Ensemble-basierte Unsicherheits- und globale Sensitivitätsanalyse dreidimensionaler hydrogeologischer Modelle

Olaf A. Cirpka1, Daniel Erdal1, Jonas Allgeier1
1 Zentrum für Angewandte Geowissenschaften, Universität Tübingen

2.1 in Wasserquantitäts- und qualitätsmodellierung auf regionaler Skale - Herausforderungen und neue Ansätze

27.03.2020, 14:00-14:15, Weißer Saal

Die realistische Abbildung des natürlichen Untergrundes in numerischen 3D Modellen bewirkt einen hohen Rechenaufwand und starke Unsicherheiten in der Modellbeschreibung. Letzteres betrifft klassische hydraulische Eigenschaften wie die Durchlässigkeit oder van-Genuchten Parameter, aber auch die geometrische Beschreibung der geologischen Struktur (z.B. Versatzhöhe von Störungen, Mächtigkeit von Verwitterungsschichten) sowie Randbedingungen. Die große Anzahl der Parameter und die nichtlineare Abhängigkeit messbarer Größen von den Parametern erschwert die automatische Kalibrierung mit Standardmethoden. Die Unsicherheit der Parameter erfordert eine stochastische Beschreibung mit Hilfe vieler Realisationen im Rahmen eines Ensemble-Ansatzes, während der hohe Rechenaufwand die Größe des Ensembles beschränkt.

Wenn man alle Parameter in den Grenzen plausibler Bereiche mittels Monte-Carlo Methoden austestet, führen sehr viele Parameterkombinationen zu unplausiblen Simulationsergebnissen (z.B. Trockenfallen eines Baches mit permanenter Wasserführung oder Überflutung großer Gebiete). Der Auschluss von ca. 90% der Realisationen aufgrund gescheiterter Plausibilitätstests ist durchaus üblich. Wir haben verschiedene Methoden getestet, die eine schnelle, ungenaue Approximation des komplexen Modellergebnisses ohne großen Rechenaufwand ermöglicht. Wir setzen diese Proxy-Modelle ein, um für eine vorgeschlagene Parameterkombination abzuschätzen, mit welcher Wahrscheinlichkeit sie ein plausibles Ergebnis lierfert. Das Proxy-Modell dient lediglich zur Vorselektion. Die vorselektierten Realisationen werden dann mit dem komplexen Modell durchgerechnet und anschließend anhand ihrer Plausibilität in das Ensemble aufgenommen oder nicht. Auf diese Weise konnten wir die Anzahl der vollständigen Rechenläufe dramatisch verringern, ohne die Qualität des Ensembles einzuschränken.

Viele Parameter haben nur einen kleinen Einfluss auf die zu untersuchenden Vorhersagegrößen. Wir verwenden das Ensemble akzeptierter Rechenläufe für eine globale Sensitivitätsanalyse mithilfe „aktiver Unterräume“, die orthogonale Parameterkombinationen mit abnehmenden Einfluss auf die Zielgröße im gesamten Parameterraum beschreiben. Häufig kann bereits mit zwei aktiven Parameterkombinationen der größte Teil der Modellvariabilität beschrieben werden. Dies ermöglicht die Visualisierung der Abhängigkeiten und gibt Hinweise, welche Parameterkombinationen sinnvoll kalibriert werden können. Für die Konditionierung der Modelle auf Messdaten setzen wir Ensemble-Kalman-Methoden ein.

Das stochastische Modellkonzept für die Simulation der Strömung und des reaktiven Stofftransports im Einzugsgebietsmaßstab wird im Rahmen des SFBs 1253 "CAMPOS - Catchments as Reactors" entwckelt. Es wird auf Teileinzugsgebiete des Ammer-Einzusgebietes bei Tübingen angewendet, bei dem zum Beispiel die Mächtigkeit und Durchlässigkeit des verwitterten Gipskeupers einen großen EInfluss auf die Plausibilität der Simulationsergebnisse hat.

Betrachtete geologische Schichten mit unsicherer Störung im Teileinzugsgebiet des Käsbaches.
Betrachtete geologische Schichten mit unsicherer Störung im Teileinzugsgebiet des Käsbaches.



Erdal, D. , Cirpka, O.A. (2019): Global sensitivity analysis and adaptive stochastic sampling of a subsurface-flow model using active subspaces. Hydrol. Earth Sys. Sci. 23: 3787-3805, doi: 10.5194/hess-23-3787-2019.



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