The effect of a hydrological model structure and rainfall data on the accuracy of flood description in an upland catchment

Abstract The effect of a hydrological model structure and rainfall data on the accuracy of flood description in an upland catchment. The aim of this paper was to determine the influence of a hydrological model structure and rainfall- -related data on flood parameters obtained from a simulation. The study included an upland river Stobnica, right tributary of the Wisłok. The following assumptions were investigated: (i) the greater number of rainfall stations, the more accurate a flood description, i.e. the resulting hydrograph much better describes the actual flood, (ii) a distributed parameter model provides a more precise description of a catchment response to rainfall than a lumped parameter model. All calculations were performed using HEC-HMS 3.4 software. The analyses showed that increasing the number of rainfall stations slightly improved the model performance (by on average 4.1%). Furthermore, it was showed that in the catchment characterized by low topographical variability and stable land use, more reliable flood simulation results were obtained in the lumped parameter model than in the distributed parameter model. Considering the calibration process slightly improved the model performance, irrespective of its structure and the number of rainfall stations. Multivariate analysis of variance (MANOVA) revealed that the resulting differences in the model efficiency for individual variants were not significant. Considering limited empirical evidence on rainfall-runoff episodes, uncertainty of these results is probably high and thus they should be treated as a starting point for further studies. Streszczenie Wpływ struktury modelu i danych opadowych na dokładność opisu wezbrań na przykładzie zlewni wyżynnej. Celem pracy było określenie wpływu struktury modelu hydrologicznego i jakości danych opadowych na parametry wezbrań uzyskane z symulacji. Badania prowadzono w zlewni rzeki Stobnicy - prawostronnego dopływu Wisłoka. Przyjęto następujące założenia: wzrost liczby stacji opadowych pozwala na dokładniejszy opis przebiegu wezbrania przez model oraz model o parametrach rozłożonych pozwala na dokładniejszy opis reakcji zlewni na opad niż model o parametrach skupionych. Obliczenia prowadzono w programie HEC-HMS 3.4. Analizy wykazały, że zwiększenie liczby stacji opadowych nieznacznie poprawia jakość pracy modelu (w przypadku uwzględnienia większej liczby stacji opadowych w modelu współczynnik efektywności wzrósł średnio o 4,1%). Ponadto wykazano, że w przypadku zlewni o nieznacznym zróżnicowaniu warunków topograficznych i użytkowania lepsze wyniki symulacji wezbrań uzyskano dla modelu o parametrach skupionych w porównaniu do modelu o parametrach rozłożonych. Uwzględnienie dodatkowo procesu kalibracji nieznacznie poprawiło jakość pracy modelu niezależnie od jego struktury i ilości stacji opadowych. Wieloczynnikowa analiza wariancji MANOVA wykazała, że uzyskane różnice w efektywności pracy modelu dla różnych wariantów nie były statystycznie istotne. Ze względu na ograniczony materiał empiryczny dotyczący epizodów opad-odpływ, uzyskane wyniki mogą być obdarzone znaczną niepewnością i należy traktować je jako przyczynek do dalszych badań.