Hydrological snowmelt modelling in snow covered river basins be means of geographic information system and remote sensing : case study - Latyan catchment in Iran

Behrawan, Houshang

In mountainous watersheds snow melt can have a significant impact on the water balance and at certain times of the year it could be the most important contribution to runoff. In many parts of the world snow act as natural reservoirs that can play an important role for water supply. Alas, despite its importance, many of snow driven basins suffer from a lack of hydrological infrastructure and equipment so they cannot be described adequately in terms of snow hydrological dynamics. Because of limited accessibility are the few observation stations in such areas very rarely located in the higher elevations but are concentrated mostly in the middle and low elevation resulting in an underrepresentation in data availability of the high altitudes which are important for the process dynamics. Thus the modelling of snow hydrological dynamics in mountainous regions such as the Latyan catchment is often difficult. Reasons for this are in addition to the aforementioned data availability, topographic effects and gradients that can make a spatial interpolation of the input data and the model states a complicated task. Especially in semi-arid regions, high-altitude headwater basins with a significant snow component have a large potential by balancing and distributing scarce water resources. Particular here, a quantitative assessment of the spatial distribution of snow cover and snow processes are an important basis for a sound water management and for the hydrological forecasting and risk prevention. Therefore, the water management in such regions could benefit from reliable predictions of the hydrological dynamics derived from model based studies. Suitable models should represent the physical basis and hydrological processes that simulate the system’s response, fairly well. In this study the spatially distributed process-oriented hydrological model J2000g was used for the 700 km² large Latyan catchment in Iran. The target was to derive spatially distributed estimates of the quantity and timing of hydrological balance terms and state variables like rainfall, actual evapotranspiration (AET), runoff, snow water equivalent (SWE) and snow melt. The model uses the distribution concept of Hydrological Response Units (HRU) to take the spatial variability in the basin into account. The model simulates for each HRU and each time step snow accumulation and snow melt, soil water content, the actual evapotranspiration, groundwater recharge and runoff generation distributed into two components – direct runoff and ground water runoff. The fact that J2000g cannot account for anthropogenetic influences and natural water losses as they occur in karsts regions made the selection of suitable sub-basin for model calibration a difficult task. However, three sub-basins Roodak, Najarkola and Naran could be identified which underground is characterized mainly by impervious bed rock and which have only minimal anthropogenic influences. The sizes of the three sub-basins are between 31 to 430 km². For each of these sub-basins, the model parameters were calibrated automatically by means of Monte-Carlo analysis and the Shuffled Complex Evolution (SCE-UA) calibration procedure. The calibration was done by the comparison with measured runoff values for the period from October 1990 to September 2001 in monthly time steps using the Nash-Sutcliffe efficiency as the objective function. In addition, for each sub-basin the spatial distribution of rainfall, runoff, actual evapotranspiration, snow melt and snow water equivalent was analysed and compared with corresponding measurements. The snow module of the J2000g model was developed and checked against measured values of nine snow observation stations, which were located within the test basins. For each of the observation stations the corresponding HRUs were extracted and separate models calibrated were calibrated using the measured SWE. The model quality was quantified by using the Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) and the coefficient of determination (r²) as objective functions. The comparison with the calibrated catchment models showed that accumulation and melting of the snowpack could be simulated reasonably well at all stations but the results were less good than those of the separately calibrated catchment models. The comparison of the separate SWE models resulted in values between 0.28 - 0.68 for NSE and values between 0.53 - 0.83 for r². For the catchment models the comparison of the simulated runoff with measured data showed NSE values between 0.78 and 0.82. By these values it can be stated that the hydrological dynamics and the snow processes of the three sub-basins within the Latyan catchment could be simulated sufficiently well with J2000g. Finally, a "global" parameter set for whole the Latyan catchment was generated by an area-weighted mean of the parameters from the calibrated sub-basin models. With this parameter set Nash-Sutcliffe efficiencies between 0.68 and 0.79 could be obtained for Latyan. It can be summarized that the single modules and in particular the snow components of J2000g along with the HRU distribution approach can be considered as suitable for the given project objectives i.e. the assessment of the hydrological dynamics of the Latyan catchment. Hereby, the model can be used to elaborate important hydrological information for a sustainable management of the water resources.

In gebirgigen Einzugsgebieten kann die Schneeschmelze einen entscheidenden Einfluss auf die Wasserbilanz haben und zu gewissen Zeiten im Jahr der wichtigste Beitrag zur Abflussbildung sein. In vielen Teilen der Welt stellen Schneedecken natürliche Speicher dar, die eine wichtige Rolle für die Wasserversorgung einnehmen können. Trotz ihrer großen Bedeutung leiden aber viele dieser schneebeeinflussten Einzugsgebiete an einer mangelhaften hydrologischen Infrastruktur und Ausstattung wodurch sie hinsichtlich der schneehydrologischen Dynamik nur unzureichend beschrieben werden können. Aus Gründen der Erreichbarkeit sind die wenigen Beobachtungsstationen in solchen Gebieten nur sehr selten in den höheren Lagen lokalisiert sondern meist in den mittleren und geriengeren Höhen konzentriert wodurch die für die Dynamik wichtigen Hochlagen hinsichtlich der Datenverfügbarkeit unterrepräsentiert sind. Hierdurch ist die Modellierung der schneehydrologischen Dynamik in gebirgigen Regionen wie dem Latyan Einzugsgebiet oft schwierig. Gründe hierfür sind neben der bereits angesprochenen Datenverfügbarkeit auch topographische Effekte und Gradienten, die eine räumliche Interpolation der Eingangsdaten und der Modellzustände deutlich erschweren können. Besonders in semi-ariden Regionen besitzen hoch gelegene Quelleinzugsgebiete mit einer deutlich ausgeprägten Schneekomponente aufgrund ihres Potentials, als Ausgleich und Verteiler von knappen Wasserressourcen zu wirken, eine große Bedeutung. Hier ist aber ganz besonders eine quantitative Erfassung der räumlichen Ausprägung von Schneedecken und der Schneeprozesse eine wichtige Grundlage für ein fundiertes Wassermanagement und für die hydrologische Vorhersage und die Risikovorbeugung von großer Bedeutung. Insbesondere das Wassermanagement könnte von einer verlässlichen Vorhersage der hydrologischen Dynamik basierend auf Modellstudien in solchen Gebieten deutlich profitieren. Hierzu werden Modelle benötigt, die die physikalischen Grundlagen und die hydrologischen Prozesse, die die Gebietsantwort kontrollieren, hinreichend genau abbilden können. In dieser Studie wurde das räumlich distributive, prozessorientierte hydrologische Modell J2000g für das ca. 700 km² große Latyan Einzugsgebiet im Iran angewendet. Das Ziel war eine räumlich verteilte Abschätzungen bezüglich der Menge und der zeitlichen Verteilung der hydrologischen Bilanzglieder und Zustandsgrößen Niederschlag, aktuelle Verdunstung (AET), Abflussbildung, Schneewasseräquivalent (SWÄ) und Schneeschmelze zu liefern. Das Modell nutzt das Distributionskonzept der Hydrological Response Units (HRU) um die räumliche Variabilität im Einzugsgebiet zu berücksichtigen. Das Modell berechnet für jede HRU und jeden Zeitschritt die Schneeakkumulation und Schneeschmelze, den Bodenwassergehalt, die aktuelle Verdunstung, die Grundwasserneubildung und die Abflussbildung in zwei Komponenten – Direktabfluss und Grundwasserabfluss. Die Tatsache, dass J2000g keine anthropogenen Einflüsse und auch natürliche Wasserverluste, wie sie z.B. in Karstregionen auftreten können, berücksichtigt, erschwerte die Auswahl an Teileinzugsgebieten für die Modellkalibrierung. Dennoch konnten drei Teileinzugsgebiete Roodak, Najarkola und Naran identifiziert werden deren Untergrund weitestgehend durch undurchlässige Gesteine geprägt sind und die nur minimale anthropogene Einflüsse aufweisen. Die Größen der drei Gebiete liegen zwischen 31 und 430 km². Für jedes dieser Gebiete wurden die Modellparameter automatisch mit Hilfe der Monte-Carlo-Analyse und dem Shuffled-Complex-Evolution (SCE-UA) Verfahren kalibriert. Die Kalibrierung erfolgte anhand gemessener monatlicher Werte für die Periode von Oktober 1990 bis September 2001 wobei die Nash-Sutcliffe Effizienz als Gütekriterium eingesetzt wurde. Zusätzlich wurde für jedes Einzugsgebiet die räumliche Verteilung von Niederschlag, Abfluss, aktueller Verdunstung, Schneeschmelze und Schneewasseräquivalent analysiert und mit entsprechenden Messwerten verglichen. Die Schneewasseräquivalentmodellierung wurde mit Messwerten von neun Schneebeobachtungsstationen, die innerhalb der Testeinzugsgebiete lagen überprüft. Hierzu wurden diejenigen HRU, die der Lokalisierung der Beobachtungsstationen entsprachen, extrahiert und separate Modelle für diese HRU anhand der SWÄ Messwerte kalibriert. Die Modellqualität wurde mit der Nash-Sutcliffe Effizienz (NSE) und dem Bestimmtheitsmaß (r²) quantifiziert. Der Vergleich mit den kalibrierten Einzugsgebietsmodellen zeigte, dass diese den Schneedeckenauf- und –abbau an den Vergleichsstationen hinreichend gut simulieren können, dass sie aber schlechtere Ergebnisse als die separat kalibrierten Modelle ergaben. Der Vergleich der separaten Modelle ergab Werte zwischen 0.28 – 0.68 für NSE und Werte zwischen 0.53 – 0.83 für r². Für die Einzugsgebietsmodelle und dem Vergleich des simulierten Abfluss mit Messwerten ergab NSE Werte zwischen 0.78 und 0.82. Hierdurch konnte belegt werden, dass die hydrologische Dynamik und auch die Schneeprozesse in den Latyan Teileinzugsgebiet mit J2000g hinreichend gut wiedergegeben werden können. Schließlich wurde mit Hilfe einer flächenbasierten Gewichtung aus den Parametern der kalibrierten Teileinzugsgebiete ein „globaler“ Parametersatz für das gesamte Latyan Einzugsgebiet erzeugt. Mit diesem Parametersatz wurden Nash-Sutcliffe Effizienzen zwischen 0.68 und 0.79 für das Latyan Einzugsgebiet erzielt. Es kann zusammenfassend festgestellt werden, dass die einzelnen Module und insbesondere die Schneekomponenten des J2000g sowie das HRU Konzept für die erzielte Fragestellung der Erfassung der hydrologischen Dynamik des Latyan Einzugsgebiet als sehr gut geeignet betrachtet werden können. Hierdurch können mit dem Modell wichtige hydrologische Grundlagen für eine nachhaltige Bewirtschaftung der Wasserressourcen erarbeitet werden.

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Behrawan, Houshang: Hydrological snowmelt modelling in snow covered river basins be means of geographic information system and remote sensing. case study - Latyan catchment in Iran. 2010.

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