Avbördningskurvans roll i hydrologiska modellberäkningar Göran Lindström & Joel Dahné, 29-12-1 HYPE-modellen Hydrological Predictions for the Environment Markklasser = kombination av jordart och markanvändning Upp till tre markskikt med valfri tjocklek Rörlig grundvattenyta, i marken Avrinning från samtliga markskikt + ytavrinning och dräneringsrör Erosionsmodell Vattendrag och sjöar N & P följer vattnet Grödoklasser för likartade grödor Datum för sådd och skörd Groundwater outflow, conc. of IN, ON, SP & PP Surface runoff Evapotranspiration Rainfall, Snowmelt Macropore flow Fertilizers, Atmospheric Manure, Plant deposition Plant residues uptake N&P pools N&P pools Groundwater N&P pools Denitrification N&P-källor: Gödsling, atmosfärsdeposition, växtrester N&P-sänkor: Denitrifikation, växtupptag Stream depth Tile drain Regional groundwater flow 1 markklass med 3 skikt Parametrarna knyts främst till jordart, markanvändning, gröda, region (dvs inte delområden) Åar och sjöar Denitrifikation, mineralisering, primärproduktion, sedimentation, resuspension Markklasser (jordart&markanvändning) 1
S-HYPE : HYPE-modell för hela Sverige Innehåller bl.a, ca 17 delområden (28 km2 i medel) 2 beräkningsytor (land) 1 utloppssjöar 1 mil vattendrag 3 Q-serier 5 W-serier 5 avbördningskurvor för sjöar 6 vattenkvalitetspunkter (1-4 parametrar I HYPE kan man i varje delområde ha antingen en specifik avbördningskurva eller en generell kurva: Q=K(W-W)^p I S-HYPE har vi optimerat de generella avbördningsparametrarna (K & p) 2
Å- och sjösystem för ett delområde avrinning lokal åfåra nederbörd avdunstning lokal sjö Generell avb.ekv. utflöde från uppströms delområden inflöde till huvudåfåra nederbörd avdunstning huvudåfåra utloppssjö utflöde Generell eller specifik avb.ekv. S-HYPE jämfört med observationer (Ex. Q och W, mer utvärdering 4 dec) 8 1 Typisk anpassning för dygnsvärden (medianbra R2) Vattenföring (m 3 /s) 6 4 2 Sjövattenstånd (m) 9.6 9.2 8.8 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 8.4 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 8 1.4 Bästa anpassning för dygnsvärden Vattenföring (m 3 /s) 6 4 2 Sjövattenstånd (m) 1 9.6 9.2 8.8 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 8.4 1996 1997 1998 1999 2 21 22 23 24 25 3
Torne träsk, vattenstånd modellerat med specifik resp. generell avbördningskurva 344 Mod (m) Obs (m) Gen (m) 343 342 341 34 1998 1999 2 21 Torne träsk, avrinning modellerat med specifik resp. generell avbördningskurva 4 35 Mod m3/s Obs m3/s Gen m3/s 3 25 2 15 1 5 1998 1999 2 21 4
Kukkolankoski modellerat med specifik resp. generell avbördningskurva i Torne träsk 35 3 Mod m3/s Obs m3/s Gen m3/s 25 2 15 1 5 1 64 127 19 253 316 379 442 55 568 631 694 757 82 883 946 19 172 1135 1198 1261 1324 1387 145 Vattenståndet modelleras oftast betydligt bättre med den riktiga avbördningskurvan Korrelation mellan Wmod och Wobs (dygnsvärden) Spec. avb. param 1.8.6.4.2 Generella avb. param -1 -.8 -.6 -.4 -.2.2.4.6.8 1 -.2 Räktjärv -.4 -.6 -.8-1 5
R2 i vattenföring (Stationer där R2 skiljer, och är > ) Median-R2 =.69 1.9.8 R2 med specifik avbördningskurva.7.6.5.4.3 Karats.2.1.1.2.3.4.5.6.7.8.9 1 R2 med generell avbördningskurva Median-R2 =.66 Även vattenföringen blir oftast bättre, men inte alltid, varför? Karats vattenstånd och avrinning 415 Mod (m) Obs (m) 414.5 414 413.5 413 1998 1999 2 21 2 18 16 Mod (m3/s) Obs (m3/s) 14 12 1 8 6 4 2 1998 1999 2 21 Varför stämmer W men inte Q? 6
Karats Ny avbördningskurva 22-1-1 16 14 F.o.m. 22 Före 22 12 Avrinning (m3/s) 1 8 6 4 2 413.4 413.6 413.8 414 414.2 414.4 414.6 414.8 Vattenstånd (m) Tidssteget (dygn) ibland för långt 39 Mod (m) Obs (m) 38 37 36 35 34 1998 1999 2 21 Ex) Räktjärv, liten sjö långt ned i Kalixälven 7
Generalisering av avbördningskurvan Bergström, S., Brandt, M. & Carlsson, B. (1985) Hydrologisk och hydrokemisk modellberäkning i sjörika skogsområden. Vatten 41:3. Gun Grahn (28) Generell avbördningskurva (DM#711) Inom S-HYPE pågående Avbördningskurva i WISKI Ex. från Karats W [cm] 415 41515 cm Q/2912213.1 Q/2912213.1 4145 414 4135 41313 cm 413 5 1 15 2 25 Q [m3/s] Lower limit Upper limit b p a (cm) ln(b) 413 41432,287127 2,61943 41313,1-8,15559 41432 415,274469 1,3824 41371,9-1,29292 1-3 intervall i Wiski, oftast 1 eller 2 I HYPE endast ett intervall tills vidare 8
Mobila mätningar Hur kombinera en nationell modell med lokal information? Bättre processkunskap Torneälven Marstad (cm) 5 Skenaån 45 4 35 3 25 Vattenstånd (lokala höjdsystem) Marstad Skänninge 16 14 12 Skänninge (cm) 2 Jan Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep 29 1 Vattenståndmätningar, Vindåområdet Vindommens utlopp Åkroken 9
1.6 Kampanjmätningar i Vindån Flöde (m 3 s -1 ) 1.2.8.4 Kvarnån Uppmätt Modellerat 5 4 2 21 22 23 24 25 26 27 Fänån Uppmätt Modellerat Flöde (m 3 s -1 ) 3 2 1 25.6 25.2 2 21 22 23 24 25 26 27 Vindommen V a t te n s tå n d ( m ) 24.8 24.4 Höjd från bron (cm) 22 23 24 25 26 Avbördningskurva, Åkroken 24 26 27 27 1 2 3 4 5 6 7 8 9 1 Vattenföring (l/s) S-HYPE 21: Det stora sjöåret Vertikal och horisontell uppdelning Internbelastning av fosfor från sediment Dämda magasin? Magasinskurvor Fler intervall i avbördningsekvationen Numeriskt förbättrad avbördning 1
Önskemål Vi vill ha avbördningsekvationer baserade på vattenstånd i m (ö.h.), liksom uppmätt vattenstånd (ej cm) Ekvationer - inte tabeller! Avbördningsekvationer för nedlagda stationer, om utloppen ej ändrats Avbördningsekvationer för oreglerade tidsperioder, stora sjöar (för rekonstruktion av naturliga flöden) Sammanfattning Individuella avbördningsekvationer ger bättre simulering av Q, men framförallt W Generell avbördningskurva (K=2, p=2.2) överskattar oftast magasineringen i sjöarna, för lågt K-värde Om vi vill simulera W måste vi vara noga med byten av avbördningskurvor Även mindre noggranna mätningar är värdefulla för utveckling och kalibrering av modeller 11
I liten skala uppstår nya problem Delområdesindelning Problem i liten skala: Ex. på litet område Vattnets vägar, bifurkationer, kraftverkstunnlar, överledningar,.. Kopplade magasin, sel, dämda sjöar Små fel i koordinater kan slå hårt (var mäts Q, W, etc.) Onödigt fin delområdesindelning Exempel från Piteälven 12
Sjö, älv, sel,.. Vi modellerar fria utlopp ur varje sjö! Utan att bry oss om höjdskillnader! Diskussionspunkter Hur kan vi lägga in avbördningskurvor på rätt plats, och undvika sjöutlopp som ej har fria utloppa (bestämande sektioner)? Kan vi ta fram vattenytor i m.ö.h. för t.ex. alla utloppssjöar i S-HYPE (1 st)? 13