Vergleich von hydrologischen Modellen mit unterschiedlicher Komplexität im Hydrological Open Air Laboratory in Österreich

Abstract

Hydrologische Modelle sollen ein Einzugsgebiet mit allen möglichen Wechselwirkungen ganzheitlich abbilden. Dabei gilt es auszuloten, welche Komponenten näher betrachtet werden sollen und welche zu vernachlässigen sind. Das Ziel dieser Arbeit ist die Untersuchung der Niederschlags-Abfluss-Prozesse im 66 ha großen Einzugsgebiet des HOAL (Hydrological Open Air Laboratory) im niederösterreichischen Petzenkirchen, als auch in kleineren Teileinzugsgebieten mit jeweils unterschiedlichen Abflussmechanismen. Dabei werden zwei verschiedene Modellkonzepte auf Basis des HBV-Modells angewandt und anschließend verglichen. Es handelt sich dabei, einerseits um das lumped TUWmodel und andererseits, um das flächendetaillierte HBV-Modell.Es werden die Messdaten von 2013 bis 2020 herangezogen. In einem ersten Schritt werden die zur Verfügung gestellten Messdaten aufbereitet, um sie in weiterer Folge als Inputdaten in den Modellen verwenden zu können. Das lumped TUWmodel wird mit einer zeitlichen Auflösung von einer Stunde angewandt. Jedes Teileinzugsgebiet muss dabei in einem eigenen Rechenlauf simuliert werden. Mit Hilfe eines Optimierungsalgorithmus (DEoptim in R) werden die besten Parameter für das gesamte Einzugsgebiet, als auch für jedes der 11 Teileinzugsgebiete gesucht und auf einer, davon unabhängigen Messperiode validiert. Auf Grundlage dieser Parameter wird ein vergleichbares flächendetailliertes HBV-Modell erstellt. Dieses wird in 15-minütiger zeitlicher und 5,0 x 5,0m räumlicher Auflösung angewandt. Bei diesem Modellkonzept werden alle Teileinzugsgebiete zeitgleich in einem Rechenlauf simuliert. Um die Qualität der Modelle beurteilen zu können, werden statistische Kennwerte herangezogen. Diese sind die Nash-Sutcliffe-Effizienz (NSE) und der Volumenfehler (VE). Dabei liefert das lumped TUWmodel mit den dafür optimierten Parametern bei diesen statistischen Kennwerten die besseren Ergebnisse. Es können NSE zwischen -0,14 bei Q1 und 0,68 bei MW, beim flächendetaillierten HBVModell zwischen -6,9 bei Frau2 und 0,43 bei MW erreicht werden.Anschließend wird mit den beiden Modellen eine Variantenstudie durchgeführt. Als Szenario kommt die flächendeckende Aufforstung des HOAL Einzugsgebietes zur Anwendung. Die Simulationsergebnisse zeigen bei beiden Modellkonzepten einen Anstieg des Basisabflusses in allen Teileinzugsgebieten. Zugleich verringert sich die Häufigkeit und Intensität der Spitzenabflüsse. Das weist darauf hin, dass der Wald als ausgleichendes Medium im Wasserkreislauf des HOAL fungiert.Das flächendetaillierte HBV-Modell erzielt schlechtere Simulationsergebnisse als das lumped TUWmodel. Beim flächendetaillierten HBV-Modell gibt es viele Flächen bei denen der Abfluss nicht gemessen werden kann. Diese sollten auf jeden Fall anders parametrisiert werden. Außerdem sollte auch die Modellstruktur besser an das HOAL und dessen unterschiedliche und komplexen Abflussmechanismen angepasst werden. Eine Herausforderung stellen auch kleine Abflüsse und ein Austrocknen einzelner Teileinzugsgebiete dar. Unter diesen Umständen eignet sich die abgeschlossene Betrachtungsweise der Teileinzugsgebiete mit dem lumped TUWmodel besser für eine hydrologische Modellsimulation im HOAL.

Hydrological models are supposed to represent rainfall-runoff processes in a catchment with all possible interactions in a very realistic way. It is important to determine which components should be considered and which could be ignored. In this thesis the aim is to simulate the rainfall-runoff processes in the 66 ha large catchment of the HOAL (Hydrological Open Air Laboratory) in Petzenkirchen, Lower Austria, as well as in its tributaries, each featuring different runoff generation mechanisms. Two different model concepts, based on the continuous, conceptual HBV-model are applied and compared such as the lumped TUWmodel and the spatially distributed HBV-model.In a first step, the available measured data for the time period 2013-2020 for precipitation, air temperature and runoff are prepared in order to use them as input data for the models. The lumped TUWmodel is used with a temporal resolution of one hour. Each subcatchment is simulated in a separate computational run. For the lumped TUWmodel, with the help of an optimization algorithm (DEoptim in R) the best parameters for the HOAL catchment and for each of the 11 subcatchments are identified. Afterwards the parameters are validated on an independent measurement period.A spatially distributed HBV-model is created using exactly same parameters. It is applied at 15-minute temporal and 5.0 x 5.0m spatial resolution. In this model concept, all subcatchments are simulated simultaneously in only one computational run. In order to evaluate and compare the quality of the two different models goodness-of-fit measures are defined. These are the Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) and the Volume Error (VE). The lumped TUWmodel with the optimized parameters produces the better results. Nash-Sutcliffe Efficiencies between -0,14 for Q1 and 0,68 for MW can be achieved with the lumped TUWmodel and between -6,9 for Frau2 and 0,43 for MW using the spatially distributed HBV-model.Finally, a scenario analysis is performed with the two different models. As a scenario, the reforestation of the catchment area is assumed. The simulation results show an increase in baseflow in all subcatchment areas for both model concepts. At the same time, the occurrence and intensity of peak flows decreases. It could be shown that the forest acts as a buffer zone in the water cycle of the HOAL.The spatially distributed HBV-model generates worse simulation results in HOAL than the simpler lumped TUWmodel. In the spatially distributed HBV-model there are a lot of areas where the runoff cannot be measured. These areas should be parameterized differently in any case. In addition, the model structure should also be adapted to the HOAL and its different and complex runoff mechanisms. A challenge for rainfall-runoff modelling in the HOAL using the spatially distributed HBV-model is small runoff rates and the drying out of its tributaries. Under these circumstances, the lumped method is better qualified for a hydrological model simulation in HOAL.