Hydrologisk modellering. 6. november 2013

Transkript

1 Hydrologisk modellering 6. november

2 Indholdsfortegnelse Side Hydrologiske modeller og grundvandskortlægning 1 Geolog Paul Allan Thorn og naturgeograf Dirk Müller-Wohlfeil, Naturstyrrelsen Erfaringer fra brug af Geovejledning 3 Hydrolog Jens Asger Andersen, Orbicon A/S Udfordringer i forhold til anvendelse af hydrologiske modeller til de 5 kommende problemstillinger i vandforvaltningen Seniorforsker Anker Lajer Højberg, GEUS Klimaeffekter på grundvand og ekstreme vandføringer 7 Seniorrådgiver Hans Jørgen Henriksen, GEUS Påvirkning af vandstand og natur 9 hydrologisk modellering og økologisk kobling Civilingeniør, ph.d. Ole Munch Johansen, NIRAS A/S Anvendeliggørelse af hydrologiske modeller 11 Seniorhydrolog Oluf Zeilund Jessen, DHI Fra klimamodeller til hydrologiske modeller og klimaeffekter 13 - Hvor ligger de væsentligste usikkerhedskilder? Forskningsprofessor Jens Christian Refsgaard, GEUS Klimatilpasning af Rødby Fjord 15 praktisk anvendelse af fleksibelt modelsystem Hydrolog Jan Gregersen og ph.d. Jacob Gudbjerg, HydroInform Til notater 17

3

4 HYDROLOGISKE MODELLER OG GRUNDVANDSKORTLÆGNING Geolog Paul Thorn Naturgeograf Dirk Müller-Wohlfeil Naturstyrelsen Numerisk modeller i grundvandskortlægning I den nationale grundvandskortlægning, som udføres af Naturstyrelsen (NST), er det hensigten at vurdere sårbar områder indenfor Områder med Særlige Drikkevandsinteresser (OSD) samt i indvindingsoplande udenfor OSD. Der er derfor behov for en robust afgrænsning af indvindingsoplande. En detaljeret kortlægning af de hydrogeologiske forhold og grundvandsdannelsen i et kortlægningsområde er dermed en væsentlig forudsætning for udarbejdelse af kommunernes indsatsplan for grundvandsbeskyttelse. I grundvandskortlægnings sammenhæng skal numerisk hydrologisk modeller bruges til at beskrive det samlede hydrologiske kredsløb. Modellen skal kunne beregne indvindings- og grundvandsdannende oplande, indvindings- og klimascenarier, grundvandsdannelse og grundvandets strømningsretning. Det er også vigtig at have oplysning om den gennemsnitlige alder af vandet i en indvinding, der er et resultat af hvor langt fra indvindingen vandet stammer. Jordlagene vandet gennemstrømmer, skal endvidere estimeres. Modellen skal således bruges til at udpege sårbare områder, herunder afklare strømningsveje for forurenende stoffer og indvindingspåvirkede forureninger. Modeller fra grundvandskortlægning vil muligvis også kunne bruges til at afklare kontakt mellem grundvand og overfladevand samt grundvandsressourcens størrelse. Om modellerne rent faktisk kan bruges til dette formål er afhængige af hvor godt kalibreringen af modellen er til det bestemte formål. Vandføring er ofte et af modellernes kalibreringskriterium (ud over potentialet), og når man får en god kalibrering i forhold til vandføring kan modellen bruges til at undersøge indvindingens påvirkning på baseflow i vandløb. Men ofte er det svært at få en optimal kalibrering af to formål. I grundvandskortlægningen har indvindings-oplande prioritet, hvilket kan gøre modellen mindre nøjagtighed med hensyn til vandførings-modelering. Model opsætninger, kalibrering og validering Opsætning af hydrologiske modeller vil variere for hvert kortlægningsområde. Opsætningen er netop afhængig af områdets størrelse, geologiske kompleksitet og tilgængelige observationsdata. Vigtige overvejelser for modelopsætning inkluderer modellens størrelse og fastlæggelse af randbetingelser, potentielle usikkerhedskilder, der knytter sig til såvel den geologiske model, som til fejl og ujævn fordeling i meteorologiske nedbørsdata, der driver modellerne og til udfordringen med at tilknytte en pejling til det rette magasin, samt til kvalitet og tilgængelighed af oppumpningsdata samt vandføring. I de fleste tilfælde er datagrundlaget godt nok til at opstille en integreret dynamiske hydrologisk model. Fordelen er nemlig at det giver muligheden for scenariekørsler til vurdering af effekten af forskellige ændringer i det hydrologiske system. Scenarieberegninger anvendes i kortlægningsprocessen f.eks. til vurdering af effekten af en ændret indvindingsstruktur, ligesom de giver mulighed for at vurdere betydningen af forskellige usikkerheder. Men i nogle enkelte tilfælde er usikkerhed omkring den geologiske model og andre data kilder, at det er umuligt at opstille en hydrologiske model der kan kalibreres (som for eksempel på Møn som 1

5 er stærkt påvirket af glaciotektoniske forstyrrelser). I de tilfælde skal man nøjes med at beregne oplande analytiske. Et af kravene for at opnå en robust indvindingsoplande er en model diskretisering på 100 x 100m. Når man opstil en lagdelt dynamiske model, kan det godt være udfordrende at kalibrere modellen. En model på 600 km 2 med 12 beregningslag (som er en alemindelige opbygning i GKO sammenhæng) vil have ca beregningsceller og en modelkørsel vil tage ca. 8 timer som gøre det upraktisk at autokalibrer modellen. Derfor ofte skal modellerne autokalibreres på 200x200m grids, og derefter finkalibreres manuelt på 100x100m grids. Beregning af oplande Beregning af indvindings- og grundvandsdannende oplande har været varierende fra modelområde til modelområde. Der er diskussioner om den endelige optegning af oplande skulle være henne til grundvandskellet eller afgrænset til en bestemt tidshorisont (f.eks. 200år); selv GeoVejledning 2 har været meget diffus omkring anbefalinger, og det har været op til de individuelle projektledere samt rådgiver for at tage den endelige beslutning. NST er i gang med at udarbejde en bestemt retningslinje for optegning af indvindingsoplande. Robusthed af oplande kan forhøjes med beregninger af stokastiske oplande. Her er oplande beregnet efter et antal af lige sandsynlige kombinationer af værdier for de følsomme parametre der er blevet bestemt under invers kalibrering. Når en beregningscelle er en del af oplande i 80% af kørsler, er den beregnet som en del af oplandet. Porøsitet er et vigtigt parameter til at inkludere i stokastiske beregninger når oplande er afgrænset efter en bestemt tidshorisont. Til sidst kan sammentolkning af oplande beregning med vandkemiske data fra indvindingsboringer bruges til at vurdere robusthed af beregnede oplande. Samarbejde med kommuner I grundvandskortlægnings sammenhæng har NST før gået i samarbejde med kommuner i opstilling af hydrologiske modeller. Et eksempel er et samarbejde mellem Vordingborg Kommune og NST på opstilling af en model i Sydsjælland. Fordelen med samarbejdet er kart: deling af udgifterne giver flere ressourcer til en opstilling af en mere detaljeret og omfattende model. Men ofte vil NSTs og Kommunens målsætning for modellen være forskellige og kan give ekstra udfordringer for kalibrering af modellen. Kommunen står også at modtage grundvandkortlægningens modeller for videre brug. Når kommunen modtage en model, de skal altid være klar over formålet for den opstillet model og mulige begrænsninger der er for at bruge modellen for andre formål som, for eksempel, vurdering af vandindvindings påvirkning på vandløb. Modellerne efter kortlægningen I takt med udviklingen af et stigende antal kortlægningsmodeller stod det klart, at der via kortlægningen opnås en omfattende hydrogeologisk viden, der bør nyttiggøres i andre sammenhænge. I kortlægningsregi er der derfor iværksat flere tiltag, der skal optimere genanvendelse af hydrologisk data og viden. To af de mest omfattende indsatser har været etablering af den nationale modeldatabase og opdateringen af den nationale vandressource-model (DKmodellen) på basis af eksisterende kortlægningsmodeller. Modeldatabasen gør modellerne tilgængelige til forsker, rådgiver, regioner og kommuner som kan bruge modellerne for fremtidelige undersøgelser omkring lokale og regionale ressourcer samt forureningsundersøgelser og risikovurdering. Indbygning af lokale og regionale modeller i DK-modellen sikrer endvidere, at disse modeller inkluderes i en sammenhængende hydrogeologisk forståelse og vil kunne anvendes i fremtidige studier for områder, der inkluderer eller krydser én eller flere af de tidligere detailmodeller. 2

6 ERFARINGER FRA BRUG AF GEOVEJLEDNINGEN Hydrolog Jens Asger Andersen Orbicon God praksis i hydrologisk modellering (GeoVejledning 7) har været anvendt i tre år i Naturstyrelsens grundvandskortlægning. Vejledningen har været med til at ensrette anvendelsen af hydrologiske modeller til beregning af indvindingsoplande i grundvandskortlægningen og har sikret et generelt højt kvalitetsniveau i disse beregninger. Vejledningens fokus på anvendelse af eksterne review ere har været et centralt element i opnåelsen af det højere kvalitetsniveau. Baggrund og formål Geovejledning 7 havde til formål at ensrette metoderne til opstilling og anvendelse af hydrologiske modeller og sikre et tilstrækkeligt højt fagligt niveau i dette arbejde. Udarbejdelsen af vejledningen var bredt funderet med deltagelse af relevante fagfolk fra GEUS, rådgivere og miljøcentrene. Erfaringer Vejledningen giver en klar opskrift på opstilling og anvendelse af hydrologiske modeller og rækker langt udover anvendelsen til beregning af indvindingsoplande, som er i fokus i grundvandskortlægningen. Anvendelsesområdet i grundvandskortlægningen er således meget begrænset i forhold til de anvendelsesområder en hydrologisk model generelt kan dække. Der eksisterer dog ikke så mange erfaringer fra brug af geovejledningen i andre opgaver end grundvandskortlægningen, f.eks. kommuneopgaver, hvor det også kunne være relevant at anvende vejledningen. Store dele af vejledningen anvendes ikke i praksis. Dette hænger til dels sammen med, at vejledningen spænder noget bredere end anvendelsen i grundvandskortlægningen. Referencerne til kvalitetssikringsværktøjet MoST ligger f.eks. udenfor rækkevidden hos de fleste brugere, og selvom alle parter er enige om, at usikkerhedsvurderinger er væsentlige, så bliver det i praksis en tung øvelse at anvende en usikkerhedsmatrice igennem hele projektforløbet. Derimod har vejledningens detaljerede gennemgang af behovet for dokumentation været en væsentlig løftestang i sikringen af et ensartet højt niveau i dokumentationen af Naturstyrelsens modeller. Den klare anbefaling i vejledningen om at anvende en ekstern reviewer har sikret det høje faglige niveau. Det gør dog sjældent Naturstyrelsens medarbejdere klogere på selve modelleringen, da diskussioner om performance, kalibrering, hifi kriterier m.v. oftest føres mellem rådgiver og reviewer. Naturstyrelsens medarbejdere og andre slutbrugere i kommuner og forsyninger fokuserer mest på de resulterende usikkerheder på oplandene, hvilket ikke er en del af vejledningen. En del af disse overvejelser skal findes i andre Geovejledninger og der mangler her en klar konsensus om, hvordan selve udformningen af de endelige oplande skal udføres. 3

7 Konklusion og perspektivering Geovejledningen er nem at tilgå og langt mere overskuelig at anvende i praksis end f.eks. Håndbog i Grundvandsmodellering, som tidligere blev anvendt som reference. En videre udvikling af vejledningen kunne oplagt være at udbrede den til et bredere publikum, så også kommunerne og vandforsyningerne anvendte vejledningen i deres udbud af hydrologiske modeller. Samtidig er der behov for en klarere anbefalinger til selve udformningen af oplande og andre udtræk fra modellerne. 4

8 UDFORDRINGER I FORHOLD TIL ANVENDELSE AF HYDROLOGISKE MODELLER TIL DE KOMMENDE PROBLEMSTILLINGER I VANDFORVALTNINGEN Seniorforsker Anker Lajer Højberg Danmarks og Grønlands Geologiske Undersøgelse (GEUS) alh@geus.dk I den nationale vandplanlægning, f.eks. til opfyldelse af forpligtigelserne i vandrammedirektivet, er der behov for nationale opgørelser, der følger et ensartet koncept for en konsistent vurdering for hele landet. Dette gør sig bl.a. gældende i forbindelse med vurdering af den kvantitative og kemiske status for grundvandsforekomster. I forbindelse med første generation af vandplanerne blev grundvandsforekomsterne udpeget delvist på basis af den nationale vandressourcemodel (DK-model) og delvist baseret på eksisterende lokalmodeller, hvor disse var tilgængelige. Dette gav en noget inhomogen udpegning og dermed administrationsgrundlag. I efteråret 2013 er forekomsternes udbredelse blevet revurderet på basis af den hydrostratigrafiske opbygning i den nationale vandressourcemodel (DK-model). Dette giver en ensartet metode for hele landet, og det vil være muligt revurdere afgrænsningen, når der foreligger en ny DK-model med en opdateret hydrostrategrafisk beskrivelse. Med den tredimensionale afgrænsning af grundvandsforekomsterne er det efterfølgende muligt at koble indtag i Jupiter til en unik forekomst, hvorved indvindingsmængder og kemidata fra Jupiter kan udtrækkes på forekomstniveau som led i vurdering af forekomsten tilstand. Nationale overblik er ligeledes påkrævet til vurdering af indsatsbehov, f.eks. i forhold til næringsstofbelastningen. I denne forbindelse har Naturstyrelsen initieret et modelstrategiprojekt, hvor der bl.a. skal udvikles modelværktøjer, der kan anvendes til estimering af næringsstofbelastning til recipienter, herunder vurdering af effekter af virkemidler, et arbejde der gennemføres i et samarbejde mellem GEUS, Aarhus universitet (DCE og DCA) samt DHI. Endvidere skal der udvikles et værktøj til estimering af vandindvindingers påvirkning af vandføringer. Projektet blev igangsat i sommeren 2013 og resultater fra modelværktøjerne skal ligger færdige i sommeren 2014, så de kan anvendes i forbindelse med virkemiddelsanalysen i anden generations vandplaner. De nationale opgørelser skal efterfølgende følges op af lokale vandplaner til identificering af optimale indsatser på lokalt niveau. Her vil det ofte være formålstjenesteligt at opstille lokale hydrologiske modeller, med en finere opløsning (diskretisering). Dette muliggør en bedre opløsning af f.eks. topografi, overfladevandssystemet og det vil generelt være muligt i højere grad at tilgodese lokale forhold, ligesom lokalmodeller vil kunne give en bedre opløsning af eksempelvis sænkningstragter. En finere opløsning garanterer dog ikke i sig selv et generelt bedre resultat, hvis det tilgrundliggende data ikke ligeledes foreligger i en bedre opløsning, og ofte kan der være behov for indsamling af supplerende data for at opnå det fulde udbytte ved opstilling af lokalmodeller. 5

9 Med anbefalingerne fra Natur- og Landbrugskommissionen er der kommet øget fokus på differentierede og målrettede indsatser, og for mange interessenter er der et ønske om en meget lokal tilgang, såsom næringsstofregulering på markniveau. Det er næppe realistisk, at forvente en national modellering, der med tilstrækkelig sikkerhed kan anvendes til regulering på dette niveau. Selv med opstilling af lokalmodeller er det tvivlsomt at dette kan opnås, men generelt vil der kunne opnås en vurdering på mindre skala og med bedre sikkerhed. Udvikling af detaljerede lokalmodeller for hele landet vil dog ikke være omkostningseffektivt, endsige nødvendigt. Den ekstra indsats forbundet med lokale analyser, bør fokuseres på de områder, hvor problemerne er størst og/eller mest kompliceret at løse. For at opnå denne oversigt, er der behov for en national screening, baseret på en national modellering. Der er således behov for tilvejebringelse af viden på såvel national og lokal skala. Udover den udfordring der ligger i opstilling og afvikling af henholdsvis lokale og nationale modeller er der således en ekstra udfordring i at sikre en konsistent vurdering, så modelresultaterne fra disse modeller ikke er modstridende. Dette kan kun opnås gennem et parløb mellem de lokale og nationale modeller, hvor bl.a. ny viden etableret i forbindelse med udvikling af lokalemodeller stilles til rådighed for den nationale model og der sikres en kontinuerlig drift og udvikling af denne. Endvidere er der behov for sammentækning og koordinering af de værktøjer, der udvikles til vandforvaltningen på hhv. lokal og national skala. Dette giver nogle tekniske udfordringer, men stiller ligeledes krav til administrationen på tværs af de administrative niveauer. 6

10 KLIMAEFFEKTER PÅ GRUNDVAND OG EKSTREME VANDFØRINGER Seniorrådgiver Hans Jørgen Henriksen GEUS Baggrund og formål Det langsigtede udviklingsmål med vurdering af klimaeffekter på grundvand og ekstreme vandføringer er at bidrage til et landsdækkende risikostyringsværktøj, der kan vurdere ændringer i grundvandsforhold, vandføring og vandstande i vandløbssystemer i et fremtidigt klima. Målgruppen er planlæggere i kommuner og vandselskaber, samt andre, der arbejder med klimatilpasning. I første omgang har fokus været på perioden i forhold til reference perioden og med udgangspunkt i A1B emissions scenariet samt input fra ni forskellige klimamodeller fra ENSEMBLES datasættet. Herved er der tilvejebragt et screeningsværktøj (Henriksen et al. 2012/2013) bestående af: (i) Middel grundvandsstand for det øverste frie grundvandsspejl, (ii) Typisk høj grundvandsstand i det øverste frie grundvandsspejl der repræsenterer højeste 5 døgns grundvandstand der overskrides i gennemsnit én gang hvert 10. år, (iii) Middel grundvandsdannelse i en for grundvands-indvinding relevant dybde, (iv) Laveste årlige grundvandsdannelse, der underskrides i gennemsnit hvert. 10. år, samt (v) Klimafaktorer for ændringer i årsmaximums-afstrømning (T=5 år, =10 år, =20 år, =50 år, =100 år og =1000 år), og (vi) Klimafaktorer for ændringer i årsminimumsafstrømning (median minimum). Metode Nedskalering og bias korrektion er baseret på et PhD studie af Lauren Seaby på basis af Distribution Based Scaling (DBS metoden, Seaby et al. 2013). Distribution Based Scaling, eller histogram/intensitetsbaseret korrektion. Metoden benytter en statistisk dobbelt gamma funktion til at bias-korrigere signalet fra klimamodellen i forhold til kontrolperiodens observerede data ( ). Det sikres, at middelværdi og spredning er bevaret på sæson- og domænebasis (Seaby et al., 2003). Efterfølgende bias-korrigeres reference-perioden ( ) og fremtidig periode ( ) med estimerede kurver. Der er anvendt 2011 versionen af den nationale vandressource model (DK model, DK model 2011 er en landsdækkende integreret grundvands- overfladevandsmodel, der beskriver samtlige komponenter i ferskvandskredsløbet, fra nedbør og fordampning, til overfladisk afstrømning og nedsivning til grundvand. Herfra afstrømmer grundvandet til dræn, vandløb, søer og hav eller oppumpes ved indvindingsboringer til husholdninger, industri eller markvanding. DK model 2011 er opbygget i 0,5x0,5 km net med ca. 10 beregningslag (MIKE SHE/MIKE 11). DK-modellen udnytter de fleste af de data, der foreligger i de nationale databaser vedr. geologi, jordart, jordtype, topografi, klima og hydrologi. Hver af de syv modelområder er kalibreret ved invers modellering (Højberg et al. 2012; Stisen et al., 2012). Ekstremværdiafstrømninger er estimeret vha. Gumbel fordelingen (opkaldt efter Emil Julius Gumbel ), et specialtilfælde indenfor den generaliserede ekstremværdifor-deling GEVD, med udtræk ud fra års max hvert år (AMS metoden på basis af hydrologisk år). Effekter på minimumsafstrømninger er vurderet ved medianminimumsafstrømning. Fokus har været på klimafaktorer, hvor en klimafaktor på 1.0 udtrykker at der ikke forventes nogen trend den pågældende ekstremværdiafstrømning, fx en 100-år max afstrømningshændelse. En 7

11 klimafaktorer på 2.0 udtrykker, at 100-års Q max hændelsen bliver fordoblet for i forhold til Der er foretaget en analyse af usikkerhed på klimamodel input (ud fra 9 klima modeller) og hydrologiske model parametre (for de mest betydende parametre mht. ændringer i grundvandsstand) for to områder (Midtjylland og Sjælland). Herudfra er udvalgt henholdsvis våd, median og tør klimamodel til screeningen for hele landet. På basis af vurderet effekt af parameterusikkerhed er det valgt at præsenterer resultater i intervaller der afspejler parameter usikkerheden på DK model 2011 mht. simulering af ændringer i grundvandsspejl og grundvandsdannelse. Resultater Resultaterne viser at klimaændringer giver store regionale og lokale forskelle i fremtidens grundvandsspejl og ekstreme afstrømningsforhold. Der må forventes betydelige stigninger i grundvandsspejlet på mere end ½ meter i store dele af landet, og øgede ekstreme afstrømninger for fx en 100 års hændelse i mange vandløb. De største ændringer i maksimumafstrømningen (klimafaktor > 1.5) forventes i Sydøstdanmark. Der er væsentligste usikkerheder i spil, på klimamodel, hydrologisk model og ekstremværdi analyse (Henriksen et al., 2012/2013, se: for ændringer i grundvandsstand- og dannelse og for ekstreme vandføringer). Konklusion og perspektivering Det er ikke tilstrækkeligt alene at planlægge i forhold til skybruds-hændelser og stigninger i havniveau. Klimaeffekt på grundvandsstand og ekstreme afstrømninger er mindst lige så vigtige at forholde sig til. Der er stor usikkerhed som følge af forskellige klimamodellers fremskrivning af den fremtidige nedbør, som følge af usikkerheder på hydrologiske modeller og ekstremværdi analyse. For våd klimamodel vil ca. halvdelen af Danmarks areal få stigninger i grundvandsspejl på over en halv meter, mens tør klimamodel peger på en mulig fremtidig sænkning af grundvandsspejlet. Kommuner og vandselskaber skal inddrage klimaeffekter når de udfører klimatilpasning gennem areal- og fysisk planlægning, vand-, spildevands- og natur planlægning, samt sikring af eksisterende og fremtidig infrastruktur or arealplanlægning på lokal skala. Det kræver detaljerede undersøgelser og modeller for områder hvor screeningen peger på problematiske forhold. Effekter på oversvømmelsesrisici skal kommunikeres effektivt til interessenter og offentlighed, så der kan vælges robuste designs, strategier og vidensbaseret klimatilpasning, der på rationel og fair vis forøger samfundets resilience og bæredygtighed over en bred front. Der er store værdier på spil. Litteraturhenvisninger Højberg, AL., Troldborg, L., Stisen, S, Christensen, BBS, og Henriksen, HJ.: (2012) Stakeholder driven update and improvement of a national water resources model. Environmental Modelling and Software. Volume: Stisen, S, Højberg, AL, Troldborg, L, Refsgaard, J, C, Christensen, BSB, Olsen, M, og Henriksen, HJ (2012): On the importance of appropriate rain-gauge catch correction for hydrological modelling at mid to high latitudes. Hydrology and earth system science. 16: Seaby, L. Seaby, L.P., Refsgaard, J.C., Sonnenborg, T.O., Stisen, S., Christensen, J.H. and Jensen, K.H Downscaling and uncertainty in climate projections for Denmark. Journal of Hydrology. 486: Henriksen, HJ, Højberg, AL, Olsen, M, Seaby, LP, van der Keur, P, Stisen, S, Troldborg, L, Sonnenborg, TO og Refsgaard, JC (2012): Klimaeffekter på hydrologi og grundvand Klimagrundvandskort. GEUS rapport Henriksen, HJ, Olsen, M, og Troldborg, L (2013) Klimaeffekter på hydrologi og afstrømning klimaekstremvandføring. Naturstyrelsen. Fase 1 GEUS rapport

12 PÅVIRKNING AF VANDSTAND OG NATUR HYDROLOGISK MODELLERING OG ØKOLOGISK KOBLING Civilingeniør, ph.d. Ole Munch Johansen NIRAS A/S Baggrund og formål Aalborg Forsyning, Vand A/S har siden 2003 undersøgt mulighederne for at etablere nye kildepladser i Aalborg Kommune. En af de mulige lokaliteter ligger i Kommunens sydlige del, nær ved det NATURA 2000 område, som dækker Rold Skov og Lindenborg Ådal. Der er udarbejdet en VVM redegørelse og en naturkonsekvensvurdering for kildepladsen og hydrologisk modellering har været et centralt værktøj til dokumentation for påvirkningerne i området. Metode Der er benyttet en regional dynamisk MIKE SHE model og submodeller til at beregne konsekvenser for vandløb, kilder og rigkær i området. Der er ligeledes gennemført intensiv overvågning og prøvepumpninger i området. Vandstandsforholdene i områdets rigkær vil i præsentationen blive sammenholdt med statistiske undersøgelser af kobling mellem vandstand og naturkvalitet for en række danske rigkærslokaliteter. Resultater Både målinger og model viser, at der vil være en lille, men tydelig påvirkning af udstrømningen til områdets kildevæld i størrelsesordenen 10 % af vandføringen. Der kunne ikke måles en påvirkning i områdets rigkær under prøvepumpningsforsøg, men modelberegningerne estimerer en teoretisk vandstandspåvirkning på op til 2-3 cm. Sammenholdt med den naturlige vandstandsdynamik og tilgængelig viden om vandstandsafhængigheden for naturtypen er det konkluderet, at påvirkningen ikke vil udgøre en trussel for områdets bevaringsstatus. Konklusion og perspektivering Undersøgelserne viser, at det er muligt at beregne påvirkninger på helt lokal skala, men at en fuldstændig validering af modelresultaterne samtidig er vanskelig at opnå trods omfattende at prøvepumpninger og monitering. Det står derudover klart, at der er behov for viden og tværfaglig debat om tålegrænser og bagatelgrænser. Modeller vil altid beregne en påvirkning fra vandindvinding, men findes der påvirkninger af grundvandsafhængige naturtyper omfattet af habitatdirektivet, som er acceptable? Er der behov for ensartede retningslinjer for acceptabel påvirkning i stil med medianminimumskravet for vandløb, eller vil dette medføre en alt for høj grad af generalisering? Hvad er alternativet når der skal tages beslutninger omkring hydrologiske påvirkninger af grundvandsafhængig natur? 9

13 Litteraturhenvisninger From Groundwater Abstraction to Vegetative Response in Fen Ecosystems. / Johansen, Ole ; Pedersen, Morten Lauge ; Jensen, Jacob Birk. Hydrological Processes, 2013, DOI: /hyp.9808 Effect of Groundwater Abstraction on Fen Ecosystems. / Johansen, Ole ; Pedersen, Morten Lauge ; Jensen, Jacob Birk. Journal of Hydrology, Vol. 402, Nr. 3-4, 2011, s VVM redegørelse, miljøvurdering og habitatkonsekvensvurdering, kildeplads og vandledning, Volsted Plantage: olsted_plantage.pdf 10

14 ANVENDELIGGØRELSE AF HYDROLOGISKE MODELLER Seniorhydrolog Oluf Zeilund Jessen DHI Baggrund og formål Hydrologiske modeller har i en lang årrække været benyttet til forvaltning af vandressourcen i Danmark. Brugen af hydrologiske modeller kræver typisk ekspertviden og erfaring, hvilket kan være begrænsende for udnyttelsen og brugen af hydrologiske modeller som et aktivt værktøj i vandforvaltningen. Da hydrologiske modeller er baseret på forskelligartede datatyper og beskriver komplekse hydrologiske problemstillinger, kan de være med til at reducere usikkerheden og øge vidensgrundlaget ved løsning af problemstillinger som indvindingstilladelser, handleplaner, vandløbsvedligeholdelse, klimatilpasning mm.. DHI har i forbindelse med et projekt med Allerød Kommune arbejdet på en løsning som har til formål at øge anvendeligheden af eksisterende modeller, således at de lettere kan indgå som et aktivt værktøj i beslutningsprocesser. Løsningen er baseret på udviklingen af et værktøj med følgende målsætninger: Den hydrologiske model skal kunne benyttes af personer uden modelerfaring Der skal nemt kunne formuleres scenarier, der beskriver de relevante anvendelsesområder, f.eks. indvindingstilladelser eller klimapåvirkning. Resultater fra modellen skal kunne deles med interessenter (transparent beslutningsproces) Alle parametre og resultater skal tilgås på en letforståelig og intuitiv måde Modellen skal kunne tilgås uden installering af software, også fra mobile platforme. Værktøjet skal tilskynde at den hydrologiske model integreres i beslutningsprocessen. Løsningen er baseret på, at en eksisterende hydrologisk model er opstillet på en server, hvor brugeren har mulighed for at eksekvere modelkørsler og tilgå resultater. Når brugeren tilgår systemet (logger ind), kan udvalgte parametre i modellen (f.eks. klima, grødeskæring og indvindingsmængder) ændres, og modellen eksekveres. Brugeren kan ligeledes tilgå resultater fra alle eksisterende scenarier. Disse resultater kan nedtages i forskellige formater og benyttes i det daglige sagsarbejde. Systemet fokuserer i første omgang på, at brugeren kan benytte systemet til følgende problemstillinger: 1. Indvindingstilladelser. Vurdering af påvirkningen fra ændret indvinding. 2. Handleplaner. Vurdering af påvirkningen (grundvand og vandløb) af ændret vandløbsvedligeholdelse. 3. Klimapåvirkning. Påvirkningen af ændret klima (nedbør og fordampning). 11

15 Løsningen etableres således, at den bagvedliggende lokalmodel let kan udskiftes med en opdateret model. Ligeledes vil antallet af parametre, der kan ændres ved defineringen af et scenarie samt resultatpræsentationen, kunne ændres i forhold til brugerens krav. Det beskrevne system er udviklet for at etablere en tættere forbindelse mellem de hydrologiske modeller og beslutningsprocessen og dermed udvikle et værktøj, som øger anvendeligheden af hydrologiske modeller, dvs. gør det lettere at tilgå og benytte hydrologiske modeller, uden at man samtidigt går på kompromis med kompleksiteten i værktøjet. 12

16 FRA KLIMAMODELLER TIL HYDROLOGISKE MODELLER OG KLIMAEFFEKTER. HVOR LIGGER DE STØRSTE USIKKERHEDER? Professor Jens Christian Refsgaard GEUS Baggrund og formål Formålet med indlægget er at præsentere viden om hvordan klimaeffekter på vandressourcer kan beregnes og hvor de vigtigste usikkerhedskilder ligger. Indlægget er baseret på erfaringer og resultater fra en række nyere forskningsprojekter. Resultater De vigtigste skridt i beregninger af ændringer i fremtidige hydrologiske forhold forårsaget af ændringer i udledning af drivhusgasser er følgende (se figuren): Der skal tages udgangspunkt i et eller flere scenarier for udledning af drivhusgasser (benævnt Representative Concentration Pathways i den nye IPCC Assessment Report fra 2013). Et typisk valg har hidtil været A1B. Klimamodeller, bestående af en global model (GCM) som driver en regional model (RCM), benyttes til at lave projektioner af det fremtidige klima svarende til et emissionsscenarium. Klimaprojektionerne vil indeholde en betydelig naturlig klima-variabilitet, ligesom det nuværende klima gør. Output fra klimamodeller indeholder en betydelig bias sammenlignet med det observerede klima. Samtidig har klimadata typisk en rumlig opløsning på km. Derfor er det nødvendigt at nedskalere og bias korrigere klimamodellers output, før de benyttes som input i hydrologiske modeller. Der findes en række forskellige metoder hertil, hvoraf to principielt forskellige typer er i) indirekte metoder der benytter klimamodellerne til at beregne ændringer i klima, som så multipliceres/adderes til observerede klimadata; og ii) direkte metoder der benytter data fra klimamodellerne, men korrigerer dem ud fra den bias, der er fundet ved sammenligning med observationer. En hydrologisk model benyttes til at simulere grundvand, vandføringer, mv. med input fra det nuværende klima og det fremtidige klima. Herfra beregnes effekten af klimaændringer. I praksis foretages ikke beregninger af alle elementer i alle studier. Hydrologiske studier benytter fx oftest bias korrigerede klimaprojektioner, som er produceret i tidligere forskningsprojekter. Seaby (2013) har fx genereret datasæt på 10 km grid for bias korrigerede klimadata for 11 klimamodeller fra ENSEMBLES projektet, som har været og fortsat kan anvendes til 13

17 hydrologiske studier i Danmark. Alle beregningsskridt indeholder kilder til usikkerhed, som forplanter sig ned gennem beregningerne. I forbindelse med anvendelse af hydrologiske modeller vil der derfor være de sædvanlige usikkerheder på data, modelparametre, procesbeskrivelser (ligninger), geologisk konceptualisering og numeriske approksimationer, som kommer oveni usikkerhederne fra klimamodeller og metoder til bias korrektion. Forplantningen af usikkerheder gennem beregningselementerne fra emissionsscenarier til hydrologiske ændringer bliver derfor ofte benævnt usikkerhedskaskaden. Erfaringerne viser, at forskellige usikkerhedskilder kan være dominerende i forskellige situationer. Ofte vil usikkerheder fra klimamodeller være den væsentligste, men i nogle situationer vil den geologiske usikkerhed være dominerende og klimausikkerheden være uden praktisk betydning. Konklusion og perspektivering Vi har nu tilstrækkelig viden til, at der kan gennemføres meningsfulde analyser af klimaeffekter på vandressourcer, og der findes derfor ikke længere gyldige faglige argumenter for at undgå at lave sådanne vurderinger. Studier af klimaeffekter og mulige klimatilpasningstiltag er fundamentalt forskellige fra traditionelle analyser af forhold under det nuværende klima, fordi usikkerhederne får større betydning. På kort sigt (de næste 30 år) vil den mest markante effekt ofte være større usikkerhed. Derfor er det afgørende vigtigt at inkludere usikkerheder i analyserne. Eftersom det ikke er praktisk muligt altid at analysere for usikkerheder i alle beregningselementer i usikkerhedskaskaden, er det væsentligt at vurdere hvad der er de dominerende usikkerheder i konkrete situationer. I langt de fleste situationer vil den væsentligste usikkerhedskilde være, at forskellige klimamodeller genererer meget forskellige projektioner af det fremtidige klima. Derfor bør der altid benyttes resultater fra flere klimamodeller. Litteraturhenvisninger Hawkins E, Sutton R (2011) The potential to narrow uncertainty in projections of regional precipitation change. Climate Dynamics, 37, Henriksen HJ, Højberg M, Olsen M, Seaby LP, van der Keur P, Stisen S, Troldborg L, Sonnenborg TO, Refsgaard JC (2012) Klimaeffekter på hydrologi og grundvand (Klimagrundvandskort). GEUS Rapport 2012/116 Kidmose J, Refsgaard JC, Troldborg L, Seaby LP, Escrivà MM (2013) Climate change impacts on groundwater levels: ensemble modelling of extreme values. Hydrology and Earth System Sciences, 17, (open access). Rasmussen J, Sonnenborg TO, Stisen S, Seaby LP, Christensen BSB, Hinsby K (2012) Climate change effects on irrigation demands and minimum stream discharge: impact of bias-correction method. Hydrology of Earth System Science, 16, (open access). Refsgaard JC, Arnbjerg-Nielsen K, Drews M, Halsnæs K, Jeppesen E, Madsen H, Markandya A, Olesen JE, Porter JR, Christensen JH (2013) The role of uncertainty in climate change adaptation strategies A Danish water management example. Mitigation and Adaptation Strategies for Global Change, 18(3), (open access). Seaby LP (2013) Uncertainty in Hydrolgoical Change Modelling. PhD thesis. University of Copenhagen. Kan downloades fra efter Seaby LP, Refsgaard JC, Sonnenborg TO, Stisen S, Christensen JH, Jensen KH (2013) Assessment of robustness and significance of climate change signals for an ensemble of distribution-based scaled climate projections. Journal of Hydrology, 486, Seifert D, Sonnenborg TO, Refsgaard JC, Højberg AL, Troldborg L (2012) Assessment of hydrological model predictive ability given multiple conceptual geological models. Water Resources Research, WR

18 KLIMATILPASNING AF RØDBY FJORD - PRAKTISK ANVENDELSE AF FLEKSIBELT MODELSYSTEM M.Sc. Ph.D. Jan Gregersen M.Sc. Ph.D. Jacob Gudbjerg HydroInform gregersen@hydroinform.dk Baggrund og formål For Lolland Kommune har LNH Water og HydroInform i et klimatilpasningsprojekt opstillet en hydrologisk model for oplandet til den inddæmmede Rødby Fjord. Modellen skal danne grundlaget for fælles forståelse og et fælles beslutningsgrundlag i en interessentgruppe med repræsentanter fra kommunen, forsyningen, landbruget, pumpelaget og sommerhusområderne. Oplandet er på ha og domineret af intensivt dyrket, drænet landbrug. Topografien er flad og der er ingen grundvandsindving. Ved Kramnitse pumpestation, som er Nordeuropas største, pumpes vandet fra hele oplandet ud, og der holdes et konstant vandspejl i kote -4. I modsætning til et klimatilpasningsprojekt i et byområde er der her ikke fokus på enkelte regnhændelser, da de ikke giver anledning til oversvømmelser. Problemerne opstår i stedet i perioder med langvarig regn eller pludselig snesmeltning. Metode, teknik Alle input-data (klima, arealanvendelse, vandløb, tværsnit etc.) er lagt på en web-applikation, så de er tilgængelige for alle i projektet: Der er blevet opsat fire online vandstandsloggere og en nedbørsmåler til brug for kalibrering af modellen nu og i fremtiden. Det valgte modelsystem er en kombination af geografisk distribuerede Daisy-kolonner til at beskrive landarealerne og HecRas-modellen til at beskrive vandløbene. Daisy-modellen er en fysisk-baseret, 1-dimensionel model, der beskriver plantevækst og vandstrømning i rodzonen /1/. HEC-RAS modellen er udviklet af US Army Corps of Engineers (USACE), og er en af verdens mest udbredte 1-dimensionelle fuldt dynamiske vandløbsmodeller /2/. Begge modeller er gratis at anvende. Den beregnede afstrømning fra Daisy-modellen er blevet ledt til vandløbene ud fra detaljerede topografiske oplande. Modellerne afvikles sekventielt, således at vi kan køre Daisy-delen for en lang periode og efterfølgende køre HecRas-delen for eksempelvis perioder med høj afstrømning, hvilket resulterer i minimal beregningstid. Til fremskrivning af klima-input har vi benyttet de samme tidsserier som GEUS i /3/ Resultater Daisy-modellen er automatisk kalibreret mod udpumpningstidsserien ved Kramnitse. Efterfølgende er Manning-tallet for vandløbene i HecRas blevet tilpasset for at ramme de observerede oversvømmelser og målte vandstande. 15

19 Modelsystemet er foreløbigt blevet benyttet til at svare på interessentgruppens spørgsmål (betydning af ændret grødeskæring, bymæssig tilledning, fjernelse af styrt etc.) på en workshop. Konklusion og perspektivering Det fleksible modelsystem har gjort os i stand til at afvikle mange scenarier og teste mange forskellige hypoteser. Litteraturhenvisning /1/ Styczen, M., Hansen, S, Jensen, L. S., Svendsen, H., Abrahamsen, P., Børgesen, C. D., Thirup, C. & Østergaard, H. S. (2006): Standardopstillinger til Daisy-modellen. Vejledning og baggrund. Version 1.2, april DHI Institut for Vand og Miljø. 62 pp. /2/ U.S ARMY CORPS. HEC-RAS. /3/ Henriksen, H. J., Højberg, A. L., Seaby, L. P., van der Keur, P., Stisen, S., Troldborg, L., Sonnenborg, T. O., & Refsgaard, J. C. (2012): Klimaeffekter på hydrologi og grundvand. GEUS 2012:116 16

20 Notater 17

21 Notater 18

22 Notater 19

23 Notater 20