1 Hydrologisk modellering og kalibrering til bruk i biologiske modellar Lena S. Tøfte, SINTEF Energi Miljø 215, 15. februar 211
199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s manglande data/observasjonar i vassdrag framtidsstudier - flaumvarsling, tilsigsprognoser - klimaendringar 1 9 8 7 obs Q 6 5 4 3 2 1 2
199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s 199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s 199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s 199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s 199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s Hydrologisk modellering 1 9 8 7 6 5 4 3 2 1 obs Q simulerer tilsig til nedbørfelt basert på meteorologiske data og informasjon om felteigenskapar 18 16 14 obs Q 12 1 8 6 4 ENKI, arealfordelt modell: 2 7 høgdefordeling 6 5 4 obs Q innsjøar 3 2 1 isbrear skogdekke 25 vegetasjonshøgde 2 sim Q 15 1 delfeltgrenser 5 nedbør- og temperaturstasjonar 25 2 15 1 5 sim Q 1 km 2 -grid døgnoppløysing 3
199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 Discharge m3/s 1 9 8 7 obs Q 6 5 4 3 2 1 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
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 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
Discharge m3/s 199-9-1 199-11-1 1991-1-1 1991-3-1 1991-5-1 1991-7-1 1991-9-1 1991-11-1 1992-1-1 1992-3-1 1992-5-1 1992-7-1 1992-9-1 1992-11-1 1993-1-1 1993-3-1 1993-5-1 1993-7-1 1993-9-1 1993-11-1 1994-1-1 1994-3-1 1994-5-1 1994-7-1 1994-9-1 1994-11-1 1995-1-1 1995-3-1 1995-5-1 1995-7-1 7 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 1 9 8 obs Q 7 6 5 4 3 2 1
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: 3 25 2 15 1 5-5 -1-15 y = 1,7x - 24 R² =,186 p =,5,4,3,2,1, -,1 -,2 -,3 -,4 y = -,1x +,19 R² =,234 p =,49-2 -,5 1 15 2 25 3 35 4 5 1 15 2 25 3 35 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 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
1 Kalibreringsresultat Målfunksjonane likt vekta Shuffled complex evolution-metoden
R2 11 Nash Sutcliffe s R 2 og relativ vassbalanse.9 Skjoeli.7.5.3.1 -.4 -.3 -.2 -.1.1.2.3.4.5 -.1 -.3 WB
R2 12 R 2 og 7-dagars minimum vinter.9.7.5.3.1 -.1 1 2 3 4 5 6 -.3 7 day minimum w inter
R2 13 R 2 og 7-dagars minimum sommar.9.7.5.3.1 -.1 5 1 15 2 25 3 -.3 7 day minimum summer
7 day minimum summer 14 7-dagars minimum sommar og vinter 3 25 2 15 1 5 1 2 3 4 5 6 7 day minimum w inter
R2 R2 R2 7 day minimum summer 15.9 Skjoeli.9.7.7.5.5.3.3.1.1 -.4 -.3 -.2 -.1.1.2.3.4.5 -.1 1 2 3 4 5 6 -.1 -.3 WB -.3 7 day minimum w inter.9 3.7 25.5 2.3 15.1 5 1 15 2 25 3 -.1 1 5 -.3 7 day minimum summer 1 2 3 4 5 6 7 day minimum w inter
R2 R2 R2 7 day minimum summer 16.9 Skjoeli.9.7.7.5.5.3.3.1.1 -.4 -.3 -.2 -.1.1.2.3.4.5 -.1 1 2 3 4 5 6 -.1 -.3 WB -.3 7 day minimum w inter.9 3.7 25.5 2.3.1 -.1 5 1 15 2 25 3 15 1 5 -.3 7 day minimum summer 1 2 3 4 5 6 7 day minimum w inter
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 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