Dynamische Modellierung der Fließgeschwindigkeit im globalen Wassermodell WaterGAP

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1 Dynamische Modellierung der im globalen Wassermodell WaterGAP Wissenschaftliches Zentrum für Umweltsystemforschung Universität Kassel

2 Überblick - Motivation - Modellierungsansatz - Modellergebnisse - Zusammenfassung/ Ausblick

3 Motivation [m/s] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Yukon an Pilot Station WaterGAP bisher v = 1m/s 0,0 Jan. 74 Jan. 78 Jan. 82 Jan. 86 Jan. 90 Jan. 94 Jan. 98 Jan. 02 1,5 Apalachicola in Chattahoochee [m/s] 1,0 0,5 0,0 Jan. 30 Jan. 40 Jan. 50 Jan. 60 Jan. 70 Jan. 80 Jan. 90 Jan. 00

4 Motivation Dynamische für Simulation der Verweilzeit Simulation von Hoch- und Niedrigwasserereignissen Simulation der Wasserqualität

5 Motivation Colorado bei Lees Ferry [m/s] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Jan. 82 Jan. 86 Jan. 90 Jan. 94 Jan. 98 Jan. 02 3,0 Green River bei Green River [m/s] 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Jan. 78 Jan. 82 Jan. 86 Jan. 90 Jan. 94 Jan. 98 Jan. 02

6 Motivation [m/s] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Colorado bei Lees Ferry Abfluss Abfluss [m³/sec] 0,0 Jan. 82 Jan. 86 Jan. 90 Jan. 94 Jan. 98 Jan [m/s] 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 Abfluss Green River bei Green River Abfluss [m³/s] 0,0 Jan. 78 Jan. 82 Jan. 86 Jan. 90 Jan. 94 Jan. 98 Jan. 02 0

7 Modellierungsansatz Abfluss (Q) pro Flussteilstück und Zeitschritt Gefälle (S) Rauhigkeit (n) hydraulischer Radius (R) (nach Manning-Strickler ) v = n -1 * R 2/3 * S 1/2 Validierung (für US Messstationen) Abflussganglinen Validierung (tägl. und monatl. Abflussdaten)

8 Hydraulischer Radius (R) Durchflossene Fläche geteilt durch benetzter Umfang: R kann aus Flussbreite (D) und tiefe (W) berechnet werden DW R = 2 D + W D W Flussbreite und -tiefe kann aus bordvollem Abfluss (Q b ) abgeschätzt werden D= 0.34* Q W = 1.22* Q b b (Allen et al. (1994), Leopold und Maddock (1953)) Abfluss wird von WaterGAP räumlich und zeitlich variabel berechnet

9 Flussgefälle globale Flussgefällekarte 0.5, basierend auf GTOPO30 und Abflussrichtungskarte berechnet aus Höhenunterschied zwischen Ober- und Unterstromzelle und Flusslänge (Mäandrierfaktor)

10 Rauhigkeit des Flussbetts nicht messbar (visuelle Schätzung) abhängig von Art und Größe des Materials im Flussbett (Sediment, Geröll, Vegetation, Bauwerke) für ersten Modellierungsansatz wird konstanter Wert verwendet zukünftig soll Rauhigkeit differenzierter dargestellt werden n = n = n = 0.050

11 Validierung des Ansatzes Datensatz mit > Messungen an 43 Flüssen in den USA Abfluss - Daten - Hydr. Radius (n) Gefälle (S) Rauhigkeit (R) Hydr. Radius Daten - - berechnet - Fließgeschw. - Daten -

12 Validierung des Ansatzes modeling efficiency konstante dynamische konstante Rauhigkeit dynamische optimierte Rauhigkeit

13 Erste WaterGAP Ergebnisse Vergleich USGS Messungen mit WaterGAP Ergebnissen Achtung Skala! 2,0 1,8 1,6 (Quantile 0,1 bis 0,9) USGS Daten WaterGAP Modell 1,4 1,2 1,0 0,8 0,6 0,4 0,2 0,0 Kuskokwim Colorado Escambia Suwanee Altamaha Wabash Kansas Pearl Grand Missouri Red Humboldt Maumee Rogue PeeDee Colorado Neches Nueces Sabine Trinity Sevier James v [m/s]

14 Erste WaterGAP Ergebnisse Einfluss auf Abflussganglinien: Erste Ergebnisse zeigen geringe Auswirkungen der Geschwindigkeitsänderungen auf Abflussganglinien Großer Einflussfaktor sind Seen und Feuchtgebiete Auswertungen noch nicht abgeschlossen

15 Zusammenfassung/Ausblick Ansatz zur Modellierung von auf großer Skala räumlich und zeitlich dynamischer Abfluss als treibender Faktor erste Ergebnisse zeigen, dass verbessert dargestellt werden kann Einfluss auf Abflussganglinien ist geringer als erwartet, aber Auswertung noch nicht abgeschlossen Parametrisierung der Rauhigkeit soll verbessert werden Evtl. verbessertes Flussprofil (Doppeltrapez)

16 Vielen Dank!

17 Allen, P. M., Arnold, J. G., and Byars, B. W.: Downstream channel geometry for use in planning-level models, Water Resources Bulletin, 30(4), , Leopold, L. and Maddock, T.: The hydraulic geometry of stream channels and some physiographic implications: Professional Paper 252, United States Geological Survey, 1953.