Effiziente Kalibrierung inhomogener Bodenparameter mittels Bilanz und DämpfungD. Oliver Gronz

Transkript

1 Effiziente Kalibrierung inhmgener Bdenparameter mittels Bilanz und DämpfungD Oliver Grnz

2 Prblemstellung: Parametrisierung des Bdenmduls

3 Wie sllte es sein? Wie sllte es sein? 1 1,1 BSF W Z 2 2,2 BSF W Z 3 3,3 BSF W Z individuelle Parametersätze für das Einzugsgebiet Krnweiler

4 Wie ist es? Wie ist es? RD Min BSF,1,1 Z M W W,2,2 Z M W W

5 Knsequenzen Der gleiche Niederschlag (bzw. das gleiche Wasserdargebt) führt auf unterschiedlichen Kmpartimenten (mit ähnlichen Kapazitäten) zur gleichen Aufteilung in Abflusskmpnenten. Das Mdell bzw. das Bdenmdul repräsentiert als eher das mittlere Verhalten. Die Verteilung des Wassers im Mdell entspricht nicht unbedingt der Realität. Das Spektrum möglichen Verhaltens ist eingeschränkt.

6 Abflussprzesskarte Weist flächenhaft den dminanten Abflussprzess aus Prdukt der Silutin GbR Erstellt mittels KNNs Eingangsdaten: Gelgische Karte BÜK Höhenmdell Landnutzung Angabe zu Abflussbildung und knzentratin!

7 Zielsetzung Zielsetzung DP DP Min DP RD BSF, 3 3, 3 SSF SSF Min SSF RD BSF

8 Rückblick Bestimmung vn Parameterprttypen für die einzelnen Abflussprzesse auf Kmpartiment-Ebene Prblem: Übertragung der Parametersätze auf andere Gebiete? Skalierung des Gesamtparametersatzes durch zwei neue Parameter: Bilanz Dämpfung Bilanz ändert glbal den Anteil des Wasserdargebtes, der zu Abfluss wird, hne die Reaktinsmuster im Sinne der Abflussprzesskarte zu stören Dämpfung verschiebt die Reaktinen vm reaktiven Verhalten mit starker Dynamik zu gedämpften Verhalten mit wenigen Abflussspitzen. Auch dies wieder, hne die Reaktinsmuster im Sinne der Abflussprzesskarte zu stören.

9 Wirkungsweise der Parameter Bilanz Q [m 3 /s] simulated measured Änderung der Bilanz hne grundsätzlich die Aufteilung in Kmpnenten zu beeinflussen exceeding prbability [-] Synthetischer Kurvenlauf zur Verdeutlichung des Prinzips

10 Rückblick: Gewünschte Wirkungsweise der Parameter Dämpfung Q [m 3 /s] simulated measured Betnung der Dämpfung der Extreme (Hch & Niedrigwasser) hne Änderung des Niveaus bzw. der Bilanz exceeding prbability [-] Synthetischer Kurvenlauf zur Verdeutlichung des Prinzips

11 Benötigt: Wirkungsweise der Parameter Dämpfung Q [m 3 /s] simulated measured Betnung der Dämpfung der Extreme (Hch & Niedrigwasser) hne Änderung des Niveaus bzw. der Bilanz exceeding prbability [-] Synthetischer Kurvenlauf zur Verdeutlichung des Prin

12 Berechnung der Kennfelder Mnte Carl-Methden: Mdellrealisatinen Variiert wurde: B SOF, B SSF,B DP RD MAX,SOF,RD MAX,SSF,RD MAX,DP RD MIN,SOF,RD MIN,SSF,RD MIN,DP β SOF, β SSF, β DP Simuliert: 1996 (Einschwingjahr) 1998 Berechnung der Abflusskmpnentenanteile für jedes Sample Bestimmung der Samples mit gewünschten Abflusskmpnentenanteilen und unterschiedlichen Bilanzen

13 Beispiel: Anteil Oberflächenabfluss aller Samples

14 Resultat

15 (Ehemalige) Prblemkreise Der Verlauf der Kurve ist nicht eindeutig: Abhängig vn W M Abhängig vn Landnutzung Abhängig vn Eingangsdaten Für unterschiedliche Dämpfung unterschiedlicher Verlauf der Bilanz Für unterschiedliche Bilanzen unterschiedlicher Verlauf der Dämpfung Mdellannahmen setzen Grenzen Gebietsspeicher in alter Frm dämpfen Effekt

16 Abhängigkeiten Wm: Vrhanden aber plausibel Lanu: Vrhanden aber plausibel Eingangsdaten: Vrhanden aber plausibel Knsequenz: Absluter Wert nicht sinnvll, relative Skalierung mit beliebigem Wertebereich Verbleibend: Für unterschiedliche Dämpfung unterschiedlicher Verlauf der Bilanz Für unterschiedliche Bilanzen unterschiedlicher Verlauf der Dämpfung

17 Änderung der Dämpfung: D Ansatz Zu jeder Bilanz wird eine Dämpfungslinie bestimmt Dazu zunächst Bestimmung aller Samples mit gleicher Bilanz

18 Änderung der Dämpfung: D Ansatz In dieser Menge: Bestimmung der Samples mit gewünschten Eigenschaften: Mehr Dämpfung verringert den Anteil des Oberflächenabflusses und erhöht den Anteil der Versickerung Weniger Dämpfung entsprechend umgekehrt

19 Prblem Bei Bestimmung der Linie für alle Bilanzschritte kmmt es durch die geringe Anzahl der Samples zu Überschneidungen

20 Lösung Bestimmung eines Gesamtkennfeldes für Bilanz und Dämpfung: Es wird ein zweidimensinales Kennfeld erstellt Bewegung entlang einer Dimensin ändert Bilanz; Bewegung entlang zweiter Dimensin ändert Dämpfung Algrithmus: Für jeden Punkt des Kennfeldes: Bestimmung der Sll-Abflusskmpnentenanteile und Sll-Bilanz Bestimmung des Samples, das diesen Vrgaben am besten entspricht (geringste euklidische Distanz) Glättung des Kennfeldes (da nicht unendlich viele Sample vrliegen)

21 Parameterkennfeld SSF Fl Flächen

22 Parameterkennfeld SSF Fl Flächen

23 Parameterkennfeld SSF Fl Flächen

24 Parameterkennfeld SSF Fl Flächen

25 Kennfelder im Vergleich

26 Prbleme unterwegs Ursprünglich erarbeitete Anteile vn Abflusskmpnenten führen im Mdell nicht zu einem brauchbaren Ergebnis Analyse der benötigten Bandbreite vn Abflusskmpnenten anhand der Bandbreite vn Parametrisierungen im Nahe-EZG Aktuelles Kennfeld deckt das benötigte Spektrum im Nahe-EZG ab zuzüglich des Anteils, den die Mdellannahmen erlauben

27 Kalibrierung Einzugsgebiet Krnweiler Zeitraum zur Kalibrierung (1996 als Einschwingjahr) Zeitraum & zur Validierung

28 Kalibrierung Schritt 1: Ein Schuss ins Blaue Bilanz Dämpfung

29 Kalibrierung Schritt 2: Bilanz & Dämpfung D senken Bilanz Dämpfung

30 Kalibrierung Schritt 3: Bilanz weiter senken Bilanz Dämpfung

31 Kalibrierung Schritt 4: Dämpfung deutlich senken Bilanz Dämpfung

32 Vergleich Frtran hmgen mit MATLAB inhmgen Hmgen: Inhmgen

33 Fazit: Bilanz und Dämpfung verhalten sich s wie gefrdert Mittels Kennfeldern in wenigen Schritten Güte der ursprünglichen Parametrisierung erreicht (und je nach Zielsetzung übertrffen) Vlumenfehler geringer im Gesamten, im Hchwasserbereich swie im Niedrigwasserbereich Aber: Weiterhin Kmprmiss zwischen Abbildung der Spitzen und Minimierung vn Vlumenfehlern

34 Ausstehend Kalibrierung unterschiedlicher Przess- Geschwindigkeiten über unterschiedliche Gebietsspeicher Kalibrierung weiterer Gebiete Validierung mittels: Während Kalibrierung ungenutzter Zeiträume Geschachtelter Einzugsgebiete Eigenen Bdenfeuchtemessungen (Frankelbach) Flächenhafte Validierung durch Fernerkundungsdaten

35 Vielen Dank für die Aufmerksamkeit!