Hva er modeller? EUs vanndirektiv og bruk av modeller på ferskvann Muligheter og begrensinger

Transkript

1 Workshop: Modeller for «Hav møter Land» Hva er modeller? EUs vanndirektiv og bruk av modeller på ferskvann Muligheter og begrensinger Håkon Borch (BIOFORSK) & Tor Haakon Bakken (SINTEF Energi AS og CEDREN 1

2 Rapport SINTEF TR A7105 «VRD og bruk av modeller» Støtte til analyse av EU VDoppgaver Kunnskapsbasert forvaltning Demonstrere nytten av bruk av modeller Identifisere aktuelle modeller 2 2

3 Ulike tilnærminger i bruk i vannforvaltningen Måle / kartlegge Sammenligning mellom lokaliteter Ekspertvurderinger (guesstimate) Bruk av modell Kombinasjon av disse 3 3

4 Måle /observere vannforekomster Fordeler Gode data er «fasiten» Gode data kan brukes i modeller for å si noe om det du ikke målte Kan gi høy presisjon Kan spare en for kostnader ved unødvendige tiltak og dermed bli «billig» Ulemper Enorm jobb å dekke tusenvis av umålte vannforekomster Måling er kun et øyeblikksbilde i et punkt (representativitet, ref. for eks flom versus lavvannføring) Presisjon kan være lav Kostbart - timeverk i innhenting Kostbare analyser 1) Bunch of guys sitting around a table 4 4

5 Sammenligne med andre lokaliteter / referansesjøer Ingen vassdrag er helt like Hydrologisk Biologisk Inngrep Tiltak Selv om de var like i urørt tilstand er det ikke sikkert inngrep virker likt Subjektivt - avhenger av hvem som vurderer 5 5

6 Benytte ekspertvurdering Kan bli svært bra basert på gode data om vassdraget og dyktige fagfolk Vanskelig å gjette på effekter av mange faktorer Subjektivt og dermed lite etterprøvbart Veldig mye brukt 6 6

7 Modellering Fordeler Dokumentert metode Etterprøvbart Systematisk Objektivt Best tilgjengelig teknologi Fagfellevurdert Kan si noe om det du ikke har data for, og det du ikke vet noe om. Ulemper Resultater MÅ kobles med godt faglig skjønn Resultater MÅ tolkes i lys av god kunnskap om systemet/modellen Bygger på forenklinger og antagelser Trenger gode input data 7 7

8 Modellering Modeller og datamaskiner muliggjør i tillegg: Behandling av store datamengder Simulering av framtidig utvikling Simulering av inngrep og tiltak ( ting som ikke har skjedd ) 8 8

9 Modeller hva er det? Lang definisjon: Teoretiske modeller gir et forenklet bilde av virkeligheten hvor det fokuseres på de faktorer som anses å være vesenlig for det som skal forklares, samtidig utelukke alt som er uvesentlig. Modellene kan være utformet som en avlesbar tabell, et diagram, et regneark eller større dataprogrammer som kan gi en framstilling i tall, diagrammer, kart etc. av effekter av komplekse sammenhenger mellom flere faktorer. Trofi-status FOSRES (Berge, 1987) Kortversjonen: kunnskap om et bestemt problem innpakket i et dataprogram (Bakken og Borch, 2011) 9 9

10 10 10

11 Bruk av modeller innen værvarsling Værvarsling ( Legg merke til: 20 % sannsynlighet for at temperaturen faller utenfor båndene! Økende usikkerhet dess lenger inn i fremtiden en estimerer 11 11

12 Vannkvalitet (Tot-P) modellert med TEOTIL Beregnede konsentrasjoner for totalfosfor (Tot-P) i lokalt tilsig i delnedbørfelt (REGINE) Uten Glomma-vann 12 12

13 Erosjonsrisikokart fra Skog og Landskap En versjon av Universal Soil Loss Equation (USLE) 140 millioner tiltakskroner fordeles på basis av disse kartene WEBGIS avrenning og Agricat-P tar utgangspunkt i kartene A=RKLSCP R= nedbørens erosivitet K= jordartens erodibilitets L= arealets helningslengde S= arealets bratthet (slope) C & P= effekt av plantedekke i gjennom landbruksdriften 13

14 Modellering av tiltak med AGRICAT Aktuelle tiltak simulert: Ulike areal i stubb Beskyttelse mot erosjon Fristilling av areal Grasdekning Soner langs vassdraget P-Al reduksjon Scenarier kan være alternative tiltakspakker, konsekvenser av endret klima, etc

15 Enkle empiriske modeller Tar oftest utgangspunkt i målte data å lager en regresjonsligning for å vise sammenheng mellom de målte resultatene og en eller flere av andre målte faktorer Y= ß 0 + ß 1 X 1 - ß 3 X 2 - ß 3 X 3 Eksempler på slike modeller er: Vollenveidermodeller som FosRes (Berge 1987) JOVA-nest (N,P) er et sett empiriske likninger utviklet fra JOVA-data. Brukes blant annet i TEOTIL 15

16 Empiriske modeller basert på statistiske sammenhenger Anvendbarhet Romlig skala Tidsdynamikk Fysiske prosesser Umålte felt Tilførsler Tiltak mot stofftap Hydrologiske tiltak Klimaendring Arealbruksendring Ressurser Inndata Oftest stor skala Nei Nei Nja Nja Nja Nei Nei Nei Lite Lett tilgjengelig 16

17 Empiriske modeller basert på statistiske sammenhenger i VRD arbeid Leirdekningsgrad i nedbørfelt Forvaltningssystemet for naturtilstand og god/moderat grensen (miljømålet) for totalfosfor i leirvassdrag er som angitt i tabellen nedenfor: à stor usikkerhet ved ekstrapolering??! 17

18 Eksempel Engerbekken Nedbørfeltareal: 15,16 km2 Dekningsandel av marine sedimenter: 71,6% Beregnet konsentrasjon Tot-P referansetilstand (µg/l): 57 (48-65) i modellen Dette er ekstrapolert utenfor modellens dataområde. Forvaltningssystem sier 30 (µg/l). Hva er riktig?? Det sier ikke modellen egentlig noe om!!! 18

19 Alternativ: mer komplekse modeller Fysisk baserte modeller: basert på fysiske lover Dess flere prosesser som beskrives matematisk dess mindre usikkerhet. Mange modeller er kombinasjoner av fysiske lover og empiriske ligninger. Svært kompetansekrevende. Utfordring men kan endres! Romlig skala Tidsdynamikk Fysiske prosesser Umålte felt Tilførsler Tiltak mot stofftap Hydrologiske tiltak Klimaendring Arealbruksendring Ressurser Tilgang inndata Komplekse Alle JA Mye Vanskelig 19

20 Validering Modellering uten måledata er lite verdt! Vi må kunne sjekke om modellen gir realistiske resultater Modeller MÅ DERFOR VALIDERES/KALIBRERES mot måledata Dette er spesielt viktig i de fysisk baserte modellene som forutsettes å bli kalibrert

21 Komplekse modeller: skille mellom effekter av værforhold og drift har tiltak virket? Beregnet jordtap (tonn) % jordarbeidet høst 19 % jordarbeidet høst INCA (Kværnø et al., 2012) 21

22 VRD-forvaltningsoppgaver hvor bruk av modeller er aktuelt Karakterisering Kartlegge omfanget av påvirkning Hvor mye belastning forårsaker en påvirkning? Tilstandsanalyse Hva er naturtilstanden i den aktuelle vannforekomst/vanntypen? Dose -respons sammenhenger Hvor langt og hvor mye sprer en påvirkning seg? Tiltaksplanlegging Hva er miljømålet i en SMVF (økologisk effekt av realistiske tiltak)? Hvilke tiltak trengs for å gi en ønsket effekt? Hvilke kombinasjoner av tiltak er optimalt Hva er det mest kostnadseffektive tiltaksprogrammet? Fremtidsscenarioer Hva vil den mulige framtidige miljøtilstanden bli? Hva er effekten av endret klima? 22 22

23 Hvilke problemtyper har vi? Fra Vann-Nett (statistikk) 23 23

24 Modeller rammer for anbefalinger Modeller til VRD bruk; Forvaltningssstøttemodeller skal kunne anvendes med en begrenset bruk av ressurser, dvs maks. 1 månedsverk ( forskningsmodeller som krever mange månedsverk er utelatt) Modellene er gruppert som: Modeller til eget bruk Bestillingmodeller Modellanvendelser bestilles hos forsker/konsulent, anses for krevende å anvende uten ekstraordinær kompetanse Forvaltere og andre brukere skal kunne operere disse modellene selv. Krever dokumentasjon kurs brukerstøtte tilstrekkelig avsatt tid eller tilstrekkelig stort arbeidsvolum at en ikke glemmer alt mellom hver gang modellen skal kjøres

25 Modeller til eget bruk 25 Modell Problemtype Hva gjør den? EU VD-oppgave TEOTIL Eutrofi/partikler Summerer utslipp/ avrenning WEBGIS avrenning Eutrofi/partikler Partikkeltap til vann (USLE basert) Karakterisering/ (tiltak) Karakterisering/ (tiltak) WEBGIS avløp Eutrofi P / N / TOC tap til vann Ikke ferdig.. Karakterisering/ Tiltak Indikativ HYMOmodell (svensk) * Regulerte vassdrag Angir tilstand utfra belastning Karakterisering/ (tiltak) IHA-indekser Regulerte vassdrag Hydrologisk beregning av økosystemparametre * Utviklingsarbeid nødvendig Karakterisering/ tilstand Teknologi for et bedre samfunn 25

26 Bestillingsmodeller Modell Problemtype Hva gjør den? EU VDoppgave AGRICAT-P Eutrofi/ P/ Partikler Beregner tap av P og partikler til vassdrag Karakterisering / Tiltak INCA-N/P Eutrofi Tap av N/P fra nedbørfelt Tilstand/tiltak Habitat modeller Regulerte vassdrag Habitatkvalitet i elver/ (innsjøer) Karakterisering/ tilstand/tiltak Magic DHI-modeller Forsuring Forurensning Beregner jord- og vannkjemi (tålegrenser, ph) Beregner vannføring/- kvalitet Karakterisering/ tilstand/tiltak Tilstand/tiltak Og en god del andre se mer info i rapport/vannportalen 26 26

27 Hva finner i SINTEF rapporten / Vannportalen? Hjelp til å finne riktig modell Oversikt og vurdering av egnethet av alle aktuelle modeller Detaljert informasjon om noen av modellene Mange nyttige referanser til mer informasjon Eksempler på bruk/nytte 27 27

28 Oppsummert Kunnskapsbasert forvaltning krever bruk av mest de mest oppdatert metoder og modeller Oppgaver som følger med EU VD egner seg for analyse med modeller Modeller kan benyttes i forbindelse med analyse av de aller viktigste problemtyper Modeller krever pålitelig input data Shit in -> shit out Modeller bør alltid valideres. Fysisk baserte modeller MÅ kalibreres. Modellresultater vil i mange tilfeller gi et langt bedre beslutningsgrunnlag Kvalitet og kvantitet av input data blir bedre, og mer og mer tilrettelagt 28 28

29 Takk for oppmerksomheten 29