+ All Categories
Home > Documents > Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ ·...

Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ ·...

Date post: 29-Jun-2020
Category:
Upload: others
View: 0 times
Download: 0 times
Share this document with a friend
100
1 Masterarbeit Im Studiengang “Environmental Management –Management natürlicher Resourcen” Test and application of hydrological models with a spatial modelling language (PCRaster) for the discharge simulation of a wetland dominated catchment in Northern Germany Vorgelegt von Xiaoyong Zhang Kiel, im Oktober 2006 1. Prüferin: Professor Dr. Nicola Fohrer 2. Prüfer: Dr. Georg Hörmann Ökologiezentrum Christian-Albrechts-Universität zu Kiel
Transcript
Page 1: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

1

MasterarbeitIm Studiengang

“Environmental Management – Management natürlicher Resourcen”

Test and application of hydrological models with a spatialmodelling language (PCRaster) for the discharge simulation of a

wetland dominated catchment in Northern Germany

Vorgelegt von

Xiaoyong Zhang

Kiel, im Oktober 2006

1. Prüferin:  Professor Dr. Nicola Fohrer2. Prüfer:  Dr. Georg Hörmann

ÖkologiezentrumChristian­Albrechts­Universität zu Kiel

Page 2: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

2

Contents P.

List of Figures 4

List of Tables 6

1. Introduction  7

2. The study area  9

2.1 The catchment and its river network  9

2.2 Development of the Treene and Kielstau landscape 10

2.3 Climate 13

2.4 Topography 15

2.5 Soil 15

2.6 Land use 17

2.7 Groundwater and wetland resources 18

3. Literature review 21

3.1 Principles in hydrological modelling and its new development 21

3.2 The model system PCRaster 23

3.2.1 Development and advantages of PCRaster 23

3.2.2 Applications of PCRaster in catchment hydrology modelling 27

4. Development of the KIDS model 30

4.1 Implementation of the KIDS model in PCRaster 30

4.1.1 Available data and preparation of the database 31

4.1.2 Definition of hydrologic processes in KIDS model 40

4.2 Structure of KIDS model scripts 46

4.3 Select of calibration and validation period 47

4.3.1 Start up period 47

4.3.2 Calibration and validation period 48

4.4 Criteria and methods for results comparison 49

Page 3: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

3

5. Application of the model 52

5.1 Calibration strategy of the KIDS model 52

5.2 Data evaluation 53

5.3 Calibration 54

5.3.1 Parameter estimation 54

5.3.2 Simple conceptual models 56

5.3.3 Preparation for wetland models 61

5.3.3.1 Water budget analysis in Kielstau 62

5.3.3.2 Soil description and reclassification for wetland map 65

5.3.4 Wetland models 70

5.3.5 Parameter adjustment of wetland models 74

5.4 Validation 80

5.5 Discussion 82

5.5.1 Wetland fraction in Kielstau catchment 83

5.5.2 Combination of two different wetland maps 84

5.5.3 Limitations in the simulation of KIDS model 84

5.5.4 The hydrological features of wetlands in the study area and 85

         the application in different models – KIDS, SIMPEL, SWAT

6. Conclusion 87

7. References 89

8. Appendixes 94

Appendix I:  Kinematic wave function with Manning’s equation 94

Appendix II:  Different versions of wetland map with its soil components 96

Appendix III:  The script of KIDS model             98

Page 4: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

4

List of Figures

Figure 2.1  Upper Treene catchment – the area of input database,  9

and Kielstau catchment – the modelled subcatchment

Figure 2.2  River network in the modelled area 10

Figure 2.3  Estimated locations of glacial valleys 11

Figure 2.4  Geomorphologic simulation of the landscape development 11

Figure 2.5  Geomorphologic situation of the study area 12

Figure 2.6  Precipitation in the Upper Treene catchment above Treia 13

Figure 2.7  Seasonal precipitation distribution in the catchment 14

Figure 2.8  Temperature distribution in the catchment 14

Figure 2.9  Elevation map of the Upper Treene catchment 15

Figure 2.10  Soil types in Kielstau catchment 16

Figure 2.11  Land use pattern in Kielstau basin 17

Figure 2.12  Spatial distribution of peatland in Schleswig­Holstein 19

Figure 2.13   Typical landscape in the Kielstau catchment 20

Figure 4.1   Digital elevation map (dem.map) 31

Figure 4.2   Left: possible flow directions in a cell; 32

Middle: grid based catchment discretization and concept of flow path;

Right: part of local drain direction map (ldd.map)

Figure 4.3   Slope map (slope.map) 32

Figure 4.4   Channel width map (channelw.map) 33

Figure 4.5  Three weather stations 34

Figure 4.6   Left: precipitation zone map (zonep.map); 34

Right: rain timeseries file (precipitation.tss)

Figure 4.7  Left: evaporation zone map (zonee.map); 36

Right: evaporation timeseries file (evaporation.tss)

Figure 4.8   Left: original soil map with 56 soil types; 37

       Right: simplified soil map (soil.map in PCR) with 11 soil types

Figure 4.9   Land use map (landuse.map) 38

Figure 4.10   Left: Manning map for field (Manning.map); 40

Right: Manning map for channel (channelM.map)

Figure 4.11   Simplified flow chart of the KIDS model 41

Figure 4.12   Reduction of ETp to ETa as a function of soil water content 43

Page 5: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

5

Figure 4.13   Evaluation of the start up period 48

Figure 4.14  Precipitation and discharge variation from 1986 to 1999 48

Figure 5.1  KIDS model calibration process 53

Figure 5.2  Monthly relations between runoff and precipitation (1986 ~ 1999) 54

Figure 5.3  Effect of change in values of model parameters on model efficiency 55

Figure 5.4   Hydrograph of the basic model 57

Q_basic, NS=­0.228, RMSE=0.545, R²=0.573

Figure 5.5      Hydrograph of the basic model with spatial distribution of soil field capacity 58

Q_Sfc, NS=­0.163, RMSE=0.517, r²=0.606

Figure 5.6   Hydrograph of the basic model with additional lateral flow 59

Q_Lateral, NS=­0.99, RMSE=0.67, r²=0.48

Figure 5.7   Hydrograph of the basic model with spatial distribution of Etp 61

Q_EtLu, NS=­0.319, RMSE=0.551, r²=0.580

Figure 5.8  Illustration of water budget in Kielstau 62

Figure 5.9   Water budget investigation in Kielstau (1986~1999) 65

Figure 5.10   Coefficients of different wetland models 73

Figure 5.11  Hydrograph of wetland model, with wetland fraction of 28% 74

according to wetland map version 4

Q_EtsV4_Wet, NS=0.625, RMSE=0.293, r²=0.714

Figure 5.12   Test result of wetland models with different wetland ETp factors 76

Figure 5.13   Statistical coefficients of calibrated wetland models 77

Figure 5.14   Hydrograph of combined wetland model 79

Q_EtsV7_Wet3, NS=0.671, RMSE=0.275, r²=0.722

Figure 5.15  Hydrograph of combined wetland model with additional lateral flow 80

Q_EtsV7_Wet3_L3, NS=0.677, RMSE=0.272, r²=0.728

Figure 5.16   Validated hydrograph of combined wetland model 81

Q_EtsV7_Wet3: NS=0.735, RMSE=0.336, r²=0.748

Validated hydrograph of combined wetland model with additional lateral flow

Q_EtsV7_Wet3_L3:   NS=0.726, RMSE=0.341, r²=0.741

Page 6: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

6

List of Tables

Table 2.1 Legend of soil types and the area distributions in Kielstau 16

Table 4.1   Seasonal crop coefficients according to Haude 35

Table 4.2   Legend and area fraction of simplified soil map 37

Table 4.3   Legend of land use map 38

Table 4.4   Manning roughness coefficients for various open channel surfaces 39

Table 5.1   Estimated optimal set of parameters 55

Table 5.2   Parameter setting for the spatial distribution of soil field capacity 58

Table 5.3   ETp adjustments according to land use 60

Table 5.4   Hydrological data of Kielstau catchment (1986~1999), annual averages  64

Table 5.5   Reclassification of soil map – legend comparison 66

Table 5.6   Definition of 8 wetland versions 72

Table 5.7 Different set of wetland ETp factor 75

Table 5.8   Results of parameter calibration of wetland model 76

Table 5.9   Result overview of calibration and validation 82

Table 5.10   Comparison of wetland soils in Treene and Kielstau 83

Table 5.11   Result comparison of SIMPEL, SWAT, KIDS (1994~1999) 86

Page 7: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

7

Chapter 1  Introduction

Water management in river basins is attracting increasing attention both in Europe and

worldwide. It has become a key issue for European environmental legislation. The Water

Framework Directive (WFD) is one of the EU legislations, which imposed the integrated

protection of water bodies on all EU member countries. River basins represent a key research

area as acting as important resources for ecosystems and human being. In the light of rapidly

changing land use, increasing demand for clean water and the potential of a more extreme

climate in the future, understanding river basin environments has become an area of

considerable importance.

Modelling is now a common tool in the field of hydrologic research. With the rapid

development of computational power, the ability to model the natural water cycle has

progressed enormously over the recent decades. Many new techniques and methodologies

have been raised to facilitate the river basin research. For example, the use of GIS, remote

sensing techniques, river runoff modelling, various modelling assessments, water quality

assessments, river basin hydrology and so on. Among them, quantitative analysis about river

discharge is the base for all other fluxes researches like nutrients or water erosion modelling.

And the methodology of quantitative analysis or discharge modelling is very different from

region to region. The rainfall­runoff relationship is strongly dependent on soil, vegetation and

topographic characteristics of a catchment.

Most hydrologic research projects are located in mountainous regions, where the real

behaviour of the water system is generally easy to observe or measure. The model

development for flat areas is quite different due to the distinctive hydrological characteristics.

Northern Germany is one of such typical regions with very flat relief. Surface runoff is very

low, but the portion coming from near surface groundwater is very high. Additionally, there is

a large fraction of wetlands with considerable influence on the river discharge.

The present study is taken up with the intent of developing a GIS based process oriented

distributed model for the Kielstau catchment in Northern Germany. We employed PCRaster, a

dynamic modelling language, to construct the KIelstau Discharge Simulation models – KIDS

models – for the outlet point of the Kielstau Catchment over a long time span.

This paper will present the calibration process of the hydrological models for discharge

simulation and analyse the special hydrological characteristics in this wetland dominated

basin. One aim of the paper is to show the effects of different conceptual models to simulate

Page 8: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

8

the runoff with limited input and verification data sets. Another aim is to present and discuss

the importance of wetland functions on the hydrological cycles in this lowland catchment.

Page 9: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

9

Chapter 2  The study area

2.1 The catchment and its river network

In this study, two rivers and their catchments are concerned: Treene and Kielstau.

The KIDS models were built up with the dataset of Upper Treene catchment, and the

simulated discharge was reported for the outlet point of Kielstau catchment.

The Kielstau is one of the origins of the river Treene, which has a length of 96 km. The Upper

Treene catchment covers 517 km², and the core research area of this study ­ Kielstau

catchment ­ is around 50 km², which is located at the northeast of the Treene catchment (see

Figure 2.1, the Kielstau subcatchment is highlighted at the right corner).

Figure 2.1 Upper Treene catchment – the area of input database, and Kielstau catchment – the

modelled subcatchment (Source: http://www.wasser.sh, modified)

Figure 2.2 indicates the river network within the upper Treene catchment. The river Kielstau

is a small stream in this catchment. It is circa 11 km long, draining the Winderatter See and

discharging originally into the Treßsee, then flowing together with the river Bondenau into

the river Treene. The river channel of Kielstau was changed several decades ago to drain the

Page 10: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

10

water directly into the river Bondenau, then discharge into the Treßsee. The river Treene

starts from there, till the last outlet point of the Upper Treene catchment – the gauge station

Treia. The remaining downstream part of River Treene after Treia is strongly influenced by

the backflow of water from tide.

Figure 2.2 River network in the modelled area (Dey, 2004)

2.2 Development of the Treene and Kielstau landscape

As mentioned before, the Upper Treene catchment is situated at Schleswig­Holstein, Northern

Germany, extending from northeast to southwest.

The landscape of Northern Germany can be generally divided into young moraine area and

old moraine area (Eggemann et al., 2001). Young moraine landscape was formed in the

youngest Ice Age (Weichsel Ice Age, which began at about 70,000 BC, and reached its

maximum extent about 18,000 BC) and shows the most widespread land forms and is

exclusive for Schleswig­Holstein. The furthest expansion reached by the last Ice Age is

estimated at around the line between Flensburg­Schleswig (see Figure 2.3). The ribbon area

between Hamburg and Flensburg leads to the edge sandur (along Flensburg, Översee,

Schleswig, Fröruper, Rendsburg and Neumünster).

Page 11: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

11

The old moraine landscape was formed in older Ice Age (Saale Ice Age, occurring between

200,000 and 125,000 years ago) but the forms produced at that time are nowadays rather

washed out.

Figure 2.3 Estimated locations of glacial valleys (after Schmidtke 1992, modified)

The evolution process of the landform during the last Ice Age could be indicated as Figure

2.4.

Figure 2.4 Geomorphologic simulation of the landscape development (after Schmidtke 1992,

modified)

Page 12: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

12

In Schleswig­Holstein, we observe the old moraine landscape in the western part. These Saale

glacial moraines are so called Old Moraines. In the eastern part of the land, which was

reached by the later glaciations, the old moraines have been transformed and covered by

Young Moraines. The whole landscape of Schleswig­Holstein is distinguished by three

geomorphologic features: eastern uplands (Östlich Hügelland) is the young moraine

landscape; northern and middle parts belong to the ‘Schleswiger’ geest; then landscape

through swamp lowland turns into ‘Nordfriesische’ marsh (Schmidtke 1992).

East from the mentioned Hamburg­Flensburg line, landscape is formed by the ground

moraine with sandur, gravel, till­gravel and till­clay (boulder clay­material comprising of

many stone fractions, e.g. silt­ and grain­ size sands). This is where the Kielstau catchment is

located. The Upper Treene catchment extends itself from the hilly morains to the transitional

zone of outwash plain (see Figure 2.6). The glaciers moved back and forth in turns over long

periods of time creating on this small area a mixture of different types of moraines in close

succession, which formed the originates of the landscape nowadays.

Figure 2.5 Geomorphologic situation of the study area

     (Source: http://umwelt.landsh.server.de, modified)

Page 13: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

13

2.3 Climate

The climate in the Treene catchment is determined by its location in a zone of temperate

climatic conditions with frequent weather changes. There is precipitation all the year round.

With the maritime climate environment, neither the daily variations of temperatures nor the

seasonal ones go into severe extremes. Wedged between the North Sea and the Baltic Sea,

watershed is characterized by the moderate temperature and oceanic climate with soft moist

winters and cold and rainy summers.

The climatic data was provided by Deutscher Wetterdienst (DWD) – German Weather

Service. The precipitation data for the modelled area is from 3 measuring stations: Oeversee,

Eggebek and Treia. The temporal distribution of precipitation for the Upper Treene catchment

is given in Figure 2.5. From the figure it is clear that the yearly rainfall of different locations

have no significantly distinctions over the entire watershed. The average yearly precipitation

of Oeversee is 871.6 mm (this is taken as precipitation data valid for the Kielstau Catchment,

since it is the nearest station), while for the entire catchment this average yearly precipitation

equals 863.8 mm (average over the years 1986~1999).

Figure 2.6 Precipitation in the Upper Treene catchment above Treia (database 1986~1999)

When the four seasons are defined as: spring – March to May, summer – June to August,

autumn – September to November, winter ­ December to February, the seasonal rainfall

distribution is plotted in Figure 2.7. For the entire catchment averaged autumn precipitation

(2.97 mm/day, average over the years 1986~1999) is markedly larger than other period, while

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

Jan

Feb Mar AprMay Ju

n Jul

AugSep Oct

NovDec

mm

/day

     a

OeverseeEggebekTreia

Page 14: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

14

the spring precipitation is the lowest (1.68 mm/day, average over the years 1986~1999)

during the whole year.

Figure 2.7 Seasonal precipitation distribution in the catchment (database 1986~1999)

The temperature data from Flensburg ­ a city near Kielstau Catchment ­ is the only available

data for the entire region. The distribution over the year is given in Figure 2.8. A clear

seasonal effect is visible in the temperature graphs over the year. The annual mean

temperature is 11.05 °C (average over the years 1986~1999). In winter time the below­zero

temperature period is so short that it is not reflected in the average graph, this results in a not­

distinguished snow­melt season.

Figure 2.8 Temperature distribution in the catchment (database 1986~1999)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

spring(3.4.5) summer(6.7.8) autumn(9.10.11) winter(12.1.2)

mm

/day

   .

OeverseeEggebekTreia

0

5

10

15

20

25

Jan

Feb Mar AprMay Ju

n Jul

AugSep Oct Nov

Dec

time

°CFlensburg Temp. mean

Page 15: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

15

2.4 Topography

In general the upper Treene basin can be characterised by two different areas with a

distinguished topography. The northeast part of the catchment is a hilly moraine landscape

and turns into a flat outwash plain in the western part, characterized by a low hydraulic

gradient.

The whole watershed has poorly drainage due to the low gradient with maximum altitude

difference of 76.4 m (see Figure 2.9).

Since the landscape around Kielstau area was developed during the last Ice Age, the

catchment has a rather flat relief as well. Although parts of the region is covered with small

hills, it has only maximum 30 m elevation difference.

Figure 2.9 Elevation map of the Upper Treene catchment (Dey, 2004)

2.5 Soil

The geological underground of the whole watershed is dominated by pleistocene deposits.

Soils are mainly consisting of Podzol, Gleysol and Luvisol formed in the Saale and Weichsel

Ice Ages. Although the Kielstau is a small river catchment, there are wide variety of soil types

and soil forms in this small area (see Figure 2.10).

Page 16: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

16

Figure 2.10 Soil types in Kielstau catchment (BGR, 1999)

The legend and area distribution of the major soil types in Kielstau is shown in Table 2.1:

Table 2.1 Legend of soil types and the area distributions in Kielstau

  Legend Description Area percentage

1  Binnen Lake   0.42%

2  Gley­Pseudogley Gley­Pseudogley 10.60%

3  Gley­Kolluvium Gley­Kolluvium   2.25%

4  vergley. Podsol vergleyter Podsol   0.44%

5  Niedermoor Peat   9.11%

6  Parabraunerde Parabraunerde 17.40%

7  Fe­Podsol Fe­Podsol   2.27%

8  Pseudogley Pseudogley 49.98%

9  Pseudo.­Braunerde Pseudogley­Braunerde   7.53%

As we can see from the soil map and the area distribution of various soils, 62.83% of the

Kielstau basin is dominated by Gley and Pseudogley, which belong to the major wetland soil

types.

Page 17: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

17

2.6 Land use

Land use affects interception of precipitation, it influences the ratio between infiltration and

surface runoff, and it determines evapotranspiration to a large extent. Changes in land use will

result in complex interactions of various landscape functions. Land use is therefore an

important parameter in hydrological processes (Fohrer et al., 2005). Under present­day

conditions, about almost half of the total area (41.3 %) of the Upper Treene basin is used for

agriculture, 38.9 % is covered with grassland, 11.5 % deciduous forest, and 8.3 % others

(coniferous forest, water, urban area, fallow land).

The Kielstau catchment is mainly a rural area consisting of a variety of different small­sized

habitats. The typical land use in the area is agricultural: 54.88% arable land, 26.89% pasture,

5.8% rangeland, and the remainder consists of forest, built­up area, surface water (see Figure

2.11). The catchment has undergone many changes, especially since the Second World War.

The natural wetlands were drained after the war in a huge effort to get more agricultural land.

Figure 2.11 Land use pattern in Kielstau basin (DLR, 1995)

Agricultural land use is an important element in the chain of rainfall – runoff relations in the

Kielstau basin. Investments in land drainage, external water supply and large­scale use of

biocides and fertilizers have increased agricultural production. Land drainage has created a

faster response of runoff to rainfall, increasing flood risks. Increased use of biocides and

fertilizers has led to the pollution of open water systems.

Page 18: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

18

Since society now demands sustainability, high water quality standards have been set and

these are driving environmental improvement in agricultural production systems. Farmers

want to meet the demands of society by combining their role in food production with other

functions in areas like nature restoration and conservation. The availability of land is expected

to be a limiting factor. Where water is concerned, agriculture will help to reduce land erosion,

conserve water by reducing artificial drainage (restoring the sponge function of the soil) in

peat or wetland places and enhance flood protection through temporary controlled inundation.

2.7 Groundwater and wetland resources

The wide spreading near surface groundwater is a characteristic feature in the Treene

catchment, which plays an important role in the hydrological cycle.

The large parts of the aquifer system of the Treene basin are developed from the Quaternary

classic sediments. These sediments form a complex but continuous system, containing one of

the most important groundwater resources in Germany. The residence time of the

groundwater in the Treene basin varies from a year (shallow groundwater) to hundreds of

years (deeper groundwater). This is also strongly influenced by all kind of wells used for both

drinking water and industrial purposes. In Schleswig­Holstein drinking water is obtained

100% from (deeper) groundwater, while in Germany is around 70%, e.g. in the Federal Lands

Sachsen or Nordrhein­Westfalen only about 40% (http://www.wv­treene.de/).

As the deep groundwater serves as a important drinking water source, the widely­distributing

shallow groundwater within the river basin has a higher influence on the landscape features

and the water cycle.

The abundant source of near surface groundwater and the poor drainage of landscape result in

numerous scattered peatlands (see Figure 2.12) and spacious wetland area in the watershed.

Page 19: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

19

Figure 2.12 Spatial distribution of peatland in Schleswig­Holstein (Trepel, 2004)

Peatlands or wetlands are valuable landscape units both in meaning of ecology and hydrology.

They contribute to the production of food and raw materials, the regulation of global climate,

the improvement of surface water quality, the influence on hydrological cycle.

The connected and spacious wetland area is a typical landscape in the Kielstau region (shown

in Figure 2.13), with a mosaic of distinct mire types in varying de­ and regeneration states.

Key habitats are different stages of minerotrophic peatlands and ombrotrophic raised bogs

(e.g. large area of peat layer with over ten­meter depth was formed near Winderatter See),

semi natural wet meadows and pastures, groundwater influenced forests, shallow water lakes

and ponds in the lowland, dry and mesophile grasslands and sand heather.

In the past, severe environmental problems were related to the land use on wetlands in this

area. Most wetlands are drained and used for agriculture. Peatlands were used first for peat

cutting and later for agriculture. The wetlands are strongly degraded by drainage and

cultivation, leading to unfavourable degradation of mire soils. Nowadays it is realized that the

different services offered by wetlands necessitate careful planning of their future use.

Although the Kielstau is a small river catchment, its ecological and hydrological importance

can not be ignored, since it is the origin of river Treene and provides mosaic biotopes. At

present it is already included in the framework of nature protected area under the regional

Page 20: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

20

authorities and other environmental protection organizations, owing to its importance in the

meaning of river basin management and the unique ecosystem protection.

Figure 2.13 Typical landscape in the Kielstau catchment (picture taken by Georg Hörmann,

2005)

Page 21: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

21

Chapter 3  Literature review

3.1 Principles in Hydrological modelling and its new development

Hydrological modelling has existed for about 150 years and really developed with computers.

It is defined by Maidment (2000) as “a mathematical representation of the flow of water and

its components on some part of the land surface or subsurface environment”.

The hydrologic cycle is the central focus of hydrology, which is usually the simulation target

of hydrological models. Although the concept of the hydrologic cycle is simple, the

phenomena are enormously complex and intricate. However in the absence of perfect

knowledge, they may be represented in a simplified way by means of the systems concept.

The early development of hydrologic systems theory, which is the base for hydrological

modelling, was closely linked to the formalisation of water resources systems. These were

originally visualised as relatively complex networks consisting of nodes and connections that

could be associated with physical entities and which had relatively simple individual

behaviour. Thus, a basin could be viewed as a set of stores (aquifers, reservoirs, soil, etc.) and

fluxes (through rivers, channels, pipelines, etc.). Each element of the system obeyed well­

defined rules (mass balance, Darcy’s law, Dalton’s law, and the like). All this amounted to the

development and application of a robust water resources system. The books of Dooge (1973)

and Eagleson (1970) can be viewed as pillars of such developments.

Water resources system analysis used to concentrate a lot of efforts on accurate, yet robust

representation of basins, which allowed optimisation. Maturity of this line of development has

led to a high level of refinement and to the establishment of hydrology as a science (Gupta

1989, 2001; Basson et al., 1994; etc.). However, emphasis is shifting from quantification to

understanding, probably reflecting the multidisciplinary nature of hydrology. Moreover,

hydrological models have grown in complexity, in the sense that they contain a continuously

increasing number of parts and that processes of each part are described in increasing detail,

while their predictive capabilities remain doubtful at best. It is fair, therefore, to question the

wisdom of such growth and whether simpler models would work just as well (Bronstert et al.,

2005).

The objective of hydrologic system analysis is to study the system operation and predict its

output. A hydrologic system model is an approximation of the actual system. Its inputs and

outputs are measurable hydrologic variables and its structure is a set of equations linking the

inputs and outputs.

Page 22: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

22

Hydrologic models may be divided into two categories: lumped models and distributed

models (Beven 2001). Lumped models represent a catchment as a single entity and simulate

state variables and fluxes into and out of the catchment as a whole. Distributed models divide

the catchment up into many entities, each representing small parts of the catchment, and the

state variables and fluxes between the entities are determined across the catchment.

Although lumped models are at the lower level of physical complexity, they are frequently

used in practice due to its simplicity, such as those presented by Boughton (1995) and Farmer

et al. (2003). In these models, the whole catchment is represented by a single entity, and the

underlying principle is that a catchment has tow major properties that control most of its

response to drivers – the ability to store water and the rate of release of that water.

Compared with the simple lumped models, distributed models have some advantages due to

the physical basis of the approach and the increasing availability of digital and remotely

sensed spatial data. Physical models allow the determination of the water balance and its

variation across river basins. Several such models are in common use, like SHE model –

European Hydrological Model (Abbott et al., 1986), TOPMODEL – a physically based

variable contributing area model of basin hydrology (Beven and Kirkby, 1979), WATBAL –

a semi­distributed, physically based hydrological modelling system (Knudsen et al., 1986).

Spatially­distributed, physically­based hydrological modelling at the scale of an entire river

basin requires large input databases. Therefore, a Geographical Information System is a very

useful environment for modelling because it is easy to store, display and maintain data (De

Roo et al., 1989; Burrough and McDonnell, 1998). Thus, linking or integrating models with a

GIS provides an ideal environment for modelling processes in a landscape. Three approaches

exist for modelling within a GIS environment: loose coupling, tight coupling and embedded

coupling (Wesseling et al., 1996). In loose coupling the GIS is used to pre­process the spatial

data into the desired model input­file format, such as used by De Roo et al. (1989) and Kite et

al. (1996). In tight coupling models and GIS, model input and output can be addressed

directly by the GIS. In embedded coupling the model is written in an integrated programming

language. The advantage is that the user can construct his or her own models as required. An

earlier example of embedded modelling is the LISEM catchment erosion model, which is

described in De Roo et al. (1996). Another widely used hydrological modelling program is

SWAT (Soil and Water Assessment Tool), which was developed in the early 1990s (Arnold et

al., 1993, 1998).

Page 23: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

23

However, not many GIS are capable of physically­based modelling. Some GIS have some

modelling capabilities, such as the FlowAccumulation command in the Arc/Info GIS (De Roo

et al., 2006) and the drain command in the Grass GIS (GRASS 2006). Using these tools, some

transport modelling can be done.

At present, most GIS provides catchment analysis tools for delineation of catchments and

definition of drainage networks. These tools, however, are not sufficient for dynamic

modelling; they are not capable of solving transport operations through the defined network.

Also, simulations in time are often not possible, such as simulating the catchment response to

a rainfall timeseries. Ideally, for transport modelling one should be able to control the amount

and velocity of water (or any other material) through the network: one would want to have

'access' to the algorithms describing this transport.

Therefore, there is a need for a GIS modelling environment that is capable of physically­

based transport modelling. PCRaster, a dynamic modelling system for distributed simulation

models (Van Deursen 1995; Wesseling et al. 1996), provides such a GIS modelling

environment, it is thus employed to construct the KIDS model in this study.

3.2 The model system PCRaster

PCRaster is a dynamic modelling system for distributed simulation models. It includes raster

GIS function, a toolkit for visualisation and an easy to understand scripting language for

models.

Hydrological modelling is one of the main applications of PC­Raster in environmental

modelling. We used PCRaster to build the spatio­temporal discharge simulation models for

the Kielstau catchment (KIDS models). The information of PCRaster system is available at

http://pcraster.geo.uu.nl/.

3.2.1 Development and advantages of PCRaster

The PCRaster spatial modelling language is an extension of the ideas behind Map Algebra

and the Cartographic Modelling Language proposed by Berry and Tomlin (Berry 1987,

Tomlin 1990). It also includes ideas of iterations used in Dynamic Modelling and concepts for

defining transport equations along the drainage network (in PCRaster referred to as Local

Drain Direction network). Thus, PCRaster allows for developing physically­based transport

models.

Page 24: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

24

PCRaster is originally designed and developed at Utrecht University, department of Physical

Geography and is now supported by the company PCRaster Environmental Software that

combines its R&D efforts with Utrecht University. PCRaster is a dynamic modelling system

for distributed simulation models. The main applications of PCRaster are found in

environmental modelling: geography, hydrology, ecology to name a few.

PCRaster is an environmental modelling language embedded in a GIS (Karssenberg, 2002). It

includes sophisticated raster GIS functionality emphasising on analytical capabilities.

PCRaster uses a scripting language for constructing models describing processes through

time. These dynamic simulation models can easily be constructed using the rich set of model

building blocks and functions in PCRaster.

Environmental modelling

Simulating environmental processes with computer models is expanding rapidly in scientific

and applied research in fields such as hydrology, ecology, process geomorphology, land

degradation and crop yield studies. Computer models help us to understand better the

characteristics of environmental processes and the impact of any changes made to them.

However, there are two main difficulties in building environmental computer models. The

first difficulty is that environmental models are relatively complex because they must be both

temporal and spatial due to the spatio­temporality of natural phenomena. In this regard, the

problem is that they are fed by huge amounts of environmental data, often coming from

different kinds of sources such as manual field measurements, automated data loggers or

remotely sensed images. The second difficulty is that the questions which must be solved by a

model are unique for each environmental problem. As a result standard computer models

which cannot be changed by the environmental researcher are often rather unsatisfying.

Computer models are needed that can easily be adapted to the problem under study.

PCRaster offers a unique solution to the problems mentioned. It embeds an environmental

Dynamic Modelling language in a Geographical Information System. The Dynamic

Modelling language is a powerfull instrument for building environmental models which can

be tuned to the problem under study. The GIS part of the package manages storage,

manipulation and visualisation of spatio­temporal data in raster format, without the burden of

data exchange.

Page 25: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

25

The embedded GIS environment in PCRaster

The GIS part of PCRaster uses a database with a strict data type checking mechanism. This

assists error detection and polymorphic behaviour of the GIS and Dynamic Modelling

operators. In addition data typing improves and speeds up the visualisation routines. PCRaster

automatically chooses the correct way of displaying a map on the screen, taking the kind of

attribute stored in the map into account. For example, classified nominal data (e.g. soil maps)

are automatically displayed on the screen (or printed on paper) with a classified legend and

different colours for the classes, while directional data (e.g. aspect in a terrain) are

automatically displayed with a directional grey scale visualising the topography of the terrain.

Data exchange with other GIS's is supported by easy conversion functions. The geostatistic

module of PCRaster offers state of the art routines for the interpolation of point data to raster

map data. In addition it can be used for conditional or unconditional random field simulation

and the calculation of error propagation in GIS operations and environmental models.

The GIS supports the Dynamic Modelling language. The database has been developed to

contain temporal data, i.e. stacks of raster maps and time series. These can be visualised

through time series plots and animated maps immediately after running the model without

data exchange. This allows easy model identification, calibration and validation without data

exchange.

Dynamic Modelling language of PCRaster

The Dynamic Modelling language is a special purpose computer language for environmental

modelling. It offers a wide range of map operators that can be combined in the same way as in

mathematical computations. With these operators a fully dynamic model can be programmed

which incorporates an inbuilt structure for iteration over time.

The PCRaster Dynamic Modelling language is specially developed for environmental

modelling. It uses spatio­temporal operators with intrinsic functionality especially meant for

construction of spatio­temporal models. For example, a slope map is simply calculated in one

statement with a slope operator acting upon an elevation map.

Page 26: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

26

The Dynamic Modelling language of PCRaster provides a set of more than 120 spatial and

temporal operators that can be used for building (static) Cartographic Models and Dynamic

Models. These include:

• Point operators

  analytical and arithmical functions, Boolean operators, conditional statements,

  operators for relations, comparison, rounding, (random) field generation

• Window operators

for calculations in moving windows of variable size (highpass filtering, edge

filtering, moving averages, etc.)

• Area operators

  for calculations in specified areas or classes

• Spread operators

  for calculation of distances or cost paths over a map

• Geomorphological operators

  functions for hillslope and catchment analysis, definition of hydrological topology

• Hydrological operators

  for modelling transport (drainage) of material over a local drain direction map with

  routing functions

• Time operators

  for retrieving and storing temporal data in iterative Dynamic Models

The main advantages of the Dynamic Modelling language are:

1) Models are programmed and structured according to the way of thinking applied in spatial­

temporal sciences such as Geography or Geology. It allows researchers in these fields to

construct models by themselves in a relatively short period of time.

2) No specialist programming knowledge is required, all necessary is a familiarity with

mathematical notations. As a result the researcher can easily adapt the model to the specific

problem under study.

3) Models constructed in the PCRaster Environmental Modelling language can easily be

changed or extended and the results can immediately be evaluated using visualisation routines

linked to the language.

Page 27: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

27

4) The language is embedded in the PCRaster GIS so that data exchange between model and

GIS is unnecessary. Furthermore, spatial­temporal data can be used or stored at any time

during a model run.

In conclusion, PCRaster is a system that brings together environmental modelling and GIS. It

provides data interfaces to other packages (e.g. GIS's, software for statistical analysis) for

spatial data analysis. PCRaster offers a powerful Dynamic Modelling language for building

iterative spatio­temporal environmental models, which is fully integrated in the GIS. It

includes functionality for data storage, manipulation and visualisation, without the burden of

data exchange between model and GIS.

3.2.2 Applications of PCRaster in catchment hydrology modelling

Many research projects related to environmental modelling have been based on PCRaster.

This section contains descriptions of some case studies using PCRaster in catchment

hydrology modelling.

The RHINEFLOW family of water balance models

The world climate is expected to react to the enhanced greenhouse effect with changed

patterns of precipitation and temperature distribution in time and space. Consequently,

streamflow is also expected to change in volume and distribution over the year, giving major

concerns to policy makers. Long­term strategies for future river management require

quantitative information on these changes, where hydrological models can often be important

tools. A project was initiated to assess the impact of climate and land use changes on the

discharge pattern of the river Rhine.

A spatial distributed water balance model, called RHINEFLOW (Kwadijk, 1993), was

developed. It aims at obtaining information for the Rhine catchment at a spatial resolution of

the major tributaries and a temporal resolution of a month. The models are often used for

impacts of climate change on water availability in larger river basins (> 30,000 km²).

All models of RHINEFLOW family are grid­based spatial water balance models.

RHINEFLOW­1 (Kwadijk, 1993; van Deursen and Kwadijk, 1993), the parent model of this

family, was the first model ever to be developed in PCRaster. The objective of

RHINEFLOW­1 was to build a water balance model to analyse the impact of climate change

Page 28: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

28

on the runoff regime of the Rhine. The model used a geographical database of landuse,

soiltype and elevation data, stored in a raster GIS with a resolution of 3x3 km². It

implemented the water balance for each gridcell in the database, using monthly temperature

and precipitation as input data, and simulating monthly runoff for selected points along the

river Rhine.

Within the framework of the Dutch Research Programme on Climate Change (NOP),

RHINEFLOW­2 was developed (Middelkoop et al., 2000). It extends the concepts of the

RHINEFLOW­1 model for a 1x1 km² grid size and a 10­day timestep.

The MEUSEFLOW model (Middelkoop et al., 2001) has been developed as a direct

derivative of the RHINEFLOW­2 model. MEUSEFLOW is the waterbalance model for the

Meuse basin. Special attention in the formulation of the waterbalance for the Meuse has been

paid to the effects of climate change on the low­flow situations in the Meuse basin.

RHINEFLOW­1, its successor RHINEFLOW­2 and MEUSEFLOW have been used

extensively in scenario studies related to the future discharge regimes of the river Rhine.

Amongst these are the use of these models in the scenario studies and the perspectives within

the framework of the Dutch National Research Programme on Climate Change and the IRMA

SPONGE EU research programme (Middelkoop et al., 2000). By using output of the

RHINEFLOW and MEUSEFLOW models, these models analysed the consequences of

changes in the discharge regime on user functions and lead to the formulation of a number of

additional models.

LISFLOOD Model: A multi­purpose modelling tool for flood simulation

The LISFLOOD model (De Roo et al., 2006) is an example of a physically­based model

written using the PCRaster GIS environment. It simulates river discharge in a drainage basin

as a function of spatial data on topography, soils and land cover.

LISFLOOD is a model that has been developed explicitly for the simulation of floods in large

European drainage basins. It is capable of simulating large areas while still maintaining a high

spatial and temporal resolution, proper flood routing methods and physical process

descriptions. It also assesses the impact of changes in land use, river geometry, and the effects

of climate change on flood risk. LISFLOOD can further simulate special structures such as

water reservoirs and retention areas by indicating their location, size and inflow and outflow

boundary conditions.

Page 29: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

29

LISFLOOD has been extensively tested for several transnational catchments – amongst them

the Meuse and the Oder. For these catchments high­resolution data are available, in particular

in terms of river dimensions.

Flood risk on European Scale is another main applications of the LISFLOOD model. Floods

are usually dealt with at the national level. Since the definition of flood risk varies between

different countries, a transboundary comparison is normally difficult. LISFLOOD overcomes

this difficulty because it is set up for whole Europe and runs for a period of 10 years.

Statistics such as minimum discharge, maximum discharge or flood frequency are calculated

for every grid point, which allows a flood risk map for the whole of Europe to be produced.

EUROSEM in PCRaster

EUROpean Soil Erosion Model (EUROSEM) (Morgan, 1995) is originally a polygon­, event­

based runoff and erosion model, developed for the assessment of soil erosion risk and the

evaluation of soil protection measures. It was later rewritten in the dynamic modelling code of

PCRaster (Van Dijck, Karssenberg, 2000).

The PCRaster version of EUROSEM differs from the original version mainly in that it is

raster based and written in the environmental modelling language PCRaster. It is built for a

study in the Ouveze river basin, S. France (Van Dijck, 2000).

The version by Van Dijck included only the water components of EUROSEM. It is later

extended with erosion components to account for the pool formation and crust development in

the study of water erosion modelling in the Sahel (Visser, 2005). Due to its physical character

the model requires a large number of input parameters. One of the main advantages of

incorporating EUROSEM in PCRaster is the relatively open data structure, which allows the

model builder to closely follow the erosion simulation and to make model adaptations

relatively easily.

Page 30: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

30

Chapter 4  Development of the KIDS model

4.1 Implementation of the KIDS model in PCRaster

To investigate the hydrological cycle in the Kielstau catchment, the Kielstau Discharge

Simulation (KIDS) models has been developed in the PCRaster Spatial Modelling language.

This distributed hydrological model is built on the data sources of the Upper Treene

catchment, and allows the water budget simulation across the river basin.

KIDS model simulates the runoff on a daily time step for the selected discharge station – the

Soltfeld gauge station located at the outflow point of Kielstau basin, which is a subcatchment

of the Upper Treene river basin. It is a distributed rainfall­runoff model taking into account

the influences of topography, precipitation variation and evaporation amounts, soil moisture

content, soil type, land use type and wetland fraction.

There are two steps to implement the KIDS model in PCRaster.

The first is to set up strongly typed temporal spatial data which can be either transferred from

GIS­Arcview, or generated by the PCRaster operational system. Major data input includes

digital elevation map, soil map, landuse map, river network map, etc. The PCRaster database

can hold raster maps, point data, tables for cross tabulation between maps and time series for

representation of attributes changing over time.  The dynamic behaviour of the database,

needed for dynamic models, is modelled by time series indexed on time and location, and by

stacks of map layers representing the status of the model at different time steps.

The second step is to build conceptual models for defined hydrological processes. In

PCRaster, dynamic models are built using the PCRaster script language. Processes simulated

in the KIDS model are basically precipitation, interception, evapotranspiration, infiltration,

groundwater flow, lateral flow and surface runoff. Models constructed in PCRaster can easily

be changed or extended and the results can immediately be evaluated using visualisation

routines.

Page 31: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

31

4.1.1 Available data and preparation of the database

Topography data and its derivations

The available topography data for the Upper Treene area is the DHM 50 (Digitales

Höhenmodell with resolution of 50m), provided by the “Office For Land Surveying

Schleswig­Holstein” (Landesvermessungsamt S­H 1995).

The dem.map (see Figure 4.1) is a digital elevation map based on the DHM 50, in meters

above sea level. It has a grid width of 50 x 50 m with an elevation accuracy of ± 4 m.

Figure 4.1 Digital elevation map (dem.map)

The digital elevation map (DEM) is one of the products of digital mapping technique, which

provides essential tools to closely represent the 3D nature of a natural landscape. The DEM

can be used to extract topographic variables automatically, such as basin geometry, stream

networks, slope, flow direction, etc. from raster data on elevation.

In a raster­based map like DEM, the flow domain or catchment is divided into an array of grid

or cells, each of which represents an area with average properties. Each cell of such a

discretized catchment has eight possible flow directions as shown in Figure 4.2 (left). The

direction of flow from one cell to other neighbouring cells is ascertained by using eight­

direction pour point algorithm (Jain et al., 2004). This algorithm chooses the direction of the

steepest descent among the eight permitted choices. Once the pour point algorithm identifies

the flow direction in each, a cell­to­cell flow path is determined to the catchment outlet

(Figure 4.2, middle). The computational drainage path for the whole catchment (defined in

PCRaster as Local Drain Direction map) is generated in PCRaster with the lddcreate operator

Page 32: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

32

on the digital elevation map. The ldd.map corresponds closely to the existing natural drainage

consisting of overland flow planes and drainage network. Part of the ldd.map for the

catchment is shown in Figure 4.2 (right) as an illustration. The computation sequencing of the

model starts from the most upstream cells to the downstream cells determined through DEM

analysis. The two­demensional array of DEM cells is re­arranged into a one­demensional

array as a cascading system. The numerical solutions have been performed in GIS

environment for each cell of the catchment.

Figure 4.2  Left: possible flow directions in a cell;

      Middle: grid based catchment discretization and concept of flow path;

      Right: part of local drain direction map (ldd.map)

For model operation, the catchment DEM is utilized to derive the slope map (see Figure 4.3)

for each of the discretized cells and the river network map for the catchment.

Figure 4.3 Slope map (slope.map)

Page 33: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

33

Then the channel width map (channelw.map) is developed from the river network map. It

defines the increasing width of river channel with the ranging of 1 to 4 meters, from the

upstream like Kielstau to the downstream near Treia (see Figure 4.4).

Figure 4.4 Channel width map (channelw.map)

Meteorological dataset

The meteorological data for the study area is provided by the German Weather Service

(DWD, Deutscher Wetterdienst). The following dataset is available for the KIDS model, each

timeseries spanning the period from 1984 to 1999.

•Daily precipitation data (mm/day) with 3 areal (sub­basin­) precipitation

•Potential evaporation data (mm/day) using referencing climatic data from

  Flensburg Station (10km away from Kielstau)

•Daily runoff data (m³/day) for the selected discharge station (Soltfeld in Kielstau)

Figure 4.5 shows a map (extracted from Arcview) with the location of three rainfall

measurement stations in the catchment, namely Oeversee, Eggebek and Treia. A precipitation

zone map (zonep.map in Figure 4.6) can easily be computed from based on the location of

these stations with Thiessen Polygon Method. The rainfall data for the three rainstations are

stored in the ascii formatted timeseries file precipitation.tss. In Figure 4.6 the data in the rain

timeseries file (precipitation.tss) is plotted out only in 365 timesteps (one year) for simplicity.

It gives rainfall data for the three precipitation zones.

Page 34: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

34

Figure 4.5 Three weather stations

Figure 4.6 Left: precipitation zone map (zonep.map);

     Right: rain timeseries file (precipitation.tss)

Rainfall is the dynamic input. Rain timeseries is a time table with the precipitation measured

at several meteorological stations. Rain zones do not represent the location of the stations but

the area of pixels for which the measurement at that station is the best estimation of the actual

precipitation at each pixel. The rain zones map denotes for each pixel the column number in

the time table. At each time step, timeinputscalar (a time operator in PCRaster) reads each

timestep one line in the rain timeseries file precipitation.tss and assigns the values for each

rain measurement station to the rain zones in the zonep.map.

Another similar procedure of the temporal­spatial data input is for the potential

evapotranspiration (ETp).

Page 35: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

35

In KIDS model, ETp is calculated with the Haude­evaporation method according to German

standard (DVWK, 1996). In contrast to many other calculation methods, the Haude has a very

simple formula as shown below, which is still in wide use in Northern Germany.

ET p = f *(es14 ea14)

With  f: Haude­coefficient (dependent on surface cover and month)

es14: saturation vapor pressure at 2pm (hPa)

ea14: actual vapor pressure at 2pm (hPa), calculated with input values of

        Relative Humidity (%) at 2pm and Temperature (°C) at 2pm

The correcting coefficient f according to Haude is dependent on the cultured crop and the

month. The different coefficients are listed in Table 4.1, which are specific for northern

Germany.

Table 4.1 Seasonal crop coefficients according to Haude

Month Surface Cover

Fichte

(Coniferous)

Gras

(Grassland)

Laub

(Deciduous)

WW

(Winter wheat)

ZR

(Sugar beet)

1 0.10 0.20 0.10 0.18 0.14

2 0.10 0.21 0.22 0.18 0.14

3 0.10 0.21 0.23 0.19 0.14

4 0.30 0.29 0.30 0.26 0.15

5 0.39 0.29 0.33 0.34 0.23

6 0.33 0.28 0.35 0.38 0.30

7 0.31 0.26 0.33 0.34 0.36

8 0.25 0.25 0.30 0.22 0.32

9 0.25 0.23 0.20 0.21 0.26

10 0.22 0.22 0.10 0.20 0.19

11 0.10 0.20 0.10 0.18 0.14

12 0.10 0.20 0.10 0.18 0.14

Then the daily ETp value after Haude is compiled as time series file evaporation.tss.

Basically the whole catchment area is taken as one evaporation zone (zonee.map in Figure

Page 36: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

36

4.7). It can be modified as well to have areal discretization across the basin based on other

geographical properties like soil or land use.

Figure 4.7 Left: evaporation zone map (zonee.map);

     Right: evaporation timeseries file (evaporation.tss)

Soil map

Information of the soils in the Treene catchment area comes from the digital soil map (BÜK­

Bodenübersichtskarte) available in the Arcview format, with a scale of 1:200 000 (BGR

1999). The selected layer of the digital topographic map 1:200 000 (DTK 200) is used as map

basis for the BÜK 200.

The original soil map has 56 soil types, which is more than enough to be handled in KIDS

model. It is then reclassified into a simpler soil map with only 11 soil types according to the

German classification system (Sponagel et al., 2005) for soil types. Details of the

reclassification procedure will be discussed in Chapter 5. The previous original map and

modified soil.map in PCRaster are presented in Figure 4.8. The legend of the new soil.map

and the area fraction of each types are shown in Table 4.2.

Page 37: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

37

Figure 4.8 Left: original soil map with 56 soil types;

     Right: simplified soil map (soil.map in PCR) with 11 soil types

Table 4.2 Legend and area fraction of simplified soil map

  Legend Description Area percentage

1  HH / HN Peat  9.94%

2  GGn Normgley  7.10%

3  gPP vergleyter Podsol 25.64%

4  GG Gley  1.34%

5  SS Pseudogley  7.92%

6  BB Braunerde 12.01%

7  PP Podsol 10.89%

8  LLn Normparabraunerde  7.17%

9  SS­LL Pseudogley­Parabraunerde 17.75%

10  MOn Normorganomarsch   0.12%

11  Rohsubstrate  Rohsubstrate   0.12%

Land use map

The land use data is provided by the Deutsches Zentrum für Luft­ und Raumfahrt (DLR

1995). For the land use classification two scenes of the satellite Landsat TM 5 are used.  The

spatial dissolution of the classified land use map is 25 x 25 m. The landuse.map and its legend

are shown respectively in Figure 4.9 and Table 4.3. The typical land use in the catchment is

Page 38: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

38

agriculture and grassland. The fraction of wetland is unknown, but even the low­lying

wetlands are still used as pasture or meadow.

Figure 4.9 Land use map (landuse.map)

Table 4.3 Legend of land use map

  Legend Description

1  Acker Agriculture

2  Brache (verbuscht)  Fallow land (bushes)

3  Brache (hohes Gras)  Fallow land (high grass)

4  Stadt Urban area

5  Wasser Open water

6  Laubwald Deciduous forest

7  Nadelwald Coniferous forest

8  Grünland Grassland

Manning’s Maps

In KIDS model water is routed through the river basin with the kinematic wave function using

the Manning equation (Chow et al., 1988). Manning’s maps are thus needed for modelling

based on other input maps.

Page 39: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

39

Manning map for field (see Figure 4.10, left) is made by modifying the land use map. The

manning’s n coefficients are defined as follows: forest – 0.15; city – 0.016; others (including

agriculture, water, grassland) – 0.035.

Manning’s n values for open channel need to be defined as well. Reference values of

Manning's n for various open channel surfaces are listed in Table 4.4.

Table 4.4 Manning roughness coefficients for various open channel surfaces

     (after Chow et. al, 1988)

Material

Typical

Manning roughness

Coefficient

Concrete 0.012

Gravel bottom with sides – concrete 0.020

                                         – mortared stone  0.023

                                         – riprap 0.033

Natural stream channels

     Clean, straight stream 0.030

     Clean, winding stream 0.040

     Winding with weeds and pools 0.050

     With heavy brush and timber 0.100

Flood plains

     Pasture 0.035

     Field crops 0.040

     Light brush and weeds 0.050

     Dense brush 0.070

     Dense trees 0.100

Page 40: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

40

According to Chow et al (1988), we take the low value of 0.035 for downstream and high

value of 0.055 for upstream of Treene river. Figure 4.10 (right) shows the channel’s manning

map (channelM.map)

Figure 4.10 Left: Manning map for field (Manning.map);

       Right: Manning map for channel (channelM.map)

4.1.2 Definition of hydrologic processes in KIDS model

This chapter explains the implementation of the KIDS model in PCRaster. We construct the

dynamic model with defined hydrological processes corresponding to the conceptual model,

which is assumed to be the actual water cycle simulation for the modelled river basin.

The basic conceptual model for runoff simulation in Kielstau

Conceptual models, which are used to structure scientific expertise and research and which

are the basis of any computer model, are often built as a network of compartments. Such

modelling approaches can be found quite often, particularly in hydrology. Because it is

difficult to simulate the entire system represented in the matrix, for specific case studies and

sites there are considerably less compartments and links. Conceptual models, which include

only parts of the hydrological cycles, are definitely simpler.

The KIDS conceptual model is structured as one­way hydrological flux without feedback.

This is a rather simplified approximation of the complex water cycles.

Figure 4.11 is a schematic overview of the model. The basin is viewed as a set of

compartments which stores water – soil, groundwater aquifers, and the additional wetland

Page 41: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

41

layer. The simulated hydrological fluxes include precipitation, interception,

evapotranspiration, infiltration, overland flow, lateral flow, and groundwater flow. As the

“wetland” storage layer and the “lateral flow” are added to the basic model during the

calibration process, they are indicated as the parts with dashed­line in Figure 4.11.

The hydrological cycle of the drainage basin defined in the KIDS model can thus be

considered as a series of storage compartment and flows. The spatially and temporally

distributed field data are available for model running. Aiming at runoff simulation at a

selected location in the catchment, the KIDS model should describe the processes of surface

storage or interception, infiltration and runoff with process­based equations. These processes

are explained below.

Figure 4.11. Simplified flow chart of the KIDS model

Input of precipitation and potential evapotranspiration

KIDS model needs two types of timeseries file: rainfall and ETp on daily base.

Using the PCRaster command timeinputscalar we can attribute these timeseries of point

observations at measuring station to a spatial distribution map at each timestep.

Page 42: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

42

Interception

The landscape gains water from precipitation, and part of it is intercepted by the vegetation

cover. This temporally stored water will be evaporated eventually and is taken as the first part

of actual evapotranspiration.

In KIDS model the interception capacity is kept constant at 1mm for simplicity

(intercp_max = 1 mm), without considering the annual variation of LAI (Leaf area index) etc.

Nevertheless, different interception capacities can be created using a map of land use.

Infiltration

At the scale of a watershed, spatial variation of soil properties can be considerable. A property

of particular importance is the rate at which rainfall can enter the soil surface. This infiltration

rate is usually expressed as the volume of water entering unit area of the soil surface per unit

time.

For the KIDS model, we assume a simple method. Infiltration is only a function of soil water

content. In this case, maximum infiltration is defined as the volumetric percentage of the soil

water deficit, which is the difference between soil storage capacity and the actual soil water

content. If the soil is saturated, precipitation goes directly to runoff (or saturation overland

flow). The infiltration rate is set at first in the basic model as 30% (inf_factor = 0.3). This can

be either changed with different values for the parameter sensitivity running, or be spatially

discretized depending on pedological information.

Soil water storage

The KIDS model is a 3 compartments storage model. The storage compartments are soil

water storage, groundwater storage and wetland storage that is added in the wetland version

model.

The soil layer is the first compartment which holds water in the basin. At the watershed scale,

the soil characteristics become increasingly variable in space as the scale increases. For

example, there is now substantial evidence that spatial variability in infiltration rate is

typically high (Rose, 2004). However, despite there being substantial spatial variability in

most soil properties, it is found that useful progress in following the general trends in soil

water stored in the root zone of vegetation can be made by adopting suitable typical values for

Page 43: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

43

soil water characteristics. Especially if soil in the root zone has a good structure with pores

through which water can drain readily, it is found that, a day or two after a soaking rainfall or

thorough wetting, soil drains to an approximately reproducible water content, call the ‘soil

field capacity’ (Rose, 2004). Expressed in terms of volumetric water content, field capacity

will be denoted   fc. Because of the rapidity of drainage at water contents higher than   fc, at

least for well­draining soils,   fc can be regarded as an effective upper limit to the amount of

water that is available to vegetation for uptake by its root system.

For any particular soil and plant species there is also an effective lower limit to soil water

content below which the plant cannot extract water, though it is the pressure head or soil

water suction that is directly involved, rater that water content. This lower limit to availability

is commonly called the ‘permanent wilting point’,   wp.

The water­content difference (  fc ­   wp) is called the ‘available water content’. This is

assumed to distribute equally over the rooting depth for the vegetation.

For calculating the actual evapotranspiration (Eta) from the soil moisture, another soil water

property called ‘soil start reduction’,   sr, is added. If there is enough water in the soil then

ETa = ETp. As soon as water content drops below the limit of reduction   sr, the amount of

ETa is a linear function of soil water content, decreasing from ETp at the ‘soil start reduction’

to zero in completely dry soil. The calculation mechanism can be expressed in Figure 4.12.

Figure 4.12 Reduction of ETp to ETa as a function of soil water content

The most important soil physical parameters defined for soil water storage in KIDS model are

(all values in mm water):

• soil_field_capacity = 100, upper limit to water content

• soil_start_reduction = 50, water content where ETa < ETp (app. 50% of soil_field_capacity)

Page 44: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

44

• soil_pwp = 0, lower limit to water content at permanent wilting point

The incoming water flux to the soil layer is the remaining precipitation, and the outgoing

fluxes include part of ETa, lateral flow and groundwater recharge, which are forwarded to the

next hydrological processes.

Groundwater storage

The groundwater layer in KIDS model is recharged from the soil water storage and

discharged into the river runoff as part of the base flow.

The inflow to groundwater consists of two parts: one is the overflow from soil to groundwater

when the sum of the amount of water already stored in the soil and the inputs from

precipitation exceeds the maximum water storage capacity of the soil; the other is a small

water flux (with a constant flux rate ‘soil_gw_flux’) into the groundwater even if the soil

water is not filled up completely. Both parts produce the water infill from wet soil to the

groundwater reservoir. From this reservoir delayed runoff representing the baseflow of the

river is calculated using a linear recession equation with a recession constant ‘gw_factor’.

Therefore the parameters set in the groundwater fluxes are:

• soil_gw_flux = 0.2; water seepage rate from soil to groundwater

• gw_factor = 0.1; groundwater discharge rate to the river baseflow

Both coefficients can be used for calibration in Chapter 5.

Runoff routing

From the conceptual model in Figure 4.11, it is indicated that Runoff in KIDS model is

composed of three parts: the rapid runoff from overland flow and the delayed runoff from soil

lateral flow and the baseflow from groundwater storage (i.e. groundwater outflow).

The next step is to route the runoff into channel. The basin runoff is obtained from the grid­

cell water balances by accumulating water production for all cells in a catchment. Although

many GIS are very advanced in data processing and display, current GIS are not capable of

physically­based modelling. Especially simulating transport of water and pollutants through

landscapes is a problem in a GIS environment. A number of specific routing methods are

needed in a GIS for hydrologic modelling, amongst those numerical solutions of the Saint­

Page 45: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

45

Venant equations, such as the kinematic wave approximation for transport of surface water in

a landscape.

To calculate runoff in PCRaster we can use a built­in function: accuthresholdflux ( flow_grid,

rain, max_infiltration). The function calculates runoff for every grid cell based on

precipitation and the maximum infiltration into the soil. The flow direction is calculated

according to the flow net we created in section 4.1.1.

However, the 'accu ­ approach' is not sufficient when the timestep of the model approaches

the average traveltime through a cell, or whenever the number of pixels along the transport

path is large. Due to the relatively simple schemes for solving the differential equations

underlying this transport processes, the PCRaster models in this case become numerically

very unstable. A more robust approach is needed. This approach can be found in the

traditional algorithms for flood routing such as the kinematic wave approximation and the

diffusion wave model (Chow et al., 1988).

The PCRaster has recently been extended with a kinematic wave function to allow for

physically based water flow modelling. Thus the hydrologic modelling capabilities have

largely increased with this development of the routing methods. The kinematic wave can be

used for hydrologic catchment models for overland flow routing of runoff and for channel

routing under certain conditions. It cannot be used in case of backwater effects in rivers.

Using the kinematic wave function allows for a more robust method for solving transport

equations.

In KIDS model, the amount of water that actually discharges is computed with the kinematic

wave simulation tool (with manning’s equation, details see Appendix I) using the following

syntax:

Qt = kinematic (Ldd, Qt­1, QIn, ,  , T, DCL),

with:

Ldd map with directions of flow within the flow network (Local Drain Direction map),

Qt­1 map with water discharge in direction Ldd in previous time step (e.g., m3/s),

QIn map with addition or subtraction of water to/from the flow (e.g., m3/s),

map with coefficient (Alpha is calculated according to the equation in the

Appendix I, Chow et al., 1988),

map with coefficient (momentum coefficient equals 0.6, Chow et al., 1988),

T time step (e.g., s, day),

DCL map with distance of flow to downstream unit in direction Ldd,

Qt map with water discharge in direction Ldd at current time step (e.g., m3/s).

Page 46: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

46

The new discharge Qt at a certain location is calculated from the discharge Qt­1 from the

previous time step at the same location and using Qt from neighbouring upstream pixels.

4.2 Structure of KIDS model scripts

In a program like PCRaster for a hydrological model, entities are needed that represent

hydrological objects such as landscapes (maps) and time (time series), while operations at

these entities are needed that represent hydrological processes as cited in Section 4.1.2.

The KIDS model script has four sections, binding, timer, initial and dynamic:

binding

In the binding section, maps, timeseries and other data can be linked to variables in the

scripts. Although this section is optional, it provides a nice way to quickly change

model parameters at one unique point in the script.

timer

This section controls the number of timesteps. It regulates the duration and time slice

of the model through three parameters, starttime, endtime and timeslice. Here we

model 6 years with daily steps (i.e. 2192 steps).

initial

Model initialization is done in the initial section. Some model variables will get their

initial value here. It sets the initial conditions for the model, including maps and non­

spatial attributes. These values may be defined with one or more PCRaster operations.

dynamic

All the statements listed in the dynamic section are executed for each timestep.

The dynamic section is the core part of this dynamic model. It defines the operations for each

time step that result in a map of values for that time step. Each time step consists of one or

more PCRaster operations which are performed sequentially.

The practical application depends upon the generic nature of the entities and operators in the

modelling language. A relatively limited number of entities and operators should support a

wide range of models to be constructed, for many different hydrological situations. Dynamic

models in PCRaster are constructed by writing scripts containing series of statements (Van

Deursen, 1995). The language has no explicit structures for iteration, although dynamic

models do iterate in time. The PCRaster script language has a high level definition of

Page 47: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

47

modelling. The syntax of the language is based on mathematical equations where each

equation assigns the value of an expression to a single output. Simple operations like loops

and mathematical operations on maps make up the main part of most models and are generic.

A good example is the kinematic wave transport of water needed for the model. Kinematic

wave transport with manning’s equation is a more complicated operation than multiplication.

It is a spatial operation that needs a numerical solution of the kinematic wave equations. In a

system programming language, this operation will take several pages of code to be

implemented; while in PCRaster the kinematic operator is only one line of code operating on

spatial entities (maps) as shown before. The same seems to hold for other complex operations

in PCRaster.

The script of KIDS model is shown in Appendix III.

4.3 Select of calibration and validation period

For calibration and validation of the KIDS model, we used the timeseries for discharge station

Soltfeld at the outlet point of Kielstau catchment. The input data files for the catchment are

available from January 1984 to December 1999. Three factors about the model running time

should be decided for the model evaluation: the start up period, calibration period and

validation period.

4.3.1 Start up period

To set a start up period is for the purpose of a stable model performance during the calibration

process. Usually a computer program needs an adaptation period to read in the initial data

input and to warm up until calculation equilibrium. The length of the start up period can be

quite different depending on the very nature of the modelling language. For example, SWAT

may take around 1000 time steps until it can report a reasonable outcome.

In PCRaster, a test model running is made in order to determine a reasonable start up period.

An identical model was conducted twice with different set of running time period. One is

from January 1984 to December 1987, the other begins from December 1985. Two

hydrographs are plotted on the same time period (02.12.1985~31.12.1987) in Figure 4.13. It

shows very slight difference after 50 time steps, then no difference could be viewed by visual

comparison. Judging from the timeseries data of the runoff output, both values are exactly the

same after 274 steps.

Page 48: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

48

This simulation results showed 1­year­time is enough for PCRaster program to warm up.

Figure 4.13 Evaluation of the start up period

4.3.2 Calibration and validation period

Choosing the calibration and validation period is based upon the statistic analysis of

precipitation and discharge data from 1986 to 1999. The daily averages of rainfall and runoff

volumes for each year are drawn in Figure 4.14 together with their mean lines.

Figure 4.14 Precipitation and discharge variation from 1986 to 1999

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999

Average of Rainfall (mm/day)Average of Discharge (mm/day)mean

Page 49: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

49

It is suggested that, an optimal calibration and validation scheme includes a separation

between dry and wet periods for calibration and validation purposes (Klein et. al, 2004). One

of the periods, either the dry period or the wet period, is used for calibrating the model, the

other is used for validation purposes.

In this case, the precipitation and discharge records in the years 1990~1993 were relatively

close to the average level, without large fluctuation. Therefore this period should be

appropriate as calibration period. While the years from 1995 to 1997 were extremely dry, the

catchment received 24% less precipitation than in an average year. It would be better to

separate that period from the calibration process but to include it in the validation period.

So, the calibration and validation periods are set up as follows: with one year model pre­

running time for the whole year of 1988, the period from January 1989 to December 1993 is

used for calibration, and the calibrated model will be validated for the period from January

1994 to December 1999.

This calibration and validation scheme includes a separation between dry and wet periods, it

is thus assumed to be optimal for the calibration and validation purposes, which requires a

long record of observations.

4.4 Criteria and methods for results comparison

The process of calibration is always the comparison of two data sets – in most cases time

series like discharge. It is done by selecting a subset of the measured data series, and

comparing simulated results with this selected subset.

When comparing model predictions with observed data, qualitative as well as quantitative

techniques should be employed. While qualitative techniques are typically based on visual

inspection of the results (here are pairs of time series), quantitative techniques try to express

the agreement between model and data numerically in terms of the outcomes of performance

measures. It is often difficult or time­consuming to judge the significance of these outcomes

objectively. Moreover the various measures typically only highlight specific aspects of the

system and the model. Therefore a judicious combination of several techniques should be

employed for a thorough model assessment. For an overview of methods see Janssen and

Heuberger (1995), Gupta and Sorooshian (1998) and Anderson and Bates (2001).

Two criteria are set to calibrate the KIDS model. The first criterion is that the simulated

annual runoff should correspond with the measured annual runoff, assuming a stable model.

Page 50: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

50

This assumption requires a zero change in average annual storage in soil water and ground

water. The second criterion is that the timing and magnitude of peak and low flows (on a daily

time basis) should be well represented.

To meet the second criterion, a mixture of methods or techniques is chosen to determine the

quality of the KIDS model, the degree to which the model describes measured discharges. It

includes:

• Nash­Sutcliffe Index (Nash and Sutcliffe,1970)

• Root mean square error (RMSE)

• Regression coefficient: r²

• Visual comparison

Pi and Oi denote the predicted value and observed value i,  and  are their means.

The most important criterion is the coefficient of efficiency – Nash­Sutcliffe index. It is in

concern of the modelling efficiency measure, and quantifies the relative improvement of the

employed model over the ‘nominal’ or ‘bench­mark’ situation. A Nash­Sutcliffe index of 1

means that the model produces discharge data which are exactly coinciding with the measured

data. An efficiency of 0 denotes that using the mean value of discharge as an estimate for

decade discharge would be an equally good estimator as the model used.

Page 51: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

51

The RMSE compares the predictions Pi and observations Oi on an individual level. It

measures ‘Pi –Oi’ in a quadratic sense, therefore it is rather sensitive to outliers. The result is

better when it is closer to zero.

The regression coefficient r² can be used to compare the model prediction and the

observation. The deviation of the r² from 1 is a useful indicator for the model­data agreement.

The regression result should be carefully used especially if there is much variability in

observations or model prediction.

The last criterion used for calibration besides those statistical techniques is the visual

comparison of the two time series. It can reveal patterns which cannot be detected by the

statistical methods.

Page 52: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

52

Chapter 5  Application of the model

5.1 Calibration strategy of the KIDS model

Model calibration is a critical phase in the modelling process, and the need for a well­

established calibration strategy is obvious. Therefore a systematic approach for the KIDS

model calibration is developed which is guided by the intended model use. The specific

purpose of the KIDS model is the prediction of long­term dynamical feature of  river

discharge value. This objective serves as the main guiding principle in building and

calibrating the model.

Considering this background, some activities should be explicitly acknowledged prior to the

calibration process: determining the necessity of building up the model and evaluating the

basic data before simulation. The fundamental first step in organizing a simulation model

involves a detailed analysis of all existing and proposed components of the system, the

collection and preparation of dataset, and model implementation with defined hydrological

settings, as described in the previous chapters. The second is to examine and evaluate the

measured data, in order to know the natural behaviour of the physical system. Since the

developed simulation model should demonstrate a consistent behaviour with the actual

system, this step is essential for the success of model calibration. Details will be discusses in

Section 5.2.

Then the calibration phase follows. Usually the model calibration is referred as the process of

finding a set parameter values with which the model performs optimally considering the

described criteria, while the model structure stays the same during the calibration process. In

this study, both aspects are included in the calibration process, with more focusing on the

determination of the best conceptual model or the optimal structure of the model which can

give the closest simulation of the observed data.

This calibration approach is decided by the nature of effectiveness of the applied techniques.

With the PCRaster modelling language, it is quite easy to modify the algorithms in the model.

Meanwhile, the parameter sensitivity test can only be done manually in PCRaster. In order to

reduce the parameter uncertainty in simulation results, a preliminary parameter sensitivity or

uncertainty analysis is performed. Based on the results, a standard set of parameters is

determined for the later calibration. Details are explained in Section 5.3

Page 53: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

53

With the estimated parameters, the central part of the calibration process begins with the test

of different conceptual models, by modifying the algorithms as necessary to improve the

accuracy of the model. Then the model predictions are analysed and compared with

measurement data. This is performed not only qualitatively by visually inspecting the

agreement between observed data and model predictions, but also quantitatively in terms of

statistical methods. Subsequently the structure and parameters of the model are adjusted such

that the ‘data­to­model agreement’ is satisfactory to run validation.

The involved issues in this calibration process are indicated in Figure 5.1, and will be

discussed in more detail in the subsequent sections.

Figure 5.1 KIDS model calibration process

5.2 Data evaluation

The objective of the KIDS model is to simulate the discharge of Kielstau river. Using the

available data from the official gauge station Soltfeld, the characteristic of the runoff is

Page 54: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

54

examined by comparing the seasonal relationship between runoff value and the precipitation

amount.

Based on the data records from the year 1986 to 1999, we calculate the average monthly

precipitation and runoff for each month through the whole year and then plot the ratio of

runoff/precipitation comparing with the seasonal variation of rainfall.

From Figure 5.2, it can be concluded that the hydrology of the Kielstau area is characterized

by a seasonal distribution of runoff/precipitation relation. The average runoff/precipitation

ratio is 0.318. During the months from May to October, which is the high precipitation

season, there is almost no positive correlation between runoff and precipitation. There are

probably two reasons for that. One is the high evaporation during that period, the other is the

fraction of wet area with large part of shallow groundwater distribution in Kielstau catchment,

which may have a high influence on this seasonal imbalance.

Figure 5.2 Monthly relations between runoff and precipitation (1986­1999)

5.3 Calibration

5.3.1 Parameter estimation

As mentioned in Section 5.1, a preliminary parameter estimation is performed in order to

reduce the parameter uncertainty in simulation results. The analysis is done for the following

parameters in the basic model:

‘Inf_factor’ (infiltration rate);

‘Soil_capacity/reduct’ (Soil_field_capacity/soil_strat_reduction);

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

Jan

Feb Mar Apr May Jun Jul

Aug Sep Oct

Nov Dec

Run

off /

Prec

ipita

tion 

       

.

0

20

40

60

80

100

120

Prec

ipita

tion 

(mm

/mon

th)  

       

  .

ratio runoff/precipitation

average of monthly sum precipitation (mm)

Page 55: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

55

‘soil_gw_flux’ (water seepage rate from soil to groundwater);

‘gw_factor’ (groundwater discharge rate to the river baseflow).

The parameter ‘Intercp_max’ is not included in the analysis, because it has little effect on the

model result from the previous modelling experience.

The analysis is carried out for the selected parameters by altering the initial values within

reasonable bounds. Results of this analysis are illustrated in Figure 5.3. The effect of change

in parameter values on the model performances is indicated by the per cent change in the

Nash­Sutcliffe index. A positive change can be interpreted as improvement over the initial

situation with the previous set of parameter values.

Figure 5.3 Effect of change in values of model parameters on model efficiency

From the analysis result, the parameter values, which report a positive change in the Nash­

Sutcliffe index, are chosen as the standard set for the model simulation. The values of

estimated initial set of parameters (presented below in Table 5.1) will be kept all the same

during the conceptual model calibration process, if nothing special is mentioned.

Table 5.1 Estimated initial set of parameters

Parameter Standard value

Intercp_max 1 (mm)

Inf_factor 0.4

Soil_capacity/reduct  200 /100 (mm)

soil_gw_flux 0.1

gw_factor 0.05

Page 56: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

56

5.3.2 Simple conceptual models

As introduced in Section 4.1.2, we build up a basic conceptual model for the runoff

simulation in Kielstau. The structure of the hydrological cycle is corresponding to the flow

chart shown in Figure 4.11, but without the additional wetland layer.

This section discusses the first step of the conceptual model calibration process –

modification based on this simple model. Since PCRaster is capable to integrate temporal­

spatial distributed data into the hydrological modelling, modifications on the basic model

include spatial distribution of soil field capacity, added lateral flow, and spatial distribution of

ETp referring to land use type.

The basic model – ‘Q_basic’

With the estimated set of parameters in the basic model, the modelled discharge value,

Q_basic, is plotted for the calibration period (Jan. 1989 ~ Dec. 1993) in Figure 5.4, compared

with the observed discharge data. The statistical coefficients are shown below the hydrograph.

The negative value of Nash­Sutcliffe index demonstrates clearly that the simulation model

can not reproduce the basic features of measured data. However the r² value of 0.573 shows

the model can predict the discharge fluctuation in some extent.

Judging from the visual comparison, Q_basic has an overall higher value except some peak

point. The sum of the daily measured runoff data for the calibrated 5 years is 1183 mm, while

the predicted sum is 2248 mm, which is nearly 2 times more. And it has extremely more

discharge during summer and autumn period. Considering the presented daily precipitation in

Figure 5.4, the higher simulated runoff is a systematic reaction of the rainfall: the runoff starts

to rise immediately after rain in the summer and autumn time. This ‘normal’ phenomenon is

deviated from the natural hydrological mechanism as we observed in Kielstau region and

discussed in Section 5.2.

Q_basic is a start point for later model modification. It will serve as a reference line, being

plotted together with the newly modeled discharge value, in order to show the differences,

especially improvement of various models compared to the basic model.

Page 57: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

57

Figure 5.4 Hydrograph of the basic model

     Q_basic, NS = ­0.228, RMSE = 0.545, r² = 0.573,

     Sum predicted discharge = 2248 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

The basic model with spatial distribution of soil field capacity – ‘Q_sfc’

In the basic model, the whole catchment has an identical value of soil water storage capacity,

with the corresponding parameters ‘soil_field_capacity’=100, and ‘soil_start_reduction’=50.

Actually the spatial variation in this soil property is considerable, depending on soil texture,

rooting depth of vegetation, stoniness of soil, depth of lithic contact, etc (Kwadijk, 1993).

As to test this parameter sensitivity, we re­labelled the soil map into a spatial­distributed

maximum soil storage capacity map according to the soil properties of the main soil types,

ranging 100~400 mm. The parameter setting follows the values in Table 5.2.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan

­89

1­Jul­8

9

1­Jan­90

1­Jul­9

0

1­Jan

­91

1­Jul­9

1

1­Jan­92

1­Jul­9

2

1­Jan

­93

1­Jul­9

3

Dis

char

ge 

(m³/

s)   

 a

0

10

20

30

40

50

 Pre

cipi

tatio

n (m

m/d

ay)  

     

 .

Observed data

Q_basicPrecipitation

Page 58: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

58

Table 5.2 Parameter setting for the spatial distribution of soil field capacity

Soil type  soil_field_capacity / soil_start_reduction (mm)

Peat 400 / 200

Gley 300 / 150

Pseudogley 250 / 125

Braunerde 200 / 100

Podsol 100 / 50

Q_Sfc, the simulated runoff of the modified basic model with spatial distribution of soil field

capacity, is shown in Figure 5.5.

Since the modification increases the soil storage capacity as a whole, the total runoff has

decreased compared to Q_basic. All statistical coefficients prove a better performance of the

model. Although Q_Sfc has nearly the same values as Q_basic in peak flows, it presents

delayed runoff in low flows, which matches closer to the observed data.

Q_Sfc brings some valuable changes to simulation, and this can be used as an element for

further modification.

Figure 5.5 Hydrograph of the basic model with spatial distribution of soil field capacity

     Q_Sfc, NS = ­0.163, RMSE = 0.517, r² = 0.606,

     Sum predicted discharge = 2150 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan

­89

1­Jul­8

9

1­Jan

­90

1­Jul­9

0

1­Jan

­91

1­Jul­9

1

1­Jan

­92

1­Jul­9

2

1­Jan

­93

1­Jul­9

3

Disc

harg

e (m

³/s)  

  a

Observed dataQ_basicQ_Sfc

Page 59: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

59

The basic model added with lateral flow – ‘Q_lateral’

Up to now, the modelled river discharge consists of two parts, the rapid runoff from surface

flow and the delayed runoff from groundwater discharge. In this model, an additional

subsurface flow is included as part of the river discharge – lateral flow from soil layer. This is

done by introducing another parameter in the model, the water outflow rate from the available

soil water storage, namely ‘lateral_factor’.

Several values of ‘lateral_factor’ are tested, from 0.1 to 0.03, among which the model with

lateral_factor=0.03 produces the best result, Q_lateral. This result is in accordaqnce with the

characteristic of the Kielstau catchment – very small share of lateral flow is expected as well

as a small share of surface runoff due to its flat relief. From Figure 5.6, the added lateral flow

strongly increases runoff during the low flow seasons, causing by this additional water

extraction from soil compartment to river discharge. The overall sum of lateral flow is 632

mm. The lateral flow with ‘lateral_factor’ of 0.03 intrigues large amount of water outflow in

river discharge, but has little influence on the peak flows. This makes the hydrograph seem to

be worse that the basic model. For later parameter calibrations, the value of ‘lateral_factor’

can be set within a much lower range, like 0.001~0.005, if the simulated low flow is intended

to be increased till the level of measured runoff.

Figure 5.6 Hydrograph of the basic model with additional lateral flow

     Q_Lateral, NS = ­0.99, RMSE = 0.67, r² = 0.48,

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan

­89

1­Jul­8

9

1­Jan­9

0

1­Jul­9

0

1­Jan

­91

1­Jul­9

1

1­Jan

­92

1­Jul­9

2

1­Jan­9

3

1­Jul­9

3

Disc

harg

e (m

³/s)  

  a

Observed dataQ_basicQ_lateral

Page 60: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

60

     Sum predicted discharge = 2880 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

The basic model with spatial distribution of ETp adjusted by land use – ‘Q_EtLu’

Different land use types can be used to adjust the calculated potential evapotranspiration

(ETp). For example, a land use coefficient can be introduced into the model: 0.4 for bare land,

1.0 for open water, 1.1 for forest (due to the high transpiration), and so on (Kwadijk, 1993).

The ETp value in KIDS model is calculated after Haude year, with crop coefficient for

grassland, referred as ‘Haude_Gras’. As introduced in Section 3.3.1, Haude method contains

different correcting coefficient dependent on the land use cover. We take those coefficients

for the corresponding land use type. For those which is not covered by the Haude method, the

ETp is calculated by multiplying ‘Haude_Gras’ with a introduced land use coefficient. Table

5.3 gives an overview of the methods to define ETp value for all land use types. ETa value is

limited by the amount of available water.

Table 5.3 ETp adjustments according to land use

  Land use ETp

1  Agriculture Haude_WW

2  Fallow land (bushes) Haude_Gras

3  Fallow land (high grass)  Haude_Gras

4  Urban area 0.4 * Haude_Gras

5  Open water 1.0 * Haude_Gras

6  Deciduous forest Haude_Laub

7  Coniferous forest Haude_Fichte

8  Grassland Haude_Gras

The modelled result after introducing this spatial distribution of ETp adjusted by land use,

Q_EtLu, is reported in Figure 5.7. It has very little difference with Q_basic, which means the

adjustment cannot improve the basic model efficiently. This method should not deserve more

emphasis in further calibrations.

Page 61: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

61

Figure 5.7 Hydrograph of the basic model with spatial distribution of ETp

Q_EtLu, NS = ­0.319, RMSE = 0.551, r² = 0.580,

     Sum predicted discharge = 2265 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

To sum up this section about the basic model calibrations, all model modifications mentioned

above are tried to test the model reactions to different adjustment, and to give some hints for

the next step of calibration in order to improve the model performance.

Although not much simulation enhancement is observed during the process, all modelled

results present a typical deviation from the measured runoff, which has a special characteristic

as analysed in Section 5.2. After summer, measured runoff starts much later than the

simulated one, in spring however, the values are quite similar. A new method must be found

out to solve this seasonal mismatch between the simulated and observed data.

5.3.3 Preparation for wetland models

The first analysis of the Kielstau data set in Section 5.2 shows a low runoff / precipitation

ratio, with an average value of 0.318. Whereas for Schleswig­Holstein, runoff is typically

slightly below 50% of precipitation (Schmidtke, 1992). Moreover, the Kielstau region is

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan

­89

1­Jul­8

9

1­Jan­90

1­Jul­9

0

1­Jan­9

1

1­Jul­9

1

1­Jan

­92

1­Jul­9

2

1­Jan­93

1­Jul­9

3

Dis

char

ge (m

³/s)  

  a

Observed dataQ_basicQ_EtLu

Page 62: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

62

observed to be a very flat landscape with large area covered by wet surface, which must be an

indispensable element in the local hydrological cycle. A possible explanation for the lower

discharge in summer and autumn (see Figure 5.2) could be, either the calculated

evapotranspiration is too low, or the area with additional storage (e.g. wetland) is ignored, or

a part of both.

Further analysis need to be performed to check the justification of these assumptions. Here we

make firstly a water budget analysis for the Kielstau catchment, then create a so­called

wetland map in order to facilitate the integration of wetland function in KIDS model.

5.3.3.1 Water budget analysis in Kielstau

The idea of a water budget describes the partitioning of water incoming to and outgoing from

a system of defined volume over a given time period. The inputs may be either as

precipitation (rainfall, snowfall, or dew) or as irrigation water. A water budget applies the

constraint of mass conservation to the water input. Precipitation can either infiltrate into the

soil or, if an excess of precipitation over infiltration occurs, generate overland flow, though

river flow is commonly dominantly dependent on subsurface flow.

A water budget or water balance is constructed over a particular volume of soil (watershed)

and for a selected time period.

Figure 5.8 Illustration of water budget in Kielstau

Page 63: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

63

Now consider the fluxes shown in Figure 5.8 to be volumetric amounts (in m³) for the entire

watershed of Kielstau area A accumulated over the chosen budget time period (which could

be a week, a month, or a year, here we choose one year). It will be assumed that the rainfall P,

and the evapotranspiration ET over a time period are average values for the entire watershed.

Hence the total volume of rainfall input for the defined time period across the Kielstau

watershed with area A will be A*P. Similar comments apply to ET. Then the water budget

equation expressing conservation of mass of water for the entire watershed volume is given

by

A*P = S +   SWC + Uv + Uh +  A*ET (Soil water balance)

Where

A*P = total precipitation received on the surface of the soil volume;

S = total volume of surface runoff;

SWC = increase in soil water stored in the watershed volume;

Uv, Uh = vertical and horizontal volumetric flow of water from the

   soil volume;

A*ET  = total evapotranspiration from the surface of the volume.

Realizing that the factors of S, Uv, Uh are intermediate water fluxes that will ultimately flow

into river as discharge or fill in the groundwater storage. It can be expressed in equation as:

S +Uv + Uh =  GW + Q. After replacing it into the water budget equation, we get a new

equation for water balance at steady state: A*P =  SWC +  GW  + A*ET + Q.

Most water in a catchment is commonly stored within the soil profile and aquifers where

groundwater resources are abundant. The amount of water accumulated in soil or groundwater

forms the water­content profiles in a watershed. In hydrological studies of watersheds, the

period of time chose for the analysis is a ‘hydrological year’, at the commencement and end

of which water­content profiles are judged to be identical (Rose 2004). Thus, for a

hydrological year, with the term  SWC +  GW = 0, the water budget equation turns into

A*P = A*ET + Q (Areal water balance).

We replace the terms in the equation with the measured or calculated data for Kielstau

watershed to check the water balance status. The amount of precipitation is given by the total

volume of water collected per unit area per day, expressed by the depth of water in mm. The

potential evapotranspiration rate is calculated after Haude with crop coefficient of grassland.

The river discharge value expressed in m³/s comes from measured data of gauge station

Page 64: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

64

Soltfeld, which locates at the outlet point of Kielstau watershed. The average daily values for

the whole year of precipitation, evapotranspiration, and river discharge are applied for the

whole catchment. All data from the year 1986 to 1999 is listed in Table 5.4.

Table 5.4 Hydrological data of Kielstau catchment (1986~1999), annual averages

Year

Average of Precipitation

(mm/day)

Average of ETp

(mm/day)

Average of Discharge

(m³/s)

1986 2.218 1.188 0.354

1987 2.435 0.959 0.393

1988 2.781 1.122 0.653

1989 2.059 1.509 0.270

1990 2.671 1.279 0.424

1991 2.283 1.257 0.446

1992 2.259 1.444 0.348

1993 2.401 1.126 0.458

1994 2.818 1.344 0.645

1995 2.075 1.510 0.523

1996 1.372 1.294 0.109

1997 1.984 1.480 0.176

1998 3.201 1.046 0.675

1999 2.859 1.307 0.611

Next is to calculate the water budget. The left part of the equation is water input to the

catchment: Input = Annual mean Precipitation (mm/day) * Area of Kielstau (51.92 km²)

The right part of the equation is water output from the catchment:

Output = Annual mean ETp (mm/day) * Area of Kielstau (51.92 km²) + River Discharge

(m³/s) * 86400 (s/day)

The results are presented in Figure 5.9 below. We could see that the water budgets were not in

balance assuming the calculated ETp is close to the actual values in the watershed. There

were output deficit (here it is defined as the difference between ‘Input’ and ‘Output’) in 12

years out of these 14 years. If it is desired to reset the water budget in balance, one possibility

could be to enhance the evaporation rate. The average ratio of ‘output deficit’ / ‘ETp’ through

Page 65: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

65

the years from1986 to 1999 is 31.6%. this indicates that the evaporation rate can be increased

by about 30%.

Figure 5.9 Water budget investigation in Kielstau (1986~1999)

We decide to modify the existing model gradually instead of increasing the evaporation rate

for the whole catchment. This leads to a new model structure with an additional wetland

fraction, which is shown in Figure 4.11. The ‘wetland’ is defined as an area with higher

potential evaporation rate and no water limit for actual evaporation.

5.3.3.2 Soil description and reclassification for wetland map

As introduced in Section 4.1.1, the landscape of the study area displays a remarkable range of

soil types, resulting from the residual deposits of Ice Ages, variations on geology, topography,

vegetation and other organisms and other factors combined to influence soil formation. To

bring convenience to modelling, we need to find way to classify such variety of soils.

Due to the fact that these are typical soil types found in Germany, it is not suitable to make

reference to some purported international soil classifications, like the World Reference Base

for Soil Resources (FAO, 1998). Because of the evolving nature of soil science, no

universally accepted system of classifying soils exists. Many countries have continued with

developing and refining their own national classifications, as for example in Germany where

0

30000

60000

90000

120000

150000

18000019

86

1987

1988

1989

1990

1991

1992

1993

1994

1995

1996

1997

1998

1999

Wat

er V

olum

e (m

³/day

)     

 .

Input (rain)Output (ETp+Q)

Page 66: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

66

Bodenkundliche Kartieranleitung by AG Boden (Sponagel et al., 2005) ­ German

classification system for the soil types (in the following text referred as KA5) – has been

adopted.

Following the German classification system after KA5, similar soils are grouped into new

classes that are given distinctive names. Details of reclassification are shown in Table 5.5. In

the column ‘new legend code’ are the principal soil types, which includes the subtypes the

soil listed in the column ‘original value’.

Table 5.5 Reclassification of soil map – legend comparison

  New legend code Description Original value1  HH / HN Peat HHn : Hh

HNn : Hn;Hn/S:Hn/Lg;Hn/Ub­TbHNn : HnHNn : Hn;Hn/SHHn : Hh; Hh/Hn; H­PP : H\SHHn : Hh;Hh/S; H­PP : H\Sa, Ssdr

2  GGn Normgley GGn : Sp/U­Tb;Sp/Lg; HNn : Hn/SpGGn, GMn : Sa/Ssdr; HNn : Hn/S

3  gPP vergleyter Podsol gPPn, GG­PP, pGGn : Sa/Ssdr; HNn : HnGG­PP, pGGn : Sp;Sp//Lg; HNn : Hn/SGG­PP : Sa/Ssdr; H­PP : H\Ssdr; HNn :Hn/S

4  GG Gley AB­GG : SfGG­YK : S­Lz/Lg; GGn : Sp

5  SS Pseudogley SSn : U­Tg; SS­LL : Lg; BBn : SgGG­SS : Sfl//Lg; GGn, gPPn : Sp/LgpSSn, pSS­BB : Sa­p//Lg; BB/LL : Sp//LgSSn, GGn : Sp/U­Tb;Sfl­Lfl/LgSSn : Sp/Ugf; BBn : Sp/Sgf

6  BB Braunerde BBn : Sp/Sg(Sgf)pBBn : Sp/SgPP­BB : Sa­p//Sg; pSS­BB : Sa­p//LgSS­BB : Sp//Lg; sLLn : Sfl­Lfl/LgPP­BB, PPn : Sa­p; SS­BB, SS­PP : Sa­p//LgpBBn : Sp/Sg; SS­BB : Sp/LgsBBn, SSn : Sp//Lg;Sp/U­TbpBBn : Sa­p/SsdrBBn : Sp/Sg;LLn, SS­LL : Lg;Lfl//Sg

Page 67: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

67

pBBn : Sp/Sg; pSSn : Sfl/LgpBBn : Sp/SsdrsBBn, SS­BB : Sp//Lg; YKn : Sz/Sp

7  PP Podsol PP­RQ, PPn : SdgPPn, GG­PP : SagPPn, GG­PP : Sa­p; gSS­PP : Sa­p//LggSS­PP, GG­PP, PPn : Sa­p//Lg; PPn : SaKippsubstratPPn : SdBB­PP : Sa/SsdrBB­PP, pBBn : Sa­p//SggPPn, GG­PP : Sa­p/SsdrBB­PP, PPn : Sa/SsdrSS­PP, pSS­BB, pSSn : Sa­p//Lg

8  LLn Normparabraunerde  LLn : Lg; BB­LL : Lp

9  SS­LLPseudogley­Parabraunerde SS­LL, SSn : Lg; Lg//Mg

10 MOn Normorganomarsch  MOn : Thpm/Ssdr;Thpm/Tpm11 Rohsubstrate Rohsubstrate Rohsubstrate : Sg, Sgf

From the soil name in the table we could see that, in the German classification system the soil

type with the dominant features is called last, e.g. Parabraunerde­Pseudogley: the gleyic

features of the Pseudogley are dominant. Names of horizons, texture, soil density, humus

content and rooting intensity are recorded according to the KA5 as well.

Individual soils from the simplified soil classification are described below in terms of their

definitions or major properties, and possibly their model of formation.

HN/HH, Niedermoor/Hochmoor

A ‘Moor’ land is wetland or peatland, which is constantly influenced by groundwaters or

precipitation water. Depending upon shape, structure and the kind of the water supply one

differentiates Hochmoor (or bog) and Niedermoor (or fen).

Niedermoore, also mentioned as Flachmoore, are wetlands, which are interspersed with

nutrient­rich groundwater to the surface; while Hochmoore are enriched by rain water.  The

‘Moor’ wetlands form in lowering, river valleys, for small hollows and at slopes within the

Page 68: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

68

range of spring water withdrawals. In the sense of soil science, those soils are understood as

more than 30% from organic substance existing and their organic layers at least 30 cm.

GG, Gley, soil with Ah/G­Pfofile; GGn, Normgley, soil with Ah/Go/Gr­Pfofile; &

SS, Pseudogley, soil with Ah/S(e)w/Sd­Pfofile

Most soil classifications divide the gley soils into surface­water gleys (also known as

stagnogleys or pseudogley) and gleys proper, or groundwater gleys. The former having a

slowly pemeable lower subsoil, leading to a "perched" water table, the latter being in low

ground or basin situations where the natural groundwater table is constantly high enough to

influence the soil profile.

Gleye rank among the soils, which are affected by the groundwater. The ground­water level

stands here more highly than 1.3 m under surface. Gleye develop under the influence of

oxygen­poor groundwater. The groundwater influence is temporarily enough to 40 cm under

the upper soil layer.

The name Pseudogley was selected, because this soil in a part of its characteristics resembles

the “genuine” Gley. Contrary to the Gley the Pseudogley is not affected by the groundwater

but impounded water. The precipitation water can seep not completely or only very slowly.

This fact leads to oxygen deficiency and thus to the solution and relocation of iron and

manganese. Pseudogleye have usually a low pH value.

The common feature of the poorly draining gley soils is that, under periodic or permanent

water logging, the subsoil experiences a lack of oxygen within the pore space. Consequently

under anaerobic conditions the insoluble iron oxides (which cause the characteristic yellow,

brown or reddish­brown colour to soils with adequate aeration) are reduced chemically and

the ferric iron changed to ferrous iron prior to translocation from the soil profile. Minerals

with iron in the ferrous form impart a grey or bluish­grey colour to the subsoil. The gleying

process is not necessarily permanent and where intermittent, intense mottling and grey

colours are characteristic. Where surface wetness is a feature throughout the year, the

horizons are generally rich in organic matter, often intergrading into peat deposits.

BB, Braunerde, soil with Ah/Bv/C­Pfofile

The general term Braunerde or ‘brown earth’, denotes an extensive grouping of soils,

generally free draining, with altered subsoil horizons, usually brown or reddish brown, in

Page 69: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

69

which iron oxides are bonded to silicate clays. Under natural conditions of broadleaf forest a

litter rich in nutrients and organic matter is generated and with intense biological activity, the

litter is rapidly decomposed prior to incorporation into the mineral topsoil. A dark­coloured

surface Ah horizon (h denotes enriched with humus), of variable depth, overlies subsoil

horizons (B horizons) with distinctive brown colours, the main feature being a gradual

lightening in colour as the organic matter and iron content decreases with depth.

Given their adequate depth, free drainage and relatively high natural nutrient levels, these

soils are amongst the most fertile soils and are used extensively for agriculture. By virtue of

their occurrence in favourable climatic areas and on flat or gently undulating terrain they have

also been used extensively for settlement and industry.

LL, Parabraunerde, soil with Ah/Al/Bt/C­Profile

Parabraunerde is designated as a soil, with which clay minerals were shifted from the upper

layer into the lower layer. Parabraunerde is a far common type of soil in the moderate­humid

climate from primarily calcareous loose rock. The supplies of plant­available water and the

content of natural nutrients in Parabraunerde are usually high, it is thus predominantly used

for agricultural production.

SS­LL, Pseudogley­Parabraunerde, soil with Ah/Al/Al­Sw/Bt­Sd/C­ or Ah/Sw­Al/Sd­

Bt/Sd/C­ Profile

The soils are classified as Pseudogley­Parabraunerden which have been more or less

influenced by gleyic processes due to stagnant water following the forming of a dense, clayey

horizon by lessivation. Some show weak signs of Pseudogley­processes due to stagnant water

in the profile and weathering/iron oxide forming processes. In the case of heavy influence of

water logging, these soils have to be classified as secondary Pseudogley.

PP, Podsol, soil with Ahe/Ae/Bh/Bs/C­Pfofile

gPP, vergleyter Podsol

Podsol belongs to an extensive group of leached, acid soils. It has a distinctive light coloured

horizon immediately beneath superficial, organic horizons. A number of subgroups are

identifiable and most podsols are free draining.

Page 70: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

70

Podsols are generally infertile, non­productive soils. By virtue of their occurrence in cool, wet

conditions, often within steep hill terrain, they have been used principally for forestry and

recreation rather than for large­scale settlement or widespread intensive agriculture.

MOn, Normorganomarsch, is typical humus marsh or organic marsh. MOn and Rohsubstrate

(raw substrate) cover very small area in the catchment, both respectively 0.12% of the whole

area (see Table 4.2). Thus they are not in the consideration of major soil types.

After the investigation into the soil properties, the soil types which have similar

characteristics of wetland can be chosen as possible components of wetland area in the

catchment. Among various definitions on wetlands, we take a broad approach in determining

the wetlands. Under the RAMSAR Convention (Davis 2004), wetlands are defined as:

“areas of marsh, fen, peatland or water, whether natural or artificial, permanent or temporary,

with water that is static or flowing, fresh, brackish or salt, including areas of marine water the

depth of which at low tide does not exceed six metres”.

So wetlands are areas where water is the primary factor controlling the environment and the

associated plant and animal life. They occur where the water table is at or near the surface of

the land, or where the land is covered by shallow water.

Corresponding to the hydrological properties of wetland, soils, which have common features

of poor drainage, being constantly influenced by groundwater or precipitation water, periodic

or permanent water logging in soil profiles, can be classified as wetland. From the previous

introduction, those soils include: Hoch­/Niedermoor, Gley, Pseudogley, and possibly

Pseudogley­parabraunerde.

5.3.4 Wetland models

Hydrologically, a wetland is distinguished from adjacent upland areas by the presence of

water, which creates alternatingly or permanently saturated conditions (Bradley and Gilvear,

2000).

Evaporation is frequently the most significant loss of water from a wetland as noted by

Tagaki et al. (1998). This is also supported by a summery of studies on hydrological functions

of wetlands (Bullock and Acreman, 2003). Among all the collated reference studies, there is

strong evidence that wetlands evaporate more water than other land types, such as grassland,

Page 71: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

71

forests or arable land. Two third of studies conclude that wetland increase average annual

evaporation or reduce average annual river flow. From the data analysis in Kielstau, the river

runoff reveals similar feature influenced by higher evaporation from wetlands.

But investigation of the wetland evaporation rate in Kielstau suffers from a lack of reliable

measurements, as climatic data are not collected routinely from wetland areas, data from

nearby stations in non­wetland areas may not be representative of the wetland for the

computation of evaporation. In a review of evapotranspiration rates measured in Danish

wetland studies, it is found that wetland evaporation in Denmark is by a factor of 1.3 to 1.5

higher than grassland evaporation (Andersen, 2003).

Thus, within the framework provided the water­budget investigation, we set a factor of 1.3

higher than the reference evaporation for wetland area, intending to model a realistic

hydrological wetland conditions in KIDS. Another consequential effect of water stagnation is

substantial water storage within wetlands. This results in no limitation of available water to

support the assumed higher potential evaporation transferring into actual evaporation.

All these lead to a transformation of conceptual model from the basic one to the wetland

model. The following three modifications are introduced to the wetland model:

1. Creating wetland map using soil data. Wetland is made of selected soil types

(mainly including HH­HN/Peat, GG/Gley, SS/Pseudogley, and SS­LL/Pseudogley­

Parabraunerde).

2. Spatial distribution of different potential Evapotranspiration value according to the

wetland map, where the wetland has a 1.3 times higher ETp than non­wetland area.

The ETp of non­wetland area is calculated after Haude with land use cover of

grassland.

3. Evaporation from wetland is never limited by water, i.e. ETa =ETp. The needed

amount of water for evaporation is first subtracted from the water storage in soil, then

the subsurface fluxes that will otherwise discharge into the river runoff. This iterative

cycle will going on until the water balance in wetland (‘wet_balance’ in the model

script) is filled up to zero.

Eight wetland versions, from ‘Q_EtsV1_Wet’ to ‘Q_EtsV8_Wet’, with increasing wetland

fraction are tested in the modified wetland model. Table 5.6 presents the essential settings for

all created wetland versions: the composed soil types, the corresponding area fractions in

Upper Treene and Kielstau catchments. All wetland maps are attached in Appendix II.

Page 72: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

72

Table 5.6 Definition of 8 wetland versions

Models Composed soil types Wetland Fraction

(Upper Treene)

Wetland Fraction

(Kielstau)

Basic / 0.00% 0.00%

Q_EtsV1_Wet  1_peat 9.94% 9.11%

Q_EtsV2_Wet  1_peat, 2_GGn 17.04% 9.11%

Q_EtsV3_Wet  1_peat, 2_GGn, 4_GG, 5_SS 26.30% 21.96%

Q_EtsV4_Wet  1_peat, 9_SS­LL 27.68% 59.09%

Q_EtsV5_Wet  1_peat, 2_GGn, 9_SS­LL 34.79% 59.09%

Q_EtsV6_Wet  1_peat, 5_SS, 9_SS­LL 35.60% 77.22%

Q_EtsV7_Wet  1_peat, 2_GGn, 4_GG, 9_SS­LL 36.13% 61.34%

Q_EtsV8_Wet  1_peat, 4_GG, 5_SS, 9_SS­LL 36.95% 79.47%

With the implementation of wetland models, the simulated runoff has substantial changes

proven by the three coefficients shown in Figure 5.10. And different setting of wetland

fractions has great effect on the model performance. The statistical indexes of Q_EtsV1_Wet

and Q_EtsV2_Wet with small wetland fractions only improve in a small range. While the

fourth version, Q_EtsV4_Wet, which has about 28% wetland fraction, produces the best

simulation. As the wetland area increasing till 36.95%, a decline of the efficiency index is

observed. The optimal wetland fraction should be 28%.

Not only the total area of wetland plays a role in affecting model result, the location of

wetland as well. From the values of wetland fraction in Kielstau catchment (Table 5.6), some

wetland models have the identical wetland area in Kielstau, e.g. Q_EtsV1_Wet and

Q_EtsV2_Wet, Q_EtsV4_Wet and Q_EtsV5_Wet. This may be the reason that they show

quite similar coefficients in Figure 5.10. Because the soil type GGn is not in the Kielstau river

basin, to include it in wetland area or not won’t have influence on the discharge at Soltfeld.

Page 73: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

73

Figure 5.10 Coefficients of different wetland models

The simulated discharge of model Q_EtsV4_Wet, which has the best Nash­Sutcliffe index

among the eight wetland models, is plotted in Figure 5.11, comparing together with the

observed value and the basic model. It shows the integration of wetland fraction in the model

creates a better fit of the simulated and measured runoff for the Kielstau basin. During the low

flow periods, Q_EtsV4_Wet decreases the large amount of excess runoff which is the typical

systematic error created by Q_basic. Water is extracted by the additional wetland storage and

evaporated rapidly during summer and autumn seasons. Thus this function of wetland makes

the modified model represent the observed low runoff/precipitation characteristics in a better

way.

­0.3

0

0.3

0.6

0.9

Basic

Q_EtsV1_Wet

Q_EtsV2_Wet

Q_EtsV3_Wet

Q_EtsV4_Wet

Q_EtsV5_Wet

Q_EtsV6_Wet

Q_EtsV7_Wet

Q_EtsV8_Wet

Coe

ffic

ient

s    

a

Nash­SutcliffeRMSEr²

Page 74: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

74

Figure 5.11 Hydrograph of wetland model, with wetland fraction of 28% according to

wetland map version 4

       Q_EtsV4_Wet, NS = 0.625, RMSE = 0.293, r² = 0.714,

       Sum predicted discharge = 1508 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

5.3.5 Parameter adjustment of Wetland models

The output of wetland models confirmed it is a reasonable way to improve the simulation

efficiency of KIDS model. But calibration cannot get underway until the model is performing

properly. The model results up to now still leave large space for further calibration. More

adjustments to parameters based on the wetland model are made and results are discussed in

the following sequence.

Adjustment of ETp factor for wetlands

We can see from the hydrograph of Q_EtsV4_Wet in Figure 5.11, the simulated runoff does

not follow the fluctuations of high flow and low flow quite well. This cannot be simply solved

by increasing or decreasing the runoff through the whole year, but probably by a time

differentiation setting of some hydrological inputs. In our wetland model, it could be done by

changing the ETp factor for wetlands.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.51­J

an­89

1­Jul­8

9

1­Jan

­90

1­Jul­9

0

1­Jan

­91

1­Jul­9

1

1­Jan

­92

1­Jul­9

2

1­Jan

­93

1­Jul­9

3

Disc

harg

e (m

³/s)  

  aObserved dataQ_basicQ_EtsV4_Wet

Page 75: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

75

Eight different methods to reset the wetland ETp factor are tested in the model

Q_EtsV4_Wet, although all coefficients settings are not verified with the actual data. The

detailed methodology is listed in Table 5.7. Each ETp factor is defined by two elements, one

is the reference evaporation value, e.g., ETp rate after Haude with land cover of grassland,

namely ‘Haude_Gras’; the other is the monthly coefficients, ranging from 0.8 to 1.5. These

eight models with different ETp settings are run just for a sensitivity test.

Table 5.7 Different set of wetland ETp factor

Model Ref. ETp Monthly coefficients

Jan. Feb. Mar.Apr. May Jun. Jul.  Aug.Sep. Oct. Nov.Dec.

Q_EtsV4_Wet Haude_Gras  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtL_sV4_Wet  Haude_Laub  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtW_sV4_Wet  Haude_WW  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtG1_sV4_Wet  Haude_Gras  1.3 1.0 1.3  1.3  1.3  1.3 1.5  1.5 1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtG2_sV4_Wet  Haude_Gras  1.3  1.3  1.3 1.5  1.5  1.5 1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtG3_sV4_Wet  Haude_Gras 1.5  1.5  1.5 1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtG4_sV4_Wet  Haude_Gras  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3 1.5  1.5  1.5

Q_EtG5_sV4_Wet  Haude_Gras 0.8  0.8  0.8 1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3

Q_EtG6_sV4_Wet  Haude_Gras  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3  1.3 0.8  0.8  0.8 1.3  1.3  1.3

The influence of those different settings for wetland ETp factor on Nash­Sutcliffe, RMSE, r²

of the eight tested models is summarized in Figure 5.12. The accuracy of the wetland model is

not greatly improved by this approach. Some even make the results worse. Only

Q_EtG3_sV4_Wet has a slight improvement in the statistical indexes compared to

Q_EtsV4_Wet.

Page 76: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

76

Figure 5.12 Test result of wetland models with different wetland ETp factors

Parameter calibration of wetland model

In the succession of parameter calibration of the basic model (discussed in Section 5.3.2),

similar procedure will continue for the wetland model with reference to the achieved progress

in Section 5.3.2.

Four parameters are chosen for the calibration in this part: ‘Inf_factor’, ‘gw_factor’,

‘lateral_factor’ and ‘soil_field_capacity’. Explanations and comments on predicted runoff of

each calibrated wetland model are summarized in Table 5.8 below, and the results are

elaborated by the coefficients of each model (shown in Figure 5.13) as well.

Table 5.8 Results of parameter calibration of wetland model

Model Name Description Comments on result

Q_EtsV4_W_I1  Wetland modelQ_EtsV4_Wet with‘Inf_factor’ = 0.1

It creates a lot of peaks in runoff because of higherproportion of overland flow, and it is not to beexpedted to have a lot of overland flow due to theflat relief. This soil infiltration rate is too low.

Q_EtsV4_W_I3  Wetland modelQ_EtsV4_Wet with‘Inf_factor’ = 0.3

The model has little sensitivity to this change. Theresult comes out with only two more peak pointson 17.10.1991 and 25.11.1992.

­0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

Q_EtsV

4_Wet

Q_EtL_

sV4_

Wet.

Q_EtW

_sV4_

Wet.

Q_EtG

1_sV

4_W

et.

Q_EtG

2_sV

4_W

et.

Q_EtG

3_sV

4_W

et.

Q_EtG

4_sV

4_Wet.

Q_EtG

5_sV

4_W

et.

Q_EtG

6_sV

4_W

et.

Different set of ETp for Wetland

Coe

ffici

ents

    a

Nash­SutcliffeRMSEr²

Page 77: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

77

Q_EtsV4_W_Ia Spatial distribution of‘inf_factor’, forwetland is 0.1, non­wetland 0.4.

It leads to more peaks similar as Q_EtsV4_W_I1.

Q_EtsV4_W_gw3 Wetland modelQ_EtsV4_Wet with‘gw_factor’ = 0.03

The effect of a lower groundwater discharge rate(compared to the standard set ‘gw_factor’ = 0.05)is to stretch the hydrograph in the horizontaldirection. The curve of predicted runoff becomesmore flat and the total amount of runoff doesn’tchange much.

Q_EtsV4_W_L3  Wetland modelQ_EtsV4_Wet with‘lateral_factor’ = 0.003

To add an additional lateral flow from soil waterstorage in this low range between 0.001 and 0.003is proven to be an efficient way to simulate thelow flows. This can be applied to the model forvalidation.

Q_EtsV4_W_sfc  Spatial distribution of‘soil_field_capacity’,for wetland is 400mm,non­wetland 200mm.

It results in a small improvement of coefficientsand little change can be observed from itshydrograph.

Figure 5.13 Statistical coefficients of calibrated wetland models

­0.3

0.0

0.3

0.6

0.9

Q_EtsV

4_Wet

Q_EtsV4_w_I1.

Q_EtsV4_w_I3.

Q_EtsV4_w_Ia.

Q_EtsV4_w_gw3.

Q_EtsV4_w_L3.

Q_EtsV4_w_sfc.

Calibration of Q_EtsV4_Wet

Coe

ffici

ents

    a

Nash­SutcliffeRMSEr²

Page 78: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

78

Combination of two different wetland maps in wetland model

Wetlands are typically small heterogeneous landscape features, characteristically wetter than

the surrounding land (Gavin and Agnew, 2003). In the calibration of wetland models, we

created eight wetland maps with various wetland fractions. The application of high

evaporation for wetland, which consists of two steps in the model, based upon the same

wetland map. In practice, wetlands often comprise a complex mosaic of wet and dry patches

and, the composition could vary with the change of weather or seasons. For such

inhomogeneous sites, it is not necessary to apply the modification to the identical wetland

area all through the model running.

We choose any two from the eight wetland maps and apply the two modification steps to the

selected two different wetland maps separately. For example, model Q_EtsV7_Wet3 means:

spatial distribution of ETp is corresponding to the wetland map No. 7 (where the wetland has

a 1.3 times higher ETp than non­wetland area) and evaporation from wetland area defined by

the wetland map No. 3 is not limited by water, i.e. ETa =ETp.

Twelve Combinations of two different wetland maps are tried in the wetland model. Among

them, Q_EtsV7_Wet3 produces the best simulation, with Nash­Sutcliffe index 0.671. The

predicted runoff of Q_EtsV7_Wet3 is shown in Figure 5.14. Comparing to Q_EtsV4_Wet, it

reduces the extra runoff efficiently during the low flow seasons, and has same good

performance in peak flows.

Page 79: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

79

Figure 5.14 Hydrograph of combined wetland model

       Q_EtsV7_Wet3, NS = 0.671, RMSE = 0.275, r² = 0.722,

       Sum predicted discharge = 1308 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

However the values of low flows modelled by Q_EtsV7_Wet3 are too low to reflect the

variations of the observed runoff. In some periods, it even decreases to zero. From the

previous experiences of parameter calibration for wetland model, an additional lateral flow

has good function in avoiding fast decrease of runoff during the low flows.

We tested the model Q_EtsV7_Wet3 with different setting of parameter ‘lateral_factor’,

ranging 0.001~0.003. The one with ‘lateral_factor’ = 0.003 can produce the closest values of

low flows to the measure runoff, as shown in Figure 5.15.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan

­89

1­Jul­8

9

1­Jan­90

1­Jul­9

0

1­Jan­9

1

1­Jul­9

1

1­Jan­9

2

1­Jul­9

2

1­Jan­9

3

1­Jul­9

3

Dis

char

ge (m

³/s)  

  a

Observed dataQ_EtsV4_WetQ_EtsV7_Wet3

Page 80: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

80

Figure 5.15 Hydrograph of combined wetland model with additional lateral flow

       Q_EtsV7_Wet3_L3, NS = 0.677, RMSE = 0.272, r² = 0.728,

       Sum predicted discharge = 1390 mm (Sum observed discharge = 1183 mm).

In the Section 5.3, the whole calibration procedure of the KIDS model demonstrates that the

model integrated with wetland function can reproduce the observations reasonably. Judging

by the evaluation criteria, among those wetland models after some parameter adjustment, both

Q_EtsV7_Wet3 and Q_EtsV7_Wet3_L3 models are considered to perform properly and will

be used for model validation.

5.4 Validation

Model validation is desirable following completion of the calibration step. For the purpose of

validation, the calibrated forms of the wetland model, Q_EtsV7_Wet3 and

Q_EtsV7_Wet3_L3, are applied to the selected period from January 1994 to December 1999.

Note that the data related to validation were not used earlier for the calibration. Figure 5.16

presents the results of model validation.

As can be seen from the plots of observed and simulated hydrographs, both models generally

predict the overall shape of hydrograph. The peak runoff, time to peak and total volume of

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

1­Jan­89

1­Jul­8

9

1­Jan

­90

1­Jul­9

0

1­Jan­9

1

1­Jul­9

1

1­Jan­92

1­Jul­9

2

1­Jan­93

1­Jul­9

3

Dis

char

ge (m

³/s)  

  aObserved dataQ_EtsV7_Wet3Q_EtsV7_Wet3_L3

Page 81: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

81

runoff computed from the models compare reasonably well with the observed values. But

each has its own advantages over the other. The Nash­Sutcliffe index of Q_EtsV7_Wet3

reaches 0.735, other two coefficients RMSE and r² are better than those of

Q_EtsV7_Wet3_L3 as well. The sum predicted discharge 1746 mm is closer to the total

observed discharge 1667 mm. However, the low flows prediction of model Q_EtsV7_Wet3 is

less accurate as compared to that of model Q_EtsV7_Wet3_L3. To decide which model is

better depends on the selected criterion.

Figure 5.16  Validated hydrograph of combined wetland model

Q_EtsV7_Wet3: NS=0.735, RMSE=0.336, r²=0.748,

Sum predicted discharge=1746 mm.

Validated hydrograph of combined wetland model with additional lateral flow

Q_EtsV7_Wet3_L3:   NS=0.726, RMSE=0.341, r²=0.741,

Sum predicted discharge=1846 mm.

(Sum observed discharge = 1667 mm).

This model validation is operated for discharge simulation in an additional time period not

used in the calibration. Moreover, the chosen period for validation includes the extremely dry

year from 1995 to 1997. The validation result showed the calibrated model can reasonably

reproduce the actual data, the KIDS model is therefore considered fully suitable for

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

4

4.5

5

1­Jan­94

1­Jul­9

4

1­Jan

­95

1­Jul­9

5

1­Jan­9

6

1­Jul­9

6

1­Jan­97

1­Jul­9

7

1­Jan­98

1­Jul­9

8

Dis

char

ge (m

³/s)  

  a

Observed dataQ_EtsV7_Wet3Q_EtsV7_Wet3_L3

Page 82: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

82

application to discharge simulation in other periods for Kielstau catchment. For an overview

of the KIDS model scripts see Appendix III.

5.5 Discussion

After several steps of calibration and test of model validation, the proposed KIDS model

written in PCRaster is proven to be capable of predicting the general hydrological patterns in

Kielstau catchment.

Table 5.9 gives a result overview of the main conceptual models from the calibration and

validation. As the first attempt to calibrate the basic model, several modifications are tested to

improve the model performance, like the spatial distribution of surface infiltration rate, water

storage capacity of soils, different evapotranspiration value according to the land use. With

these efforts, the model outcome (indicated by the Nash­Sutcliffe index) is only enhanced in a

small range, and the seasonal mismatch of the runoff/precipitation ratio cannot be solved. The

NS index of all the basic models is below zero.

With a model structural adaptation to the wetland version, the performance of KIDS model is

enhanced significantly, which can be proven from both the fluctuations of high­ or low­flows

in the hydrograph, and the goodness­of­fit coefficients. The result of validation also shows

that the calculated discharge fluctuations from the wetland model can represent the observed

discharge over longer periods reasonably well.

Table 5.9 Result overview of calibration and validation

Calibration (89~93)

NS  RMSE r² Sum predicted

runoff (mm)

Sum observed runoff  Q_basic ­0.228  0.545  0.573 2248

1183 mm Q_EtsV4_Wet 0.625  0.293  0.714 1508

Q_EtsV7_Wet3 0.671  0.275  0.721 1308

Q_EtsV7_Wet3_L3 0.677  0.272  0.728 1390

Validation (94~99)

Sum observed runoff  Q_EtsV7_Wet3 0.735  0.336  0.748 1746

1667 mm Q_EtsV7_Wet3_L3 0.726  0.341  0.741 1846

Page 83: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

83

In the view of the wetland assumption and the algorithm implemented in the KIDS wetland

model, there are some aspects need to be concerned.

5.5.1 Wetland fraction in Kielstau catchment

In the Kielstau Catchment, although a large area of peatland and wet surface is observed

(Trepel 2004), there is no accurate mapping data of wetlands for this region. This is a crucial

question concerning the wetland model calibration. In this study, it is solved by creating a

series of wetland map versions based upon the available soil information. Among those

wetland models with different definition of wetland area, Q_EtsV4_Wet, which has about

28% wetland fraction in the Upper Treene catchment, produces the best simulation. In order

to find out the corresponding wetland fraction in our core investigation area – Kielstau

catchment, we calculated the area distributions of all soil types for both Treene and Kielstau

region. Table 5.6 has presented the calculation results for all versions of wetland map. For the

model Q_EtsV4_Wet, it is assumed that the wetland fraction in Kielstau catchment is 59.09%,

which is much larger that the estimated fraction of 30%.

This overestimated wetland fraction originates from the soil data. From Table 5.10, we could

see that one of the main ‘wetland’ soil type ‘9_SS­LL’ covers almost a half area (49.98%) of

Kielstau catchment. It is no doubt that the wetland model will be implemented with large

fraction of wetland if this soil type is classified as wetland.

To create wetland map using the present soil data is a fuzzy approach to construct the wetland

model. More precise information about extent and location of the wetlands is needed to get a

better estimation of the wetland in the catchment.

Table 5.10 Comparison of wetland soils in Treene and Kielstau

  Legend code Legend_Treene map  Legend_Kielstau map Area in Kielstau

1  HH / HN Hoch­/Niedermoor Niedermoor 9.11%

2 GGn Normgley / /

3 gPP vergleyter Podsol / /

4 GG Gley Gley­Kolluv 2.25%

5 SS Pseudogley Pseud­Braun 7.53%

Gley­Pseudo 10.60%

6 BB Braunerde / /

Page 84: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

84

7 PP Podsol / /

8 LLn Normparabraunerde / /

9  SS­LL

Pseudogley­

Parabraunerde Pseudogley 49.98%

10 MOn Normorganomarsch / /

11 Rohsubstrate Rohsubstrate / /

5.5.2 Combination of two different wetland maps

The better simulation computed by the wetland model, like Q_EtsV7_Wet3, with the

combination of two different wetland maps, indicates another estimation of the location and

characteristics of wetland in Kielstau catchment.

By checking the wetland maps in Appendix II, Version 3 and Version 7 share a common

wetland area about 11.36% in Kielstau, the rest wetlands are located at different sites. The

methodology of applying the assumed algorithm to different wetland maps in the model

implies that wetland is not a uniform area, and its properties vary with space and time, which

is the typical dynamic characteristic of natural system and makes the researches on it

challengeable.

5.5.3 Limitations in the simulation of KIDS model

Although the KIDS model can reproduce the observed runoff patterns reasonably well and the

goodness­of­fit coefficients (e.g. Nash­Sutcliffe index = 0.735) of the model validation is

acceptable, there is still lot of space left for further improvement.

The present prediction exhibits some weakness in reaching the peak flows. The simulation of

the runoff variations is too rough and the discharge decrease from peak flows to low flows is

always faster than the observed system. It is possible to try more modifications, but further

calibration of KIDS model is primarily limited by the amount and quality of the available

data, in relation to the required data accuracy for a more efficient model. Additional

limitations are the effectiveness of the applied technique and the availability of time. Those

are the most usual problems in model calibrations. As a consequence, to get the closest

simulation is not the only objective of the calibration, it should provide information on the

modelling uniqueness and uncertainties left in the model, which will be adequately accounted

for in subsequent model applications. This is exactly what can be achieved from this study.

Page 85: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

85

5.5.4 The hydrological features of wetlands in the study area and the application in

different models – KIDS, SIMPEL, SWAT

It is widely accepted that wetlands have a significant influence on the hydrological cycle.

However, what hydrological functions and to which extent wetlands are performing in the

water cycle is a rather complicate question. Emphasizing on the water quantity functions of

wetlands, there are many examples where wetlands reduce floods, recharge groundwater or

augment low flows. Less recognised are some cases where wetlands increase floods, act as a

barrier to recharge, or reduce low flows. And there are various types of wetlands influenced

by topography, climate, groundwater, connectivity with stream flow, etc. Some studies reveal

strong concurrence of some hydrological features for certain wetland types, some other show

diversity of functions for apparently similar wetlands (Bullock and Acreman, 2003).

Therefore, to ensure a reliable conclusion on wetland functions in an individual area, it is

essential to make investigation in the field periodically.

As research in the Kielstau Catchment has just started, there is not much data support for

verification. It is thus difficult to make definitive statements regarding the role of wetlands in

water storage, groundwater recharge or discharge, runoff production, etc.

In this study, the likely function of wetlands is identified through an assessment of measured

data. A seasonal distribution of the relation between runoff and precipitation is observed and

the runoff / precipitation ratio is relatively lower than that of the neighbouring area. This

special hydrological feature cannot be reproduced properly by the basic model approach.

Then an additional factor ‘wetland’ was introduced to the KIDS model accordingly, with one

conspicuous hydrological function – larger amount of water loss though evaporation from

wetland than from non­wetland portions of the catchment. This modification gives the most

significant enhancement of the KIDS model.

The discharge simulation process described in this study confirms that wetlands play an

important role in the water cycle of Kielstau catchment. This view is also strengthened by

some other studies, as PCRaster is not the only modelling language that is used to construct

hydrological models for Kielstau catchment. The other two methods are SIMPLE and SWAT.

SIMPEL (Hörmann, 1997) is a one­dimensional soil water model system programmed with

Excel­worksheets. It can be used to calculate the water budgets of ecosystems (evaporation,

seepage, soil water content of a soil column, etc.) and surface runoff for small catchments.

The SIMPEL family contains a series of model versions for the simulation of the water

Page 86: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

86

budget in Kielstau. Among them the wetland version can produce a satisfying simulation with

seasonal characteristics similar to the observed data.

SWAT (Soil and Water Assessment Tool) is a physically based, continuous time model that

can be used under a wide­range of different environmental conditions (Arnold et al., 1993,

1998; Arnold and Fohrer, 2005). It is thus widely applied in many countries all over the

world. In 2004, a study to calculate the water balance in the Upper Treene catchment using

SWAT was conducted by Dey (2004). The runoff simulations were modelled for 8 official

gauge stations in the basin, including the outlet point of the Kielstau catchment – Soltfeld.

Another research application with SWAT on the Kielstau Catchment is currently under the

investigation of Tavares (2006, in preparation). This study focuses on both stream flow

simulation and in­stream chemistry assessment. We take the quantitative simulation result to

compare with that of SIMPEL and KIDS models.

Despite the difference in the nature of these three modelling languages, they share something

in common to improve the model performance: a structural adaptation of wetland. The

algorithm implemented in SIMPLE and KIDS is quite similar: higher evaporation rate from

wetland area and unlimited water supply for that. While the approach of SWAT is slightly

different: special types of water bodies (like wetlands, ponds, reservoirs) with greater soil

water storage capacity, and additional artificial subsurface drainage are introduced into the

model, since those parts are embedded prototypes in SWAT. Table 5.11 gives an overview of

the simulation results from different models. Since the results are re­calculated for the

validation period from 1994 to 1999, the values are different from those cited in the

references.

Table 5.11 Result comparison of SIMPEL, SWAT, KIDS

      (for time period 1994~1999, sum observed runoff = 1667 mm)

Model type Nash­Sutcliffe RMSE r² Sum predicted

runoff (mm)

Simpel Wet 0.661 0.380 0.666 1484

SWAT 0.643 0.390 0.670 1968

KIDS Wet 0.735 0.336 0.748 1746

All these studies support the notion that wetland is an important factor in hydrological

research and water management in the Kielstau catchment.

Page 87: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

87

Chapter 6  Conclusion

This study demonstrates the development of a DEM­based process oriented distributed

rainfall­runoff model with a spatial modelling language PCRaster for a wetland dominated

catchment – Kielstau catchment – in Northern Germany.

The proposed KIDS model (Kielstau Discharge Simulation model) is designed and applied for

the discharge simulation of the outlet point located at the Soltfeld gauge station in Kielstau

catchment. The physically based KIDS model is capable of handling catchment heterogeneity

in term of distributed information of landuse, slope, soil and rainfall. It was built using the

data set of the Upper Treene catchment and reported results for the selected outlet point in

Kielstau catchment.

The paper describes the study area, introduces model and methodology, presents the

calibration process and model validation, and discusses the model results relative to the

special hydrological characteristics in this wetland dominated catchment.

The application of the KIDS model to simulate the runoff of Kielstau river yielded the

following conclusions or recommendations:

• Among the series of conceptual models tested during the calibration process, only

the wetland version can reproduce similar runoff with the observed data, specified by the

seasonal differentiated relationship between precipitation and runoff values. From a

hydrological point of view, the study clearly showed that the application on individual

catchments with individual physical characteristics always needed adjustments in the most

critical parts of the water cycle. Kielstau catchment is observed to be a very flat low­lying

region, with dominating peatland and wet surfaces, widely distributed near surface

groundwater layer. These characteristics exert a strong influence on the hydrological cycle in

the river basin. It is essential to take this into account for the modelling success.

• The KIDS model has well simulated the hydrographs of runoff at the outlet of

Kielstau catchment. From the validation result, Nash­Sutcliffe index reaches 0.735, RMSE

0.336 and r² 0.748, which is reasonable well for general modelling predictions. The total

predicted runoff volume of 1746 mm for the years 1994~1999 is very close to the observed

data 1667 mm. Some features like the hydrograph shape, values of peak and low flows, time

to peak are well demonstrated by the model results. In this context, this GIS­based

hydrological model written in PCRaster could be viewed as an efficient alternative to simulate

runoff in Kielstau.

Page 88: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

88

• The calibration process and the simulation results indicate that wetland has a high

impact on the water balance in the catchment. The well­performing wetland model is

modified on the basic model with additional evapotranspiration of about 30% from wetlands,

which leads to a decrease in river discharge during the summer and autumn seasons. From the

modelling experience, it is suggested that evapotranspiration is a fundamental and here a

major component of the hydrological cycle influenced by wetlands. However, this is deduced

from the calibration and validation of the model, which is only based on the comparison of

observed and computed runoffs at the outlet of the catchment. A complete validation for the

wetland functions is still not achievable due to the absence of relative verification data. And

the river basin management in such a wetland dominated catchment requires knowledge of

what hydrological functions and to which extent wetlands are performing in the water cycle,

which needs sufficiently extensive measured data. Modelling is an important accompaniment

to measurement, but is no substitute for it. Conclusions of wetland functions in the study area

cannot only be based on the assumptions and modelling test alone, it must be supported by

hydrological data. Nevertheless, the success of the KIDS model modified with additional

wetland function strengthens the view that wetlands must be an important part of integrated

water resources management in the Kielstau river basin.

• The present runoff prediction of the KIDS model still exhibits weaknesses in specific

components. To make further calibration will severely increase the demand of the required

data for the model and the effectiveness of employed techniques. However, no matter how

sufficient data support exists and how complex or sophisticated the models are, all hydrologic

models are approximations of reality, so the output of the actual system can hardly be forecast

with certainty. With this regard, models are more valuable to give us a framework to assemble

our process understanding and to explore the system behaviours implied by our understanding

of natural systems. The application of KIDS model demonstrates noticeable and valuable

information on the likely function of wetland through the water cycle simulation, and will

provide analysis aids for further research in the Kielstau catchment.

Page 89: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

89

7. References

Abbott MB, Bathurst JC, Cunge JA, O’Conell PE, Rasmussen EA (1986) An introduction tothe European Hydrological Model “SHE” – System Hydrology Europe. Journal ofHydrology 87:45­77.

Andersen HE (2003) Hydrology, nutrient processes and vegetation in floodplain wetlands.PhD thesis. National Environmental Research Institute, Denmark. p35.

Anderson MG and Bates PD (Eds) (2001) Model Validation: Perspectives in HydrologicalScience. Wiley Publishers, ISBN: 0­471­98572­4

Arnold JG, Engel BA, Srinivasan R (1993) Continuous­time, grid cell watershed model. In:Proceedings of the Conference, Spokane, Washington, June 18–19, pp. 267–278.

Arnold JG, Fohrer N (2005) SWAT 2000: current capabilities and research opportunities inapplied watershed modeling. In Special Issue: SWAT 2000 Development andApplication. Hydrological Processes 19(3): 563­572.

Arnold JG, Srinivasan R, Muttiah RS, Williams JR (1998) Large area hydrologic modellingand assessment, Part I: Model development. Journal of the American Water ResourcesAssociation 34(1): 73­89.

Basson MS, Allen RB, Pegram GGS, van Rooyen JA (1994) Probabilistic management ofwater resources and hydropower systems. Water Resources Publications, HighlandsRanch, Colorado, p434.

Berry JK (1987) Fundamental operations in computer­assisted map analysis. InternationalJournal of Geographic Information Systems, 2, 119­136.

Beven KJ (2001) Rainfall­Runoff Modelling. The Primer. John Wiley and Sons, Chichester,UK.

Beven K, Kirkby M (1979) A physically based variable contributing area model of basinhydrology. Hydrol Sci Bull 24: 43­69.

(BGR) BUNDESAMT FÜR GEOWISSENSCHAFTEN UND ROHSTOFFE (Hrsg.) (1999)Bodenübersichtskarte im Maßstab 1: 200000, Verbreitung der Bodengesellschaften,Hannover.

Boughton WC (1995) An Australian water balance model fo rsemiarid watersheds. In: Waterresearch and management in semiarid environment, proceedings of an internationalsymposium, Tucson, Arizona, USA.

Bradley C and Gilvear DJ (2000) Saturated and unsaturated flow dynamics in a floodplainwetland. Hydrological Processes, 14, 2945­2968.

Bronstert A, Carrera J, Kabat P, Lütkemeier S (2005) Coupled Models for the HydrologicalCycle – Integrating atmosphere, biosphere, and pedosphere. Springer­Verlag BerlinHeidelberg, p345

Page 90: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

90

Bullock A, Acreman M (2003) The role of wetlands in the hydrological cycle. Hydrology andEarth System Sciences, 7(2), 358­389.

Burrough PA and McDonnell RA (1998) Principles of Geographical Information Systems.Oxford University Press, p333.

Chow VT, Maidment DR, Mays LW (1988) Applied Hydrology. McGraw­Hill InternationalEditions, Singapore, p572

Davis TJ (2004) The Ramsar Convention Manual: a Guide to the Convention on Wetlands(Ramsar, Iran, 1971), 3rd ed. Gland, Switzerland: Ramsar Convention Secretariat.

De Roo APJ, Hazelhoff L and Burrough PA (1989) Soil erosion modelling using 'ANSWERS'and Geographical Information Systems. Earth Surface Processes and Landforms, 14,517­532.

De Roo APJ, Wesseling CG & Ritsema CJ (1996) LISEM: a single event physically­basedhydrologic and soil erosion model for drainage basins. I: Theory, input and output.Hydrological Processes, 10­8, 1107­1117.

De Roo APJ, Wesseling CG & Van Deursen WPA (2006) Physically­based River BasinModelling Within a GIS: The LISFLOOD Model.http://www.geocomputation.org/1998/06/gc_06.htmhttp://www.icpdr.org/icpdr/static/dw2002_2/dw0202p12.htm (Access date:17/03/2006)

Dey T (2004) Räumlich differenzierte Einzugsgebietsmodellierung für den tidefreien Bereichder Treene. Diplomarbeit für den Diplomstudiengang Geographie der Christian­Albrechts­Universität zu Kiel, p106.

(DLR) DEUTSCHES ZENTRUM FÜR LUFT­ UND RAUMFAHRT  (1995) Landsat TM5­Szene aus dem Jahr 1995, linke obere Ecke: Rechtswert: 3503180 Hochwert:6084975, West­Ost: 66 km, Nord­Süd: 70 km, Auflösung 25x25 m, Köln.

Dooge JCI (1973) Linear theory of hydrologic systems. U.S. Department of Agriculture,Technical Bulletin No. 1468, Washington, D.C., p327

DVWK ­ Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau e.V. (1996) Ermittlung derVerdunstung von Land­ und Wasserflächen. DVWK­Merkblätter zurWasserwirtschaft, Heft 238 (1996), Bonn, p135.

Eagleson PS (1970) Dynamic hydrology. McGraw­Hill, New York

Eggemann G, Sterr H, Kuhnt G (2001) Geomorphologie Schleswig­Holsteins. (unpublished),Kiel, p140.

FAO (1998) World reference base for soil resources. World Resources Report No. 84. FAO,Rome.

Page 91: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

91

Farmer D, et al. (2003) Climate, soil, and vegetation controls upon the variability of waterbalance in temperate and semiarid landscapes: downward approach to water balanceanalysis. Water Resources Research 39 (2), 1035.

Fohrer N, Haverkamp S and Frede HG (2005) Assessment of the effects of land use patternson hydrologic landscape functions. ­ Development of sustainable land use concepts forlow mountain range areas. Hydrological Processes, 19(3): 659­672.

Gavin H and Agnew CT (2003) Evaluating the reliability of point estimates of wetlandreference evaporation. Hydrology and Earth System Sciences, 7(1), 3–10.

GRASS (2006) http://www.geog.uni­hannover.de/grass/ (Access date: 11/04/2006.)

Gupta HV, Sorooshian S, (1998) Toward improved calibration of hydrologic models: multipleand noncommensurable measures of information. Water Resource Research 34(4):751­763.

Gupta RS (1989) Hydrology and hydraulic systems. Prentice­Hall, Engelwood Cliffs, NewJersey

Gupta RS (2001) Hydrology and hydraulic systems. 2nd Edition, Waveland Press, LongGrove, IL, p867

Hörmann G (1997) SIMPEL ­ Ein einfaches, benutzerfreundliches Bodenwassermodell zumEinsatz in der Ausbildung. Deutsche Gewässerkundliche Mitteilungen 41(2):67­72.Relative data available at http://www.hydrology.uni­kiel.de/simpel

Hörmann G (2006) SIMPEL – The Simple soil water models. English version, p65. Relativedata available at http://www.hydrology.uni­kiel.de/simpel

Jain MK, Kothyari UC, Ranga Raju KG (2004) A GIS based distributed rainfall­runoff model.Journal of Hydrology 299:107­135.

Janssen PHM, Heuberger PSC (1995) Calibration of process­oriented models. EcologicalModelling 83:55­66.

Karssenberg D (2002) Building dynamic spatial environmental models. Doctoral Thesis,Faculty of Environmental Sciences, Utrecht University, The Netherlands, NetherlandsGeographical Studies, Issue 305, p222.

Kite GW, Ellehoj E and Dalton A (1996) GIS for Large­Scale Watershed Modelling. In:Singh VP and Fiorentino M (eds.) Geographical Information Systems in Hydrology,Kluwer, p443.

Klein H, Douben KJ, Van Deursen W, Van Steveninck ER (2004) Water, Climate, Food, andEnvironment in the Rhine Basin. Contribution to the project ADAPT,Adaptation strategies to changing environments, p58.

Knudsen J, Thomsen A, Refsgaard JC (1986) WATBAL: A semi­distributed physically basedhydrological modelling system. Nordic Hydrology 17:347­362.

Page 92: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

92

Kwadijk J (1993) The impact of climate change on the discharge of the River Rhine. PhDstudy, Utrecht University, The Netherlands. Netherlands Geographical Studies, Issue171.

LANDESVERMESSUNGSAMT SCHLESWIG­HOLSTEIN (1995) DigitalesGeländemodell für Schleswig­Holstein. Quelle: TK 50. Gitterweite 50 x 50 m, Kiel.

Maidment D, Djokie D (eds.) (2000) Hydrologic and Hydraulic Modeling Support withGeographic Information Systems. Esri Press, p232.

Middelkoop H, et al. (2000) The impact of climate change on the river Rhine and theimplications for water management in the Netherlands. RIVM Report 410200049. DeBilt, the Netherlands.

Middelkoop H, et al. (2001) Development of flood management strategies for the Rhine andMeuse basins in the context of integrated river management. Report of the IRMA­SPONGE project 3/NL/1/164 / 99 15 183 01. ICIS­Maastricht University/Dept. ofPhysical Geography, Utrecht University: 198 pp.

Nash JE, Sutcliffe JV (1970) River flow forecasting through conceptual models. Part I: Adiscussion on principles. Journal of Hydrology 10: 282­290.

PCRaster (2006) Information available at http://pcraster.geo.uu.nl/ (Access date: 02/04/2006.)

Richardson JL, Vepraskas MJ (Eds.) (2001) Wetland soils – Genesis, Hydrology, Landscapesand Classifications. CRC Press LLC, p417.

Rose CW (2004) An introduction to the environmental physics of soil, water and watersheds.Cambridge University Press, Cambridge, p441.

Schmidtke KD (1992) Die Entstehung Schleswig­Holsteins. Neumünster.

Sponagel H, et al. (2005) Bodenkundliche Kartieranleitung. AD­HOC­ARBEITSGRUPPEBODEN der Staatlichen Geologischen Dienste und der Bundesanstalt fürGeowissenschaften und Rohstoffe. 5. verbesserte und erweiterte Auflage, Hannover,p438.

Takagi K, Tsuboya T and Takahashi H (1998) Diurnal hystereses of stomatal and bulksurface conductances in relation to vapor pressure deficit in a cool temperatewetland. Agr. Forest Meteorol., 91, 177–191.

Tomlin CD (1990) Geographic information systems and cartographic modelling. PrenticeHall, New York.

Trepel M (2004) Development and application of a GIS­based peatland inventory forSchleswig­Holstein (Germany). In: Päivänen, J. (ed.) Proceedings of the 12thInternational Peat Congress Wise Use of Peatlands, Vol. 2: 931­936.

Page 93: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

93

Van Deursen WPA (1995) Geographical Information Systems and Dynamic Models:Development and application of a prototype spatial modelling language. PhD Thesis,Utrecht University, The Netherlands. Netherlands Geographic Studies, Issue 190,p206.

Van Deursen WPA and Kwadijk JCJ (1993) RHINEFLOW: an integrated GIS water balancemodel for the river Rhine. Application of Geographic Information Systems inHydrology and Water Resources Management, HydroGIS 1993.

Van Dijck S (2000) Effects of agricultural land use on surface runoff and erosion in aMediterranean area. PhD Thesis, Utrecht University, The Netherlands. NetherlandsGeographic Studies, Issue 263, p256.

Van Dijck S, Karssenberg D. 2000. EUROSEM in PCRaster.http://www.geog.uu.nl/pcraster/runoff/eurosem/ (Access date: 17 May 2006.)

Viessman W, Lewis GL, Knapp JW (1989) Introduction to hydrology.HarperCollinsPublishers, New York, p780

Visser SM, Sterk G and Karssenberg D (2005) Modelling water erosion in the Sahel:application of a physically based soil erosion model in a gentle sloping environment.Earth Surface Processes and Landforms 30 (12): 1547­1566.

Wesseling CG, Karssenberg DJ, Burrough PA and Van Deursen WPA (1996) Integrateddynamic environmental models in GIS: The development of a Dynamic Modellinglanguage. Transactions in GIS, 1­1, 40­48.

White RE (2006) Principles and practice of soil science – The soil as a natural resource.Fourth edition, Blackwell publishing, p363.

Page 94: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

94

8. Appendixes

Appendix I

Kinematic wave function with Manning's equation(Source: http://pcraster.geog.uu.nl/runoff/, access date 02/04/06)

The Manning's equation is

R hydraulic radius (m)S friction slope (m/m)n manning's roughness coefficient (­)V flow velocity (m/s)

Manning's equation is valid for SI units, with R in meters and V in meters per second, S isdimensionless.

Water routing over local drain direction network according to the kinematic wave with theManning's equation.

The main part of the description below is taken from Chow et al, 1988. The kinematic wavemodel assumes negligible accelaration and pressure terms in the momentum equation, and thewave motion is described by the equation of continuity. In practice, this means that thekinematic wave can only be used with relatively steep slopes of drainage, where the slope ofthe water surface can be assumed to be equal to the slope of the water bottom surface.

The kinematic wave model is defined by the following two equations. Units given are unitsused by the 'kinematic' function of PCRaster.

Equation of continuity:

(1)

Q Flow (m3/s)x distance in flow direction (m)A cross sectional area of flow (m2)t time (s)q lateral inflow ((m3/s)/m)

Equation of momentum:

(2)S0 gravity force termSf friction force term

The momentum equation can also be expressed in the form:

Page 95: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

95

(3)

By combining equation (3) and Manning's equation written with S0=Sf and R=A/P we get:

(4)

P wetted perimeter (m)

and in this case:

(5)

(6)The variables q, 'alpha' and 'beta' are input to the 'kinematic' function of Pcrcalc.

Example scriptThe script simulates all phases of a rainstorm. The bottom width of the channel is given byBw ­ may be different for each cell. Notes to numbered statements in the script:(1) The length of a cell is used in several lines of the script. It is calculated here once forincreasing execution speed.

(3) Generates distance to downstream cell for use in kinematic function and for calculatinglateral inflow per metre along the stream. The function 'downstreamdist' assigns a 'zero' to apit cell which is unrealistic for routing purposes. These 'zero' values are replaced with thecelllength value by the 'max' statement.

(4) Statement (7) divides by the root of Slope, so Slope may not be zero. The function 'max'sets it to a minimum of a very low value (0.001).

(5) and (6) Assumption of no flow at the start of the model run. The binding sets these to avery very low value, representing no flow. Setting to a value of zero instead, may result inproblems with the kinematic wave function.

(7) and (8) Calculate terms for Alpha only once (increases execution speed).

(9) Calculates Alpha according to equation (5) in the 'equations' section above.

(10) Lateral inflow is the netto result of rain, interception, surface storage and infiltration.May be negative (netto outflow, eg, in case infiltration is greater than netto rain), zero, orpositive.

(11) The function 'kinematic' needs lateral inflow per distance along the stream.

(12) The input map Q is the result of this statement from the previous timestep (i.e., Q_old).See 'kinematic' in PCRaster manual (PCRaster 2006) for further details.

(13) Calculates water depth (m) and dividing by bottom width of channels.

Page 96: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

96

Appendix II

Different versions of wetland map with its soil components

Version 1: 1_peat Version 2: 1_peat      (2_GGn)

Version 3: 1_peat Version 4: 1_peat      (2_GGn)        9_SS­LL       4_GG       5_SS

Page 97: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

97

Version 5: 1_peat Version 6: 1_peat      (2_GGn)        5_SS       4_GG        9_SS­LL       9_SS­LL

Version 7: 1_peat Version 8: 1_peat      (2_GGn)        4_GG       4_GG        5_SS       9_SS­LL        9_SS­LL

Page 98: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

98

Appendix III

The script of KIDS model

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­## Kielstau Discharge Simulation Model, integrated with wetland function## written by X. Zhang, Kiel University, Germany## Date: June 2006## modified based on model_basic.mod and model_wetland_all.mod

bindingPTSS = precipit.tss;pzones = zonep.map;ETSS = evapo_soil_G1o3.tss; # evaporation from wetland, 1.3*Haude_Grasezones = zonee_soil_v7.map;outlet = dispoints.map; # map with 8 runoff sampling locationsslope = slope.map; # developed from dgm.map using slope operatorwetland = wetland_v3.map;

#kinematic function Beta=scalar(0.6); LDD=ldd.map; N=Manning.map; # Manning's N; ChannelN=channelM.map; # channel's Manning value ChannelWidth=channelw.map; T=scalar(86400);

areamapclone.map;

timer1 5479 1;reportdefault= 365 + 365 ..endtime;

initialswc = scalar(0.001);intercp_max = scalar(1.0); # interception capacity constant at 1mmsoil_field_capacity = scalar(200.0);  # water content (mm) at field capacitysoil_start_reduct = scalar(100.0);  # water content where Eta < ETpinf_factor = 0.4; # infiltration percentage of soil water deficitgw_content = scalar(0.001);soil_gw_flux = 0.1; # water seepage from soil to groundwatergw_factor = 0.05; # groundwater outflow as base flowlateral_factor = 0.003; # ratio of lateral flow from soil_water_contentQ_sum = scalar(0.001);day = 0;

wet_balance = scalar(0.001);wet = scalar(0.001);

Page 99: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

99

# kinematic function CL=celllength(); CA=cellarea(); DCL=max(downstreamdist(LDD),CL); Q=scalar(0.00000001); H=scalar(0.00000001);                      # initial water height(m) slope = if(slope eq 0, 0.000001, slope);   # cover the 0 value in slope.map with 0.000001

# term for Alpha AlphaFact=(ChannelN)/(sqrt(slope))**Beta; AlphaPower=(2/3)*Beta;                      #Power for Alpha; WH=0.0000001; FlowWidth= ChannelWidth; Q=0.0001;

dynamic

Pr2 = timeinputscalar(PTSS, pzones);Ev2 = timeinputscalar(ETSS, ezones);

day = if (day >365 then 0 else day + 1);

intercp_content = min(Pr2, intercp_max);     # possible interceptionintercp = min(Ev2, intercp_content);         # water loss (evaporation) from interception

rest_et = Ev2 ­ intercp;rest_precipit = Pr2 ­ intercp;      # water input to soil before infiltration

max_infiltration = (soil_field_capacity ­ swc)*inf_factor;  # infiltrated waterrunoff_surface = max(rest_precipit ­ max_infiltration, 0);  # rapid surface runoff

rest_precipit = rest_precipit ­ runoff_surface;

swc = swc + rest_precipit;                                      # soil water contentETa = if (swc > soil_start_reduct then rest_et else rest_et*(swc/soil_start_reduct)); #actual evapotranpirationswc = swc ­ min(ETa, swc);

# part wetlandETa = if(wetland == 1 then rest_et else if(swc > soil_start_reduct then rest_et elserest_et*(swc/soil_start_reduct)));temp1 = min(ETa,swc);    # negativ if wetland evaporation higher than soil waterwet_balance = if(wetland == 1 then (wet_balance ­ (ETa­temp1)) else wet_balance) ;swc = swc­temp1;

lateral_flow = swc*lateral_factor;swc = swc ­ lateral_flow;

overflow = max(swc­soil_field_capacity,0);                      # ground water fluxgw_flux = if(swc>soil_start_reduct then swc*soil_gw_flux else 0);

Page 100: Test€and€application€of€hydrological€models€with€a€spatial ...€¦ · 3.2.2€Applications€of€PCRaster€in€catchment€hydrology€modelling 27 4.€Development€of€the€KIDS€model

100

gw = overflow + gw_flux;swc = swc ­ gw;

gw_content = gw_content + gw;gw_outflow = gw_content * gw_factor;gw_content = gw_content ­ gw_outflow;

Runoff = runoff_surface + lateral_flow + gw_outflow; # runoff composed by three parts

   # fill up wetland deficit with runoff   temp2 = if (wet_balance<0 then min(­wet_balance,Runoff) else 0) ;   Runoff = Runoff­temp2;   wet_balance = wet_balance + temp2 ;   #report wet = wet_balance ;

SumR=Runoff/1000;   #to m^3WH=WH+SumR;          # water height

################################# runoff calculation using one of kimematicALPHA = AlphaFact*((FlowWidth+2*WH)**AlphaPower);QIn=SumR*CA/T/DCL;

Q = kinematic(LDD, Q, QIn, ALPHA, Beta, T,DCL);

V=Q/CA;                                                       # flow velocity(m3/s), CA is cell areaWH=if(FlowWidth >0.001, 1000*(ALPHA*(Q**Beta))/FlowWidth,0);  #wh in mm unit################################

Q_sum = Q_sum + Q;report Q_EtsV7_wP3_L3.tss=timeoutput(outlet,Q);

­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­­


Recommended