Hydrologisk modellering og kalibrering til bruk i biologiske modellar

Transkript

1 1 Hydrologisk modellering og kalibrering til bruk i biologiske modellar Lena S. Tøfte, SINTEF Energi Miljø 215, 15. februar 211

2 Discharge m3/s manglande data/observasjonar i vassdrag framtidsstudier - flaumvarsling, tilsigsprognoser - klimaendringar obs Q

3 Discharge m3/s Discharge m3/s Discharge m3/s Discharge m3/s Discharge m3/s Hydrologisk modellering obs Q simulerer tilsig til nedbørfelt basert på meteorologiske data og informasjon om felteigenskapar obs Q ENKI, arealfordelt modell: 2 7 høgdefordeling obs Q innsjøar isbrear skogdekke 25 vegetasjonshøgde 2 sim Q 15 1 delfeltgrenser 5 nedbør- og temperaturstasjonar sim Q 1 km 2 -grid døgnoppløysing 3

4 Discharge m3/s obs Q Flaumvarsling, tilsig for kraftproduksjon: store vassmengder Biologiske forhold: kritiske periodar gjerne knytta til tørke og lågvatn Vasstemperatur: direkte avhengig av opprinnelsen til vatnet (snøsmelting, grunnvatn, kraftmagasin 4

5 Kalibrering Tilpasse simulert til observert serie ved val av parametrar feltspesifikk kalibrering for enkeltfelt med observert vassføring regional kalibrering: finn eitt parametersett som gjeld for alle felta i ein region, meir robust og kan også brukast for umålte felt i regionen Standard målfunksjonar: Nash-Sutcliffe effektivitetskriterium R 2 Vassbalanse over lenger periode Finn parametersett som tilfredsstiller alle målfunksjonane 5

6 6 HydBioUpscale, mål og metodar Finne funksjonelle samanhengar mellom hydrologi og økologi frå økologiske data og observert eller simulert vassføring + Definere biologisk relevante hydrologiske indikatorar, og gjere eit utval av uavhengige indikatorar som definerer det hydrologiske regimet Inkludere nye målfunksjonar som legg vekt på dei valde indikatorane i kalibreringa av den hydrologiske modellen Kalibrere modell og simulere tilsig

7 Discharge m3/s Definere biologisk relevante hydrologiske indikatorar Indikatorar frå hydrogrammet som skildrar det hydrologiske regimet: månadsverdiar: median, maksimum og minimum indikatorar for volum om våren: 7-dagars maksimum april - juli indikatorar for vanskelege vilkår: 7-dagars minimum sommar og vinter storleik på smelteflaum om våren dato for smeltestart og smelteflaum-maksimum raske endringar av vasstandsnivå tal på vinterflaumar obs Q

8 Residual tetthet Residual smoltproduksjon (n/m2) Kjende samanhengar: Lågvatnperiodar sommar og vinter biologisk relevant i høve til habitatforhold og dødelegheit Storleik, timing og varigheit av store flaumar påverker fiskevekst og smoltnedvandring HydBioUpscale-resultat: y = 1,7x - 24 R² =,186 p =,5,4,3,2,1, -,1 -,2 -,3 -,4 y = -,1x +,19 R² =,234 p =,49-2 -, Ukesminimum Q om vinteren Maksimum7 Q i juni det året yngelen kommer opp av grusen 7-dagars minimum vinter viser samanheng med tettheit (Alta) 7-dagars maksimum juni viser samanheng med smoltproduksjon (Orkla) 8

9 9 Inkludere nye målfunksjonar i kalibreringa Hydrologiske indikatorar: Startdato snøsmelteflaumen 7-dagars maksimum mai, juni, juli 7-dagars minimum sommar 7-dagars minimum vinter Vanleg brukte målfunksjonar: Nash-Sutcliffe s effektivitetskriterium R 2 relativ vassbalanse - ivaretek godt situasjonar med flaum/mykje vatn Nye målfunksjonar inkluderer 7-dagars minimum sommar 7-dagars minimum vinter

10 1 Kalibreringsresultat Målfunksjonane likt vekta Shuffled complex evolution-metoden

11 R2 11 Nash Sutcliffe s R 2 og relativ vassbalanse.9 Skjoeli WB

12 R2 12 R 2 og 7-dagars minimum vinter day minimum w inter

13 R2 13 R 2 og 7-dagars minimum sommar day minimum summer

14 7 day minimum summer 14 7-dagars minimum sommar og vinter day minimum w inter

15 R2 R2 R2 7 day minimum summer 15.9 Skjoeli WB day minimum w inter day minimum summer day minimum w inter

16 R2 R2 R2 7 day minimum summer 16.9 Skjoeli WB day minimum w inter day minimum summer day minimum w inter

17 Oppsummering Biologisk relevante hydrologiske indikatorar er inkludert i kalibreringa Det beste parametersettet i høve til vassbalanse og R 2, er ikkje nødvendigvis det beste i lågvatnsituasjonar Kalibreringsprosessen blir klart forbetra ved å introdusere målfunksjonar som spesifikt ivaretek lågvatnsituasjonar Simuleringar for bruk i biologiske modellar må simulere også lågvatnperiodar tilfredsstillande for å vere pålitelege 17

18 18 HYDBIOUPSCALE: Upscaling biological data, processes and models in relation to hydrological processes and models to catchment scale SINTEF NTNU, NINA University of Melbourne, Australia CEMAGREF, France Fisheries and Oceans, DFO, Canada