Modeller for simulering av miljøkonsekvenser av vannkraft. Kriterier og aktuelle modeller. Precipitation High vegetation G Low vegetation W Unsaturated zone Runoff GW q To To global runoff ground- respons water e recharge EBL Vassdragsdrift og miljøforhold, oktober 2008 Atle Harby, SINTEF Energiforskning Mike Acreman (CEH), Knut Alfredsen (NTNU), Jan Heggenes (LFI), Ånund Killingtveit (NTNU), Tommi Linnansaari (SINTEF), Tuomo Saloranta (NIVA), Svein Jakob Saltveit (LFI ), Håkon Sundt (SINTEF), Torulv Tjomsland (NIVA), Ola Ugedal (NINA)
Hvordan forutsi hva som skjer her?
2 3 Alternativer Sammenligne med andre Gjette 2500 2000 ugunstig Areal [m2] 1500 1000 nøytralt gunstig 1. Undersøke hva vi har 500 0 0 2 4 6 8 10 12 14 Vannfø ring [m3/s] Modellere
Vannføring og miljøforhold miljøforhold vannføring
Vannføring og miljøforhold miljøforhold vannføring
Vannføring og miljøforhold miljøforhold vannføring
Orkla discharge 01.09.1985 01.05.1985 01.01.1985 01.09.1984 Variasjon viktig! stabil lav om vinteren Foto: NTNU 900,00 vårflom 800,00 700,00 vannføring 600,00 500,00 400,00 300,00 200,00 100,00 0,00 01.05.1984 01.01.1984 01.09.1983 01.05.1983 01.01.1983 01.09.1982 01.05.1982 01.01.1982 01.09.1981 01.05.1981 01.01.1981
Målsetting i prosjektet Etablere en modellgruppe for diskusjoner og arbeidsmøter Utvikle et sett med egnethetskriterier for vurdering av modeller som skal brukes i forkant av at en modell settes opp og kjøres Lage en oversikt over hvilke modeller som pr. dags dato er vurdert egnet etter oppsatte kriterier, og som dermed er aktuelle ved vurdering av miljøkonsekvenser av inngrep og effekter av avbøtende tiltak
Generelle egnethetskriterier Hvor anerkjent og veltestet er modellen? Hva finnes av litteratur og dokumentasjon om modellen? Hvor mye er modellen brukt i Norge? Kan modellanalyse-teknikker anvendes? Kan usikkerhetsanalyser brukes? Blir usikkerheten kvantifisert? Er det mulig å gjennomføre følsomhetsanalyser? Er automatisk kalibrering og tilpasning mulig? Tilleggskriterier for empiriske modeller Kan empirien underbygges av funksjonelle sammenhenger? Beregnes konfidensintervall og prediksjonsevne?
Applikasjonsspesifikke kriterier Er modellen egnet til å svare på det man vil finne ut? Omfatter modellens gyldighetsområde den tenkte applikasjonen? Kan modellen simulere alle de ønskede variablene? Er alle antatte nøkkelfaktorer og prosesser representert i modellen? Er modellresultatenes romlige oppløsning tilfredsstillende? Er modellresultatenes temporære oppløsning tilfredsstillende? Er nok data og kunnskap tilgjengelig? Har man tilgjengelig inngangsdata (i riktig tidsmessig og romlig oppløsning) som kreves for å kjøre modellen tilfredsstillende? Har man tilgjengelig kalibrerings-/evalueringsdata for modellen? Har modelløren kjennskap og erfaring om modellen og eventuelt om modellanalyseteknikker (usikkerhets-/følsomhetsanalyse, kalibrering), hvis disse skal brukes? Finnes det lignende tidligere vellykkede og veldokumenterte modellapplikasjoner?
Eksempel for en spesifikk modellapplikasjon Modellapplikasjon/problemstilling: Modellør: Modell: Miljøkonsekvenser av regulering i Akerselva NIVA Tysk modell Amerikansk Etc. modell Modelltype (empirisk/mekanistisk): Empirisk Mekanistisk Etc. Tema #1: Er modellen egnet til å svare på det man vil finne ut? SCORE SCORE SCORE 1.1 Omfatter modellens gyldighetsområde den tenkte applikasjonen? + - 0 1.2 Kan modellen simulere alle de ønskede variablene? - 0-1 -1-1 0 0-1 1.3 Er alle antatte nøkkelfaktorer og prosesser (for eksempel islegging, substrattyper) representert i modellen? 0 1 0 0 + 0 1.4 Er modellresultatenes romlige oppløsning tilfredsstillende? + 0 + 1.5 Er modellresultatenes temporære oppløsning tilfredsstillende? + 0 + Tema #2: Er nok data og kunnskap tilgjengelig? SCORE SCORE SCORE 2.1 Har man tilgjengelig inngangsdata (i riktig tidsmessig og romlig oppløsning) som kreves for å kjøre modellen tilfredsstillende? + 0 + 2.2 Har man tilgjengelig kalibrerings-/evalueringsdata for modellen? - 0-2.3 Har modelløren kjennskap og erfaring om modellen og eventuelt om modellanalyseteknikker (usikkerhets-/følsomhetsanalyse, kalibrering), hvis disse skal brukes? 2.4 Finnes det lignende tidligere vellykkede og veldokumenterte modellapplikasjoner? 1 1 1 0 + 0 1 0 1 1 1-1 0-1 0 0 0 0 1 0 1 + 0 +
Simuleringsmodeller Empiriske modeller (sammenhenger) Prosessbaserte modeller (årsak-virkning) Blanding av disse oftest innen integrerte modeller Hydrologiske og fysiske modeller i rennende vann og i nedbørfelt Fysiske, kjemiske og biologiske modeller i innsjøer og magasiner Biologiske og økologiske modeller i rennende vann Integrerte modeller
Hydrologiske modeller - nedbørfelt HBV-modellen For et nedbørfelt Anerkjent og i utstrakt bruk LandPINE Distribuert modell Kan kobles til elvenettverk og andre prosesser DemLAB Distribuert modell Kan brukes i vassdrag uten målinger Kan kobles til andre prosesser SWAT Distribuert modell Inkludere mer enn hydrologi G W q Precipitation High vegetation Low vegetation Unsaturated zone Runoff GW To To global runoff ground- respons water e recharge OUTLET AT MAIN BRIDGE -FLOW -SEDIMENT CCHE1D -FLOW -SEDIMENT CCHE1D -FLOW -SEDIMENT HRU1 HRU2 HRU3 HRU4 River A River B
Hydrauliske modeller for elver HEC-RAS Anerkjent og i utstrakt bruk 1-D som passer for lengre strekninger MIKE 11 Anerkjent og i utstrakt bruk 1D og 2D som passer for lengre strekninger Kostbar RIVER 2D Robust, men ikke like ustrakt brukt som HEC-RAS og MIKE 11 SSIIM 3D med sedimenttransport Forskningsbruk 2 7 8 9 4 5 6 Innfjordelva-Ronning Plan: Plan 15 15.06.2006 Legend WS PF 1 Ground Bank Sta
RICE God for elver med lav gradient Komplisert å bruke Vanskelig i Norge SNTEMP Ikke testet i Norge Enkel å bruke Vanntemperatur 40 Hell 10 Flornes Nustadfoss Vannhåndtering - vannkraftproduksjon nmag Fleksibelt for norske system Inneholder ingen vannverdi Planleggingsverktøy VANSIMTAP / SIMTAP-Effekt / ICC Omfattende bruk i Norge Håndterer marked og produksjon godt Tilpasninger for å håndtere miljø 5 6 21 11 Finnkoisjøen 1 Sylsjøen 12 Nedalsfoss 2 Nesjøen 2 Vessingfoss 3 Vessingsjøen 8 9 Gammelvollsjøen 7 Sellisjøen 3/7 Nea/Tya 4 Gresslifoss Dragstsjøen 10 Nedre Nea/ Heggsetfoss 15 Selbusjøen 16 Svean/Løkaunet 17 Fjæremsfossen 19 Øvre Leirfoss 18 Nye Leirfossene 20 Nedre Leirfoss 15 Utløp i Nidelva Stuggusjøen Håen Bratsberg
Innsjømodeller CE-QUAL-W2 kan beregne fysiske og økologiske variable som funksjon av klima, stofftilførsler og vannføringer. Resultater: strømhastighet, temperatur, istykkelse, oksygeninnhold, partikkelkonsentrasjon, vannkjemi, bakterier, utveksling med sedimenter, algevekst m.m. To-dimensjonal modell med et vilkårlig tidsskritt Modellen er følgelig godt egnet for simuleringer i langstrakte innsjøer samt elver, fjorder og estuarer. Fritt tilgjengelig fra EPA Brukt i Norge mange steder
Generalized Environmental Modeling System for Surfacewaters (GEMSS ) ERM's Surfacewater Modeling Group
Biologiske og økologiske modeller i rennende vann Funksjonelle sammenhenger Korrelasjoner Habitatmodeller Populasjonsmodeller
Funksjonelle sammenhenger Vekt (g) 20 15 10 5 0 11.5.93 27.11.93 15.6.94 1.1.95 20.7.95 5.2.96 23.8.96 Eksempel: Vekst av laks og vanntemperatur Sammenheng mellom biologisk variabel og miljøvariabel Eggutvikling og vanntemperatur Vekst hos laksefisk og vanntemperatur
Antall ørret per 100 m² Korrelasjoner 16 14 12 10 8 6 4 2 0 Data fra Arne Jensen, NINA 0 100 200 300 Høyeste flomvannføring (m 3 /s) Eksempel: Årsklassestyrke og flom Korrelativ sammenheng mellom biologisk variabel og miljøvariabel Smoltutvandring og vannføring/vanntemp. Årsklassestyrke eller smoltproduksjon og vintervannføring Smoltoverlevelse og tidspunkt/sjøtemperatur...mange andre Vanskelig å overføre data!
Habitatmodeller på mikroskala Sammenheng mellom habitatbruk av fisk og bunndyr og flere fysiske variable I beste fall en god sammenheng mellom godt habitat og populasjon - flaskehals Eksempel: Habitat for ørret og vannføring
Habitatmodeller på mesoskala Eksempel: Virkning av endret minstevannføring På bunndyr og fisk i Rhônen ved Chautagne Hurtig kartlegging av lengre elvestrekninger Veldig god beskrivelse av vassdraget fysisk Delvis god kobling til biologiske forhold, men mer utvikling trengs Internasjonalt veien å gå Norsk modell og metode
Populasjonsmodeller Temperaturavhengig vekst Temperaturavhengig utvikling Egg Pl.sekk yngel Yngel Tetthetsavhengig dodelighet 0+ Parr Storrelsesavhengig proporsjon 1+ Smolt 1+ Parr 2+ Smolt 2+ Parr Storrelsesavh.- proporsjon Kobler fysiske og biologiske forhold både empirisk og deterministisk Utvikling av NORSALMOD går framover Eksempel: NORSALMOD
Integrerte modeller
MIKE Basin HEC-HMS og HEC-GeoHMS IFIM Vassdragssimulatoren (deler videreutviklet og i bruk)
HYDRA project NVE Discharge data GLB Inflow Release GIS Database GIS Land use Urbanisation MIKE 11 PINE SINBAD Framework Comp. Met. HYDRA Modelling System - Data handling - Integration platform - System Operation - Result Administration Reservoir Operation Regulation effects on flood levels Land use effects on flood levels Economical costs of floods Flood management
Aktuelle metoder i henhold til tema og ressurser Desk studies Methods with examples Tables and curves Expert opinions Single index Indices Hydrological Hydraulic or geomorphological Using existing Tennant rating curves 7Q10 IHA (Richter) Functional relationships BOGSAT Aiming at holistic method Building Block Method and DRIFT Studies including field data Measurements, classification and mapping Single-site modelling Singlespecies modelling Multipurpose modelling details Classification of Mesohabitat geomorphological classification units Bioenergetic fish modelling Wetted area modelling Microhabitat modelling for Atlantic salmon Multipurpose modelling please note that the exact position of boxes may vary from the point of view and by case Multi-purpose modelling with end-users and stakeholders
Værvarsling: Bygger på observasjoner og modellering Allment akseptert på tross av treffsikkerhet på 55 %
Konklusjoner Modeller kan med fordel brukes sammen med data og gjetting - finnes det andre muligheter for prediksjoner? Kriterier for valg av modeller må brukes Velg modell spesifikt for hvert tilfelle Kriterier for bruk av modeller kan vise hvor god eller hvor sikker analysen er forlang dokumentasjon Alle modellresultater må alltid tolkes fagfolk på et eller annet nivå må kobles inn Vi henger litt etter med modellutvikling i Norge God derfaring enn utvikling tidligere Lang erfaring innen bruk Mer fokus framover!
.takk for oppmerksomheten!