<p>A distributed hydrological rainfall-runoff model has been developed using a GIS integrated with a dynamic programming module (PCRaster). The model has been developed within the framework of the EU-project TWINBAS at IVL Swedish Environmental Research Institute, and is intended for use in WATSHMAN – a tool for watershed management developed at IVL. The model simulates runoff from a catchment based on daily mean values of temperature and precipitation. The GIS input data consist of maps with soil type, land-use, lakes, rivers and a digital elevation model. The model is a hybrid between a conceptual and a physical model. The snow routine uses the degree-day method, the evapotranspiration routine uses the Blainey-Criddle equation, the infiltration routine is based on Green-Ampt, groundwater is modelled assuming a linear reservoir and the flow routing is done with the kinematic wave equation combined with Manning’s equation.</p><p>The GIS and the hydrologic model are embedded in one another, allowing calculation of each parameter in each grid cell. The output from the model consists of raster maps for each time step for a pre-defined parameter, or a time series for a parameter at a specified grid cell. The flow network is generated from the digital elevation model and determines the water flow on the grid scale. The smallest possible grid size is thus obtained from the resolution of the digital elevation model. In this implementation the grid size was 50 m x 50 m. The raster structure of the model allows for easy use of data from climate models or remotely sensed data.</p><p>The model was evaluated using the River Kölstaån catchment, a part (110 km2) of the Lake Mälaren catchment, which has its outflow in central Stockholm, Sweden. The integration of the GIS and the hydrologic model worked well, giving significant advantages with respect to taking lakes and land-use into account. The evaluation data consisted of observed run-off for the period 1981 to 1991. The result from the calibration period shows a great variation in Reff (Nash & Sutcliffe) between the years, the three best years having Reff-values of 0.70 – 0.80. The Reff-value for the entire calibration period was 0.55 and 0.48 for the validation period, where again there was great variation between different years. The volume error was 0.1 % for the calibration period and -21 % for the validation period. The evapotranspiration was overestimated during the validation period, which is probably a result of excess rain during the calibration period. The results are promising and the model has many advantages – especially the integrated GIS-system – compared to the present WATSHMAN model. It could be further developed by introducing a second groundwater storage and refining the evapotranspiration and infiltration routine. Given the promising results, the model should be evaluated in other larger and hillier areas and preferably against more distributed data.</p> / <p>En helt distribuerad GIS-baserad hydrologisk modell för modellering i avrinningsområden på lokal/regional skala har byggts upp i PCRaster. Arbetet utfördes på IVL Svenska Miljöinstitutet AB inom ramen för EU-projektet TWINBAS, som har som mål att identifiera kunskapsluckor inför implementeringen av EU:s ramdirektiv för vatten. Modellen är tänkt att användas i WATSHMAN (Watershed Management System), IVLs verktyg för vattenplanering i avrinningsområden där bland annat källfördelningsberäkningar och åtgärdsanalyser ingår. Den uppbyggda modellen är en hybrid mellan en fysikalisk och en konceptuell hydrologisk modell och predikterar vattenföring på pixelnivå i avrinningsområden. Simuleringen drivs av dygnsmedelvärden för temperatur och nederbörd och modellen tar hänsyn till markanvändning, jordart, topografi och sjöar. De modellekvationer som används är grad-dagsmetoden för snö, Blainey-Criddle för evapotranspiration, Green-Ampt för infiltration, linjärt magasin för grundvatten och Mannings ekvation för flödesrouting.</p><p>Det geografiska informationssystemet och den hydrologiska modellen är helt integrerade, vilket gör att alla parametervärden beräknas för varje enskild pixel. Som utdata ger modellen en rasterkarta för varje tidssteg för en i förväg bestämd parameter, eller tidsserier över parametervärden i definierade punkter. Vattnet transporteras i ett utifrån höjdmodellen genererat flödesnätverk och vattnets flödesväg bestäms därmed på pixelnivå. Minsta möjliga pixelstorlek bestäms således utifrån höjdmodellens upplösning, och var vid denna tillämpning 50 m gånger 50 m. Modellens uppbyggnad med raster gör det enkelt att använda data från klimatmodeller eller fjärranalys.</p><p>Avrinningsområdet för Kölstaån, ett biflöde till Köpingsån i Mälardalen, har använts för att utvärdera modellen. Integreringen av GIS och hydrologisk modell fungerade mycket väl och gav stora fördelar t ex vad gäller att ta hänsyn till sjöar och markanvändning. Modellen kalibrerades med data från åren 1981 till 1986 och det erhållna volymfelet var då 0,1 % och Reff-värdet (Nash & Sutcliffe) 0,55. Stora variationer erhölls dock mellan åren; för de tre bästa åren låg Reff-värdet mellan 0,70 och 0,80. Ett mycket kraftigt nederbördstillfälle samt regleringar i huvudfåran av vattendraget ligger troligtvis bakom de mindre väl beskrivna åren. Även under valideringsperioden (1987 till 1991) fungerade modellen väl, så när som på att avdunstningen överskattades på vårarna (antagligen beroende av det stora regnet under kalibreringen), och Reff-värde och volymfel hamnade på 0,48 respektive -21 %, även här med stora variationer mellan åren. Resultaten är lovande och modellen har många fördelar jämfört med den nuvarande WATSHMAN-modellen. Den skulle kunna förbättras ytterligare genom att dela upp grundvattnet i två magasin samt förfina evapotranspirations- och infiltrationsrutinerna. Den höjdmodellsbaserade modellen bör utvärderas även i andra mer kuperade områden samt mot mer distibuerade data.</p>

A distributed hydrological rainfall-runoff model has been developed using a GIS integrated with a dynamic programming module (PCRaster). The model has been developed within the framework of the EU-project TWINBAS at IVL Swedish Environmental Research Institute, and is intended for use in WATSHMAN – a tool for watershed management developed at IVL. The model simulates runoff from a catchment based on daily mean values of temperature and precipitation. The GIS input data consist of maps with soil type, land-use, lakes, rivers and a digital elevation model. The model is a hybrid between a conceptual and a physical model. The snow routine uses the degree-day method, the evapotranspiration routine uses the Blainey-Criddle equation, the infiltration routine is based on Green-Ampt, groundwater is modelled assuming a linear reservoir and the flow routing is done with the kinematic wave equation combined with Manning’s equation. The GIS and the hydrologic model are embedded in one another, allowing calculation of each parameter in each grid cell. The output from the model consists of raster maps for each time step for a pre-defined parameter, or a time series for a parameter at a specified grid cell. The flow network is generated from the digital elevation model and determines the water flow on the grid scale. The smallest possible grid size is thus obtained from the resolution of the digital elevation model. In this implementation the grid size was 50 m x 50 m. The raster structure of the model allows for easy use of data from climate models or remotely sensed data. The model was evaluated using the River Kölstaån catchment, a part (110 km2) of the Lake Mälaren catchment, which has its outflow in central Stockholm, Sweden. The integration of the GIS and the hydrologic model worked well, giving significant advantages with respect to taking lakes and land-use into account. The evaluation data consisted of observed run-off for the period 1981 to 1991. The result from the calibration period shows a great variation in Reff (Nash &amp; Sutcliffe) between the years, the three best years having Reff-values of 0.70 – 0.80. The Reff-value for the entire calibration period was 0.55 and 0.48 for the validation period, where again there was great variation between different years. The volume error was 0.1 % for the calibration period and -21 % for the validation period. The evapotranspiration was overestimated during the validation period, which is probably a result of excess rain during the calibration period. The results are promising and the model has many advantages – especially the integrated GIS-system – compared to the present WATSHMAN model. It could be further developed by introducing a second groundwater storage and refining the evapotranspiration and infiltration routine. Given the promising results, the model should be evaluated in other larger and hillier areas and preferably against more distributed data. / En helt distribuerad GIS-baserad hydrologisk modell för modellering i avrinningsområden på lokal/regional skala har byggts upp i PCRaster. Arbetet utfördes på IVL Svenska Miljöinstitutet AB inom ramen för EU-projektet TWINBAS, som har som mål att identifiera kunskapsluckor inför implementeringen av EU:s ramdirektiv för vatten. Modellen är tänkt att användas i WATSHMAN (Watershed Management System), IVLs verktyg för vattenplanering i avrinningsområden där bland annat källfördelningsberäkningar och åtgärdsanalyser ingår. Den uppbyggda modellen är en hybrid mellan en fysikalisk och en konceptuell hydrologisk modell och predikterar vattenföring på pixelnivå i avrinningsområden. Simuleringen drivs av dygnsmedelvärden för temperatur och nederbörd och modellen tar hänsyn till markanvändning, jordart, topografi och sjöar. De modellekvationer som används är grad-dagsmetoden för snö, Blainey-Criddle för evapotranspiration, Green-Ampt för infiltration, linjärt magasin för grundvatten och Mannings ekvation för flödesrouting. Det geografiska informationssystemet och den hydrologiska modellen är helt integrerade, vilket gör att alla parametervärden beräknas för varje enskild pixel. Som utdata ger modellen en rasterkarta för varje tidssteg för en i förväg bestämd parameter, eller tidsserier över parametervärden i definierade punkter. Vattnet transporteras i ett utifrån höjdmodellen genererat flödesnätverk och vattnets flödesväg bestäms därmed på pixelnivå. Minsta möjliga pixelstorlek bestäms således utifrån höjdmodellens upplösning, och var vid denna tillämpning 50 m gånger 50 m. Modellens uppbyggnad med raster gör det enkelt att använda data från klimatmodeller eller fjärranalys. Avrinningsområdet för Kölstaån, ett biflöde till Köpingsån i Mälardalen, har använts för att utvärdera modellen. Integreringen av GIS och hydrologisk modell fungerade mycket väl och gav stora fördelar t ex vad gäller att ta hänsyn till sjöar och markanvändning. Modellen kalibrerades med data från åren 1981 till 1986 och det erhållna volymfelet var då 0,1 % och Reff-värdet (Nash &amp; Sutcliffe) 0,55. Stora variationer erhölls dock mellan åren; för de tre bästa åren låg Reff-värdet mellan 0,70 och 0,80. Ett mycket kraftigt nederbördstillfälle samt regleringar i huvudfåran av vattendraget ligger troligtvis bakom de mindre väl beskrivna åren. Även under valideringsperioden (1987 till 1991) fungerade modellen väl, så när som på att avdunstningen överskattades på vårarna (antagligen beroende av det stora regnet under kalibreringen), och Reff-värde och volymfel hamnade på 0,48 respektive -21 %, även här med stora variationer mellan åren. Resultaten är lovande och modellen har många fördelar jämfört med den nuvarande WATSHMAN-modellen. Den skulle kunna förbättras ytterligare genom att dela upp grundvattnet i två magasin samt förfina evapotranspirations- och infiltrationsrutinerna. Den höjdmodellsbaserade modellen bör utvärderas även i andra mer kuperade områden samt mot mer distibuerade data.

This research was aimed to evaluate the possibility of using satellite precipitation products (SPPs) and Numerical Weather Prediction (NWP) of precipitation for better hydrologic simulations and flood forecasting in the trans-boundary Chenab River Basin (CRB) in Pakistan. This research was divided into three parts. In the first part, two renowned SPPs, i.e., global precipitation mission (GPM) IMERG-F v6 and tropical rainfall measuring mission (TRMM) 3B42 v7, were incorporated in a semidistributed hydrological model, i.e., the soil and water assessment tool (SWAT), to assess the daily and monthly runoff pattern in Chenab River at the Marala Barrage gauging site in Pakistan. The results exhibit higher correlation between observed and simulated discharges at monthly timescale simulations rather than daily timescale simulations. Moreover, results show that IMERG-F is superior to 3B42 by indicating higher R2, higher Nash–Sutcliffe efficiency (NSE), and lower percent bias (PBIAS) at both monthly and daily timescale. In the second part, three latest half-hourly (HH) and daily (D) SPPs, i.e., 'IMERG-E', 'IMERGL', and 'IMERG-F', were evaluated for daily and monthly flow simulations in the SWAT model. The study revealed that monthly flow simulation performance is better than daily flow simulation in all sub-daily and daily SPPs-based models. Results depict that IMERGHHF and IMERG-DF yield the best performance among the other latency levels of SPPs. However, the IMERG-HHF based model has a reasonably higher daily correlation coefficient (R) and lower daily root mean square error (RMSE) than IMERG-DF. IMERG-HHF displays the lowest PBIAS for daily and monthly flow validations and it also represents relatively higher values of R2 and NSE than any other model for daily and monthly model validation. Moreover, the sub-daily IMERG based model outperformed the daily IMERG based model for all calibration and validation scenarios. IMERG-DL based model demonstrates poor performance among all of the SPPs, in daily and monthly flow validation, with low R2, low NSE, and high PBIAS. Additionally, the IMERG-HHE model outperformed IMERG-HHL. In the third and last part of this research, coupled hydro-meteorological precipitation information was used to forecast the 2016 flood event in the Chenab River Basin. The gaugecalibrated SPP, i.e., Global Satellite Mapping of Precipitation (GSMaP_Gauge), was selected to calibrate the Integrated Flood Analysis System (IFAS) model for the 2016 flood event. Precipitation from the Global Forecast System (GFS) NWP, with nine different lead times up to 4 days, was used in the calibrated IFAS model. This study revealed that the hydrologic simulations in IFAS, with global GFS forecasts, were unable to predict the flood peak for all lead times. Later, the Weather Research and Forecasting (WRF) model was used to downscale the precipitation forecasts with one-way and two-way nesting approaches. It was found in this study that the simulated hydrographs in the IFAS model, at different lead times, from the precipitation of two-way WRF nesting exhibited superior performance with the highest R2, NSE and the lowest PBIAS compared with one-way nesting. Moreover, it was concluded that the combination of GFS forecast and two-way WRF nesting can provide high-quality precipitation prediction to simulate flood hydrographs with a remarkable lead time of 96 h when applying coupled hydrometeorological flow simulation.