Regionalization of an event based Nash cascade model for flood predictions in ungauged basins

TLDR: In this paper, an event based hourly Nash cascade model was developed to derive the direct runoff hydrograph from rainfall time series, which was implemented on a semi-distributed scale.

Abstract: This study was aimed at developing a practical, robust and physically reasonable methodology for estimation of design flood under data scarce conditions. Due to lack of sufficient discharge data and inconstant hydrological conditions, application of discharge-frequency analysis or calibration of a hydrological model is not always viable. In such cases model parameters are obtained through regionalization procedure. The main objective of this study was to derive a regionalization methodology for flood predictions in ungauged catchments, which is strictly based on physically reasonable transfer functions and adequately addresses the problem of parameter equifinality. A possibility of assessment of impact of land use changes on flood characteristics was also investigated during the study. An event based hourly Nash cascade model was developed to derive the direct runoff hydrograph from rainfall time series. The model was implemented on a semi-distributed scale, i.e. the direct runoff hydrograph is estimated at sub-catchment scale, and then it is routed to the outlet of the catchment using the Muskingum routing procedure. The model uses three parameters, the runoff coefficient (RC), the number of reservoirs (N) and a reservoir constant (K). For ungauged catchments, the model parameters RC, N and K must be estimated through a regionalization procedure. The study was conducted using 209 rainfall-runoff events from 41 mesoscale catchments in the south-west region of Germany. Among the 41 catchments, 22 were used for optimization of the regionalization methodology and 19 were used for its validation. Areal rainfall time series for the events were estimated through external drift kriging. Various event and catchment specific hydrological characteristics, describing event specific conditions were estimated for each of the events. Four different approaches were employed to derive four different transfer functions for RC: a multiple linear transfer function (MLTF), an artificial neural network transfer function (ANNTF), a fuzzy logic transfer function (FLTF) and a logistic transfer function (LoTF). ANNTF, FLTF and LoTF exhibited a high goodness fit performance for the events in the regionalization as well validation set. In order to investigate whether the transfer functions are physically reasonable, validation for physical relationships was carried out by comparing the signs of derivatives of the functional relationships between the predictors and RC, as featured in the transfer functions, with the signs of derivatives of the physical relationships. The validation revealed that the response of ANNTF and FLTF to hydrological changes often conflicts with the response of the physical relationships. On the other hand, the response of LoTF was consistent with that of the physical relationships, which indicates that it is physically reasonable. The Nash cascade parameters N and K exhibit strong inter-parameter relationship which can be represented by a power function with an exponent (α = -1.0) and a coefficient β. Therefore, regionalization of K and the coefficient β was carried out, where N can be estimated by using K and the inter-parameter function. The transfer functions were optimized by using mean Nash-Sutcliffe coefficient as an aggregated goodness fit measure for a set of gauged catchments. During the optimization and the validation of the transfer functions, highly acceptable aggregated goodness fit performance was achieved, which indicates that the transfer functions are both reliable and efficient at transferring the model parameters to ungauged catchments. The validation of the transfer functions for physical relationships was carried out by comparing the change in the shape of modeled unit hydrograph, due to change in the hydrological characterisics, with the change anticipated from the a priori knowledge of runoff propagation processes. The comparisons with the existing common practices, such as SCS curve number method and the Lutz procedure, revealed that for the study area under consideration, the regionalization methodology performs better than the existing practices. The regionalization methodology is built on physically reasonable relationships with event as well as catchment specific hydrological characteristics. Therefore, it is robust and suitable for both the temporal as well as the spatial transfer of the model parameters. The assessment of impact of land use changes on flood characteristics was carried out for three different land use scenarios in the catchment Tubingen. The attempt led to the conclusion that there is a reasonable chance of using such methodology for assessment of impact of land use changes. Diese Untersuchung beschaftigte sich mit der Entwicklung einer praktischen, robusten und physisch begrundeten Methodologie zur Schatzung der Bemessungshochwasser und ihrer Eigenschaften in Regionen mit mangelhafter Datengrundlage. Allerdings ist, aus Mangel an ausreichenden Abflussdaten und nicht-stationaren hydrologischen Verhaltnissen, die Anwendung der die Abfluss-Frequenz Analyse oder Kalibrierung eines hydrologischen Modells nicht immer geeignet. In diesem Fall mussen, anstelle der Kalibrierung, die Modell-Parameter mit einem Regionalisierungsverfahren berechnen werden. Das Hauptziel dieser Untersuchung war es, eine Regionalisierungsmethodologie zu entwickeln, die auf physisch begrundeten Transfer-Funktionen basiert und das Parameter-Identifizierungs- Problem adaquat berucksichtigt. Zusatzlich wurde untersucht, ob es moglich ist, die Auswirkungen von Landnutzanderungen auf die Hochwasser-eigenschaften zu bewerten. Es wurde ein ereignisbasiertes Nash-Kaskade-Modell mit einstundiger Auflosung entwickelt, um den Hydrographen des Direktabflusses aus der Niederschlagszeitreihe abzuleiten. Das Modell wurde auf ein semi-flachendifferneziertes Modellgebiet angewendet, d.h. die Abflussganglinie wird fur Untereinzugsgebiet geschatzt, dann die Abflussganglinie an der Mundung des Einzugsgebiet mit Muskingum Routing-Verfahren weiterleitet. Das Modell verwendet drei Modellparameter, den Abfluss Koeffizienten (RC), die Zahl der Reservoire (N) und die Reservoir Konstante (K). Fur unbeobachteten Einzugsgebieten, mussen die Modellparameter RC, N und K durch ein Regionalisierungsverfahren geschatzt werden. Die Untersuchung wurde mit 209 Niederschlag-Abfluss Ereignissen aus 41 Einzugsgebieten im Sud-Westen von Deutschland durchgefuhrt. Von den 41 Einzugsgebieten, wurden 22 zur Ableitung der Regionalisierungsmethodologie und 19 zur Validierung der Methodologie verwendet. Der Gebietsniederschlag fur die Ereignisse wurde durch Externe-Drift-Kriging abgeschatzt. Fur jedes Regenereignis wurden verschiedene sowohl ereignis-, als auch einzugsgebietsspezifische hydrologische Merkmale bestimmt. Vier verschiedene Ansatze zur Ableitung vier verschiedener Transfer-Funktionen fur RC wurden verwendet: eine multiple lineare Transfer-Funktion (MLTF), eine neuronales Netzwerk Transfer-Funktion (ANNTF), eine Fuzzy-Logik Transfer-Funktion (FLTF) und eine logistische Transfer-Funktion (LoTF). Bei der Regionalisierung und Validierung zeigten ANNTF, FLTF und LoTF hohe Anpassungsguten. Um zu untersuchen, ob die Transfer-Funktionen physikalisch sinnvoll sind, wurde eine Validierung des physikalischen Zusammenhangs durchgefuhrt. Die Vorzeichen der Ableitungen des funktionalen Zusammenhangs zwischen Predigtoren und RC in der jeweiligen Transfer-Funktion wurden mit den Vorzeichen verglichen, die sich aus dem Wissen uber den physikalischen Zusammenhang ergeben. Die Validierung zeigte auf, dass die Reaktion der ANNTF und FLTF auf hydrologische Veranderungen oft den physikalischen Beziehungen widerspricht. Auf der anderen Seite hat die Validierung von LoTF fur die physikalischen Beziehungen gezeigt, dass die Vorzeichen der Ableitungen der funktionalen Beziehungen den physikalischen Beziehungen, ubereinstimmen. Somit ist LoTF robust und physisch sinnvoll. Die Nash-Kaskade Parameter N und K besitzen stark Beziehung mit einander und die mit einer interparametrischen Funktion formulieren kann. Die inter-parametrische Funktion kann durch eine Potenzfunktion mit einem Exponent α = -1,0) und einem Koeffizient (β) reprasentiert werden. Daher wurde eine Regionalisierung von K und β durchgefuhrt, wobei N mittels K und der interparametrischen Funktion geschatzt werden kann. Die Transfer-Funktionen wurden uber den gebietsgemittelten Nash-Sutcliffe Koeffizient (NS) optimiert, als ein aggregiertes Mas der Anpassungsgute fur ein Set an beobachteten Einzugsgebieten. Die Anpassungsgute Leistung der abgeleitete Regionalisierungsmethodologie bei der Optimierung und der Validierung deutet darauf hin, dass die Methodologie hoch effizient ist zur Abschatzung des Hochwasser in den unbeobachteten Einzugsgebieten. Die Regionalisierungsmethodologie basiert auf physikalisch begrundeten Beziehungen zu Ereignis- und Einzugsgebietspezifischen hydrologischen Merkmalen. Der Vergleich mit ublicherweise verwendeten Anwendungen, wie zum Beispiel der SCS-Curve-Number Methode und dem Lutz Verfahren, ergab, dass die Regionalisierungsmethodologie fur das Untersuchungsgebiet zu besseren Ergebnissen fuhrt als die ublichen Anwendungen. Diese Bewertung von Landnutzungsanderungen wurde fur drei verschiedene Landnutzungsszenarien im Einzugsgebiet Tubingen durchgefuhrt. Der Versuch fuhrte zu der Aussage, dass es moglich ist, die Methodologie zur Bewertung der Beeinflussung von Landnutzanderungen anzuwenden.