Strategien zur Kalibrierung und Evaluierung des ökohydrologischen ...

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Strategien zur Kalibrierung und Evaluierung des ökohydrologischen ...

Strategien zur Kalibrierung und Evaluierung des

ökohydrologischen Modells SWAT in einem

datenarmen Einzugsgebiet in China

K. Bieger, G. Hörmann, N. Fohrer

AG HYDMOD, 28. April 2011, Bern


Gliederung

1. Einführung

2. YANGTZE-Project

3. Untersuchungsgebiet

4. Modellierung mit SWAT

4.1 Modell-Setup

4.2 Kalibrierung

5. Fazit

Department of Hydrology and Water Resources Management – K. Bieger -2-


Bau des Drei-Schluchten-Staudamms

1. Einführung

Umnutzung der Landschaft

Foto: X. Jiang 2007

Erosion und Hangrutschungen

Foto S. Schönbrodt 2010 Foto: D. Ehret 2010

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2. YANGTZE-Project

Landnutzungswandel, Erosion, Hangbewegungen, diffuse Einträge

Koordination: Forschungszentrum Jülich

Fernerkundung

Potsdam

Landnutzungswandel

Giessen

Erosion

Tübingen

Hangrutschungen

Erlangen

Diffuse Stoffeinträge

Kiel

Erfassung von

Massenbewegun

gen mit Hilfe von

Fernerkundungsdaten

Landnutzungsklassifizierung

und

-vulnerabilität

Erfassung und

Analyse von

Bodenerosion

durch Wasser

Erfassung und

Analyse von

Hangrutschungen

Analyse von diffusen

Sediment- und

Phosphoreinträgen mit

Hilfe des ökohydrologischen

Modells

SWAT

Gesamtziel:

Einzugsgebietsbezogene Analyse und Risikoabschätzung von

Massenbewegungen, Bodenerosion und diffusen Stoffeinträgen in das Reservoir

sowie der Landnutzungsdynamik und -vulnerabilität

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3. Untersuchungsgebiet

• Größe des EZG: 3200 km 2

• Länge des Xiangxi: 94 km

• Mittlere jährliche Temperatur:

16,9°C

• Mittlerer jährlicher

Niederschlag: 1000 mm

• Abfluss am Pegel Xingshan:

36,4 m 3 /s

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4.1 Modell-Setup: Eingangsdaten

1987

2007

Digitales Höhenmodell:

SRTM 3, Version 4, Auflösung 90 m

(Jarvis et al. 2008)

Bodenkarte:

Maßstab 1:160000 / 1:180000

(Schönbrodt & Scholten 2009)

Parameterisierung der Böden nach

Chinese Soil Database

(www.soil.csdb.cn)

Landnutzungskarten:

klassifiziert aus Landsat-Szenen von

1987 und 2007, Auflösung 30 m

(Seeber et al. 2010)

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4.1 Modell-Setup: Abgrenzung des EZG

• Schwellenwert: 4500 ha

37 TEZG

• 1 TEZG-Auslass manuell

hinzugefügt beim Pegel

Xingshan

38 TEZG

• 1 Punktquelle in jedem

TEZG

• Reservoirs in TEZG 18

und 22

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4.1 Modell-Setup: Definition der HRUs

Landnutzung

(Seeber et al. 2010)

Boden

(Schönbrodt & Scholten 2009)

Hangneigung

(SRTM)

Schwellenwert: 2% Schwellenwert : 10% Schwellenwert : 10%

5 Hangneigungsklassen:

26, 39, 50, 65, 9999

792 Hydrologic Response Units

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4.2 Kalibrierung: Simulation

• Discharge data (Gauge Xingshan): 1970-2005

• Warm-up: 1980-1987

• Calibration: 1988-1993

• Validation: 1994-1999

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4.2 Kalibrierung: Parameter

• Pflanzenwachstum und ackerbauliches Management:

• Fruchtfolgen, Bodenbearbeitung, Düngung

• Beginn/Ende der Wachstumsperiode

• LAI

• Biomasse

• Grundwasserparameter

• Bodenparameter

• Curve Number

• Elevation bands

NSE: 0,64

R 2 : 0,69

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4.2 Kalibrierung: Visueller Vergleich

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4.2 Kalibrierung: Wasserbilanz

Durchschnittlicher

Jahresabfluss

[m 3 /s]

Fläche des EZG

[km 2 ]

Gemessen Simuliert

36,41 25,48

1853 1853

Abfluss [mm] 619,60 433,63

Niederschlag [mm] 960 960

Anteil Abfluss am

Niederschlag [%]

64,5 45,1

Average Annual Basin Values

Precipitation 1015,8

Snowfall 40,48

Snowmelt 37,66

Sublimation 3

Surface Q 50,19

Lateral Q 299,44

Groundwater Q 95,88

Revap 0,01

Deep Aquifer Recharge 5,09

Total Aquifer Recharge 101,87

Total Water Yield 445,31

Percolation out of Soil 103,28

ET 563,4

PET 872,5

Transmission 0,2

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4.2 Kalibrierung: Residuen

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4.2 Kalibrierung: Auto-/Kreuzkorrelation

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4.2 Kalibrierung: Sensitivitätsanalyse

• Parasol in SWAT

• 22 Parameter

• Ausgangssimulation (Default-Einstellungen nach

Modell-Setup)

• Letzte Simulation (derzeitiger Kalibrierungsstand)

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4.2 Kalibrierung: Autokalibrierung

Kalibrierung von 7 sensitiven Parametern mit SWAT-

CUP:

Variationsart Parameter Obergrenze Untergrenze

a (addieren) CN2.mgt -20 6

v (ersetzen) ALPHA_BF.gw 0 1

v (ersetzen) GW_DELAY.gw 0 100

v (ersetzen) GWQMN.gw 0 5000

r (multiplizieren) SOL_K().sol -0,5 0,5

v (ersetzen) CH_K2.rte 0 500

v (ersetzen) ESCO.bsn 0 1

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4.2 Kalibrierung: Autokalibrierung

NSE als Zielfunktion:

NSE: 0,71

R 2 : 0,73

R 2 als Zielfunktion:

NSE: 0,74

R 2 : 0,71

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4.2 Kalibrierung: Autokalibrierung

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5. Fazit

1. Betrachtung statistischer Gütemaße und visueller

Vergleich der Abflusskurven reicht zur Modell-

Evaluierung nicht aus

2. Ergebnisse der Sensitivitätsanalyse können je nach

Kalibrierungsstand variieren

3. Autokalibrierung eher zum Nachbessern und

Verfeinern einer gründlichen manuellen Kalibrierung

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kbieger@hydrology.uni-kiel.de

+49 431 8801238

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