Hydrologisen ja hydraulisen mallintamisen kehitysn�kymi� by 1Bj3s5

VIEWS: 27 PAGES: 52

									            HYDROLOGIAN PÄIVÄ 27.11.2003

 Hydrologisen ja hydraulisen
mallintamisen kehitysnäkymiä
          Tuomo Karvonen
   Vesitalouden ja vesirakennuksen
             laboratorio
     Vesitalouden ja vesirakennuksen
laboratoriossa aktiivisia jatko-opiskelijoita
 - Harri Koivusalo (lumi + valuntamallit; väit. 01/2003)
 - Teemu Kokkonen (valuntamallit; väit. 06/2003)
 - Toomas Tamm (maatalousalueiden hydr., väit. 12/2002)
 - Mikko Jauhiainen (metsäalueiden hydrauliset ominais.)
 - Maija Paasonen Kivekäs (ravinteiden huuht. maatal. al.)
 - Terhi Helmiö (avouomahydrauliikka)
 - Juha Järvelä (avouomahydrauliikka)
 - Jarkko Koskela (valuntamallit/hahmontunnistus)
 - Nora Metsäranta (taajamahydrologia)
 Toimipaikka SYKE/jatko-opiskelija TKK:lla
 - Kirsti Granlund (maatalousvalt. valuma-alueiden ravint. huuht.)
 - Katri Rankinen (typen huuhtoutuminen valuma-aluetasolla)
 - Katri Siimes (pestisidien huuhtoutuminen)
 - Marie Thouvenot (jokien ravinnemallit/aloittaa k. 2004)
       Hydrologiset mallit
• Reaaliaikainen tulvien ennustaminen
• Ihmistoimintojen vaikutusten ennustaminen
• Ravinteiden huuhtoutuminen

Hydrauliset mallit (avouomavirtaus)
• 1D- ja 2D-mallit
• Sedimentin kulkeutuminen
  - jokien muodonmuutokset
  - saastuneiden pohjasedimenttien
    kulkeutuminen
Hydrologisen mallintamisen merkkipaaluja
 • Rationaalinen kaava Qmax=f*Pmax*A (1851)
 • Yksikkövaluntakäyrä (1932)
 • Nashin kaskadi (lineaariset altaat) (1957)
 • Konseptuaalinen valuntamalli STANFORD (1960)
 • Ensimmäinen alueellisesti hajautettu (distributed)
   malli (Freeze 1971)
 • HBV-malli (1973)
 • Muita hajautettuja malleja: SHE-malli (1981);
   DHSVM (1994)
 • ’Semi-distributed’ IHDM (1985), TOPMODEL
   (1988); TKK:n vesital. lab.
   Hydraulisen mallintamisen merkkipaaluja
• Chezyn (1769) ja Manningin (1889) kaavat
• Darcy-Weissbach häviökaava (1845, 1854)
• Muuttuvaa avo-uomavirtausta kuvaavat osittais-
  differentiaaliyhtälöt, Saint Venantin yhtälöt (1870)
• Saint Venantin yhtälöiden numeerinen ratkaisu
  tietokoneella; Preissmann (1961)
• 70-80 luvuilla paljon malleja (Cunge, Abbott, Verwey,
  Liggett, Fread; Suomessa mm. Forsius 1981;
  TKK/vesitalous (1982); DAMBRK, HEC, MIKE
• sedimentin kulkeutuminen; veteen liuenneiden aineiden
  kulkeutuminen (advektio-dispersio) + 2D-sovellutukset
• karkeuskerroin Manning tai Chezy lähes kaikissa
  sovellutuksissa
  Hydrologinen ja hydraulinen
  mallintaminen: kysymyksiä?
• osaavatko mallit hyödyntää tarkentuneita
  sadantamittauksia (sadetutka, satelliitit)?
• saadaanko 3D-korkeusmallista (DEM) ja
  maankäyttömallista suoraan parametrit
  valuntamalleihin?
• osaavatko mallit hyödyntää olemassa olevia
  alueellisia mittauksia pohjavedenpinnan
  korkeuksista, maankosteudesta ym?
   Hydrologinen ja hydraulinen
   mallintaminen: kysymyksiä?
• lasketaanko vesien liike fysikaalisesti oikein
  aineiden huuhtoutumismalleja varten (typpi,
  fosfori valuma-aluetasolla)?
• hyödynnetäänkö malleissa valuma-alueen
  geomorfologisia ominaisuuksia (itsensä
  kanssa samankaltaiset alueet; uomaverkos-
  ton muoto; uoman geometria)?
• osataanko ennustaa valumia alueilta, joilta
  ei ole hydrologisia havaintoja?
    Hydrologinen ja hydraulinen
    mallintaminen: kysymyksiä?
• onko olemassa ”puolueeton tapa” arvioida
  karkeuskertoimet avouomamalleissa?
• onko olemassa menetelmä, jolla arvioidaan
  kasvillisuuden vaikutus pääuomassa ja/tai
  tulvatasanteilla?
• Saastuneiden pohjasedimenttien kulkeutumisen
  laskenta 2D-tapauksessa?
         Erityyppiset
     tulvaennustemallit
(aikasarjamalleja ei käsitelty)
Konseptuaaliset ja hajautetut mallit

Konseptuaalinen malli   Hajautettu malli (distibuted)
         Näennäisesti hajautettu eli
          ’semi-distributed’-malli

• Täysin hajautetulla mallilla ei käytännössä pystytä
  laskemaan kuin pieniä (< 1 km2) valuma-alueita
  (laskentaverkon koko n. 5x5 – 20x20 m2)
• Jos valuma-alue esim. useita tuhansia km2 >
  -vaihtoehdoksi on kehitetty näennäisesti hajautetut
    mallit
• TKK:ssa kehitetyistä malleista käytetään nimitystä
  ’tyyppiprofiili’-mallit
• Hyödynnetään ’tyypillisiä kaltevia rinteitä’ (hillslope)
         Näennäisesti hajautettu eli
          ’semi-distributed’-malli
• Eliminoidaan malleista kolmas ulottuvuus olettamalla,
  että vesi kulkee pääsääntöisesti lähintä uomaa kohden
• eri maankäyttömuodoille laadittava omat
  tyyppiprofiilit
• maalaji ja pinnan kaltevuus edellyttävät useita tyyppi-
  profiileja tietyn maankäyttömuodon sisällä
Tyyppiprofiilimallin periaate




    Valuman ja vedenlaadun mittaukset
          ‘Tyypillinen profiili’

•   Metsäalueilla kalteva rinne (hillslope)
•   Maatalousalueilla sala- tai avo-ojitettu profiili
•   Taajamissa ?
•   Ojitetuilla soilla muistuttaa maatalous-profiilia
         ‘Tyypillinen profiili’
• Metsäisiä rinteitä ympäröi Suomessa hyvin
  usein suo-alue; se vaikuttaa sekä valunnan
  huippuihin, että erityisesti ravinnetaseeseen
• Luonnontilaisilla suoalueilla ‘tulvatasanne’
  (muistuttaa hydraulisesti avouomavirtauk-
  sen tulvatasannetta)
          Valunnan ennustaminen
           tyyppiprofiilimalleilla
• Mitataan ja mallinnetaan vesien ja ravinteiden liikettä
  tyypillisillä profiileilla (TKK:lla omaa koetoimintaa
  maatalousalueilla, metsäisillä rinteillä ja niitä
  ympäröivillä suo-alueilla ja taajama-alueilla)
• Avouomat liitetään mukaan laskennallisesti (apuna
  geomorfologiset teoriat)
• Tyypillisten profiilien valinnassa ja luokittelussa
  mahdollista hyödyntää 3D-korkeusmalleja ja alueellisia
  maankäyttötietoja
  Reaaliaikaiset
tulvaennustemallit
 Reaaliaikainen tulvien ennustaminen
• Osaavatko mallit hyödyntää tarkentuneita
  sadantamittauksia (sadetutka, satelliitit)?
  Entä reaaliaikaisia vedenkorkeus- ja
  virtaamahavaintoja?
• Keskeinen kysymys on mallien kyky päivittää
  (’update’) ennusteitaan aina, kun saadaan uusia
  mittauksia!
  - päivitetään mallin vesivarastoja
  - korjataan mallin sadantoja (SYKE:n
    vesistöennusteet)
  - päivitetään mallin parametreja
Reaaliaikainen tulvien ennustaminen
            Vaihtoehto 1
• Yksinkertaiset mallit, joiden tilamuuttujat
  (vesivarastot) ja parametrit pystytään
  päivittämään reaaliaikaisten mittausten avulla
  (esim. Kalman filter, MISP=Mutually
  Interactive State and Parameter estimation)
• jokimallina yksinkertainen siirtofunktiomalli
  tai varastoyhtälöön perustuva malli
  (esim. Muskingum)
• heikkoutena se, etteivät pysty kunnolla
  hyödyntämään alueellisia sadantamittauksia
Reaaliaikainen tulvien ennustaminen
    Vaihtoehto 2 (Todini et al.)
• MUSIC-projekti (Multi-sensor precipitation, measurements
  integration, calibration and flood forecasting )
• Alueellisesti hajautetut mallit (TOPKAPI),
  joissa huomioidaan maankäyttö ja maalaji
• jokimallina yksinkertaistus Saint Venantin yhtälöistä
  (ns. diffuusioanalogia)
• Erityinen huomio kiinnitetty käyttöliittymään ja
  ennusteiden selkeyteen
• Tällä hetkellä koekäytössä neljällä valuma-alueella eri
  puolilla Eurooppaa
• Heikkoutena se, että mallin päivitys ei käytännössä
  onnistu (liian monimutkaiset mallit);
      Mitä parannettavaa nykyisissä
   reaaliaikaisissa ennustemenetelmissä?
• Olemassa olevat mallit ennustavat melko hyvin virtaamat
  ja vedenkorkeudet, mutta eivät anna luotettavaa arviota
  ennusteen epävarmuudesta
• Sadannan mittaustarkkuus paranee tulevaisuudessa (mm.
  sadetutkat, satelliitit yleistyvät): nykyiset mallit eivät osaa
  hyödyntää tarkentuneita mittauksia täysimääräisesti
• MUSIC: Todini (Italia): ”The effectiveness of decisions is
  highly increased by converting the complexity of flood
  forecasts into simple and clear messages to the decision
  makers and to the general public “
• Todini halusi Nokian mukaan projektin seuraavaan
  vaiheesen (RITHM)
     Millaisia reaaliaikaisia malleja
            tulevaisuudessa?
• yksinkertaiset, mittausten avulla päivitettävät
  mallit lienevät parempia silloin, kun hydrologisia
  havaintoja olemassa pitkältä ajanjaksolta (esim.
  Suomi)
• monimutkaiset (semi-distributed) mahdollinen
  vaihtoehto esim. kehitysmaissa, jos 3D
  korkeusmalli (DEM), maankäyttöluokitus ym.
  saatavissa tietokannoista
• reaaliaikaisia mittauksia (Q, W, P) tarvitaan
  välttämättä
Ihmistoimintojen hydrologisten
  vaikutusten ennustaminen

 Ravinteiden kulkeutumisen
       ennustaminen
    valuma-aluetasolla
       Ihmistoimintojen vaikutusten ja
  ravinteiden kulkeutumisen ennustaminen
  Mallin vaatimuksia:
• veden todellinen reitti sadannasta valunnaksi
  mallinnettava
• käytännössä oltava joko alueellisesti hajautettu
  (distributed) tai tyyppiprofiili-malli (semi-distributed)
• Mahdollisuus hyödyntää alueellisia mittauksia
  pohjavedenpinnan korkeuksista, maankosteudesta
• 3D-korkeusmallista (DEM) ja maankäyttö-mallista
  saadaan suoraan osa valuntamallin parametreista
• valuma-alueen geomorfologian hyödyntäminen
    Vesien liike laskettava
     fysikaalisesti oikein

Ongelmana makrohuokoset, jotka
kuljettavat suuren osan vedestä ja
   ravinteista oikovirtauksena
        maamatriisin ohi!
Infiltraatio vertikaalisessa lieriössä (laboratorio)
Keinotekoinen täysin homo-
 geeninen näyte                       Luonnonhiekka




Stable flow (conventional theory)   Unstable flow (fingering)
Mikä on veden todellinen reitti
 pellon pinnalta vesistöön?
   ‘Kastemato on salaojittajan paras
   ystävä’ (J. Saavalainen)
          Makrohuokosten vaikutus peltoalueilla




             Kuva:
Visa Nuutinen/MTT
               Makrohuokosten merkitys valuntaan ja
                    ravinteiden huuhtoutumiseen
                (Paasonen-Kivekäs/TKK, Vesitalous)
   0.6           Drain flow      20                                    September 5 1995
                 Precipitation                               20
   0.5
                                 15                          40
   0.4




                                              Depth (cm)
mm/h




                                       mm/h
                                                             60
   0.3                           10
                                                             90
   0.2
                                 5                          120
   0.1                                                     Drain
        0                        0
                                                                   0       20     40     60
       11-Jul-98 12-Jul-98 13-Jul-98                                             NO3-N (mg/l)
                                                                                                                                  Valuma (l/15min/ha)
                                                                                  Kiintoaine (g/l)




                                                                              0
                                                                                  1
                                                                                        2
                                                                                                   3
                                                                                                              4
                                                                                                                           5
                                                                                                                                  0
                                                                                                                                      100
                                                                                                                                            200
                                                                                                                                                  300
                                                                                                                                                        400
                                                                                                                                                              500




           1
                                                                                                   18.10.1997 0:20
                                                                                                   18.10.1997 2:50




           4
                                                                                                   18.10.1997 5:20
                                                                                                   18.10.1997 8:05
                                                                                               18.10.1997 10:51
                                                                                               18.10.1997 13:21
                                                                                               18.10.1997 15:36
                                                                                               18.10.1997 17:51
                                                                                               18.10.1997 20:21
                                                                                               18.10.1997 22:36
                                                                                                   19.10.1997 0:51
                                                                                                   19.10.1997 3:06
                                                                                                   19.10.1997 5:21
                                                                                                   19.10.1997 8:06
                                                                                               19.10.1997 10:21
                                                                                                                                                                    Sjökullan koekentällä (savimaa)




                                                                                               19.10.1997 12:36
                                                                                               19.10.1997 15:06
                                                                                               19.10.1997 17:21
                                                                                               19.10.1997 19:36
                                                                                               19.10.1997 22:22
                                                                                                   20.10.1997 1:22
                                                                                                   20.10.1997 3:37
                                                                                                   20.10.1997 6:22
                                                                                                   20.10.1997 9:22
                                                                                               20.10.1997 11:52
                                                                                               20.10.1997 14:37
                                                                                               20.10.1997 16:52
                                                                                                     Valuma
                                                                                                              Kiintoaine




                                                                                               20.10.1997 19:07
           7 10 13 16 19 22 25 28 31 34 37 40 43 46 49 52 55 58 61 64 67 70
                                                                                                                                                  Kok-P




Aika (h)
                                                                                                                                                  Valuma




                                                                                               20.10.1997 21:22
                                                                              0




                                                                                               20.10.1997 23:37
                                                                                  500
                                                                                            1000
                                                                                                          1500
                                                                                                                           2000
                                                                                                                                  0
                                                                                                                                      1
                                                                                                                                            2
                                                                                                                                                  3
                                                                                                                                                        4
                                                                                                                                                              5
                                                                                                                                                                    Valunnan, kokonaisfosforin ja kiintoaineen välinen yhteys




                                                                                  Valuma (l/h/ha)                                 Kokonaisfosfori (mg/l)
           Makrohuokosten merkitys
             valuntamalleissa…
• The lack of knowledge about lateral preferential flow
  may be the largest impediment for moving forward in
  catchment modeling–thus, the effect of soil pipes and
  other structures on the lateral flow and transport at the
  hillslope scale is viewed as a major control still awaiting
  good model-process integration (Weiler, Uchida,
  MacDonnel, 2003)
• ”mallit voidaan kalibroida niin, että ne toimivat melko
  hyvin, mutta vesien liikettä ei vielä osata valuma-
  aluetasolla laskea fysikaalisesti oikein”
• t.s. ”kaikki toistaiseksi tehdyt mallit laskevat valuma-
  aluetasolla ravinteiden huuhtoutumisen väärin”
Ihmistoimintojen vaikutusten ennustaminen

 Geomorfologian hyödyntäminen
      valuntamalleissa?
Vasemmalla puun juuriston vedenotto;
      oikealla valuma-alue
             FRACTAL GEOMETRY-
           "GEOMETRY OF NATURE"?
 Mandelbrot (1983) developed fractal geometry to describe
 patterns found in nature.

 -The term self-similarity, which is used interchangeably
  with scaling in the literature means that pieces of the
  object resemble the whole object

- Strict self-similarity implies that each piece is a perfect
  miniature copy to the whole
            FRACTAL GEOMETRY-
          "GEOMETRY OF NATURE"?

- Statistical self-similarity means that small pieces look
  similar to the whole but are slightly varied
-A fractal is termed self-affine when a smaller piece of
 the whole appears to have undergone different scale
 reductions in the longitudinal and transverse
 directions (skewed miniature)
 (first-order basins compared to the whole watershed)

- Research has shown that individual streams and the
 networks which they comprise are fractals
 Self-similarity of stream
 networks: Horton laws
 - for stream networks the self-
   similarity describes the relationship
   between a stream and its side
   channels of lower order

 - In a truly self-similar network,
   the number of of third-order
   streams, which enter a fourth-
   order stream from the side,
   is the same as the number of
   second-order streams which
   enter a third-order stream
   from the side.
- This relationship continues
  throughout the basin
Luonnon itse muodostama uomaverkosto
      erityyppisillä maalajeilla
Luonto hoitanut asian tarkoituksenmukaisesti:
*mitä pienempi pohjamaan hydraulinen johtavuus,
 sitä enemmän ojia/uomia aikojen kuluessa valuma-
 alueelle on muodostunut
* uomien määrä etsittävissä 3D-maastomallien avulla
* uomien määrä (m/km**2) korreloi tyypillisen
  rinnepituuden kanssa (vrt. ’tyyppiprofiilimallit’)
* rinteiden pituuksille ja kaltevuuksille mahdollista
  määrittää jakauma (lasketaan 3D-korkeusmallin
  avulla)
* mallissa kalibroidaan esim. hydraulisen
  johtavuuden jakaumia
     Tyyppiprofiilien etsintä 3D-
          korkeusmallista
• Lasketaan veden reitti vedenjakajalta
  lähimpään uomaan (esim. 1000-5000 otosta)
• luokitellaan profiilit ’samankaltaisiin ryhmiin’
• luokittelu mahdollista tehdä isollekin valuma-
  alueelle (otoksia eri puolilta aluetta)
                                                             30
                                                                                                                  Profile 1 (0.49 )
                                                                                                                  Profile 2 (0.17)
                           Elevation above ditch level [m]   25                                                   Profile 3 (0.25)
                                                                                                                  Profile 4 (0.09)
                                                             20


                                                             15


                                                             10


                                                              5


                   100 m                                      0
                                                                  0   100   200             300             400          500          600
                                                                                  Distance from ditch [m]
    Alueet, joilta ei ole olemassa
       virtaamahavaintoja
• hajautetut mallit
• hahmontunnistukseen perustuvat
  menetelmät: etsitään ko. menetelmillä
  vertailuvesistö tai valuma-
  alueominaisuuksiltaan mahdollisimman
  samankaltainen valuma-alue
• geomorfologinen yksikkövaluntakäyrä
Geomorfologinen yksikkövaluntakäyrä:
- Rodríguez-Iturben (Stockholm Water Prize 2002)
  ajatuksia hyödyntävä
- mahdollisuus käyttää mm. alueilla, joilta ei ole
  olemassa mittauksia
- parametrit laskettavissa Hortonin lukujen avulla
    Avouomavirtaus
Sedimentin kulkeutuminen
         Hydrauliset mallit
• 1D-malleissa paremmin huomioon (Helmiö
  ja Järvelä)
  - kasvillisuuden vaikutus
  - tulvatasanteiden vaikutus
  - liikemäärän siirtyminen pääuoman ja
    tulvatasanteen välillä
• Darcy-Weissbach-häviökertoimet
  useasti fysikaalisesti perustellumpia kuin
  Manning/Chezy
  Tulevaisuudessa entistä enemmän
        tarve ennustaa mm.
• Jokien muodonmuutokset 1D/2D (aggradation/
  degradation); sedimentin kulkeutumisen vaikutus uoman
  pohjan korkeuteen
• Ratkaistaan samanaikaisesti neljä yhtälöä: 1) jatkuvuus-
  yhtälö (massatase), 2) liikemäärän säilyminen, 3) uoman
  pohjan korkeusmuutokset ja 4) sedimentin
  kulkeutuminen
        Hydrauliset mallit
    Sedimentin kulkeutuminen
• Saastuneiden pohjasedimenttien
  kulkeutuminen (2D)
• Esimerkkinä Kymijoen dioksiineilla ja
  furaaneilla saastuneet pohjasedimentit
• Yhteistutkimus SYKE/TKK
• 2D-mallintaminen ja mittaukset kourussa
         Kymijoen sedimenttitutkimus
               Lyhyt historia
• Teollisuus on kuormitttanut Kymijokea voimakkaasti eri
  kemikaaleilla
• Haitallisimmat aineet: puunsuoja-aineen, KY-5:n,
  valmistuksen sivutuotteena syntyneet dioksiinit ja
  furaanit
• KY-5 tehtaan ja eri puunjalostuslaitosten sivutuotteena
  veteen päässyt elohopea.
• puunjalostusteollisuus luopui elohopean käytöstä vuonna
  1968 ja KY-5 valmistus lopetettiin Kuusankoskella
  vuonna 1984
• Kuusankosken ja Keltin voimalaitosten välinen osuus
  saastunein (jopa 1000 kertaa saastuneen maan raja-arvo)
Kymijoen pohjasedimenttien
     kulkeutuminen
     Kymijoen pohjasedimentit
• 2-D tapauksessa on oleellista tietää mistä
  osasta uomaa kiintoaines on peräisin
  (irtoavalla kiintoaineella PCDD/F-pitoisuus)
• Valmista mallia ei löytynyt: sedimentin
  kulkeutumismalli joudutaan tekemään itse
        Kymijoen pohjasedimentit
             Kourukoe
• Mallintaminen edellyttää mittauksia: sedimentin
  irtoaminen ja laskeutuminen mitataan
  laboratoriokourussa
• Eroosiokokeet
  - kumulatiivinen eroosio
  - eroosionopeus (g/m2/s)
  - kriittinen leikkausjännitys eroosiolle
    ’ pohjassa oleva helposti liikkeelle lähtevä
      materiaali
    ’ pohjan orgaanisen rakenteen murtuminen
  - kriittinen leikkausjännitys sedimentaatiolle
Hydrauliset mallit/kourukoe
    Kymijoen sedimenttitutkimus

• Kulkeutumistutkimus osa Kymijoen
  pohjasedimenttien kunnostussuunnitelmaa
• Tutkimuksen tavoitteena on arvioida
  pohjassa olevien PCDD/F-yhdisteiden
  kulkeutuminen Kymijoesta Suomenlahteen
• Poikkeuksellisten olojen (mm. tavallista
  suurempi tulva) vaikutus kulkeutumiseen
    Yhteenveto/hydrologiset mallit
• reaaliaikainen tulvien ennustaminen: tarkentuvat
  sademittaukset, mallien kyky päivittää ennusteita
• ihmistoimintojen vaikutus hydrologiaan: DEM,
  maankäyttömalli ja geomorfologia hyödynnettävä
• ravinteiden (& haitta-aineiden) kulkeutuminen
  valuma-aluetasolla: iso haaste (mm. makrohuokoset)
       Yhteenveto/avouomavirtaus
• kasvillisuuden ja tulvatasanteiden huomioiminen
  nykyistä tarkemmin
• saastuneiden pohjasedimenttien kulkeutuminen
  kytkettävä 2D virtausmalleihin
• sedimentin kulkeutuminen ja uoman pohjan
  korkeusmuutokset mukaan virtausmalleihin

								
To top