Frage: Wie einfach oder komplex können / müssen Modelle sein? Einführung: Flussgebietsmanagement. Einführung: Modelleinsatz im Flussgebietsmanagement

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1 Einführung in die Ökosystemmodellierung (M. Volk) VL: - Teil 2: Methoden für Analyse und Management von Flusseinzugsgebieten auf verschiedenen Maßstabsebenen (M. Volk / S. Liersch) VL / Übungen: - 9:00 bis 10:30 Uhr: Teil 3: Die Modelle SWAT und IHACRES - 11:00 bis 13:00 Uhr: Übungen mit dem Modell IHACRES Einführung in die Ökosystemmodellierung - Ralf Seppelt, Martin Volk, Stefan Liersch, Department Landschaftsökologie Teil 3 (Martin Volk und Stefan Liersch): Die Modelle SWAT und IHACRES (M. Volk / S. Liersch) - 9:00 bis 10:00 Uhr: OpenSpace - 11:00 bis 13:00 Uhr: Übungen (Modell IHACRES, SAGA)? Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, SS 2008 SEITE 2 Inhalte Einführung: Flussgebietsmanagement Kurze Wiederholung: Flussgebietsmanagement Modelleinsatz im Flussgebietsmanagement Wie einfach dürfen Modelle sein? Beispiel: SWAT Beispiel: IHACRES SEITE 3 SEITE 4 Einführung: Modelleinsatz im Flussgebietsmanagement Analyse des Einflusses von Landnutzung, Landbewirtschaftung und Wasserwirtschaft auf Wasserverfügbarkeit und Wasserqualität in Flusseinzugsgebieten Frage: Wie einfach oder komplex können / müssen Modelle sein? Basis für die Empfehlung von Landnutzungsmustern und Bewirtschaftungsstrategien, die zur Verbesserung der Wasserverfügbarkeit und Wasserqualität führen. Everything should be made as simple as possible, but not simpler Albert Einstein SEITE 5 SEITE 6 1

2 ?? Niederschlag Windgeschwindigkeit Luftfeuchte Globalstrahlung Temperatur Evapotranspiration Bewässerung Landnutzung und Bewirtschaftung (pflanzenphysikalische Kenngrößen) Abfluss Nährstoff im Gewässer Speicher (bodenphysikalische Kenngrößen) SEITE 7 SEITE 8 Beispiel: Soil and Water Assessment Tool (SWAT) SEITE 9 SEITE 10 - Entwickelt vom US Department of Agriculture - Agricultural Research Service (USDA-ARS) - OpenSource ( - bestehend aus mehreren Modulen - dynamisches prozessorientiertes Modell - läuft unter ArcView, ArcGIS, GRASS oder MAPWINDOW-Oberfläche - Einsetzbar für meso- bis makroskalige Einzugsgebiete - weltweit eingesetzt gute Usergroup SWAT arbeitet in Tagesschritten (Tage, Jahre, ) SWAT wurde entwickelt, um den Einfluss von verschiedenen Managementszenarien auf Wasserqualität, Sedimentaustrag und Schadstoffe in ländlichen Einzugsgebieten zu berechnen (Parameterverteilung im Raum) Umfassende Simulation von Prozess-Wechselwirkungen Umfassende Simulation von landwirtschaftlicher Bewirtschaftung Possible Mögliche Konfigurationen Configurations Subwatersheds Teileinzugsgebiete Hydrologic Response Units Output Ergebnisse from other von anderen Models -Modellen EPIC, SWAT Point Punktquellen Sources -(Kläranlagen, Treatment Plants etc.) Stream Delineation SEITE 11 SEITE 12 2

3 SWAT Watershed System Evaporation and Transpiration Wasserbilanz Precipitation SEITE 13 Terrestrische Prozesse Prozesse im Gerinne / In der Aue Root Zone Vadose (unsaturated) Zone Shallow (unconfined) Aquifer Confining Layer Deep (confined) Aquifer SEITE 14 Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution Revap from shallow aquifer Flow out of watershed Percolation to shallow aquifer Surface Runoff Lateral Flow Recharge to deep aquifer Return Flow Nährstoffkreisläufe, Pestizide, Bakterien.. Management Stickstoff Phosphor Stofftransport Fruchtfolgen Entfernen der Biomasse (Ernte) / Ernterückstände Bewirtschaftung / biologische Durchmischung des Bodens Düngung und Dunganwendungen Randstreifen Pestizid-Anwendungen Bewässerung Wasserkörper (Feuchtgebiete, Reis) SEITE 15 SEITE 16 Prozesse im Gerinne Channel Processes Flood Routing Transmission Losses, Evaporation Sediment Routing Degradation and deposition Nutrients modified QUAL2E/WASP Pesticide Toxic balance SEITE 17 SEITE 18 3

4 Stärken von SWAT Stärken von SWAT Kontinuierliche Entwicklung des Modells!! Open Source Terrestrische Prozesse: Umfassende Darstellung des Wasserhaushalts Physikalisch-basiert Pflanzenwachstum Fruchtfolgen, Ernteerträge Nährstoffkreislauf im Boden Landbewirtschaftung ( Best Management Practices, gute landwirtschaftliche Praxis ): Bearbeitung, Bewässerung, Düngung, Pestizide, Weidenutzung, Fruchtfolgen, Drainagen, etc. Prozesse im Gerinne: Flexible Konfiguration Wasserumleitungen Sedimentdeposition Nährstoff-/Pestizid-Transport Gewässerkörper, Feuchtgebiete und Stauanlagen-Einflüsse SEITE 19 SEITE 20 Schwächen von SWAT Räumliche Prozessbeschreibung (HRUs sind nicht verortet, keine Topologie) Gleichzeitige Implementierung von mehreren Fruchtfolgen ist nicht möglich Nur empirischer Ansatz für Randstreifensimulation Stickstoff- und Wasserqualitätsmodul verbesserungswürdig und Überparametrisierung!!! SEITE 21 SEITE 22 NeWater (EU-Projec Nochmal die Frage: Wie einfach oder komplex können / müssen Modelle sein? Work Package 1.6 New Approaches to Adaptive Water Management under Uncertainty Transition to Advanced Monitoring Systems for Adaptive Management Everything should be made as simple as possible, but not simpler Albert Einstein Task Development of a GIS-based Monitoring and Information System SEITE 23 SEITE 24 4

5 GIS-based Monitoring and Information System NeWater Case Studies SEITE 25 SEITE 26 Amudarya (Central Asia) Amudarya Soil salinity assessment and monitoring supported by local knowledge Tisza (Central Europe) Flood forecasting / flood risk assessment SEITE 27 SEITE 28 Tisza (Central Europe) Tisza River Basin Slovakia Ukraine Transcarpathian Mountains Tisza Tisza Hungary Romania Catchment Area ~157,000 km 2 Serbia in Ukraine ~12,500 km 2 Elevation m.a.s.l. SEITE 29 SEITE 30 5

6 Current Flood Management No lack of scientific knowledge No lack of technical prerequisites ~ 20 Automated Measuring Stations Data transfer via satellite Rainfall-runoff models Lack of financial resources to build and maintain existing flood prevention infrastructure How to improve Flood Management? NeWater is not designed to provide financial aid, but scientific support! - Thus, what can be done from a scientific point of view to improve the situation? - Is the current flood management adapted to current conditions? 1. A hydrodynamic model is used for flood forecasting, requiring input data that are not always available. 2. Expert knowledge about flood pre-conditions should be integrated in flood risk management and modelling SEITE 31 SEITE 32 Niederschlags-Abfluss Abfluss-Modell (N-A-Modell) Niederschlag Abfluss? Stark vereinfachtes Flusseinzugsgebiets- Modell Modell Zusätzliche Größen SEITE 33 SEITE 34 Niederschlag Globalstrahlung / Temperatur / Verdunstung Speicher Beispiele für f einfache konzeptionelle Niederschlags-Abflussmodelle IHACRES (Identification of unit Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data) Jakeman, A. J. and G.M. Hornberger (1993) GR4J (modèle du Genie Rural journalier à 4 paramètres) Perrin, C. et al. (2003) HBV Bergström, S. & A. Forman (1973) Abfluss SEITE 35 SEITE 36 6

7 Beispiel: IHACRES (Identification of unit Hydrographs And Component flows from Rainfall, Evaporation and Streamflow data) IHACRES: Datenanforderungen Jakeman, A.J. & G.M. Hornberger (1993). How Much Complexity Is Warranted in a Rainfall-Runoff Model? Water Resources Research, 29, Jakeman, A.J., Littlewood, I.G. & P.G. Whitehead (1990). Computation of the instantaneous unit hydrograph and identifiable component flows with application to two small upland catchments. Journal of Hydrology, 117, 275. Niederschlag Temperatur (optional) - Lufttemperatur zur Abschätzung von ETpot Abflussmessungen (nur zur Kalibrierung des Modells) Zeitliche Auflösung - stündlich - täglich ohne Lücken! SEITE 37 SEITE 38 IHACRES Niederschlag (r k ) Non-linear module 3 Parameter c, f, τ w(cons Linear module Quick flow component Nicht-lineares Verlust -Modul Transformation des Niederschlages zu abflusswirksamem Niederschlag (1) Berechnung der Austrocknungseigenschaften des EZG τ w (t k )= τ w(cons exp((20 t k ) f) Rainfall loss module Q q (k) = -α q Qq (k-1) + β q u (k-δ) Berechnung der aktuellen Einzugsgebietssättigung ( catchment wetness index (s k ) ) oder Vorregenindex / Vorfeuchte (antecedent precipitation index ) effictive rainfall (u k ) Temperatur (t k ) effective rainfall (u k ) Slow flow component Q s (k) = -α s Qs (k-1) + β s u (k-δ) Abfluss (Q k ) = Q q + Q s s k = c r k + (1 τ w(k) -1 ) s k-1 Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages (excess or effective rainfall) u k = r k s k SEITE 39 SEITE 40 Nicht-lineares Verlust -Modul Transformation des Niederschlages zu abflusswirksamem Niederschlag (2) Nicht-lineares Verlust -Modul Transformation des Niederschlages zu abflusswirksamem Niederschlag (3) Berechnung (τ w ) der Austrocknungseigenschaften des EZG τ w (t k )= τ w(cons exp((20 t k ) f) Berechnung der aktuellen Einzugsgebietssättigung ( catchment wetness index (s k ) ) oder Vorregenindex / Vorfeuchte (antecedent precipitation index ) s k = c r k + (1 τ w(k) -1 ) s k-1 t k f τ w(cons = = = temperature in degrees Celsius at time step k temperature modulation factor which determines how τ w (t k ) changes with temperature time constant, the rate at which catchment wetness declines in the abscence of rainfall c = adjustment factor r k = rainfall at time step k τ w = time constant, the rate at which catchment wetness declines in the abscence of rainfall SEITE 41 SEITE 42 7

8 Nicht-lineares Verlust -Modul Transformation des Niederschlages zu abflusswirksamem Niederschlag (4) Precipitation [mm] s k = c r k + (1 τ w -1 ) s k-1 Wetness Index "excess" Rainfall Rainfall Wetness Index Berechnung des abflusswirksamen Niederschlages (u k ) ( excess or effective rainfall) 30 u k = r k s k u k = r k s k = aktueller Niederschlag * Vorfeuchte u k = excess or effective rainfall r k = rainfalll at time step k s k = catchment wetness index SEITE 43 0 Jan Feb Mrz Apr Mai Jun Jul Aug Sep Okt Nov Dez time steps SEITE IHACRES Niederschlag (r k ) Non-linear module 3 Parameter c, f, τ w(cons Linear module Quick flow component Linearer Speicher 1. Ordnung (1) S S (Speicher) = Storage [m 3 ] T (Verweilzei = mean residence time Q (Abfluss) = [m 3 * T -1 ] Rainfall loss module Q q (k) = -α q Qq (k-1) + β q u (k-δ) α Q = S / T = -α Q (k-1) + β u (k-δ) effictive rainfall (u k ) effective rainfall (u k ) Slow flow component Q s (k) = -α s Qs (k-1) + β s u (k-δ) Abfluss (Q k ) = Q q + Q s Q = Q 0 * exp(-t / T) Transferfunktion des linearen Speichers, ausgedrückt als kontinuierliche Zeit, in dem sich Q direkt proportional zum Speicher verhält. Temperatur (t k ) SEITE 45 SEITE 46 Transferfunktion / Übertragungsfunktion Wikipedia: Linearer Speicher 1. Ordnung (2) Q Schnelle Transferfunktion Die Übertragungsfunktion (auch Response-Funktion oder Antwort-Funktion) ist eine mathematische Beschreibung des Verhaltens eines linearen, zeitinvarianten Systems, das genau einen Eingang und einen Ausgang besitzt. Ein lineares, zeitinvariantes System, das genau einen Eingang und einen Ausgang besitzt, reagiert auf ein Eingangssignal mit einem Ausgangssignal. Q = Q 0 * exp(-t / T) Q t Langsame Transferfunktion SEITE 47 SEITE t 8

9 Linearer Speicher 1. Ordnung (3) t continuous time: Q = Q0 * exp T discrete time: or with Q( Q( Δt u( Q( Δt = Δt T Δt Δt Q( = u( + 1 Q( t Δ T T α = 1 Δt T and β = Q( = α Q( t Δ + βu( Δt T Beven (2002) IHACRES - Simulation m 3 /s NSE = 0.93 observed simulated m3/s NSE = 0.38 observed simulated SEITE 49 SEITE 50 IHACRES Hochwasser-Simulation Vorteile von einfachen Abflussmodellen - Geringe Datenanforderungen - Wenige Parameter zur Kalibrierung erforderlich - Schnelle Berechnungs- und Datenaufbereitungszeit - Ableitung von Einzugsgebietseigenschaften möglich (?) SEITE 51 SEITE 52 Verwendung von einfachen N-A-Modellen (parsimonious models) Anwendungsgrenzen simpler N-A-ModelleN für: - Einsatz im Hochwasserrisikomanagement - Simulation unbeobachteter Einzugsgebiete - DRC: Dynamic Response Characteristics PCD: Physical Catchment Descriptors - Schneeschmelze - Einfluss des Grundwassers bei komplexer Struktur verschiedener Grundwasserleiter - Bewirtschaftete Flüsse (Stauanlagen) SEITE 53 SEITE 54 9

10 PCD (Physical( Catchment Desciptors) Response Characteristics) ) 1 Post and Jakeman (1996); Sefton and Howarth (1998); Beven (2002) Catchment size Catchment shape Elongation Catchment gradient Drainage density Größe des EZG Form des EZG Ausdehnung (Verhältnis von Durchmesser eines Kreises mit der Fläche des EZG zur Länge des EZG) The angle formed by the catchment maximum vertical relief and channel length) (Post and Jakeman, 1996) Horton (1932): Absolute Länge der Flüsse pro km 2 3 Parameter vom Verlustmodul (loss module) c τ w f 3 Parameter vom Steuerungsmodul (routing module) τ q = 1 / ln(-α q ) mittlere Verweilzeit im schnellen Speicher τ s = 1 / ln(-α s ) mittlere Verweilzeit im langsamen Speicher υ q = β q / (1 + α q ) Prozentualer Anteil des schnellen Abflusses υ s = (1- υ q ) SEITE 55 SEITE 56 Response Characteristics) ) 2 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998) Response Characteristics) ) 3 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998) Parameter f des Verlustmoduls (Loss Module) - Reguliert die Sensitivität des Rückgangs der Einzugsgebietssättigung gegenüber Lufttemperatur, was durch Faktoren beeinflusst wird, welche die jahreszeitliche Schwankung der Evapotranspiration beeinflussen. Reguliert die Differenz der Evapotranspiration in Sommer- und Winterperioden. - Abhängig von - Vegetation - Catchment gradient Parameter τ w des Verlustmoduls (Loss Module) - Umkehrfunktion der Verlustrate durch Evapotranspiration, welche die Reduktion von s k steuert. - Zeitkonstante der Austrocknungseigenschaften des EZG Abhängig von - Catchment gradient - Drainage density SEITE 57 SEITE 58 Response Characteristics) ) 4 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998) Response Characteristics) ) 5 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998) Parameter c des Verlustmoduls (Loss Module) - Maximales Volumen des Speichers im nicht-linearen Modul. - Beitrag des (Einheits-) Niederschlages zur Sättigung des Einzugsgebietes (s k ). - Je größer 1/c, desto geringer der Abfluss. Abhängig von - Catchment gradient - Drainage density - Landnutzung Parmeter τ q des Steuerungsmoduls (Routing Module) - Rezessionskonstante für die schnelle Abflusskomponente - Mittlere Verweilzeit des Wassers in der schnellen Speicherkomponente - Es wird angenommen, dass die Dämpfungskonstanten der Komponenten des Hydrographen von Topographie und Böden (τ q ) sowie Geologie (τ s ) beeinflusst werden. Abhängig von - Drainage density SEITE 59 SEITE 60 10

11 Response Characteristics) ) 6 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998) Response Characteristics) ) 7 Post and Jakeman (1996); Sefton, C.E.M. / Howarth (1998); Beven (2002) Parmeter τ s des Steuerungsmoduls (Routing Module) - Rezessionskonstante für die langsame Abflusskomponente - Mittlere Verweilzeit des Wassers in der langsamen Speicherkomponente - Es wird angenommen, dass die Dämpfungskonstanten der Komponenten des Hydrographen von Topographie und Böden (τ q ) sowie Geologie (τ s ) beeinflusst werden. Abhängig von - Hangneigung - Elongation Parmeter υ s des Steuerungsmoduls (Routing Module) - Verhältnis vom Beitrag des langsamen Abflusses zum Gesamtabfluss - Vergleichbar mit dem Basisabfluss-Index (Post and Jakeman (1996)) - Beven (2002), p. 90: The fast flow pathway should not be interpreted as a surface flow pathway; it could equally be a response controlled by the time-scale of displacement of old water from subsurface storage. Evtl. Abhängig von - Mächtigkeit der Böden - Vegetation SEITE 61 SEITE 62 References (IHACRES) References (GR4J) Carlile, P. W., A. J. Jakeman, et al. (2002). Use of Catchment Attributes to Identify Scale and Values of Distributed Parameters in Surface and Sub-surface Conceptual Hydrology Models. iems 2002 sessions (part one). Croke, B.F.W. and A.J. Jakeman (2004). A catchment moisture deficit module for the IHACRES rainfallrunoff model. Environmental Modelling & Software 19(1): 1-5. Croke, B.F.W., Andrews, F., Jakeman, A.J., Cuddy, S. and A. Luddy (2005). Redesign of the IHACRES rainfall-runoff model. 29th Hydrology and Water Resources Symposium. Water Capital. Engineers Australia February. Jakeman, A.J., Littlewood, I.G. and P.G. Whitehead(1990). Computation of the instantaneous unit hydrograph and identifiable component flows with application to two small upland catchments. Journal of Hydrology. 117: Jakeman, A. J. and G. M. Hornberger (1993). How Much Complexity Is Warranted in a Rainfall-Runoff Model? Water Resources Research 29(8): Post, D.A. and A.J. Jakeman (1996). Relationships Between Catchment Attributes and Hydrological Response Characteristics in Small Australian Mountain Ash Catchments. Hydrological Processes. 10: Sefton, C. E. M. and S. M. Howarth (1998). Relationships between dynamic response characteristics and physical descriptors of catchments in England and Wales. Journal of Hydrology 211: Oudin, L., C. Michel, et al. (2005 a). Which potential evapotranspiration input for a lumped rainfall-runoff model? Part 1 - Can rainfall-runoff models effectively handle detailed potential evapotranspiration inputs? Journal of Hydrology 303: Oudin, L., F. Hervieu, et al. (2005 b). Which potential evapotranspiration input for a lumped rainfall-runoff model? Part 2 -Towards a simple and efficient potential evapotranspiration model for rainfall-runoff modelling. Journal of Hydrology 303: Oudin, L., Andreassian, V., Mathevet, T., Perrin, C. and C. Michel (2006). Dynamic averaging of rainfall-runoff model simulations from complementary model parameterizations. Water Resources Research. 42. Perrin, C.; Michel, C. and V. Andreassian (2003). Improvement of a parsimonious model for streamflow simulation Journal of Hydrology. 279: SEITE 63 SEITE 64 References (HBV) HBV Bergström, S. and A. Forman (1973). Development of a conceptual deterministic rainfallrunoff model. Nordic Hydrology. 4: Lindström, G., Johansson, B., Persson, M., Gardelin, M. and S. Bergström (1997). Development and test of the distributed HBV-96 hydrological model Journal Of Hydrology. 201: Sehr empfehlenswertes Buch über N-A-Modellierung! Beven, K.J. (2002). Rainfall-Runoff Modelling. The Primer. Wiley. (ca. 45,- ) Kontakt Dipl.-Geoök. Stefan Liersch Helmholtz Zentrum für Umweltforschung UFZ Department Landschaftsökologie Permoserstr. 15 D Leipzig Tel.: Fax: stefan.liersch@ufz.de Homepage: Lehrmaterial SEITE 65 SEITE 66 11