Leveraging Artificial Neural Networks for Modeling Hydrogeological Time Series
Creators: name: Wunsch, Andreas
Publisher: name: Karlsruher Institut für Technologie (KIT)
Year: 2022
Subjects: Grundwasser
Klimawandel
Künstliche Intelligenz
Künstliche Neuronale Netze

description: Bei der Lösung globaler Herausforderungen, wie der nachhaltigen Bewirtschaftung und Nutzung der verfügbaren Grundwasserressourcen, ist die Entwicklung neuer, effizienter und leicht übertragbarer Modellierungsansätze von entscheidender Bedeutung. Hierfür bieten sich vor allem künstliche neuronale Netze (KNN) an, die als Verfahren des maschinellen Lernens selbstständig relevante Zusammenhänge aus größeren Datensätzen geeigneter Parameter lernen und nutzen können. Die vorliegende Arbeit untersucht die Nutzung von KNN zu Modellierung und Vorhersage von hydrogeologischen Zeitreihen. In vier Studien, die den Hauptteil dieser Arbeit bilden, werden verschiedene Fragestellungen entwickelt und deren Lösbarkeit mit Hilfe von KNN demonstriert. Das Clustern von Ganglinien ist eine Möglichkeit räumliche und zeitliche Muster der Grundwasserdynamik zu erkennen. Dies ist wichtig um Aquifere zu charakterisieren, Einflussfaktoren zu identifizieren und effektive Bewirtschaftungsmethoden zu entwickeln. Aus diesen Gründen wird in der ersten Studie auf Basis von Self-Organizing Maps ein Clustering Verfahren entwickelt, mit dessen Hilfe sich in heterogenen Datensätzen von Grundwasserganglinien solche mit ähnlicher Dynamik gruppieren lassen. Das Verfahren nutzt zur Charakterisierung der Grundwasserdynamik sogenannte Features, die auch die Verarbeitung von Ganglinien mit variabler Datenqualität ermöglichen. Anhand eines Datensatzes von ca. 1800 wöchentlichen Ganglinien wird die Anwendung im Oberrheingraben in Deutschland und Frankreich erfolgreich demonstriert. Eine Analyse der Clusterergebnisse zeigt, dass sich externe Einflussfaktoren räumlich und zeitlich komplex überlagern und eine Trennung häufig nicht möglich ist. Dennoch sind einige Cluster eindeutig auf externe Faktoren (z.B. Grundwasserbewirtschaftung) zurückzuführen. Es folgt ein detaillierter Vergleich verschiedener KNN Modelle zur Grundwasserstandsvorhersage. Untersucht werden hierbei Nonlinear Autoregressive Models with Exogenous Inputs (NARX), Long Short-Term Memory Networks (LSTM) und Convolutional Neural Networks (CNN) sowohl jeweils für Einzelwert- als auch Sequenzvorhersagen. Als Eingangsdaten werden nur wenige, aber dafür weithin verfügbare und leicht zu messende meteorologische Parameter verwendet, wodurch die breite Übertragbarkeit des Ansatzes gewährleistet ist. Es zeigt sich, dass alle Modelltypen grundsätzlich gute Prognoseeigenschaften aufweisen und NARX hierbei in der Regel die präzisesten Vorhersagen treffen, dicht gefolgt von CNNs. Für die praktische Anwendbarkeit zeigen CNNs insgesamt das größte Potenzial, da diese eine geringere Abhängigkeit von der pseudorandomisierten Netzinitialisierung als NARX sowie eine vielfach höhere Berechnungsgeschwindigkeit aufweisen als beide rekurrenten Alternativen. Dabei erreichen CNNs dennoch eine hohe Güte und sind gleichzeitig flexibel implementierbar. CNNs bilden daher die Grundlage für weitere untersuchte Fragestellungen. Die nachfolgende Studie untersucht die Entwicklung der Grundwasserstände in Deutschland im Kontext des Klimawandels. Hierfür werden auf Basis von CNNs und anhand von Temperatur und Niederschlag aus drei Klimaszenarien (RCP2.6, 4.5 und 8.5) die zukünftigen Grundwasserstände an 118 ausgewählten Messstellen in Deutschland modelliert und der direkte Einfluss des zukünftigen Klimas abgeschätzt. Wichtige sekundäre Faktoren wie anthropogene Einflüsse, werden jedoch nicht in die Simulationen mit einbezogen. Unter RCP8.5 (pessimistisches Szenario) sind flächenhaft und ausgeprägt fallende Grundwasserstände zu erwarten, mit einem räumlichen Muster von stärkeren Abnahmen vor allem in Nord- und Ostdeutschland. Ebenfalls abnehmende Trends zeigen die Ergebnisse für die optimistischeren Szenarien RCP2.6 und RCP4.5, jedoch mit vergleichsweise wenig signifikanten Veränderungen. Hier wird der positive Einfluss der verminderten Treibhausgasemissionen deutlich, jedoch werden auch noch für das optimistischste Szenario RCP2.6 in einigen Projektionen deutschlandweit abnehmende Grundwasserstände festgestellt. Abschließend stehen Karstquellschüttungen im Fokus der Arbeit. Zur Modellierung werden zum einen die vorhandenen CNN Ansätze herangezogen, zum anderen wird ein ebenfalls auf CNNs basierender 2D-Ansatz entwickelt, der die direkte Verarbeitung von flächenhaften Rasterdaten als Inputs erlaubt. Hierdurch lässt sich vielfach das Problem der ungenügenden Datenverfügbarkeit von meteorologischen Eingabedaten im Einzugsgebiet lösen. Beide Ansätze zeigen in allen Testgebieten sehr gute Ergebnisse und übertreffen teils die Ergebnisse bereits existierender Modelle. Der direkte Vergleich zwischen herkömmlichem und flächenhaftem Modellierungsansatz erlaubt kein abschließendes Urteil zur Überlegenheit einer der beiden Ansätze hinsichtlich der Genauigkeit der Ergebnisse. Die räumliche und zeitliche Vollständigkeit der Eingabedaten ist jedoch ein schwerwiegender Vorteil des flächenhaften Ansatzes. Weiterhin zeigt der flächenhafte Ansatz Potenzial für die Lokalisierung und, bei entsprechender Datenverfügbarkeit und Weiterentwicklung des Ansatzes, auch für die Abgrenzung von Quelleinzugsgebieten im Karst.