Hydrologiska modeller

Transkript

1 Hydrologiska modeller Sten Bergström SMHI Begreppsmässiga modeller beskriver de viktigaste processerna logiskt men förenklat måttliga krav på indata modellens parametrar bestäms oftast genom kalibrering mot uppmätt vattenföring används operationellt för vattenföringsprognoser HBV (Sverige, Norge, Finland, Schweiz/Rhen) Sacramento (USA, NWS) NAM (Danmark) SRM (Schweiz) 1

2 snow The HBV hydrological model soil moisture saturated zone saturated zone lake Fysikaliska modeller beskriver processer i detalj med fysikaliskt grundade ekvationer stora krav på indata modellens parametrar har en direkt koppling till avrinnings-områdets egenskaper (i teorin) används för grundvatten-modellering och för att studera effekter av mänskliga ingrepp 2

3 Mike SHE Hydrauliska modeller Stationära: BOSS HEC-2 HEC - RAS (USA) (USA) Användning: Vattenståndsberäkningar Dimensionerande vattenstånd Dynamiska: MIKE 11 (Danmark) (byggnation i vatten) Förlängning av avbördningskurva SOBEK (Holland) BOSS DAMBRK (USA) Översvämningskartering HBV-96/HD-97 (Polen/Sverige) Vattenståndsprognoser 3

4 Vi tar det från början Arne Forsman och Eamon Nash i Stockholm 1972 Operationella krav på hydrologiska modeller: Indatakraven I d t k måste vara realistiska Modellstrukturen måste vara rimlig och begriplig Komplexiteten måste motiveras av resultaten (Krångla inte till modellen i onödan) 4

5 Undvik överparameterisering! Se upp med kompenserande fel! Vem kan köra en bil med fyra rattar? Hydrologisk Byråns Vattenbalansavdelning, HBV (1975) 5

6 En tidig skiss Den första versionen av HBV modellen från

7 Den första lyckade modellkörningen (1972) Undvik överparametrisering! TT ( C) CFMAX (mm/ Cday) 7

8 Grundprincipen för en hydrologisk modell Snow Soilmoisture Groundwater Lakes Runoff Markfuktigheten spelar huvudrollen Wilting point Field capacity 8

9 Avrinningsområdet som en massa blomkrukor Två nyckelsamband dq/dp = (SM/FC) BETA EA/EP 1 1 FC SM FC SM LP 9

10 HBV Soil Routine SM/FC=.6 SM/FC=.8 SM/FC= Recharge in 25% of area 1. Recharge in 5% of area 1. Recharge in 75% of area P eff /P P eff /P P eff /P SM/FC 1. SM/FC 1. SM/FC 1. Runoff response to soil moisture deficit Q (mm/d) Q (m 3 /s) SMD= SMD=5 SMD=1 SMD=2 SMD=15 (days) P (mm/d) (days) 1

11 snow The HBV hydrological model soil moisture saturated zone saturated zone lake Modellsimulering 3 Nederbörd (mm) / Temperatur ( o C) Snömagasin (mm) Markvattenmagasin (mm) / Evapotranspiration (mm) Ackumulerat volymfel (mm) Beräknad (röd) och observerad (blå) vattenföring (m 3 /s) S O N D J F M A M J J A S O N D J F M A M J J A Kultsjön - Ångermanälven

12 Översvämningen i Arvika 2 WMOs jämförelse av snömodeller under 198-talet gav uppmuntrande resultat (WMO 1986)... R 2 WMO (1987). Real-time intereomparison of hydrological models. Report of the Vancouver Workshop Technical Report to CHy No. 23, WMOPII) No. 255, WMO, Geneva 12

13 HBV-tillämpningar Drift av vattenkraften Översvämningsvarningar Dammsäkerhet Vattenbalanskartor Tillrinning till Östersjön Flödesberäkningardär mätningar saknas Effekter eteav ettädat ändrat klimat Vattenkvalitet Kombinationer av allt detta Det finns tillämpningar av HBV modellen i minst ett 5-tal länder Det finns spår av HBV i minst 22 doktorsavhandlingar Myten om skalproblemet 13

14 HBV 96 kom 1996 Snörutin Markrutin Responsfunktion Övre zon Nedre zon 14

15 Reduction of parameters in the response funktion Older HBV HBV 96 5 parameters 4 parameters IHMS Integrated Hydrological Modelling System Manual Version

16 Ytterligare tankar om responsfunktionen 16

17 Ytterligare tankar om responsfunktionen Sommarflöden skapas mest här Ytterligare tankar om responsfunktionen Vinterflöden skapas här 17

18 Det kräver en koppling mellan SM och resoponsfunktionen In practice this means that deep percolation represented by PERC should be replaced by: PERC = perc (SM/fc)β where perc is a model parameter to be calibrated. The outflow from the upper response box should be replaced by: Q = (k / (SM/fc)β ) UZ(1+ alfa) 18

19 Tillämpning på floden Rhen Så här fungerar det i Neckar Neckar1 with resparea Neckar1 with resparea 1 Figure 1. Simulated runoff for Neckar1 Feb-2--Feb-3 with (resparea 1) and without (resparea ) the contributing area approach. Blue line is observed discharge. 19

20 The Hydrological Predictions for the Environment (HYPE) model Characteristics: process-based dynamic (daily) integrated water systems semi-distributed (HRU) water & chemistry Rainfall, Snowmelt Atmospheric deposition Fertilizers, Manure, Plant residues Plant uptake Evapotranspiration Denitrification S1 Surface runoff N&P pools S2 Groundwater outflow, conc. of IN, ON, SP & PP Macropore flow N&P pools N&P pools Groundwater Stream depth S3 Tile drain Regional groundwater flow Some major differences to HBV(-NP): several flow path from soil (no β!!) same for water and One HRU substances (nutrients, TOC) fluctuating groundwater level parameters linked to geophysical variables wcep wcfc wcwp Layer: soil/pores depth specific soil and water depths for each HRU few input data files Layer: soil/pores easy coupling to GIS More modulated source code 2

21 Lindström et al., 21, Hydrology Research : HYPE model performance (when calibrated) 12 S (cm) 6 E (mm/d) G (m) F (cm) 138 W (m) 2 Q (m 3 /s) O18 ( ) 12 TN (mg/l) 12 TP (µg/l)