Kan vi simulere avrenning fra jordbruks dominerte nedbørsfelter? Erfaringer ved bruk av Drainmod, SWAT, HBV, Coup og INCA i Skuterudfeltet

Transkript

1 Kan vi simulere avrenning fra jordbruks dominerte nedbørsfelter? Erfaringer ved bruk av Drainmod, SWAT, HBV, Coup og INCA i Skuterudfeltet Johannes D., Csilla F., Alexander E, Sigrun K, Stein B. og Alicja Olszewska.

2 Hvorfor modeller Vi trenger modeller/trenger vi? bruk i forvaltning grunnlag estimering N,P SS tap scenario analyser (hva hvis) Klimascenarier, hva skjer med ekstremer fordeling overflate/grøft/grunnvannsbidrag i den totale avrenningen N, P,SS tap Utvikle kunnskap -> anvende i rådgivning/forvaltning Anvende kunnskap i prosjekt/forskningsarbeid

3 Hvilke utfordringer har vi Vinter problematikk Infiltrasjon i frossen jord Fryse/tine perioder

4 Hvilke utfordringer har vi Når har vi overflate avrenning i Norge? 2 viktige prosesser kan føre til overflate avrenning Metning nedenfra/saturation from below(dunean overland flow) Nedbør intensitet > infiltrasjons kapasitet (Hortonian overland flow) I Norge ofte metning nedenfra, nedbør over lang tid skaper problemer (høsten ) I Norge er det sjelden at nedbørintensiteten er større enn jordas infiltrasjonskapasitet Likevel forekommer det nedbørepisoder med høy intensitet Vår etter våronna kan gi mye erosjon Sommer under vekstsesongen pga plantedekke lite erosjon (energien i nedbør blir fjernet pga godt vekstdekke) Store problemer kan vi få når snøsmelting/nedbør på frossen jord

5 Hvilke utfordringer har vi o Makroporestrømning Vann infiltrerer i makro porer En slik strømningsprosess kan føre til transport av suspendert stoff/fosfor gjennom grøftesystem ut til bekker/elver/innsjøer Dette er sannsynligvis utbredt i Skuterudfeltet/sørøst Norge og Trøndelag

6 Skuterudfeltet Årungen Monitoring station Østensjøvannet Skuterud Drenerer til Østensjøvannet Årungen - Bunnefjorden Totalt areal: 4 dekar (4, km2) Jordbruksareal: 27 dekar (6 % av totalt areal) (Jordbruksareal dominert av Rk type) Skog: 129 dekar Korndyrking dominerer (8-9 %) Årlige driftsdata fra alle gårdbrukere (jordarbeiding, avling, gjødsling, sprøyting m.m) Overvåket siden 1993 Meteorologiske data: Årlig nedbør: mm/år (864) ustabilt vinterklima (Tine-fryseepisoder) Årlig avrenning: mm/år (18)

7 Coup modellen Inca modellen, HBV modellen Drainmod modellen SWAT modellen Formål; teste hydrologien, kontinuerlig tidsteg/dynamic

8 CoupModel version 2.41 (Jansson and Karlberg 4) (before SOIL model) 1D process-based model Combined water and heat balance (with frost and snow routines) Climate data: Met. station approx 2 km from catchment. Daily values for: Precipitation, air temperature, global radiation, relative humidity, wind speed. Crop development (barley): estimated by a temperature sum approach (Bleken 1) leaf area index, root depth and canopy height in input file Soil data (hydraulic properties): 3 profile descriptions in catchment Measurements from various research projects Artificial drainage: 8 m distance,.8 m depth Coup modellen Brukt i Mildri prosjekt Input til Eronor model Mange brukere

9 1D process-based dynamic model with relatively simple hydrology Detailed drainage system design (Hooghoudt/Kirkham formula) Focus: simulating the hydrology of poorly drained, high water table soils 8 cm. cm 1 cm 1. cm Drainmod modellen Utviklet av prof W. Skaggs, NCSU Mange brukere. I Sverige, USA, controlled drainage, deler blir brukt i SWAT modellen 1 cm 1 cm

10 1D or semi-distributed conceptual model with relatively simple hydrology (SMHI, Bergström) Designed to simulate water movement within a catchment No accout for subsurface drainage Incorporates 16 calibration parameters only HBV is a sequence of 4 submodels: snow submodel soil moisture zone dynamic part routing HBV modellen Mange brukere. Blir brukt i Sealink modellen, gir input til Inca modellen

11 INPUT Driving variables in daily time-step INCA OUTPUT Daily estimates of water discharge in river water soil moisture deficit (from HBV) hydraulically effective rainfall air temperature actual precipitation Model parameters sub-catchment reach in-stream land-phase general parameters surface, soil and groundwater flow daily dynamics results presented separately for different land use types Inca modellen, Blir brukt i Sealink prosjekt, samarbeid mellom Niva, NVE og Bioforsk INCA N, INCA Sed, INCA - P

12 Temple/USA) Continuous Daily Time Step Distributed Parameters Comprehensive Process Interactions Simulate Management effects on N,P, soil loss Utviklet i USA, prof Arnold, ARS Upland Processes Evaporation and Transpiration Hydrologic Balance Precipitation SWAT model is: Root Zone Vadose (unsaturated) Zone Shallow (unconfined) Aquifer Confining Layer Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution Revap from shallow aquifer Percolation to shallow aquifer Surface Runoff Lateral Flow Return Flow describes channel/floodplain processes based on Hydrological Response Units concept requires GIS-based soil, elevation and land use maps can indirectly incorporate subsurface drainage Deep (confined) Aquifer Flow out of watershed Recharge to deep aquifer SWAT calculates Blir brukt av mange i mange land I Norge brukt i Hobøl vassdraget(euroharp prosjekt) og Hunnselva(Striver prosjekt) daily values of the water balance elements more

13 Modeller ble testet for perioden fra Kalibrert mot målt avrenning ved hovedstasjonen Jordfysiske data fra Skog og Landskap + egne Klima data fra IMT/UMB Simulert for jordbruk(3. km 2) og skog(1. km 2 )

14 Hvordan å evaluere modell resultater 1. Statistics of goodness- of- fitting : Nash-Sutcliffe, N-S = Q ot is observed discharge at time t Q m is modeled discharge at time t 2. Visual evaluation: visual comparison of modelled and simulated runoff dynamics for different periods

15 COUP - Spring DraiMod - Spring SWAT - Spring INCA - Spring HBV - Spring Ekstremer i avrenning under klima endringer, hvordan kan vi anvende resultater fra JOVA - programmet 8 9

16 4 COUP - Summer SWAT - Summer HBV - Summer DrainMod - Summer INCA - Summer Ekstremer i avrenning under klima endringer, hvordan kan vi anvende resultater fra JOVA - programmet

17 COUP - Autumn DrainMod - Autumn SWAT - Autumn 4 3 INCA - Autumn HBV - Autumn Ekstremer i avrenning under klima endringer, hvordan kan vi anvende resultater fra JOVA - programmet

18 4 3 3 COUP - Winter DrainMod - Winter SWAT - Winter INCA - Winter HBV - Winter Ekstremer i avrenning under klima endringer, hvordan kan vi anvende resultater fra JOVA - programmet

19 1. Total period.8 N-S DrainMoD COUP HBV INCA SWAT DAY WEEK MONTH YEAR

20 1..8 spring 1..8 autumn.6.6 N-S.4 N-S.4.. DrainMoD COUP HBV INCA SWAT.. DrainMoD COUP HBV INCA SWAT DAY WEEK MONTH DAY WEEK MONTH 1. summer 1. winter N-S.4 N-S.4.. DrainMoD COUP HBV INCA SWAT DAY WEEK MONTH.. DrainMoD COUP HBV INCA SWAT DAY WEEK MONTH

21 Mer arbeid må gjennomføres, forbedre vanndelen Hva med skog? Forbedringer på døgnbasis, se hvor langt vi kan komme Får mer/bedre informasjon om fordelingen grøfte/overflate avrenning, gjør modellen det riktig?

22 Når vanndelen er riktig, neste trinn > Anvende hydrologidelen i simuleringen av N, P og SS Klima endringer, endret landbruk og effekt på vannkvalitet (IWRM) Anvende modellen i dimensjoneringen av hydrotekniske tiltak (grøftedimensjonering, kulvert, mm

23 I need to talk to the scientific coordinator about this Mr principal coordinator, I got a reasonable fit between the modelled and the measured data He told me he got a reasonable fit between the modelled and the measured data Is it on an annual basis? The reasonable fit