Hydrologische modellen die waterstroming simuleren en voorspellen, worden gebruikt om in te schatten hoe natuurlijke systemen reageren op verschillende scenario's zoals veranderingen in klimaat, landgebruik, en bodembeheer. De output van deze modellen kan beleids- en regelgevende beslissingen met betrekking tot water- en landbeheerpraktijken informeren.

Numerieke modellen zijn steeds gemakkelijker te gebruiken geworden met de vooruitgang in computertechnologie en software met grafische gebruikersinterface (GUI). Hoewel deze technologieën de modellen toegankelijker maken, problemen kunnen ontstaan ​​als ze worden gebruikt door onervaren modelbouwers, zegt Juan Sebastian Acero Triana, een doctoraatsstudent bij de afdeling Landbouw- en Biologische Technologie aan de Universiteit van Illinois.

Acero Triana is hoofdauteur van een onderzoek dat de nauwkeurigheid evalueert van een veelgebruikt numeriek model in de hydrologie.

Bevindingen uit het onderzoek tonen aan dat zelfs wanneer het model goed gekalibreerd lijkt te zijn, de resultaten ervan kunnen moeilijk correct te interpreteren zijn. De studie, gepubliceerd in de Tijdschrift voor Hydrologie , geeft aanbevelingen voor het verfijnen van het proces en het verkrijgen van nauwkeurigere resultaten.

Modelnauwkeurigheid is belangrijk om ervoor te zorgen dat beleidsbeslissingen gebaseerd zijn op realistische scenario's, zegt Maria Chu, een co-auteur van de studie. Chu is een assistent-professor landbouw- en biologische technologie aan het College of Agricultural, Consumenten- en milieuwetenschappen en The Grainger College of Engineering aan de U of I.

"Bijvoorbeeld, misschien wilt u de impact van het toekomstige klimaat op de waterbeschikbaarheid in de komende 100 jaar inschatten. Als het model de werkelijkheid niet weergeeft, je gaat de verkeerde conclusies trekken. En verkeerde conclusies zullen leiden tot verkeerd beleid, die grote gevolgen kan hebben voor gemeenschappen die afhankelijk zijn van de watervoorziening, ' zegt Chu.

Het onderzoek richt zich op het Bodem- en Watertoetsingsmodel (SWAT), die de watercirculatie simuleert door gegevens over landgebruik op te nemen, bodem, topografie, en klimaat. Het is een populair model dat wordt gebruikt om de effecten van klimaat- en landbeheerpraktijken op watervoorraden en de verplaatsing van verontreinigende stoffen te evalueren.

De onderzoekers voerden een case study uit in het Fort Cobb Reservoir Experimental Watershed (FCREW) in Oklahoma om de nauwkeurigheid van het model te beoordelen. FCREW dient als testlocatie voor het United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service (USDA-ARS) en de United States Geological Survey (USGS); dus, gedetailleerde gegevens zijn al beschikbaar over streamflow, reservoir, grondwater, en topografie.

De studie koppelde het SWAT-model aan een ander model genaamd MODFLOW, of het modulaire eindige-verschil stroommodel, met meer gedetailleerde informatie over grondwaterstanden en -fluxen.

"Ons doel was om te bepalen of het SWAT-model op zichzelf het hydrologische systeem op de juiste manier kan weergeven, " zegt Acero Triana. "We ontdekten dat dat niet het geval is. Het kan niet echt het hele hydrologische systeem vertegenwoordigen."

In feite, het SWAT-model leverde 12 iteraties van waterbeweging op die allemaal acceptabel leken. Echter, in combinatie met MODFLOW werd het duidelijk dat slechts enkele van deze resultaten goed rekening hielden met grondwaterstroming. De onderzoekers vergeleken de 12 resultaten van SWAT met 103 verschillende grondwateriteraties van MODFLOW om een ​​realistische weergave te vinden van de waterfluxen in het stroomgebied.

Het opleveren van verschillende resultaten die allemaal even waarschijnlijk correct zijn, wordt 'equifinaliteit' genoemd. Zorgvuldige kalibratie van het model kan equifinaliteit verminderen, Acero Triana legt het uit. Kalibratie moet ook rekening kunnen houden met inherente beperkingen in de manier waarop het model is ontworpen en hoe parameters worden gedefinieerd. In technische termen, het moet rekening houden met de ontoereikendheid van het model en de beperking.

Echter, onervaren modelbouwers begrijpen de fijne kneepjes van kalibratie misschien niet helemaal. En vanwege de inherente beperkingen van zowel SWAT als MODFLOW, het gebruik van statistieken van slechts één model levert mogelijk geen nauwkeurige resultaten op.

De onderzoekers raden aan om een ​​combinatiemodel genaamd SWATmf te gebruiken, die de SWAT- en de MODFLOW-processen integreert.

"Dit artikel presenteert een case study die algemene richtlijnen geeft voor het gebruik van hydrologische modellen, " zegt Acero Triana. "We laten zien dat je twee domeinmodellen nodig hebt om echt een hydrologisch systeem weer te geven. Je moet zowel de oppervlakte- als de ondergrondse processen weergeven die plaatsvinden."

De verschillen in resultaten kunnen klein zijn, maar na verloop van tijd kan het effect aanzienlijk zijn, concludeert hij.

Het artikel, "Voorbij modelstatistieken:de gevaren van het kalibreren van hydrologische modellen" is gepubliceerd in Tijdschrift voor Hydrologie .