Hydrologische Modellierung
Die hydrologische Modellierung erstellt mathematische Repräsentationen von Einzugsgebiets- und Wasserkreislaufprozessen, um Abflüsse zu simulieren und vorherzusagen, und verwendet statistische Analysen, um hydrologische Extreme und Unsicherheiten zu charakterisieren.
Definition
Hydrologische Modellierung ist die Konstruktion, Kalibrierung und Anwendung mathematischer und statistischer Modelle, die die Umwandlung von Niederschlag in Abfluss und andere Wasserkreislauf-Flüsse darstellen, um hydrologisches Verhalten und dessen Unsicherheit zu simulieren, vorherzusagen und zu analysieren.
Scope
Dieser Bereich umfasst konzeptionelle Niederschlags-Abfluss-Modelle, verteilte und physikalisch basierte Modelle, die räumliche Variabilität auflösen, die Kalibrierung von Modellen anhand von Beobachtungen und die Schätzung der Vorhersageunsicherheit sowie die statistische Analyse hydrologischer Reihen wie Hochwasser- und Dürrehäufigkeit. Es ist die quantitative und prädiktive Ergänzung zu den prozessorientierten Bereichen der Hydrologie.
Sub-topics
Core questions
- Wie stellen konzeptionelle und physikalisch basierte Modelle die Einzugsgebietshydrologie dar?
- Wie werden Modellparameter kalibriert und die Modellleistung bewertet?
- Wie kann die Vorhersageunsicherheit in hydrologischen Prognosen quantifiziert werden?
- Wie werden Hochwasser- und Dürrehäufigkeiten aus hydrologischen Aufzeichnungen geschätzt?
Key concepts
- Konzeptionelle und physikalisch basierte Modelle
- Verteilte versus konzentrierte Modelle
- Modellkalibrierung und Parameterschätzung
- Nash-Sutcliffe-Effizienz und Güte der Anpassung
- Äquifinalität und Vorhersageunsicherheit
- Hochwasser- und Dürrehäufigkeitsanalyse
Key theories
- Konzeptionelle Niederschlags-Abfluss-Modellierung
- Einzugsgebiete können durch miteinander verbundene konzeptionelle Speicher und Flüsse dargestellt werden, deren Parameter kalibriert werden, um den beobachteten Abfluss zu reproduzieren, was sparsame und operationell nützliche Simulationen der Niederschlags-Abfluss-Transformation bietet.
- Äquifinalität und Unsicherheitsschätzung
- Viele verschiedene Parametersätze und Modellstrukturen können Beobachtungen annähernd gleich gut reproduzieren (Äquifinalität), sodass Rahmenwerke wie GLUE die Modellbewertung probabilistisch behandeln und die Schätzung der Vorhersageunsicherheit betonen, anstatt ein einziges optimales Modell zu suchen.
- Güte der Anpassung und Modellbewertung
- Objektive Maße wie die Nash-Sutcliffe-Effizienz quantifizieren, wie gut simulierte Hydrographen mit Beobachtungen übereinstimmen, und bieten eine Standardgrundlage für die Kalibrierung und den Vergleich hydrologischer Modelle.
Clinical relevance
Hydrologische Modelle bilden die Grundlage für die operationelle Hochwasser- und Dürrevorhersage, den Betrieb von Stauseen und Wasserversorgungsanlagen, die Planung hydraulischer Infrastruktur und die Bewertung, wie Landnutzungs- und Klimawandel Wasserressourcen beeinflussen, wobei die Frequenzanalyse die in Ingenieurwesen und Versicherung verwendeten Bemessungswerte liefert.
History
Die hydrologische Modellierung entwickelte sich vom Einheits-Hydrographen und frühen konzeptionellen Speichern hin zu digitalen Einzugsgebietsmodellen ab den 1960er Jahren und physikalisch basierten verteilten Modellen ab den 1980er Jahren. Die von Beven und Binley artikulierte Erkenntnis der Äquifinalität und Parameterunsicherheit verlagerte das Feld hin zur expliziten Unsicherheitsschätzung.
Debates
- Physikalisch basierte versus konzeptionelle Modelle
- Es gibt eine fortlaufende Diskussion darüber, ob komplexe physikalisch basierte verteilte Modelle prädiktive Gewinne liefern, die ihren Daten- und Parameteranforderungen entsprechen, angesichts der Äquifinalität und des praktischen Erfolgs sparsamer konzeptioneller Modelle.
Key figures
- Keith J. Beven
- James E. Nash
- David R. Maidment
Related topics
Seminal works
- beven2012
- nash1970
- beven1992
Frequently asked questions
- Warum müssen hydrologische Modelle kalibriert werden?
- Viele Modellparameter können auf Einzugsgebietsebene nicht direkt gemessen werden, daher werden ihre Werte angepasst, bis das Modell den beobachteten Abfluss reproduziert; die Kalibrierung stimmt diese effektiven Parameter auf das spezifische Einzugsgebiet und die Daten ab.
- Was ist Äquifinalität in der hydrologischen Modellierung?
- Äquifinalität ist die Situation, in der viele verschiedene Parametersätze oder sogar Modellstrukturen die verfügbaren Beobachtungen annähernd gleich gut anpassen, was die Identifizierbarkeit eines einzigen besten Modells einschränkt und die Schätzung der Vorhersageunsicherheit motiviert.