Hidrolojik model yapısının ve kalibrasyon algoritmasının debi simülasyon performansına etkisi
Hydrological model structure and calibration algorithm effect on discharge simulation performance
Yazar: HARUN ALP
Danışman: DOÇ. DR. MEHMET CÜNEYD DEMİREL ; DOÇ. DR. ÖMER LEVEND AŞIKOĞLU
İstanbul Teknik Üniversitesi / Lisansüstü Eğitim Enstitüsü / İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı / Hidrolik ve Su Kaynakları Mühendisliği Bilim Dalı
Derece: Yüksek Lisans, 2022
Konu: İnşaat Mühendisliği = Civil Engineering
Dizin: Debi katsayısı = Discharge coefficient ; Hidrolojik modelleme = Hydrological modelling ; Kalibrasyon = Calibration

Özet:
Dünya genelinde gerek tüketimin artması, gerek küresel ısınma gibi etkenlerden ötürü su kaynaklarının korunması gün geçtikçe önem kazanmaktadır. Bu bağlamda yapılacak her müdahale, alınacak her önlem öncesinde bir hazırlık ve planlama süreci gerektirir. Günümüzde su yönetimi stratejilerine yön veren hidrolojik modeller, farklı yöntemlerle kurdukları yağış-akış ilişkisi ile başta debi olmak üzere hidroloji bilimine katkıda bulunan ve doğal döngüye dahil olan bir çok kavrama dair çıktılar sunmaktadır. Bu çalışmada hidrolojik döngünün devam edebilmesinde en önemli etkenlerden olan DSİ ve EİE kontrolündeki 523 no'lu akım gözlem istasyonuna ait debi değerleri referans alınarak, bu süreçleri üç farklı yapıda işleyen Génie Rural à 4 paramètres Journalier (GR4J), Soil Water Asesessment Tool Plus (SWAT+) ve mesoscale Hydrological Model (mHM) modellerinin ve bu modellere ait parametrelerin kalibrasyonunda kullanılan Levenberg-Marquardt (LM), Shuffled Complex Evolution (SCE) ve Covariance Matrix Adoption Evolution Strategy (CMAES) algoritmalarının performansı Gediz Havzası'nın doğduğu bölge olan Acısu Havzası için değerlendirilmiştir.
Hidrolojik modeller kullanım amaçlarına göre farklı parametreler ve farklı mekansal çözünürlükler kullanarak verileri işlemektedir. Temeli bir performans karşılaştırmasına dayanan bu çalışmada modellerin ve algoritmaların birleşiminden çıkacak sonuçların tarafsız bir şekilde değerlendirilebilmesi amacıyla, üç hidrolojik modelde de ortak olan girdiler için (yağış, sıcaklık, potansiyel evapotranspirasyon) European Center for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) ERA5 kaynağından elde edilen veri setleri kullanılmıştır. 30 km x 30 km çözünürlüğe sahip olan ERA5 verisi, toplu model olan GR4J için tek bir zaman serisi olarak tüm havza ölçeğine, yarı dağılı model olan SWAT+ için alt havzaları temsil edecek ölçeğe ağırlıklı ortalama yöntemi ile indirgenmiştir. mHM modeline ise noktasal veri olarak varsayılan ölçeği ile tanımlanmıştır. Sonrasında modellerin ihtiyaç duyduğu diğer girdiler tanımlanmış (DEM, Arazi Kullanımı, Toprak Haritası vb.) ve kurulum aşaması tamamlanmıştır.
Çalışmanın devamında, hidrolojik modellerin kalibrasyonu yapılmıştır. Bu aşamada kalibrasyon aracı olarak Parameter Estimation Tool (PEST) kullanılmıştır. Kurulan hidrolojik model dosyalarının PEST ile entegrasyonu gerçekleştirilmiştir ve kalibre edilecek parametrelerin belirlenmesi için otomatik hassasiyet analizi yapılmıştır. GR4J modelinin 4 parametresinden 3'ü, SWAT+ modelinin debi üzerinde etkili olan 20 parametresinden 10'u ve mHM modelinin 66 parametresinden 15'i belirlenen eşik değer üzerinde kalibrasyon aşamasında kullanılmıştır. Kalibrasyon için PEST'in içerdiği 1 lokal (LM), 2 global (SCE ve CMAES) yöntem kullanılırken, kalibrasyon periyodu için 1991-2000 yılları, validasyon periyodu için ise 2002-2005 yılları arasındaki veriler kullanılmıştır. Bu kapsamda üç farklı mekansal çözünürlüğe sahip hidrolojik model yapısının, bir lokal ve iki farklı global yöntem ile kalibre edilerek karşılaştırıldığı ilk çalışma olma özelliği taşımaktadır.
Çalışma sonucunda elde edilen bulgular çerçevesinde hidrolojik model yapılarının ve kalibrasyon algoritmalarının debi çıktısı üzerindeki etkisi incelenmiştir. Dokuz farklı model-algoritma kombinasyonuna ait debi çıktıları 7 farklı istatistiksel gösterge ile değerlendirilmiştir (NSE, KSE, R2, RSR, MSE, RMSE). Amaç fonksiyonu olarak Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) değeri ile kalibre edilen kombinasyonlara ait çıktıların, gözlenmiş değerler ile aralarındaki ilişki incelendiğinde, dağılı model olan mHM modeli ile global yöntemlerden CMAES algoritmasının en yüksek debi performansı gösteren entegrasyon olduğu sonucuna ulaşılmıştır. Ulaşılan sonuçların çalışma alanı kapsamında geçerli olduğu ve genelleştirilebilmesi için farklı özelliklere sahip havzalarda da benzer çalışmanın uygulanması gerektiği belirtilmiştir.

Abstract:
The protection of water resources is gaining importance day by day due to factors such as increased consumption and global warming. Every intervention to be made in this context requires a pre-process before every measure to be taken. Today, hydrological models that direct water management strategies offer outputs on many concepts that contribute to hydrology, and are included in the natural cycle, with the rainfall-runoff relationship they establish with different methods. In this study, Génie Rural à 4 paramètres Journalier (GR4J), Soil Water Assessment Tool Plus (SWAT+) and mesoscale Hydrological Model (mHM), which processes the cycle in three different structures, are used taking as reference the flow values, which are the most important factors in the continuation of hydrological cycle. The performance of Levenberg-Marquardt (LM), Shuffled Complex Evolution (SCE) and Covariance Matrix Adoption Evolution Strategy (CMAES) algorithms used in the calibration of the models was evaluated for Acısu Basin which is located at the upstream of Gediz Basin.
Hydrological models process data using different parameters and different spatial resolutions according to their intended use. In this study, which is based on a performance comparison, for the inputs (precipitation, temperature, potential evapotranspiration) common to all three hydrological models, the source of European Center for Medium-Range Weather Forecast (ECMWF) ERA5 data set is used to fairly evaluate the results of the combination of models and algorithms. ERA5 data with a resolution of 30 km x 30 km has been downscaled to the whole basin scale as a single time series for the lumped model GR4J, and to the scale to represent sub-basins for the semi-distributed model SWAT+ by weighted average method. For the mHM model it is defined with its default resolution. Afterwards, other inputs required for the models were defined (DEM, Land Use, Soil Map, etc.) and the installation phase was completed.
In the continuation of the study, the calibration of the hydrological models was made. At this stage, the Parameter Estimation Tool (PEST) was used as the calibration tool. The integration of the built hydrological model files with PEST was carried out and automatic sensitivity analysis was performed to determine the parameters to be calibrated. As a result of the sensitivity analysis, 3 of the 4 parameters of the GR4J model, 10 of the 20 parameters of the SWAT+ model that affect the flow rate, and 15 of the 66 parameters of the mHM model were used during the calibration phase above the specified threshold of sensitivity. While 1 local (LM), 2 global (SCE and CMAES) methods included in PEST were used for the calibration, the data between 1991-2000 for the calibration period and 2002-2005 were used for the validation period. In this context, it is the first study in which the hydrological model structure with three different spatial resolutions is calibrated and compared with one local and two different global methods.
In the first chapter, the motivation and goals of the study are mentioned, starting from the concepts of hydrological model and calibration. Additionally, in the next part of the introduction section, literature review is given, which includes similar studies for similar purposes.
At the beginning of the second part, the Acısu Basin represented by the data used is mentioned. The analysis of the data obtained and used for the Acısu Basin, which is located at the beginning of the Gediz Basin, has been shared. Also the data types used in the study are described individually in this part. Digital elevation model (DEM) of Advanced Spaceborne Thermal Emission and Reflection Radiometer (ASTER), land use map of Coordination of Information on the Environment (CORINE), soil map of Food and Agriculture Organisation of the United States (FAO), and representation of stations for General Directorate of Meterology (MGM) data are given with figures and explanations. Afterwards, information about the development and structure of the models is given, and the details of the algorithms used, sensitivity analysis and calibration phase are given. In this part, parameter descriptions and governing equations are given for GR4J, SWAT+ and mHM. The Nash-Sutcliffe Efficiency (NSE) value was used as the objective function in the study.
In the third chapter, the findings obtained as a result of the analyzes carried out with the methods used in the study are given. The final values of the calibrated parameters are shared in the section where the calibration outputs and result tables for each model are found. The outputs of the model-algorithm integrations were examined and the discharge performances were evaluated according to the seven error metrics, including NSE. The error metrics other then NSE are R^2, Kling-Gupta Efficiency (KGE), mean square error (MSE), root mean square error (RMSE), percent bias (PBIAS) and the ratio of RMSE to standard deviation (RSR). The equations of these metrics are also given in this part.
In the last part of the study, the conclusions drawn based on results were compiled in bullets form. The findings of this research provide insights for hydrologic modelling as the selection of model type and calibration algorithm greatly affects the discharge performance. The modelers should avoid using local methods as they cannot tackle the local minima issue during the calibration. In case of a flow forecast problem, the use of comprehensive distributed hydrologic model use can be cumbersome. Instead a parsimonious and light lumped model with less number of free parameters and high skill of prediction should be preferred. However, if the model simulations at ungaged basins are important then the use of grid based distributed models is inevitable. Also it is stated that the conclusions are confined with the study area. To generalise these conclusions, similar studies must be performed for basins which have different characteristics.