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J. Komma:
"Vergleich kontinuierlicher und ereignisbezogener Niederschlag-Abfluss Modelle - Fallbeispiel Kamp";
Supervisor: G. Blöschl; TU Wien, Institut für Wasserbau und Ingenieurhydrologie, 2005.

Comparison of event based and continuous rainfall-runoff models - the Kamp example

The aim of this thesis is to compare event based and continuous rainfall-runoff models in terms of their suitability for flood forecasting. The comparison is based on the Kamp catchment in Lower Austria as an example.

The event model consists of three parallel components that differ in their response times. Each of the components is represented by a time-area-diagram and a linear reservoir in series. The analyses are
carried out for five flood events in six catchments ranging in areas from 33 to 621 km2. The model parameters are initially set to values from the literature and then calibrated separately for each flood event in each catchment. The main calibration parameters are the weights of the three components and the initial losses.

The continuous model or soil moisture accounting scheme is a modified version of the HBV-model. The parameters are spatially distributed with a pixel size of one square kilometre. The catchments are subdivided into areas of similar characteristics (hydrogeology, topography). The model parameters are initially set on the basis of the hydrological response to be expected from these areas and some of the parameters are calibrated using the observed hydrographs. The simulations are performed from October 1992 to October 2002 for two catchments with areas of 271 to 621 km2. The model performance is assessed for different time scales (annual, seasonal, events), stratified by flood type for the case of the event scale analyses.

The results indicate that the event model outperforms the continuous model in terms of the peak discharges and the event discharge volumes as well as the error variances of the discrete hydrograph ordinates.
However, the small scale structure of the observed hydrographs is better represented by the continuous model.

For applications in flood forecasting the model parameters have to be known a priori. This is the case of the continuous model but the parameters of the event model need to be inferred from the catchment
state as they have been calibrated for each event separately in this study. For the Kamp example, the relationship between model parameters and catchment state shows a large scatter. One would therefore
expect that the performance of the two models will be similar for flood forecasting applications. The ability of the continuous model to simulate the fine scale within-hydrograph structure suggests that it represents well the hydrological processes in the catchments which is of significant advantage for flood forecasting.

Ziel dieser Arbeit ist die vergleichende Beurteilung und Bewertung von ereignisbezogenen und kontinuierlichen Niederschlag-Abfluss-Modellen hinsichtlich ihrer Eignung für die Hochwasserprognose. Dieser Vergleich wird für das Beispiel des Kampgebietes im Niederösterreichischen Waldviertel durchgeführt.
Das Ereignismodell besteht aus drei parallelen Komponenten mit unterschiedlicher Zeitverzögerung, die jeweils durch eine Zeitflächenbeziehung und einen nachfolgenden Linearspeicher beschrieben werden. Die Untersuchungen werden für fünf Hochwasserereignisse in sechs Pegeleinzugsgebieten mit Flächen
von 33 bis 621 km2 durchgeführt. Nach der Vorabschätzung der Modellparameter durch Werte aus der Literatur erfolgt die separate Eichung für alle Ereignisse in allen Einzugsgebieten. Die wesentlichen Eichparameter sind dabei das Aufteilungsverhältnis des Niederschlags auf die drei Modellkomponenten und die Anfangsverluste.

Das kontinuierliche Niederschlag-Abfluss-Modell zur Bodenfeuchtebilanzierung ist eine modifizierte Variante des HBV-Modells mit flächendetaillierter Modellstruktur und einer räumlichen Auflösung von einem Quadratkilometer. Das Modellgebiet wird in Zonen mit ähnlichen Eigenschaften (Hydrogeologie, Topographie) eingeteilt. Die Modellparameter werden auf Basis der zu erwartenden hydrologischen Reaktionen in den Zonen vorabgeschätzt und teilweise an den Abflussganglinien geeicht. Die Simulation erfolgt kontinuierlich von Oktober 1992 bis Oktober 2002 für zwei Pegeleinzugsgebiete im Kampgebiet mit Flächen von 271 bzw. 621 km2. Die Beurteilung der Modellgüte erfolgt für unterschiedlich große Zeitausschnitte (jährlich, saisonal und ereignisbezogen) wobei bei den ereignisbezogenen Auswertungen zusätzlich nach Ereignistypen unterschieden wird.

Der Vergleich der beiden Modelltypen durch visuelle Beurteilung, Auswertung der Scheitelabflüsse und Abflussvolumina sowie der Fehlervarianzen der einzelnen Ganglinienordinaten zeigt, dass das Ereignismodell eine bessere Übereinstimmung mit den beobachteten Werten aufweist. Die detaillierte Struktur der beobachteten Ganglinien innerhalb der Ereignisse wird allerdings durch das kontinuierliche Modell besser wiedergegeben.

Im Prognosefall müssen die Modellparameter vorab bekannt sein. Während dies für das kontinuierliche Modell zutrifft, ist es beim Ereignismodell wegen der separaten Eichung der Einzelereignisse erforderlich, die Parameter aus einer Beziehung zum aktuellen Gebietszustand abzuleiten. Für das Beispiel des Kampgebiets weisen diese Beziehungen eine breite Streuung auf. Es ist deshalb zu erwarten, dass die Unterschiede in der Modellgüte der beiden Modelle für den Prognosefall gering sind. Für die Ausbaufähigkeit des kontinuierlichen Modelltyps zur Hochwasserprognose spricht die gute Übereinstimmung der inneren Ganglinienstruktur, welche auf eine zutreffende Nachbildung der hydrologischen Prozesse im Modellgebiet
hindeutet.