt-Regularisierung und einer Evolutionsstrategie. Die Kombination beider Verfahren lieferte dabei bessere Ergebnisse als ihre separate Anwendung. Die Nachführungsprozeduren bei der Anwendung der WMU-Technik im simulierten Echtzeitbetrieb in Form von Optimierungsrechnungen wurden auf der Basis desselben Gauß-Newton-Verfahrens durch eine entsprechend modifizierte Struktur realisiert. Das verwendete Gauß-Newton-Verfahren ist leider oft abhängig von den gewählten Startwerten der zu optimierenden Größen und Parameter. Aus diesem Grunde wurden entsprechende Algorithmen zur kombinatorischen Anwendung des Verfahrens mit jeweils unterschiedlichen Startwerten für die zu optimierenden Modellparameter bzw. physikalischen Größen entwickelt. Sowohl hinsichtlich der Modellkalibrierung als auch hinsichtlich der Modellnachführung wurden Strategien für die allgemeine Anwendung von Optimierungstechniken
Feedback effects are often neglected in hydrological modelling, because they are difficult to handle and models taking these effects into account are difficult to calibrate. For real-time forecasting appropriate analytical solutions are needed which are rarely available. The neglection of spatial feedbacks has little consequence to many sub-processes in mountainous regions, whereas in flatland catchments it can lead to a severe drift of model parameters. Temporal feedbacks as applied in updating procedures for real time forecasting models often attribute model errors only to one or a few physical variables or parameters. In the present work a new systemtheoretical hydrological model, the "Cascade of linear reservoirs with backwater" (RLSK), is developed and analytical solutions for this dynamical system are presented. With regard to flood routing models the RLSK represents the link between conceptual (linear reservoir cascades) and simplified physical models (linear translation-diffusion models). The RLSK is transformed into the state-space formulation, which is needed for real-time forecasting and control procedures. Several flood events in German rivers were successfully simulated with different variants of the RLSK. Comparisons to a hydrodynamic model were also carried out. The conceptual rainfall-runoff model MULTIHYD was developed mainly for the application in flatland catchments. Here the RLSK is used to model backwater effects in interflow and also the stream-aquifer interaction during flood events. The unsaturated zone is represented by a reservoir of several parts, which makes it possible to model the infiltration process with feedback. There is also a module included, which describes the capillary rise of water from the groundwater, a feedback process, which is opposed to percolation on a larger time scale. The module is based on an inverse analytical solution. This module led to the development of a "hydrological" groundwater model, where in each time step a new groundwater level is calculated based on water balance. For regions with high groundwater level an additional lateral flow component is calculated. In dry periods the seepage through the river bottom can be modelled by a negative base flow component. MULTIHYD performs a complete check of the water balance in the system. It can be operated in an on-line mode, allowing the update of model parameters and hydrological variables by external optimization programs. The model was applied to a number of flood events in three flatland catchments in Schleswig-Holstein varying greatly in size. It turned out that the inclusion of the capillary rise mechanism improved the model performance even for periods of flooding. A method of estimating MULTIHYDs two antecedent soil moisture parameters from streamflow records was tested with good results in the largest of the three catchments, the Upper Stör. In the smaller catchments this relationship could not be validated. The best method to estimate soil moisture conditions prior to flood events however remains the continuous long-term simulation of the water balance. An attempt is made to systematize the existing updating techniques for hydrological forecasting models and to introduce new ones in connection with other methods of data checking and correction. At first four different methods of updating model parameters and certain hydrological variables were tested. A breakthrough in model performance was achieved by the combination of methods, the "Weighted multiple updating" (WMU) technique. This technique was successfully applied to four flood events in the Upper Stör catchment. The combined (multiple) methods were always better than the four individual ones as well as their arithmetical mean. From these results conclusions for the practical use of real-time forecasting models could be drawn. The calibration of the rainfall-runoff model MULTIHYD was done by the joint application of a Gauss-Newton method with Levenberg-Marquardt regularization and an evolution strategy. The combination of both methods performed better than any of the two methods alone. The updating procedures for the simulated on-line operation mode were based on the Gauss-Newton algorithm with a modified structure. With this method the quality of the results often depends on the starting values for the parameters. Therefore, an algorithm was conceived, which is based on the combinatorial use of the Gauss-Newton method for the starting values of the model parameters and physical variables to be optimized. General guidelines for the use of optimization programs for off-line and on-line
URI: urn:nbn:de:kobv:83-opus-1261
http://depositonce.tu-berlin.de/handle/11303/521
http://dx.doi.org/10.14279/depositonce-224
Exam Date: 17-Jan-2000
Issue Date: 17-Apr-2000
Date Available: 17-Apr-2000
DDC Class: 550 Geowissenschaften
Subject(s): Civil engineering and applied geosciences
Usage rights: Terms of German Copyright Law
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