Hydrologisk modellering af landovervågningsoplandet Lillebæk

Transkript

1 Hydrologisk modellering af landovervågningsoplandet Lillebæk Anne Lausten Hansen Institut for Geografi og Geologi, Københavns Universitet De Nationale Geologiske Undersøgelser for Danmark og Grønland (GEUS)

2 Oversigt Introduktion Formål Studieområde Metode Resultater Konklusioner

3 Nitrat transport og reduktion i grundvand Nitrat udvaskes fra rodzonen og transporteres med vandet ned i undergrunden og videre frem mod vandløb og søer. Nitrat reduktion foregår i den reducerede (iltfrie) zone under redox grænsen. Omfanget af nitrat reduktion afhænger af: Redox grænsens beliggenhed Strømningsvejene i grundvandet Værktøj: Modeller

4 Hvad er en model? Geologisk model Rumlig beskrivelse af undergrundens jordlag. Grundlag for den hydrologiske model. Hydrologisk model Matematisk beskrivelse af vandets strømning. Inddeles i kasser (celler) for at kunne beskrive rumlig variation. Modellen udfører og sammenkobler beregninger for alle celler. Model Virkeligheden Modellens parametre kalibreres i forhold til observationer.

5 Nitrat modellering i DK Status Nitrat modellering for oplande mellem 5 km 2 og mere end 1000 km 2. Modellerne er i stand til at simulere vandog nitrattransport for oplande, hvor de er kalibreret. Modellerne er ikke i stand til at simulere vand og nitrattransport for mindre deloplande indenfor det opland hvor de er kalibreret. Stor usikkerhed på udpegning af sårbare og rubuste områder. Opland -Kalibreret -Prædiktivitet Delopland -Ikke kalibreret -Ingen prædiktivitet

6 Kan vi gøre det bedre med det data vi allerede har til rådighed?

7 Formål At anvende drænafstrømning fra mindre områder (1 4 ha) indenfor Lillebæk oplandet i kalibrering af en oplandsmodel. Hypoteser 1. Model simuleringen på oplandsskala vil forbedres. 2. Model simuleringen på lille skala vil forbedres.

8 Studieområde Lillebæk Moniteret siden 1989 som del af landovervågningsprogrammet (evaluering af vandmiljøplanerne). Areal: 4.7 km 2 Arealanvendelse: Landbrug (88%) Nedbør: 839 mm/år Nedsivning: 273 mm/år Vandløbsafstrømning: 231 mm/år

9 Studieområde Lillebæk Geologien i området Består hovedsagelig af ler Tre sandlag => grundvandsmagasiner Landbrugsjorde i området stærkt drænet Afstrømning til vandløb domineret af drænafstrømning

10 Studieområde Lillebæk Observations data: Hydraulisk trykniveau (13 boringer) Vandløbsafstrømning (2 stationer) Drænafstrømning (5 områder (1 4 ha)) Hydraulisk trykniveau: Grundvandets energiniveau Vandet strømmer fra højt til lavt trykniveau Det er sjældent at denne type data er tilgængelig

11 Model værktøj: MIKE SHE 1D vandløbsafstrømning 2D overfladeafstrømning 3D grundvandsstrømning Modelopsætning Drænafstrømning: lineært reservoir, ledes til nærmeste vandløb Input data: Nedsivning simuleret med rodzone modellen Daisy Simuleringsperiode: Cellestørrelse: 50 m Model parametre: Konstante indenfor hver geologisk lag

12 Model kalibrering Invers kalibrering (= automatisk model kalibrering) Kalibreringsperiode: Valideringsperiode: PEST parameter optimeringsværktøj 7 mest følsomme parametre udvalgt til kalibrering: Horisontal hydraulisk ledningsevne (Clay1, Sand2, Sand3) Vertikal hydraulisk ledningsevne (Clay1, Clay2) Dræn parameter Ved en kalibrering indstilles models parametre i forhold til observationerne

13 Model kalibrering Multi kriterie kalibrering: Hydraulisk trykniveau: ME (middelfejl) RMSE (middelværdi af kvadratfafvigelsessummen) Errampl (amplitude fejl) Vandløbsafstrømning R2 (Nash Sutchliffe koefficient) Qerr (fejl på middel vandføring) Qerr_summer (fejl på middel sommervandføring) Drænafstrømning Statistiske parametre til at evaluere hvor godt modellens simulerede værdier stemmer overens med de observerede R2_drain (Nash Sutchliffe koefficient) Qerr_drain (fejl på middel vandføring)

14 Model kalibrering Gradvis implementering af observations data: Sim1: Hydraulisk trykniveau Sim2: Hydraulisk trykniveau + vandløbsafstrømning Sim3: Hydraulisk trykniveau + vandløbsafstrømning + drænafstrømning Sim4: Som Sim3 men med flere dræn parametre Giver stort set samme resultat som Sim3. Drændataene indeholder ikke nok information til at bestemme flere dræn parametre

15 Resultater Hydraulisk trykniveau statistik ME: Forværres ved inkludering af vandløb og drænafstrømning RMSE: Forværres ved inkludering af vandløb og drænafstrømning Errampl: Ingen trend Optimale værdier: ME = 0 RMSE = 0 Errampl = 0

16 Resultater Hydraulisk trykniveau model simulering Modellen er i stand til at simulere det generelle trykniveau tilfredsstillende. Modellen har problemer med at beskrive variation i årlig fluktuation mellem boringer. Årlig fluktuation underestimeres Årlig fluktuation overestimeres

17 Resultater Vandløbsafstrømning statistik R2: Forbedres ved inkludering af vandløb og drænafstrømning. Qerr: Forbedres ved inkludering af vandløbsafstrømning. Ingen yderligere forbedring ved inkludering af drænafstrømning. Qerr_summer: Forbedres ved inkludering af vandløb og drænafstrømning (med undtagelse af station i valideringsperioden). Optimale værdier: R2 = 1 Qerr = 0 Qerr_summer = 0

18 Resultater Vandløbsafstrømning model simulering Modellen simulere vandløbsafstrømning tilfredsstillende ved begge stationer. Nogle peaks er modellen dog ikke i stand til at beskrive.

19 Drænafstrømning statistik Resultater R2_drain: Meget lave værdier og kun over 0 for et område. Forbedres for 2 drænområder. Qerr_drain: Meget høje værdier. Forbedres for 3 drænområder. Optimale værdier: R2_drain = 1 Qerr_drain = 0

20 Resultater Drænafstrømning model simulering Modellen er ikke i stand til at simulere drænafstrømningen tilfredsstillende.

21 Konklusioner Inddragelse af drændata forbedre den generelle model simulering lidt (hypotese 1 ). Modellen er ikke i stand til at simulere en korrekt drænafstrømning, og den forbedres ikke væsentligt ved indragelse af drændata (hypotese 2 ). Modellen kan ikke reproducere lokale variationer i trykniveauet. Dette skyldes at den geologiske model er for homogen. Den begrænsende faktor for en models evne til at beskrive lokale strømningsforhold er den rumlige skala hvormed vi kan beskrive geologien. Vi forventer at vores resultater forbedres når vi har en ny geologisk model baseret på SkyTEM data!