Modellierung des Landschaftswasser- und Stoffhaushalts

1. Modellierung des Landschaftswasser- und Stoffhaushalts

2. 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)

3. Was sind Modelle? Quelle: http://ehs.ucsb.edu/units/stormwater/stormimages/stormweb/hydrologic-cycle-big.jpg

4. 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

5. Beispiele - Wasserhaushaltsmodelle • OPAQUE - Operationelle Abfluss- und Hochwasservorhersage in Quellgebieten – Modell LARSIM http://brandenburg.geoecology.uni-potsdam.de/projekte/opaque/bilder/larsim2.png

6. 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

7. Beispiele – Stoffumsatz in Böden • Model CANDY • simuliert schlagbezogen Kohlenstoff und Stickstoffumsatz in Böden http://www.ufz.de/index.php?de=13059

8. Beispiele – weitere Einsatzmöglichkeiten • Meteorologie – Wettervorhersage, … • Sozio-ökonomische Modelle – Wirtschaftsentwicklung, Landnutzungsentwicklung… • …

9. Aggregated Distributed Pixel Output Output Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt Semi-distributed HRU Subcatchments Output

10. 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

11. 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)

12. 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

13. 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.

14. Modellkonzepte – Landschaftswasser- und Stoffhaushalt

15. 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

16. N-Haushalt DNDC Ökolog. Randbedingungen Stoffumsatz

17. 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

18. 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

19. 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

20. Kalibrierung

21. Gütemaße - ∞ bis 1 0 bis 1 0 bis ∞ 0 bis ∞ 0 bis ∞

22. Sensitivitäts- und Unsicherheitsanalysen • Was sind Sensitivitätsanalysen ? • Sensitivitäts – Indizes • Warum Sensitivitätsanalysen? • Was sind Modellunsicherheiten? • Warum Unsicherheitsanalysen? • Quellen für Unsicherheiten? • Equifinalität/ GLUE

23. Quelle: Encyclopediaof Hydrological Sciences, Gupta, 2005

24. 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

25. SWAT - Anwendungsbeispiele • Hot Spot Analyse IcCatchment • Scenarien Analyse Wetterau • Wasserhaushalt Mamer • Pestizide Wark

26. SWAT – Grundlagen (Hydrologie)

27. Hydrologic Balance Precipitation Root Zone Vadose (unsaturated) Zone Shallow (unconfined) Aquifer Confining Layer Deep (confined) Aquifer

28. Hydrologic Balance Surface Runoff Root Zone Infiltration Vadose (unsaturated) Zone Shallow (unconfined) Aquifer Confining Layer Deep (confined) Aquifer

29. 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

30. 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

31. Hydrologic Balance Root Zone Vadose (unsaturated) Zone Shallow (unconfined) Aquifer Confining Layer Flow out of watershed Deep (confined) Aquifer Recharge to deep aquifer

32. 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

33. SWAT – Grundlagen (Nährstoffe)

34. 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

35. SWAT – Grundlagen (Pflanzenwachstum)

36. Crop growth Synonyms: Growing Degree Days Temperature Sum Heat Units (HU) Potential Head Units (PHU) when SWAT Parameters: PHU and HEAT UNITS .mgt file

37. Beispiel - Mamer

39. SWAT - Anwendungsbeispiel

40. Beispiel - Wetter

41. Beispiel - Wetter

42. Weiterführende Literatur