SWAT - Soil and Water Assessment Tool

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1 SWAT - Soil and Water Assessment Tool Einzugsgebietsmanagement - Einführung in die hydrologische Modellierung mit SWAT (Soil and Water Assessment Tool) Martin Volk, Antje Ullrich, Department Landschaftsökologie, UFZ Gerd Schmidt, Institut für Geowissenschaften MLU Martin-Luther-Universität Halle-Wittenberg, WS 2009 / 2010

2 Lehrziel Verständnis erzeugen für die mathematische Beschreibung von hydrologischen Prozessen und Zusammenhängen in Landschaften. Verständnis erzeugen für die Probleme und Möglichkeiten, die damit verbunden sind (Modelle können auch nicht alles). Modelle als Instrumente erkennen, um Maßnahmen abzuleiten, die zur Verbesserung von Umweltzuständen führen. SEITE 2

3 Lehrinhalte Theorie Datengrundlagen und Modellaufbau Modellparametrisierung Parametersensitivität Simulation von Landnutzungs- und bewirtschaftungsänderungen Anforderungen: Bericht! SEITE 3

4 Lehrmaterial Online-Dokumentation der Vorlesungsfolien: Beven, K. 2000: Rainfall-runoff Modelling The primer, John Wiley & Sons, 360 S. Gassman, P.W., Reyes, M.R., Green, C.H., Arnold, J.G., The soil andwater assessment tool: historical development, applications, and future research directions. Transactions of the ASABE 50 (4), SWAT-Manual: Andere Literatur gerne bei uns! SEITE 4

5 Beispiele für Anwendung und Entwicklung (eigene Arbeiten) Rode, M., B. Klauer, D. Petry, M. Volk, G. Wenk & D. Wagenschein (2008): Integrated nutrient transport modelling with respect to the implementation of the European WFD: The Weiße Elster Case Study, Germany. Water SA (34(4), ( Ullrich, U. & M. Volk (2009): The use of the SWAT model to predict the impact of tillage on water quality. Agricultural Water Management 96(8): : Volk, M., S. Liersch & G. Schmidt (2009): Towards the implementation of the European Water Framework Directive? Lessons learned from water quality simulations in an agricultural watershed. Land Use Policy 26: : Volk, M., J. Hirschfeld, A. Dehnhardt, G. Schmidt, C. Bohn, S. Liersch & P.W. Gassman (2008): Integrated Ecological-Economic Modelling of Water Pollution Abatement Management Options in the Upper Ems River. Ecological Economics 66: 66-76: Volk, M., J.G. Arnold, D.D. Bosch, P.M. Allen & C.H. Green (2007): Watershed Configuration and Simulation of Landscape Processes with the SWAT Model. - In Oxley, L. and Kulasiri, D. (eds) MODSIM 2007 International Congress on Modelling and Simulation. Modelling and Simulation Society of Australia and New Zealand, December 2007, p , ISBN: SEITE 5

6 Hilfreiche Literatur: SEITE 6

7 Einleitung Fundamentales Problem hydrologischer Systeme: Viele Prozesse spielen sich unterirdisch ab und/oder lassen sich nicht direkt beobachten/messen. SEITE 7

8 Muster der Wasserbewegung in Boden und Gestein ist komplex und stark nichtlinear Vielzahl von Steuerfaktoren Geringe Kenntnis über die zeitliche und räumliche Variabilität SEITE 8

9 Skalenproblem Die Betrachtungsebene für hydrologische Modelle sind Einzugsgebiete Einige wenige km² bis mehrere km² Überlagerung von Prozessen in Zeit und Raum Mischung von Signalen Messtechnik meist auf kleinere Skala beschränkt lückenhafte Informationsgrundlage Prozesskenntnis stammt oft von kleiner-skaligen Betrachtungen und muss auf die Einzugsgebietsskala übertragen werden SEITE 9

10 Warum Modelle? Messungen nur begrenzt möglich Methode um Messergebnisse zu extrapolieren Formalisierung des Wissens über hydrologische Systeme Entscheidungsunterstützung (zum Beispiel bei der Umsetzung der EG-Wasserrahmenrichtlinie) SEITE 10

11 Modellbildung Wahrnehmungsmodell : Welche Prozesse sind beteiligt? Konzeptionelles Modell : Welche Gleichungen werden verwendet? Modellprozedur : Kodierung in Programmiersprache Modelleichung : Optimale Parametrisierung Modelltest : Überprüfung des Modells SEITE 11

12 Wahrnehmungsmodelle in der Einzugsgebietshydrologie Je nach Einzugsgebietstyp können verschiedene Prozesse das Abflussgeschehen dominieren. Begrenzte Wahrnehmbarkeit durch unterirdische Flüsse Lokal begrenzte Messmethoden stehen großräumigen Prozessen gegenüber Einschränkung der Wahrnehmung durch begrenzte Messtechnik SEITE 12

13 Wahrnehmungsmodell Fasst die Beobachtungen in einem Einzugsgebiet zusammen Subjektiv, an den Beobachter gebunden SEITE 13

14 SEITE 14 Wahrnehmung von Flusslandschaften

15 SEITE 15 Wahrnehmung von Flusslandschaften

16 Zeitliche Abhängigkeit des Wahrnehmungsmodells Beven, 2001 SEITE 16

17 Zeitabhängiges Wahrnehmungsmodell Beven, 2001 SEITE 17

18 SEITE 18 Räumliche Variabilität von Infiltration

19 Steuerfaktoren für dominierende Prozesse Feuchte zu Niederschlagsbeginn Niederschlagshöhe, -verteilung, -intensität Räumliche Verteilung des Niederschlags Relief Vegetation Bodentyp Schneeschmelze SEITE 19

20 Konzeptionelles Modell Vereinfachung der Wahrnehmung Formulierung von Hypothesen und Annahmen Mathematische Beschreibung Auswahl der Gleichungen SEITE 20

21 Konzeptionelle Modelle Einfache Ansätze: Massenbilanzen Komplexe Ansätze: gekoppelte, nicht-lineare Differenzialgleichungssysteme Definition der Randbedingungen und Gültigkeitsbereiche SEITE 21

22 Modellprozedur Übersetzung der Gleichungen in Programmcode Bestimmen der mathematischen Lösungsverfahren z.b. finite Differenzen Problem: numerische Stabilität, Fehler durch Näherungsverfahren SEITE 22

23 Definitionen Variable = Platzhalter; ermöglicht in der Programmierung den Zugriff auf Daten Eine Variable besteht aus einem Namen und einem Wert der Variablen. Parameter ist der Wert, der für eine Variable eingesetzt wird und charakterisiert das betrachtete Einzugsgebiet Statische Variable: bleibt konstant während eines Modellaufs (z.b. Geometrie des Fließgewässers, Hangneigung, Bodenart) Zustandsvariable: verändert sich während der Modellierung (z.b. Bodenwassergehalt) Initialisierung: Belegung der Variablen mit einem Startwert SEITE 23

24 Modelleichung Suche nach der optimalen Parametrisierung Statistische Maße (Modellgüte) Oftmals sind die wahren Parameter nicht bekannt. Z. T. werden sie durch die Modelleichung bestimmt, indem man die gemessenen Abflüsse mit den simulierten vergleicht und die Parameter verwendet, für die beste Übereinstimmung von gemessenen und simulierten Werten erreicht wird. SEITE 24

25 Modelleichung Bestimmtheitsmaß (r²) Nash-Sutcliffe-Effizienz (NSE) Verhältnis zwischen mittlerer quadratischer Abweichung und Standardabweichung Standardabweichung Trend / BIAS Volumenfehler Sensitivitätsanalysen / Automatische Kalibrierung Literatur (z.b.): Moriasi, D. N., Arnold, J. G., Van Liew, M. W., Bingner, R. L., Harmel, R. D., and Veith, T. L., Model evaluation guidelines for systematic quantification of accuracy in watershed simulations. Trans. ASABE. 50(3), SEITE 25

26 Modelltest Validierung: Überprüfung des Wahrheitsgehalts des Modells gegenüber der Wirklichkeit. Das geeichte Modell wird ohne weiter Anpassung auf einen anderen Datensatz, der nicht für die Eichung verwendet wurde blind übertragen und gemessene und simulierte Werte werden verglichen. SEITE 26

27 Problem: Equifinality Die gleiche Modellgüte kann mit unterschiedlicher Parametrisierung erreicht werden. SEITE 27

28 Frage: Wie einfach oder komplex können / müssen Modelle sein? Everything should be made as simple as possible, but not simpler Albert Einstein SEITE 28

29 SEITE 29?

30 Niederschlag Globalstrahlung/ Temperatur Speicher Abfluss SEITE 30

31 SEITE 31?

32 Windgeschwindigkeit Niederschlag Luftfeuchte Globalstrahlung Temperatur Evapotranspiration Bewässerung Landnutzung und Bewirtschaftung (pflanzenphysikalische Kenngrößen) Abfluss Nährstoff im Gewässer Speicher (bodenphysikalische Kenngrößen) SEITE 32

33 SEITE 33

34 Physiographisch-prozessorientiertes Konzept der HRUs SEITE 34 Quelle: Flügel (1996)

35 Langjährige Abschätzung des Einflusses von - Landnutzungsänderungen und Bewirtschaftungsmaßnahmen auf - Wasser, Boden und den Austrag von Nährstoffen in - komplexen, mesoskaligen Einzugsgebieten mit unterschiedlichen Boden-, Landnutzungs- und Bewirtschaftungsverhältnissen SEITE 35

36 Modell-Philosophie Verfügbare Daten Physikalisch basiert Effiziente Berechnungen Umfassende Prozess-Wechselwirkungen Simulation von Landbewirtschaftung SEITE 36

37 Modell-Philosophie Everything should be made as simple as possible. I have no interest in the laws of physics if they can t be made simple Albert Einstein SEITE 37

38 Entwickelt von Arnold et al. (1993, 1998) am Agricultural Research Service des United States Department of Agriculture (USDA-ARS) SEITE 38

39 Entwicklung des Modells (USDA-ARS) CREAMS USLE (CLEAN WATER ACT) EPIC SWRRB SWAT 1960 s 1970 s 1980 s 1990 s GLEAMS WEPP ANN AGNPS AGNPS Verbesserungen der hydrologischen Komponenten, der Wachstumssimulationen, des Sedimenttransports, etc. Überprüfung von Modellen! SEITE 39

40 Beschreibung des Modells Physikalisch basiert, kontinuierlich Tagesschritte Ein Tag bis Dekaden Distributive Parameter Unbeschränkte Anzahl an Teileinzugsgebieten Umfassende Prozess -Wechselwirkungen Simulation von Bewirtschaftungsmaßnahmen SEITE 40

41 SWAT - Einzugsgebietssystem Prozesse: Landoberfläche, Bodenzone Prozesse: Gerinne, Aue SEITE 41

42 SWAT - Einzugsgebietssystem Simulationen (Landoberfläche, Bodenzone) basieren auf Wasserhaushaltsgleichung: t SW t = SW 0 + Σ (P -Q surf -ET a - PERC - Q gw ) i=1 SW t : Bodenwassergehalt nach der Zeit t, SW 0 : Anfangsbodenwassergehalt, P: Niederschlag, Q surf : Oberflächenabfluss (Direktabfluss), ET a : reale Evapotranspiration(Verdunstung unter Berücksichtigung der Vegetationsdecke, nach Penman-Monteith, ET pot Priestley-Taylor od. empirisches Modell nach Hargreaves), PERC: Perkolation (Versickerung ins Grundwasser), Q GW : Grundwasseranteil des Abflusses (Basisabfluss). SEITE 42

43 Konfiguration (Beispiel) Rasterzellen / Teileinzugsgebiete Hydrologic Response Units Output von anderen Modellen Punktquellen: Kläranlagen, industrielle Einleiter, Dränagezuflüsse Test des Modells in EZG unterschiedlicher Größe SEITE 43

44 Prozesse: Landoberfläche, Bodenzone Wetter Hydrologie Sedimentation Pflanzenwachstum Nährstoffkreislauf Pestizid-Dynamik Bewirtschaftung Bakterien SEITE 44

45 Wasserhaushalt Evaporation und Transpiration Niederschlag Wurzelzone Ungesättigte Zone Infiltration/Pflanzenaufnahme/ Bodenfeuchte(um-)verteilung Interflow Oberflächenabfluss Oberer Aquifer Kapillarer Austieg, Evaporation vom Aquifer Perkolation in den oberen Aquifer Basisabfluss Stauhorizont Unterer Aquifer SEITE 45 Abfluss aus dem EZG Versickerung zum unteren Aquifer

46 Evapotranspiration Interzeption (Funktion des LAI) Potenzielle Evapotranspiration Priestley-Taylor Penman-Monteith Hargreaves Penman-Monteith (FAO) SEITE 46 Reale Evapotranspiration schrittweise, je nach Methode PET aus Interzeptionsverdunstung, Transpiration, Sublimation und Bodenwasserverdunstung

47 Oberflächenabfluss Abflussvolumen: SCS Curve Number Abflussvolumen: Green & Ampt Infiltration Abflussspitzen (maximale Abflussrate während eines Niederschlagsereignisses - rational method ) Verzögerung des Oberflächenabflusses (über Speichervermögen für Oberflächenabfluss) SEITE 47

48 Bodenwasser Bodenstruktur (feste, flüssige und gasförmige Phase über bodenphysikalische Parameter) Perkolation (je Horizont) Bypass Flow (vertikale Bewegung des freien Wassers in Schrumpfungsrissen - Makroporen - der ungesättigten Zone sehr tonhaltiger Böden) Lateraler Abfluss (kinematisches Speichermodell, Sloan et al. 1983) Verzögerung des lateralen Abflusses SEITE 48

49 Grundwassersysteme Oberer Aquifer GW-Neubildung Grundwasser-/Basisabfluss Kapillarer Aufstieg/Bodenverdunst. Perkolation in unteren Aquifer (Entnahme für Bewässerung) Höhe des Grundwasserspiegels Unterer Aquifer (Wasserhaushalt) SEITE 49

50 Stoffhaushalt: Beispiel N- Kreislauf atmosphärische N Bindung Ernte N 2 N 2 O Mineraldünger symbiotische Bindung Düngung Stalldung, Ernterückstände, Klärschlamm NH 3 Abfluss Ammoniakverdunstung Denitrifikation Immobilisierung organische Bodensubstanz Mineralisierung - NO 3 Immobilisierung NH + 4 NO 3 - anaerobe Bedingungen SEITE 50 Auswaschung NO 2 - Nitrifikation Ammoniumbindung Ton

51 N-Komponenten im Mineralboden: N org (gebunden an Humus) N min (gebunden an Bodenkolloide) N min (gelöst) Möglichkeiten des N-Eintrags: Mineraldünger Stalldung oder Ernterückstände bakterielle N-Fixierung Regen Möglichkeiten des N-Austrags: Aufnahme durch Pflanzen Auswaschung Verdunstung Denitrifikation Erosion N-Komponenten und Umsatzprozesse im Boden: mineralischer Pool organischer Pool Verdunstung anorgan. N- Dünger Denitrifizierung anorgan. N- organ. N- Dünger Humus Rückstände Pflanzenreste Dünger Pflanzenaufnahme NO - NH aktiv stabil frisch Nitrifizierung Mineralisierung Verwesung SEITE 51 Mineralisierung

52 Phosphorkreislauf Abfluss Dünger Dung, Pflanzenreste and Klärschlamm Ernte Dung, Pflanzenrückstände und Klärschlamm H 2 PO 4 - HPO 4-2 Mineralisierung immobilisierung Organische Bodensubst. Adsorbierte und fixierte anorganische Fe, Al, Ca, und Ton SEITE 52

53 Pestiziddynamik Blattanwendung Degradierung Anwendung an der Oberfläche Auswaschung Abfluss Infiltration Degradierung Auswaschung SEITE 53

54 Bewirtschaftung Fruchtfolgen Entfernung von Biomasse, z.b. Ernte/ Umwandlung von Biomasse zu Pflanzenrückständen Bodenbearbeitung / Bodendurchmischung Düngeranwendung Weidebewirtschaftung Pestizidanwendung SEITE 54

55 Bewirtschaftung Bewässerung Drainage Bewirtschaftungsformen mit sehr starkem Wasserbedarf (z.b. Reis) SEITE 55

56 SEITE 56 Prozesse: Gerinne

57 Prozesse: Gerinne Flood Routing (linearer Abfluss) Variable Storage Muskingum Uferinfiltration, Evapotranspiration Sediment-Transport Abtrag und Deposition: simultan berechnet SEITE 57

58 Prozesse: Gerinne Nährstoffe modifizierte QUAL2E/WASP Pestizide Toxische Bilanz an der University of Colorado entwickelt SEITE 58

59 SEITE 59 SWAT Stärken Prozesse Landoberfläche, Bodenzone Umfassende hydrologische Bilanzierung Physikalisch basierte Inputs Pflanzenwachstumsperioden, Ernteerträge Nährstoffkreisläufe im Boden Bewirtschaftung - BMP Bearbeitung, Bewässerung, Dünger, Pestizide, Weidewirtschaft, Fruchtfolgen, Drainage, etc. Möglichkeit der Modifizierung und Anpassung des Quellcodes

60 SWAT Stärken Prozesse: Gerinne Flexible Konfiguration der Einzugsgebiete Wassertransfer Bewässerung Unterteilung Sedimentdeposition/Unterspülung Nährstoff/Pestizidtransport Stehende Gewässer, Feuchtgebiete und Stauseen: Einfluss SEITE 60

61 SWAT Schwächen Gefahr der Überparametrisierung Hoher Zeitaufwand für die Ableitung und Anpassung der Parameter Leistungsumfang erfordert starke Einarbeitung in zahlreiche Komplexe Sichtbare Differenzierung nur nach EZG Möglichkeit der Modifizierung und Anpassung des Quellcodes (zahlreiche Versionen) SEITE 61

62 Bisheriger Einsatz USA Verschiedene Institute und Einrichtungen in Südamerika, Europa, Afrika und Asien In Deutschland (auch Weiterentwicklung): - JLU Gießen (AG Frede) - Uni Kiel (AG Fohrer) - UFZ - Basis für SWIM (PIK Potsdam) - u.a. SEITE 62

63 SEITE 63

64 SEITE 64 ArcView GIS Interface

65 ArcView GIS Interface Topographie Einzugsgebietsableitung, Fließbahnen, Routing Gerinneneigung & -längen Geländeneigung & -längen SEITE 65

66 ArcView GIS Interface Landnutzungsdaten Typ Acker, Wald, Offenland, Urban, etc. Management Fruchtfolge, Bearbeitung, Bewässerung, Düngung SEITE 66

67 ArcView GIS Interface Bodenphysik. Eigensch. Textur Dichte nutzb. Feldkapazität Leitfähigkeit Organischer Kohlenstoffgeh. SEITE 67

68 ArcView GIS Interface Wetter Tageswerte Niederschlag und Max/Min Temp Globalstrahlung,Windgeschw., Luftfeuchte SEITE 68