Evaluation and verification of the WetSpa model based on selected rural catchments in Poland

• Autorzy: Porretta-Brandyk L. , Chormański J. , Ignar S. , Okruszko T. , Brandyk A. , Szymczak T. , Krężałek K.

Warianty tytułu

PL

Ocena i weryfikacja modelu WetSpa w warunkach wybranych zlewni rolniczych w Polsce

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The paper presents results of calibration and verification of the WetSpa model, which enables the modelling of rainfall-runoff process based on mass and energy balance in the soil-plantatmosphere system in the catchment. It is a model with distributed parameters, using the structure of raster GIS model to determine the spatial diversity of the catchment environment. This enables simulation of runoff from the catchment, including: precipitation, evapotranspiration, interception of plant surface and soil cover, infiltration and capillary rise in soil and groundwater runoff. Simulated processes depend on the required non-distributed parameters, which were calibrated based on hydrometeorological data from the three rural catchments with different physical and geographical characteristics: Mławka, located in the Wkra basin in Central Poland and the rivers Kamienna and Sidra, which are tributaries of the upper Biebrza in north-eastern part of the country. Distributed catchment parameters were specified on the basis of digital soil maps, land use maps and digital elevation model using GIS techniques. Non-distributed model parameters were calibrated for the three catchments using automatic techniques based on the PEST algorithm. The obtained values of these parameters were scrutinized in order to analyse differences resulting from various characteristics of the study areas. The quality of the model was verified upon dependent and independent data. Appropriate quality measures, including Nash-Sutcliffe efficiency measure, were used to assess model quality. For two catchments (the Sidra and Kamienna) the model showed a satisfactory quality for modelling high flows, it was, however, not satisfactory for low flows. The values for the Mławka catchment justified the assessment of the model quality measurements as very good and good. The factors most affecting the process of river outflow formation were determined using the analysis of model sensitivity to relative changes in parameter values. It was found that the evaluation of the model quality depended largely on the quality of meteorological data and proper parameterization of the soil cover.

PL

W pracy przedstawiono wyniki kalibracji i weryfikacji modelu WetSpa, który umożliwia modelowanie typu opad-odpływ na podstawie bilansu masy i energii w systemie gleba-roślina-atmosfera w obszarze zlewni rzecznej. Jest to model o parametrach rozłożonych, wykorzystujący strukturę rastrowego modelu GIS do określenia przestrzennego zróżnicowania środowiska zlewni. Umożliwia symulację procesu odpływu ze zlewni z uwzględnieniem: opadu, ewapotranspiracji, intercepcji szaty roślinnej i pokrywy glebowej, infiltracji i podsiąku kapilarnego w glebie oraz odpływu wód podziemnych. Symulowane przebiegi tych procesów zależnione od odpowiednich parametrów skupionych, które były kalibrowane na podstawie danych hydrometeorologicznych, pochodzących z trzech zlewni rolniczych o zróżnicowanych charakterystykach fizyczno-geograficznych: rzeki Mławka, znajdującej się w dorzeczu Wkry w Polsce Centralnej oraz rzek Kamienna i Sidra, które są dopływami górnej Biebrzy i są zlokalizowane w północno-wschodniej części kraju. Parametry rozłożone zlewni określono na podstawie cyfrowych map gleb, map użytkowania terenu i numerycznego modelu terenu z wykorzystaniem technik GIS. Parametry skupione modelu zostały skalibrowane dla tych trzech zlewni za pomocą zautomatyzowanych technik, opartych na algorytmie PEST. Uzyskane wartości tych parametrów były przedmiotem analizy różnic wynikających z odmiennych charakterystyk zlewni badawczych. Jakość modelu zweryfikowano na materiale zależnym i danych niezależnych. Do oceny jakości modelu wykorzystano odpowiednie miary jakości, między innymi współczynnik sprawności Nasha-Sutcliffe'a. W przypadku dwóch zlewni (Sidry i Kamiennej) uzyskano zadowalającą jakość modelu w zakresie odtwarzania wartości przepływów wysokich, natomiast dla przepływów niskich jakość modelu była niezadowalająca. W przypadku zlewni Mławki odpowiednie wartości miar uzasadniały ocenę jakości modelu jako bardzo dobrą i dobrą. Metodą analizy czułości modelu względem zmian wartości parametrów określono czynniki mające największy wpływ na proces formowania się odpływu rzecznego. Stwierdzono, że ocena jakości modelu w dużym stopniu zależy od jakości danych meteorologicznych i właściwej parametryzacji pokrywy glebowej.

Słowa kluczowe

EN

automatic calibration; distributed models; lowland rural catchment; rainfall-runoff process

PL

modele o parametrach rozłożonych; proces opad-odpływ; kalibracja automatyczna; nizinne zlewnie rolnicze

• Wydawca: Wydawnictwo ITP
• Czasopismo: Journal of Water and Land Development
• Rocznik: 2010
• Tom: no. 14
• Strony: 115--133
• Opis fizyczny: Bibliogr. 19 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Porretta-Brandyk L.

autor

Chormański J.

autor

Ignar S.

autor

Okruszko T.

autor

Brandyk A.

autor

Szymczak T.

autor

Krężałek K.

• Warsaw University of Life Sciences, Department of Hydraulic Engineering and Environmental Restoration, Nowoursynowska Street 159, 02-776 Warsaw, Poland,

Bibliografia

• 1. ABBOTT M.B., BATHURST J.C., CUNGE J.A., O’CONNELL P.E., RASMUSSEN J., 1986. An introduction to the European Hydrological System, SHE. 1: History and philosophy of a physically based, distributed modelling system. Journal of Hydrology, 87: 45-59.
• 2. ANDERSEN J., REFSGAARD J., JENSEN K.H., 2001. Distributed hydrological modelling of the Senegal river basin; model construction and validation. Journal of Hydrology, 247: 200-214.
• 3. ARNOLD J.G., SRINIVASAN R., MUTTIAH R.S., WILIAMS J.R., 1998. Large area hydrologic modeling and assessment. Part I. Model development. Journal of American Water Resources Association 34(1): 73-89.
• 4. BEVEN K., 2001: Rainfall-runoff modelling. The Primer. Hoboken, John Wiley and Sons: 1-360.
• 5. BORAH D.K., XIA R., BERA M., 2002. DWSM - A dynamic watershed simulation model. In: Mathematical models of small watershed hydrology and applications. Ed. V.P. Singh, D.K. Freyert. Water Resources Publications, LLC, Highlands Ranch, Colorado, USA: 113-166.
• 6. CHORMAŃSKI J., VAN DE VOORDE T., DE ROECK T., BATELAAN O., CANTERS F., 2008. Improving distributed runoff prediction in urbanized catchments with remote sensing based estimates of impervious surface cover. Sensors 8: 910-932.
• 7. CHORMAŃSKI J., BATELAAN O., 2010. Application of the WetSpa distributed hydrological model for catchment with significant contribution of organic soil. Upper Biebrza case study. Annals of Warsaw University of Life Sciences, SGGW Land Reclamation (submitted).
• 8. DOHERTY J., BREBBER L., WHYTE P., 1994. PEST: model independent parameter estimation. Watermark Computing Trademarks, Australian.
• 9. FORTIN J.P., TURCOTTE R., MASSICOTTE S., MOUSSA R., FITZBACK J., VILLENEUVE J.P., 2001. A distributed watershed model compatible with remote sensing and GIS data. I: Description of the model. Journal of Hydrological Engineering, 6(2): 91-99.
• 10. LIU Y.B., GEBREMESKEL S., DE SMEDT F., PFISTER L., 2002. Flood prediction with the WetSpa model on a catchment scale. In: Flood Defence. Eds. B.S. Wu, Z.Y. Wang, G.Q. Wang, G.H. Huang, H.W. Fang, J.C. Huang. New York Ltd., Science Press.
• 11. LINSLEY R.K.J., KOHLER M.A., PAULHUS J.L.H., 1982. Hydrology for engineers. 3rd Ed. New York, McGraw-Hill: 1-237.
• 12. NASH J., SUTCLIFFE J., 1970. River of forecasting through conceptual models. Part 1a: Discussion of principles. Journal of Hydrology 10: 282-290.
• 13. OSTROWSKI J., 1994. Model regionalny małej zlewni „Moremaz-1”. (A regional model of the small catchment „Moremaz-1”). Materiały Badawcze IMGW Ser. Hydrologia i Oceanologia, 17.
• 14. ROGUSKI W., SARNACKA S., DRUPKA S., 1988. Instrukcja wyznaczania potrzeb i niedoborów wodnych roślin i użytków zielonych. (Guidelines for predicting crop and pasture water needs). Materiały Instruktażowe 66. Falenty, IMUZ: 1-90.
• 15. DE SMEDT F., LIU Y.B., GEBREMESKEL S., 2000. Hydrologic modeling on a catchment scale Rusing GIS and remote sensed land use information. In: Risk analysis II. Ed. C.A. Brebbia. Southampton, Boston, WTI press: 295-304.
• 16. THORNTHWAITE C.W., MATHER J.R., 1955. The water balance. Publications in Climatology vol. 8 no. 1. Centerton, New Jersey, C.W. Thornthwaite Associates: 1-86.
• 17. WANG Z.M., BATELAAN O., DE SMEDT F., 1996. A distributed model for water and energy transfer between soil, plants and atmosphere (WetSpa). Physics and Chemistry of the Earth, 21(3): 189-193.
• 18. WITTENBERG H., SIVAPALAN M., 1999. Watershed groundwater balance estimation using streamflow recession analysis and baseflow separation. Journal of Hydrology, 219: 20-33.
• 19. ŻUREK S., 1994: Geomorphology of the Biebrza valley. In: Towards protection and sustainable use of the Biebrza Wetlands: Exchange and integration of research results for the benefit of a Polish - Dutch Join Research Plan. Report 3A. Eds. H. Okruszko, M.J. Wassen. Utrecht: 15-48.