Fuzzy logic-based rainfall—runoff modelling using soil moisture measurements to represent system state

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Abstract
Initial catchment state, such as soil moisture, strongly controls rainfall—runoff transformation processes. However, due to the high spatial and temporal variability of soil moisture, point measurements may not always be suitable to represent the actual system state of a whole catchment as required in distributed catchment modelling. In this study a fuzzy rule-based system (FRBS) using the Takagi-Sugeno-Kang approach has been developed using soil moisture and rainfall as input variables to predict the actual discharge at the catchment outlet. Four soil moisture probes from the hydrological test site Dürreych (Black Forest, southwest Germany) were selected, each of them representing a particular runoff generation process (saturation excess flow, infiltration excess flow, slow and fast interflow, return flow). After manual calibration, the simulated peak discharges were very similar to the measured values. Furthermore, the pattern of rule activation in the FRBS reflected the complex, highly nonline... Résumé L'état initial du bassin versant, comme de l'humidité du sol, contrôle fortement les processus de transformation pluie—débit. Cependant, en raison de la forte variabilité spatiale et temporelle de l'humidité du sol, les mesures ponctuelles peuvent ne pas toujours être pertinentes pour représenter l'état actuel du système d'un bassin versant entier comme cela est requis en modélisation distribuée de bassin versant. Dans cette étude, un système à base de règle floue (SBRF) utilisant l'approche Takagi-Sugeno-Kang a été développé, en considérant l'humidité du sol et la pluie comme variables d'entrée pour prévoir le débit actuel à l'exutoire du bassin versant. Quatre sondes d'humidimétrie du site hydrologique expérimental de Dürreych (Forêt Noire, sud-ouest de l'Allemagne) ont été choisies, chacune d'entre elles étant représentative d'un processus particulier de génération d'écoulement (écoulement par saturation, écoulement par excès d'infiltration, écoulement hypodermique lent et rapide, écoulement par...