Robust evaluation and calibration of hydrological water balance models in changing climate conditions

[Ж. В. Топаловић]

XXI, 357 стр.

грађевинарство - хидрологија / Civil Engineering - Hydrology

Од хидролошких модела се очекује да што реалније репродукују хидролошке процесе на сливу те да су довољно робусни за употребу у различитим климатским подручјима. Робусан хидролошки модел би требао бити трансферабилан на различите климатске услове и имати добру ефикасност, без обзира на одабрани калибрациони и валидациони период. У овој докторској дисертацији анализирају се мјесечни билансни хидролошки модели (МБХМ) и њихова примјена у условима промјенљиве климе. Ови модели имају широку практичну примјену, али су ријетко анализирани у овом контексту. Досадашња истраживања показују да тренутне генерације хидролошких модела не могу ефикасно симулирати отицаје у периодима са различитим хидроклиматским карактеристикама. Ту је најчешће проблем симулација модела у сушном периоду ако је модел калибрисан у водном, и обрнуто. У потрази за робусним моделима, исте је неопходно истражити у овом контексту. У том циљу дефинисана је методологија за ригорозно тестирање МБХМ‐а у условима промјенљиве климе. Предложеним евалуационим оквиром тестира се сљедеће: (1) конзистентност ефикасности модела преко уобичајених статистичких показатеља и показатеља формираних преко грешака у репродуковању хидролошких потписа, (2) конзистентност оцјене параметара у калибрационим периодима као и (3) симулираних компоненти водног биланса. Разматрана су два приступа моделирању, у погледу избора периода за калибрацију и валидацију модела, који се сматрају адекватним за примјену модела у климатски промјенљивим условима. У оба приступа, шест МБХМ‐а (abcd, Budyko, GR2M, WASMOD, WatBal и Xinanjiang) различитих структура су калибрисани једнокритеријумском оптимизацијом, на три слива различитих карактеристика. Ови приступи моделирању су комбиновани са избором броја и врсте циљних функција да би се добиле различите калибрационе стратегије а у циљу добијања одговора како одређена калибрациона стратегија утиче на ефикасност модела. Испитивање утицаја калибрације са једном или више циљних функција извршено је на приступу моделирању који се показао ригорознијим, са једним моделом који се показао као најпоузданији из претходне анализе утицаја калибрационе стратегије, и на једном сливу на коме је уочена екстремна промјена хидроклиматских услова. На добијеним резултатима симулација модела, испитан је утицај примјене метода вишемоделског осредњавања на ефикасност.

Hydrological models are expected to reproduce catchment processes realistically and to be robust so that they can be applied to different conditions. A robust model is supposed to be transferable across different climatic conditions and it should perform well regardless of the selection of calibration and validation periods. In this doctoral dissertation, monthly water balance models (MWBM) and their application to changing climate conditions are anlaysed. These models are commonly used in practice but rarely analysed with this respect. Up to date research show that present generations of hydrological models are not able to efficiently simulate runoff in periods with contrasted climate conditions. Problem is usually with model simulations in dry periods if calibrated in wet ones, and vice versa. In order to identify robust hydrological models, they need to be tested with this respect. To that end, robust methodology for MWBM evaluation in changing climate conditions is defined. In this evaluation framework, (1) consistency in model efiiciency quantified with the common statistical indicators as well as indicators formed as errors of simulated hydrological signatures compared with the observed ones, (2) consistency in model parameter estimates in calibration periods and (3) consistency of simulated water balance components are tested. Two modelling approaches are considered, with regard to the calibration and validation period selection, which are deemed to be adequate for application in changing climate conditions. In both approaches, six MWBMs of various structures (abcd, Budyko, GR2M, WASMOD, WatBal and Xinanjiang) are calibrated in single‐criteria optimization on three catchments with different hydroclimatic characteristics and evaluated within the evaluation framework. These approaches are combined with the choice of number and type of objective functions in order to obtain different calibration strategies that will help to answer the research question how a particular calibration strategy affects the model efficiency. Impact of number and choice of objective functions on model efficiency is analysed on a modelling approach that proved to be more rigorous, one model proving to be more reliable from the previous single‐criteria optimisation results and one catchment with extreme changes in hydroclimatic conditios. With these results, impact of multimodel averaging methods on the model efficiency is examined.

мјесечни билансни хидролошки модели; калибрациона стратегија; ефикасност модела; хидролошки потписи; евалуација модела; трансферабилност модела; промјенљиви климатски услови

monthly water balance models; calibration strategy; model efficiency; hydrological signatures; model evaluation; model transferability; changing climate conditions

627.22:556.047(043.3)

Tekst