Rainfall-runoff modelling with high temporal resolution on the arable catchment Skuterud : assessing the performance of the Distance Distribution Dynamics model

Abstract

Runoff from arable land is recognised as the main reason for water degradation, eutrophication and reduced water quality. The aim of the study is to model runoff on a 1h temporal resolution from an arable catchment using the Distance Distribution Dynamics model. Research objectives are to compare the model with and without artificial drainage system as part of the model parameters and introduce two alterations to the recession analysis of the pre-processing routine. Model inputs are precipitation and temperature. Pre-processing includes recession analysis, to determine subsurface storage and subsurface flow velocities i.e. celerities, and distance distribution analysis. The study area is the small agriculturally dominated catchment Skuterud, which is a part of The Norwegian Agricultural Environmental Monitoring Programme (JOVA). The calibration period is from 2000-2004, and the validation period 2005-2009. Time series from 2000-2004 were aggregated to 3h, 6h, 12h and 24h temporal resolution to check the assumption of time invariance for the recession characteristics. The results show an improvement of Nash-Sutcliffe efficiency (NSE) and Kling-Gupta Efficiency (KGE) criterion when artificial drainage is included in the model, and further improvement using the altered recession analysis methods. Limitation and uncertainties with the model include, but is not limited to, instrumental limitation for runoff measurements at low flow, hydrological impact on soil characteristics or seasonal influences. The overall best result is an NSE of 0.56 and KGE of 0.74.

Avrenning fra jordbruksdominerte nedbørfelt er en av hovedkildene til vannforurensing og eutrofiering i omkringliggende innsjøer og elver. Målet med dette studiet er å modellere avrenning fra et jordbruksfelt ved hjelp av Distance Distribution Dynamics (DDD) modellen på 1t tidsoppløsning. Delmål inkluderer implementering av drensrør i avstandsfordelingsrutinen og endringer i resesjonsanalysen som brukes til å estimere vannets bølgehastighet gjennom bakken. Inndata er nedbør og temperatur, parameterdata estimeres i avstandsfordeling- og resesjonsanalyse. Fokusområdet for oppgaven er Skuterud nedbørfelt som er et av forskningsfeltene til Jord- og vannovervåking i landbruket (JOVA). Fire ulike modellscenarier kalibreres i perioden 2000-2004 og valideres i perioden 2005-2009. Resultatene viser akseptable (> 0.5) Nash-Sutcliffe (NSE) og Kling-Gupta (KGE) kriteria for simulering på 1t tidsoppløsning. Simuleringen bedres ved implementering av drensrør i modellens avstandsfordeling. Endringene i resesjonsanalysen bedrer resultatene, men ikke i like stor grad. Dette kan skyldes begrensninger ved hydrologisk måling når vannstanden er lav, og hydrologiske eller sesongvariasjoners påvirkning på jordegenskaper. Det beste resultatet er en NSE på 0.56 og en KGE på 0.74.