Evaluation of a data-based hydrological model for simulating the runoff of medium sized Andean basins

Abstract

RESUMEN: El modelo conceptual agregado VHM, basado en una tecnica de mineria de datos y capaz de adaptar su estructura a distintos grados de complejidad usando entre 5 y 15 parametros, fue implementado en dos cuencas andinas del Sur del Ecuador de 300 y 1260 km2 usando series de tiempo de lluvia y caudal. Este articulo detalla el procedimiento seguido para identificar la estructura del modelo, realizar su calibracion y validacion, asi como el enfoque multi-objetivo utilizado para evaluar el desempeno del modelo y sus componentes. Para incrementar la informacion existente en las series de caudal, estas fueron divididas en series de tiempo de subflujos de caudales rapidos, intermedios y base, y las nuevas series fueron discretizadas en eventos independientes de caudales altos y bajos. Se encontro que la estructura del modelo compuesta solamente por un modulo para almacenamiento de agua en el suelo, flujos rapidos y flujos lentos fue capaz de modelar el balance agua y los caudales de las dos cuencas con una precision aceptable. Se identifico que un valor bajo de la capacidad de almacenamiento del suelo facilita la calibracion del modelo (identificacion de sus parametros) pero no da una garantia para mejorar el desempeno del modelo. El estudio revelo tambien que las estructuras mas simples del modelo reducen fuertemente el riesgo de sobre parametrizacion del modelo y su incertidumbre asociada. Palabras clave: Mineria de datos, modelo hidrologico basado en datos, calibracion, validacion, evaluacion multi-objetivo, analisis secuencial. ABSTRACT: Using timeseries of rainfall and streamflow of two basins in the Andean mountain range, South Ecuador, different in size (300 and 1260 Km2), a generalized lumped conceptual model (VHM), offering the possibility of using different levels of complexity with number of model parameters varying between 5 and 15, was tested. To increase the information timeseries of total streamflow were split in timeseries of quick, intermittent and baseflow, and the timeseries were discretized to select independent events of high and low flows. The paper outlines in detailed the procedure for the model structure identification, calibration and validation, as well as the multi-objective criteria approach used to evaluate the performance of the model and its components. It has been shown that the model structure, consisting of a module for soil storage and quick flow, was able to model for both basins the water balance and streamflow components with acceptable accuracy. A low value of the soil water storage facilitates the model calibration but it is not a guarantee that the model performs better. The study further reveals that the risk of over-parameterization and associated uncertainty reduces strongly the more simple the structure of the model. Keywords: Data-mining, data-based hydrological model, split-sample, streamflow components, calibration, validation, multi-objective evaluation, step-wise analysis.