A guideline for hydrologically consistent models

Pfannerstill, Matthias

Hydrological models are established tools to simulate discharge and hydrological processes of watersheds. Scenario simulations and resource management studies are carried out, assuming that hydrological processes are simulated appropriately. However, several studies revealed that satisfying discharge reproduction may be achieved despite of inappropriate simulation of the hydrological processes. A reason for this might be an inappropriate process representation in the model due to inadequate process equations and parameters. Consequently, model deficiencies need to be identified to improve the representation of dominant hydrological processes of the specific catchment. The ultimate goal of model improvements should be to achieve hydrological consistency, which can be defined as a realistic reproduction of all hydrological processes of the study catchment together with an appropriate discharge simulation. In this thesis, an example serves to demonstrate how appropriate discharge and process reproduction can be achieved by modifying a hydrological model. It is shown, how the model modification leads to improved discharge simulations for a lowland catchment due to the improved ability of the model to capture the groundwater processes of the study catchment. The deficient groundwater model component was modified by implementing a more complex groundwater process representation with a fast and a slow reacting aquifer. The evaluation of the new model version revealed improved model performance for the low flow phases due to delayed groundwater contribution to the discharge at low flow events and due to fast groundwater contribution at high discharge. To achieve satisfying simulation of all discharge phases, a newly developed multi-metric framework was applied to evaluate the modified model. The advantage of this new multi-metric framework is a fair-balanced performance evaluation for high and low discharge phases simultaneously. Additionally, a new evaluation criterion for very low flows was developed. This criterion was integrated into the multi-metric framework to evaluate very low flows together with all remaining discharge phases. Finally, diagnostic information about simulated hydrological processes was obtained by the application of a temporal parameter sensitivity analysis. For this, temporal parameter sensitivities were calculated to derive simulated processes of the modified model. The modified model was then verified by comparing simulated processes with observations and known processes of the study catchment. In this way, proper process simulation according to the observed processes of the real-world was confirmed. Due to the verified process reproduction and the improved model performance for all discharge phases, the ability of the model to capture the dominant processes of the study catchment was proved. As a synthesis, the provided methods that were exemplarily used to improve a hydrological model were interpreted into a more general context. This synthesis lead to the main achievement of this thesis: The individual steps of model deficiency detection, improvement, evaluation, and verification were joined to a structured guideline. It is hypothesised that this guideline is applicable to any hydrological model. Consequently, other hydrological models may benefit from this structured guideline to improve their hydrological consistency.

Hydrologische Modelle sind etablierte Hilfsmittel um Abflüsse und hydrologische Prozesse von Einzugsgebieten zu simulieren. Die Berechnung von Szenarien und Ressourcenplanungen werden unter der Annahme vorgenommen, dass die hydrologischen Prozesse realistätsnah wiedergegeben werden. Zahlreiche Studien belegen allerdings, dass eine zufriedenstellende Abflussnachbildung trotz unzureichender Abbildung der hydrologischen Prozesse erreicht werden kann. Ein Grund für die unzureichende Abbildung hydrologischer Prozesse im Modell kann die fehlerhafte Implementierung von Prozessgleichungen und deren Parametern sein. Diese Modelldefizite müssen identifiziert werden, um eine verbesserte Abbildung der dominanten Prozesse des untersuchten Einzugsgebiets zu gewährleisten. Das übergeordnete Ziel derartiger Modellverbesserungen sollte in diesem Zusammenhang die hydrologische Konsistenz sein, welche durch eine gemeinsame, realistische Abbildung der hydrologischen Prozesse und des Abflusses des untersuchten Einzugsgebiets definiert ist. Diese Dissertation zeigt beispielhaft auf, wie eine zufriedenstellende Abbildung von Abflüssen und hydrologischen Prozessen durch die Modifizierung eines hydrologischen Modells erfolgen kann. Es wird aufgezeigt, wie die Modifizierung des hydrologischen Modells zu einer verbesserten Abbildung von Abflüssen für ein Tieflandeinzugsgebiet führt. Die verbesserte Abflussabbildung ist darauf zurückzuführen, dass das modifizierte Modell die Grundwasserprozesse des Einzugsgebiets besser nachbilden kann. Dafür wurde die fehlerhafte Grundwasserkomponente des hydrologischen Models verändert, indem die komplexen Grundwasserprozesse des Einzugsgebiets durch einen schnell und einen langsam reagierenden Grundwasserspeicher repräsentiert werden. Die Auswertung der neuen Modellversion zeigte eine Verbesserung der Modellgüte im Niedrigabfluss auf. Diese verbesserte Modellgüte wurde durch verzögerten Grundwasserabfluss aus dem langsamen Aquifer bei Niedrigabfluss erzielt und durch Grundwasserfluss aus dem schnell reagierenden Aquifer bei hohen Abflüssen erreicht. Um die zufriedenstellende Abbildung aller Abflussphasen sicherzustellen, wurde das modifizierte Modell mit einem neu entwickelten Auswertungsansatz mit mehreren Gütemaßen untersucht. Der Vorteil dieses neuen Auswertungsansatzes liegt darin, dass die gleichzeitige Auswertung von Hoch- und Niedrigabflüssen bei gleicher Gewichtung vorgenommen werden kann. Zusätzlich wurde ein weiteres Gütemaß entwickelt, mit dem gezielt extreme Niedrigabflüsse ausgewertet werden können. Dieses Gütemaß wurde in den neuen Auswertungsansatz integriert, um eine zufriedenstellende Modellgüte in den extremen Niedrigwasserphasen gemeinsam mit alle weiteren Abflussphasen zu erreichen. Abschließend wurden durch die Anwendung einer temporalen Sensitivitätsanalyse diagnostische Informationen über die simulierten hydrologischen Prozesse bestimmt. Dafür wurden temporale Parametersensitivitäten für das modifizierte Modell berechnet, um daraus simulierte Prozesse abzuleiten. Das modifizierte Modell wurde schließlich verifiziert, indem die simulierten Prozesse des veränderten Modells mit Beobachtungen und bekannten Prozessen aus dem Einzugsgebiet verglichen wurden. Dadurch wurde die adäquate Prozesssimulation im Vergleich zu beobachteten Prozessen aus der Realität überprüft. Auf Grund der verifizierten Prozesswiedergabe und der verbesserten Modellgüte für alle Abflussphasen wurde die Fähigkeit des modifizierten Modells bestätigt, die dominanten Prozesse des Einzugsgebiets abbilden zu können. Als Synthese dieser Arbeit wurden die Methoden dieser Arbeit, welche beispielhaft zur Erreichung der hydrologischen Konsistenz genutzt wurden, in einen generellen Kontext gesetzt.Diese Synthese führt zum übergeordneten Ergebnis dieser Dissertation: Die einzelnen Schritte, bestehend aus Identifizierung des Modelldefizits, Modellverbesserung, Auswertung der Modellgüte sowie Verifizierung, wurden zu einer strukturierten Anleitung zusammengefasst. Es wird angenommen, dass diese Anleitung auf jedes hydrologische Modell angewendet werden kann. Somit können andere hydrologische Modelle von dieser strukturierten Anleitung profitieren, um die hydrologische Konsistenz zu steigern.

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Pfannerstill, Matthias: A guideline for hydrologically consistent models.

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