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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004

Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004. 29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion 13.5. Beispiel Phyllotaxis, Definition von Ökosystemen 27.5. Definition von Ökosystemen 3.6. Populations- und Individuenbasierte Modelle (FK)

janus
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Modellbildung in der Geoökologie (G5, 103) SS 2004

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Presentation Transcript

  1. Modellbildung in der Geoökologie(G5, 103) SS 2004 • 29.4. Einführung, Modelle, Modellklassen • 6.5. Zustandsmodelle, Rekursion • 13.5. Beispiel Phyllotaxis, Definition von Ökosystemen • 27.5. Definition von Ökosystemen • 3.6. Populations- und Individuenbasierte Modelle (FK) • 17.6. Individuenbasierte Modelle • 24.6. Hydrologie, zelluläre Automaten • 1.7. Konzeptionelle Modelle der Hydrologie, • 8.7. Fallbeispiel, Modelle zur Gewässerversauerung • 15.7. Flussnetzwerke, Modelle in der Geomorphologie

  2. Zusammenfassung • Die Geometrie typischer Fliessregionen (in Einzugsgebieten): • ist heterogen, erscheint als komplex • und im Detail unbekannt (Ausnahme: Oberflächenform) • Die beobachteten Muster im Abflussverhalten sind relativ leicht aus den Niederschlagsdaten zu rekonstruieren • Verdacht: (rel.) geringer Informationsgehalt in Abflussdaten • Was bedeutet das • Für die Datenlage? (-> Vorlesung zur Zeitreihenanalyse im HS) • Für die Verwendung weiterer Messdaten (z.B. über die Morphologie) • Ist das inverse Problem überhaupt für Einzugsgebiete lösbar? • Handelt es sich eher um technische oder um prinzipielle Probleme? • Worauf beruht die Relevanz von Modellen ?

  3. Input- Funktion Einzugsgebiet Output- Funktion Art der Problemstellung Entspricht der Geo-Definition von Ökosystemen

  4. Ansatz (Forts.) • Räumliche und zeitliche Aspekte lassen sich trennen: • Es existiert ein mittleres Bild der Fliesswege mit dem ein Gebiet langfristig charakterisiert werden kann • Motivation: Die langfristige Entwicklung der Fliessregion ist im Gleichgewicht (und selbstorganisiert; Geomorphologie) • oder experimentell kontrolliert • Auf der Basis einfacher stationärer Fliesswege lässt sich die Verweilzeit bestimmen • Es existiert ein mittleres Bild der Verweilzeiten mit dem große Regionen der Fliessregionen zusammengefasst werden können • Motivation: Porenraumverteilung ist ähnlich • oder künstlich so kontrolliert • Auf der Basis einfacher einfacher Verweilzeit lassen sich die Fliesswege bestimmen

  5. Steady State Tracer Experimente • Argumente für Experimente mit Ökosystemen • Reversibilität von Boden- und Gewässer-Versauerung • Identifikation interner Prozesse neben der (Ökosystem)-Reaktion eines Einzugsgebietes • Argumente für „steady state“ Experimente • Das G1 Einzugsgebiet (Gårdsjön, Schweden) • Ergebnisse: • Tracer-Anwendungen und Hydrologie • Sulfat • Schlussfolgerungen

  6. 1. Das Beispiel der Dächer im Wald • 1980er: • verbreitet wird Gewässer- und Bodenversauerung in Nordeuropa festgestellt • Modellrechnung lassen allenfalls eine langsame Erholung nach einem Rückgang der Deposition erwarten (Jahrzehnte bis Jahrhunderte) • Es lag nur wenig Erfahrung vor zur tatsächlichen Rate der Erholung nach der Depositions-bedingten Versauerung • 1990er: • Der Rückgang der Deposition ist stärker als erwartet • Die empirischen Modelle können um eine Beschreibung der Entsauerungs-Phasen erweitert werden • Die Diskussion um die Rolle der Modell hält an

  7. R R R R R Monitoring sitesStoddard et. al 1999

  8. Ladungsbilanz • Summe der Kationen = Summe der Anionen:    • Davon hängen ab vom CO2-Partialdruck

  9. Pufferkapazität (Alkalinität) Auf der Basis der Landungsbilanz: oder

  10. Decreasing Trends in Surface Waters: 1980ies and 90ies [eq.l-1.a-1]

  11. Das erste Dach-Experiment: Risdalsheia, Norwegen Wright et al. (1993) Canad. J. Fish. Aqua. Sci. 50(2) 258-268

  12. 2.Das größteDach-Experiment: Gardsjön, Schweden • Fragen: • Wie schnell reagiert Sulfat ? • Wie schnell reagiert die Basensättigung im Boden ?

  13. The Roofed Catchment at Gårdsjön, S • 58°04’ N, 12°01’E • 6300 m2 • gneissic granodiorite • podzolic soils • soil depth: 0 - 140 cm • Norway spruce (85 years) • 1991-2001: covered by roof

  14. Soil depth at G1 (area: 6300 m2) Runoff

  15. 3. Argumente für “Steady State” Experimente. • Gut definierte, reproduzierbare hydrologische Bedingungen • Randbedingungen (Wetter) beobachtet und/oder kontrolliert • Möglichkeiten für wiederholte Beobachtungen (Messfehler kann geschätzt werden) • Einfachere Modelle (stationäre Bedingungen) • Liefert Referenz-Bedingungen für die Identifikation eines langfristigen Trends • Aber: mögliche Interferenzen mit Entsauerungs-Experiment

  16. Input- Funktion Einzugsgebiet Output- Funktion Messprinzipien für ein Problem der inverser Modellierung Bekannt und gesucht:

  17. piezometer tensiometer sprinkled area 10 m weir Experimental Setup • sprinkled area: 1000 m2 • flow region: 2000 m2 • water storage: 530 m3 • steady state (> 3 days) • tracers applied: • Br, Cl, 2H, 34S

  18. 4. Results

  19. 4. Ergebnisse

  20. Tracer Puls 1996

  21. 4% 15% 58% Recovery 1996er Experiment

  22. 1-D Two Region Convection-Dispersion Model: Transport Equations

  23. Ergebnisse der ersten drei Experimente

  24. 2H-Breakthrough Curve Gårdsjön 1996 0.003 0.0025 0.002 0.0015 2H [C/C0] 0.001 measured v = 0.01 m d-1,  = 0.0009, r2 = 0.98 0.0005 v = 5.00 m d-1,  = 0.4200, r2 = 0.98 0 0 0.5 1 1.5 2 2.5 3 3.5 4 4.5 days since tracer application

  25. CXTFIT-results for the 2H-breakthrough 1996 dots: calculated parameter-sets triangles: optimal fits (all resulting in max r2 = 0.984)

  26. Schlussfolgerungen G1 Hydrologie • Reproduzierbare Aspekte: • Das “Leck”: Bilanzdefizit von 680 l/hr • Br Wiederfindung < 20% • Parameter übertragbar innerhalb eines Ereignisses • Undichtigkeiten identifiziert • Zeitlich aufgelöste Messungen der Verdunstungs- und Transpirationsraten für das Einzugsgebiet • Die Transit Zeiten unter stationären und transienten Bedingungen ohne Korrelationen?

  27. Modellierung der gelösten Inhaltsstoffe • Verdünnungsreihen • Chlorid hängt nur ab vom Anfangswert ? • ... noch von weiteren Randbedingungen ? • Kationen mit Austauschreaktionen im Boden • Ca, Mg erreichen ein charakteristisches Niveau ? • Charakteristische Verhältnisse zwischen Kationen? • Anionen mit Adsorption im Boden • SO4 wie Cl oder Verhalten wie die Kationen ?

  28. Beispiele für den Verlauf von gelösten Inhaltsstoffen

  29. Transient and steady-state sulphate levels in G1-runoff (Moldan, Lischeid pers. com.) Treatment starts

  30. Schlussfolgerungen Dachexperiment • Pech gehabt: • Das erste steady state Experiment wurde zu spät durchgeführt • Die Kontrollflächen erfuhren ungefähr denselben Depositionsrückgang wie die behandelten Flächen • Einfache Antwort des Einzugsgebietes • Vorher: unmöglich vorherzusagen • Nachher: trivial zu modellieren • Prozess Identifikation bleibt umstritten • Keines der Dächer zeigt eine biologische Reaktion, die auf „Erholung“ hinweist

  31. Zusammenfassung: Zeitreihen-Modelle • Erzeugung und Rekonstruktion von Mustern in • Zeitreihen zum Populationswachstum • Hydrologischen Zeitreihen • Modelltypen • Empirisch (logistisches Wachstum, Verweilzeitmodell): keine interpretierbaren Parameter, aber angemessen an die tatsächlich Datenlage • Prozess-orientiert (explizite Geburtenraten, Richards-Gleichung): Lösungen gestatten keine Interpretation der Parameter, nicht invers modellierbar • Ökosystem-Experimente • Auch unter kontrollierten Bedingungen bisher keine erfolgreiche inverse Modellierung von Prozessmodellen

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