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Modellierung des Landschaftswasser- und Stoffhaushalts

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Modellierung des Landschaftswasser- und Stoffhaushalts. Was sind Modelle?. Modelle sind Konzepte zur vereinfachten Darstellung von Komplexen (Umwelt)-Systemen

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capcha
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Presentation Transcript
was sind modelle
Was sind Modelle?
  • Modelle sind Konzepte zur vereinfachten Darstellung von Komplexen (Umwelt)-Systemen
  • Wechselwirkungen zwischen Systemvariablen und der Umwelt werden mathematisch formuliert  dadurch wird das System berechenbar (Imboden & Koch, 2008)
was sind modelle1
Was sind Modelle?

Quelle: http://ehs.ucsb.edu/units/stormwater/stormimages/stormweb/hydrologic-cycle-big.jpg

beispiele klimamodelle
Beispiele - Klimamodelle
  • Vorhersage des zukünftige Klimas unter bestimmten Szenarien der Treibhausgasemission

http://www.iac.ethz.ch/edu/courses/master/modules/numerical_modelling_of_weather_and_climate/Climate_model?hires

beispiele wasserhaushaltsmodelle
Beispiele - Wasserhaushaltsmodelle
  • OPAQUE - Operationelle Abfluss- und Hochwasservorhersage in Quellgebieten – Modell LARSIM

http://brandenburg.geoecology.uni-potsdam.de/projekte/opaque/bilder/larsim2.png

beispiele kolog abundanzmodelle
Beispiele – ökolog. Abundanzmodelle
  • Modellierung der Verbreitung des Steinkauzes Athene noctua in der Wetterau, Hessen. Grüne Flächen stellen gut geeignete, rote Flächen ungeeignete Habitate dar. Das Modell basiert auf eine hochauflösenden Biotoptypenkarte mit einer Pixelgröße von 1 x 1 m

http://www.sfb299.de/gepard/beispiele.html

beispiele stoffumsatz in b den
Beispiele – Stoffumsatz in Böden
  • Model CANDY
  • simuliert schlagbezogen Kohlenstoff und Stickstoffumsatz in Böden

http://www.ufz.de/index.php?de=13059

beispiele weitere einsatzm glichkeiten
Beispiele – weitere Einsatzmöglichkeiten
  • Meteorologie – Wettervorhersage, …
  • Sozio-ökonomische Modelle – Wirtschaftsentwicklung, Landnutzungsentwicklung…
modellkonzepte landschaftswasser und stoffhaushalt

Aggregated

Distributed

Pixel

Output

Output

Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt

Semi-distributed

HRU

Subcatchments

Output

modellkonzepte landschaftswasser und stoffhaushalt1

Aggregierte (Lumped)

Output

Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt
  • Aggregierte Modelle:
  • EZG als einzige Einheit betrachtet
  • Hydrologische Prozesse ohne Berücksichtigung räumlicher Muster abgebildet
  • Geringer Datenbedarf; geringer Bedarf an Rechenleistung
  • Aber hoher Informationsverlust und geringe Aussagekraft
  • Beispiele HYMO und HEC-1
  • Überwiegend in 60er und 70er Jahren
modellkonzepte landschaftswasser und stoffhaushalt2

Distributed

Pixel

Output

Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt
  • vollverteilte Modelle:
  • räumliche Muster der hydrologischen Prozesse berücksichtigt
  • EZG in gleichmäßiges Netz von Elementen aufgeteilt
  • für jedes Element hydrologische Prozesse explizit berechnet
  • Modellansätze basieren auf Erhaltungsgleichungen von Masse, Impuls und Energie (Bsp. Richards-Gleichung)
  • Hoher Datenbedarf, hoher Bedarf an Rechenleistung
  • für EZG >50km²  meist deutlich kleiner (Hangskala)
modellkonzepte landschaftswasser und stoffhaushalt3
Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt

Semi-distributed

  • halbverteilte Modelle:
  • „Zwischending“ zwischen aggregierten und vollverteilten Modellen
  • EZG in Teileinzugsgebiete (TEZ) aufgeteilt
  • TEZ in Hydrotope (engl. „Hydrological Response Units“) aufgeteilt
  • Hydrotope = Flächen mit gleicher Landnutzung, Boden, Hangneigung …
  • auf Ebene der Hydrotope hydrologische Prozesse berechnet
  • relativ hoher Datenbedarf, mittlerer bedarf an Rechenleistung
  • eingesetzt für die Mesoskale (50km² - 10000km²)

HRU

Subcatchments

Output

exkurs hydrological response unit hru
Exkurs - Hydrological Response Unit (HRU)

Soil map (soil unit 50)

Land-use „arable land"

 1 km

Unique combination of soil and land-use within a subbasin forms a HRU.

“Similar properties will result in a similar hydrological response“.

HRU (s50/lu-a)

Processesaresimulatedforeach HRU.

Flowsaresummarised

foreach HRU within

thesubbasinand

allocatedtothestream.

NOTE: HRU‘s are lumped

areas, which do not interact.

slide15

N-Haushalt SWAT

Original SWAT:

basiert auf EPIC

Williams et al. 1984

Fertilizer Norg

Residue

Humus

N fresh

N active

N stable

20 %

N2-Fixation

80 %

Decomposition/mineralization

N-losses

Harvest

Gaseous

Surface runoff

Percolation

Lateral flow

Gaseous

Plant

biomass

NO3-

Nitrification

Denitrification

NH4+

Fertilizer Nanorg

Precipitation NO3-

NH3 volatilzation

n haushalt dndc
N-Haushalt DNDC

Ökolog. Randbedingungen

Stoffumsatz

kalibrierung
Kalibrierung

Modelle  vereinfachte Darstellungen komplexer, natürlicher Systeme

Modelle besitzen Parameter die:

  • Nur punkthaft gemessen werden können  siehe bodenphysikalische Parameter wie Leitfähigkeit oder Speicherfähigkeit
  • Aufgrund von Prozessaggregation bzw. –vereinfachung nicht direkt gemessen werden können  Grundwasserparameter, z.Bsp Rezessionskonstante oder Verweilzeiten

Modellparameter müssen (in den meisten Fällen) geschätzt bzw. kalibriert werden

kalibrierung1
Kalibrierung
  • Parameterwerte werden in definierten (realistischen) Spannweiten variiert
  • Nach der Variation erfolgt eine Modellsimulation
  • Gemessener und simulierte Zielgröße (Durchfluss, Nährstoffaustrag…) werden miteinander verglichen Gütemaße berechnet
  • Verfahren wiederholt bis Simulation akzeptable Güte erreicht haben

C

t

kalibrierung2
Kalibrierung
  • Je nach Modellkomplexizität und Parameteranzahl manuell oder automatisch
  • Manuell  Parameterwerte „von Hand“ eingestellt
  • Automatisch Parametervariation, Modelliteration und Ermittlung der Gütemaße in einer Art Batchprozeß
g tema e
Gütemaße

- ∞ bis 1

0 bis 1

0 bis ∞

0 bis ∞

0 bis ∞

sensitivit ts und unsicherheitsanalysen
Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen
  • Was sind Sensitivitätsanalysen ?
  • Sensitivitäts – Indizes
  • Warum Sensitivitätsanalysen?
  • Was sind Modellunsicherheiten?
  • Warum Unsicherheitsanalysen?
  • Quellen für Unsicherheiten?
  • Equifinalität/ GLUE
swat einf hrung
SWAT - Einführung
  • SWAT
  • semi-verteiltes, kontinuierliches Modell (Tagesschritte)
  • Wasserhaushalt
  • integriertes Pflanzenwachstumsmodell
  • Phosphor- und Stickstoffhaushalt (konzeptionell)
  • Sediment- und Phosphoreintrag in Gewässer
  • Stoffumsatzprozesse in Gewässern
  • berücksichtigt punkthafte Belastungsquellen
swat anwendungsbeispiele
SWAT - Anwendungsbeispiele
  • Hot Spot Analyse IcCatchment
  • Scenarien Analyse Wetterau
  • Wasserhaushalt Mamer
  • Pestizide Wark
hydrologic balance
Hydrologic Balance

Precipitation

Root Zone

Vadose

(unsaturated) Zone

Shallow (unconfined) Aquifer

Confining Layer

Deep (confined) Aquifer

hydrologic balance1
Hydrologic Balance

Surface Runoff

Root Zone

Infiltration

Vadose

(unsaturated) Zone

Shallow (unconfined) Aquifer

Confining Layer

Deep (confined) Aquifer

hydrologic balance2
Hydrologic Balance

Evaporation and Transpiration

Root Zone

Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution

Vadose

(unsaturated) Zone

Lateral Flow

Percolation to shallow aquifer

Shallow (unconfined) Aquifer

Confining Layer

Deep (confined) Aquifer

hydrologic balance3
Hydrologic Balance

Root Zone

Vadose

(unsaturated) Zone

Revap from shallow aquifer

Percolation to shallow aquifer

Shallow (unconfined) Aquifer

Return Flow

Confining Layer

Deep (confined) Aquifer

Recharge to

deep aquifer

hydrologic balance4
Hydrologic Balance

Root Zone

Vadose

(unsaturated) Zone

Shallow (unconfined) Aquifer

Confining Layer

Flow out of watershed

Deep (confined) Aquifer

Recharge to

deep aquifer

hydrologic balance5
Hydrologic Balance

Evaporation and Transpiration

Precipitation

Surface Runoff

Root Zone

Infiltration/plant uptake/ Soil moisture redistribution

Lateral Flow

Vadose

(unsaturated) Zone

Revap from shallow aquifer

Percolation to shallow aquifer

Shallow (unconfined) Aquifer

Return Flow

Confining Layer

Flow out of watershed

Deep (confined) Aquifer

Recharge to

deep aquifer

stickstoffhaushalt
Stickstoffhaushalt

Original SWAT

based on Epic

Williams et al. 1984

Fertilizer

Fertilizer

N

N

org

org

20 %

Residue

Residue

Humus

Humus

80 %

N fresh

N fresh

N active

N active

N stable

N stable

20 %

N

N

-

-

Fixation

Fixation

2

2

80 %

Decomposition/

Decomposition/

mineralization

mineralization

N

N

-

-

losses

losses

Plant

Plant

Harvest

Harvest

biomass

biomass

Gaseous

Gaseous

Nitrification

Nitrification

Denitrification

Denitrification

NH

NH

NO

NO

+

+

-

-

4

4

3

3

Surface runoff

Surface runoff

Percolation

Percolation

Fertilizer

Fertilizer

N

N

Precipitation NO

Precipitation NO

-

-

anorg

anorg

3

3

Lateral flow

Lateral flow

NH

NH

volatilzation

volatilzation

Gaseous

Gaseous

3

3

crop growth
Crop growth

Synonyms: Growing Degree Days Temperature Sum Heat Units (HU)

Potential Head Units (PHU)

when

SWAT Parameters: PHU and HEAT UNITS .mgt file