System informacji dla zlewni

Transkrypt

1 Zintegrowana strategia zrównoważonego zarządzania wodami w zlewni System informacji dla zlewni Czesław Kliś Projekt finansowany ze środków funduszy norweskich, w ramach programu Polsko-Norweska Współpraca Badawcza realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju Katowice, 17 grudnia

2 O projekcie Celem projektu CRIS było: opracowanie narzędzi wspomagających śledzenie procesów związanych z migracją wód w zlewni oraz wspomagających zarządzanie nimi, powiązanie wybranych narzędzi ze sobą w autonomicznie działający system, powiązanie systemu z rzeczywistymi procesami w celu ciągłego uczenia modeli wchodzących w skład systemu Idea projektu został sformułowana przez Rafała Ulańczyka Realizacja projektu rozpoczęła się we wrześniu 2013 Termin zakończenia projektu kwiecień 2016 Katowice, 17 grudnia

3 O projekcie Projekt składa się z 9 pakietów Liderami pakietów projektu są: Piotr Cofałka Czesław Kliś Katarzyn Korszun Katarzyna Samborska John Selvik Rafał Ulańczyk Katowice, 17 grudnia

4 Organizacja systemu CRIS WWW CRIS serwis 1. System informacyjny o zlewni jest portalem internetowym 2. System działa autonomicznie i we własnym zakresie tworzy niezbędne dane na temat zlewni lub pobiera je ze źródeł dostępnych w internecie CRIS serwer 3. Dostęp do wszystkich funkcji serwisu jest możliwy przy pomocy przeglądarki internetowej bez konieczności wykorzystywania wyspecjalizowanego oprogramowania Katowice, 17 grudnia

5 Moduły CRIS Moduł SWAT Moduł RADAR Moduł WRF Moduł HEC Baza CRISdb Moduł MODFLOW Moduł HEC Moduł CALPUFF Serwer www Przeglądarka Katowice, 17 grudnia

6 System CRIS MODUŁ SWAT Katowice, 17 grudnia

7 SWAT Do modelowania wód powierzchniowych został wybrany model SWAT SWAT nie ma możliwości zapisywania pośrednich stanów zlewni, dlatego w każdej symulacji konieczne jest przeprowadzenie obliczeń próbnych (symulacja dla roku) SWAT w każdym kroku symulacji wykonuje: bilans wód dla zlewni Analizę erozji wodnej Zmiany charakterystyki biochemicznej gleb w basenie w wyniku procesów biologicznych i erozji wodnej cieki Model może się autokalibrować Katowice, 17 grudnia

8 Podział zlewni na baseny Katowice, 17 grudnia

9 Basen m8_b23 Katowice, 17 grudnia

10 Procesy w basenie Bilans wodny Erozja wodna Zmiany charakterystyki biochemicznej gleb w basenie w wyniku procesów biologicznych i erozji wodnej cieki Katowice, 17 grudnia

11 Bilans wodny dla basenu Zawartość wody w glebach basenu m8_b23 w 2015 r. Zintegrowana strategia zrównoważonego zarządzania wodami w zlewni Katowice, 17 grudnia

12 Bilans wodny dla basenu Straty parowania wody gleb basenu m8_b23 w 2015 r. Katowice, 17 grudnia

13 Bilans wodny dla basenu Perkolacja w basenie m8_b23 w 2015 r. Katowice, 17 grudnia

14 Bilans wodny dla basenu Ilości wód podziemnych trafiające do basenu m8_b23 w 2015 r. Katowice, 17 grudnia

15 Erozja wodna Wody powierzchniowe i podpowierzchniowe wypłukują z gleby pewne ilości substancji SWAT wylicza jakie ilości tych substancji trafiają do: CIEKÓW stałe cząstki nieorganiczne Azot organiczny Organic N transported from subbasin to reach N-NO3 w spływie powierzchniowym N-NO3 in surface runoff N-NO3 w spływie podpowierzchniowym N-NO3 in lateral flow Fosfor organiczny Organic P transported from subbasin to reach Fosfor mineralny w spływie powierzchniowym Mineral P in surface runoff Fosfor rozpuszczalny spływie powierzchniowym Soluble P in surface runoff Substacje organiczne Chlorofil a Chl A loads from subbasin Tlenu rozpuszczonego 2. WÓD PODZIEMNYCH Ładunek N-NO3 do wód podziemnych N-NO3 loads to the groundwater Katowice, 17 grudnia

16 Charakterystyka zawiesin Wykorzystując informacje o glebach basenu SWAT wylicza charakterystykę granulometryczną zawiesin w ciekach Nazwa zakresu w języku polskim Nazwa zakresu w języku angielskim Zakres od [µm] Zakres do [µm] Ładunek dużych agregatów Large aggregeates in the outflow Ładunek agregatów żwirowych Ładunek małych agregatów Gravel aggregeates in the outflow Small aggregeates in the outflow Ładunek piasku Sand in the outflow Ładunek iłu Silt in the outflow 2 50 Ładunek pyłu Clay in the outflow 0 2 Katowice, 17 grudnia

17 Charakterystyka zawiesin Katowice, 17 grudnia

18 Zawartość substancji organicznej i substancji pokarmowych w glebach basenu Wykorzystując informacje o glebach basenu, sposobie wykorzystania, pokryciu roślinnym oraz dynamice produkcji materii organicznej SWAT wylicza zawartość substancji pokarmowych w glebach Nazwa parametru w języku polskim Nazwa paramtru w języku angielskim Materia organiczna w glebie Organic matter (residue) in soil Azot organiczny w glebie Organic N in soil N-NO3 w glebie N-NO3 in soil Fosfor organiczny w glebie Organic P in soil Fosfor rozpuszczalny w glebie Soluble P in soil Katowice, 17 grudnia

19 Charakterystyka gleb Katowice, 17 grudnia

20 Odpływ z basenu Ilości wód podziemnych trafiające do basenu m8_b23 w 2015 r. Katowice, 17 grudnia

21 Bilans wodny dla basenu Ilości wód podziemnych trafiające do basenu m8_b23 w 2015 r. Katowice, 17 grudnia

22 System CRIS MODUŁ MODFLOW Katowice, 17 grudnia

23 Moduł MODFLOW Zadaniem modułu MODFLOW jest wyznaczenie: poziomu zwierciadła wód podziemnych stężeń azotu azotanowego w wodach podziemnych Katowice, 17 grudnia

24 Modelowanie poziomu zwierciadła wód podziemnych Do modelowania poziomu zwierciadła wód podziemnych służy moduł mf2k W systemie CRIS jest wykorzystywany program mf2k skompilowany w środowisku linux z kodu źródłowego Program mf2k działa na gridzie Program wykorzystuje generowane przez SWAT: dane dobowe o szybkości migracji wód powierzchniowych do wód pierwszego piętra wodonośnego Dane o głębokości wód w ciekach w basenach Katowice, 17 grudnia

25 Modelowanie poziomu zwierciadła wód podziemnych Katowice, 17 grudnia

26 Modelowanie transportu azotu azotanowego w wodach podziemnych Do modelowania transportu substancji w wodach podziemnych służy moduł mt2k W systemie CRIS jest wykorzystywany program mf2k skompilowany w środowisku linux z kodu źródłowego Program mf2k działa na gridzie takim samym gridzie jak mf2k. Program wykorzystuje: dane o ruchu wód podziemnych utworzone przez model mf2k dane o stężeniu azotu azotanowego w wodch migruj acych do wód podziemnych wytworzone przez moduł SWAT Katowice, 17 grudnia

27 Modelowanie transportu azotu azotanowego w wodach podziemnych Katowice, 17 grudnia

28 System CRIS MODUŁ HEC Katowice, 17 grudnia

29 HEC-RAS SWAT nie dostarcza informacji o poziomie wód w rzekach, a jest to bardzo istotna informacja w zarządzaniu zlewnią (sytuacje powodziowe) Dla zademonstrowania jak przy pomocy serwisu CRIS uzyskać informacje o poziomie wód w rzekach został do serwisu włączony model HEC-RAS (Hydrologic Engineering Centers River Analysis System) HEC-RAS pozwala na szacowanie poziomu wód w rzece, przy znanych przekrojach koryta rzeki oraz znanych dopływach wód ze zlewni W CRIS dla zlewni Małej Wisły model HEC-RAS został wykorzystany do pokazania jak kształtują się poziomy wód w Wiśle poniżej zbiornika, gdy do Wisły jednocześnie dopływa woda ze zbiornika goczałkowickiego oraz wody z rzek zlewni poniżej zbiornika Katowice, 17 grudnia

30 HEC-RAS Dla uruchomienia modelu HEC-RAS dla wybrnego odcinka rzeki, konieczne są następujące dane geometria koryta wybranego odcinka rzeki, godzinowe natężenia dopływu wody do rzeki ze zbiornika ze wszystkich rzek zlewni. Katowice, 17 grudnia

31 HEC-RAS geometria koryta rzeki Geometria koryta Wisły poniżej zbiornika została wyznaczona na podstawie szczegółowej mapy wysokościowej terenu wokół Wisły na odcinku od zapory do Jawiszowic oraz pomiarów głębokości koryta Wisły (fotoreportaż na stronie internetowej CRIS Katowice, 17 grudnia

32 HEC-RAS modelowanie dopływów ze zlewni W pierwotnej wersji CRIS zakładano, że dopływy do Wisły ze zlewni będzie modelowany przy pomocy oprogramowania HEC-HMS. Przeprowadzone testy tego oprogramowania pokazały, że model HEC-HMS nie spełnia oczekiwań i zdecydowano zamiast niego wykorzystać model SWAT rozszerzony o zlewnie Iłownicy, Białej, Dańdówki i potoku Goczałkowickiego, skonfigurowany do symulacji przepływów godzinowych. SWAT modeluje godzinowy przepływ wód w rzekach wszystkich basenów na obszarze całej domeny CRIS. Wyliczone natężenie odpływu wód z każdego basenu jest zapisywane w bazie CRISdb. Stamtąd te dane są pobierane przez przeglądarkę i moduł HEC-RAS. Katowice, 17 grudnia

33 Moduł HEC przepływy godzinowe Katowice, 17 grudnia 2015 Katowice

34 Symulacje HEC-RAS Środowisko modułu HEC-RAS zostało zainstalowane na dedykowanym komputerze Moduł HEC-RAS jest uruchamiany co godzinę. Skrypty modułu pobierają z bazy CRICdb Dane dostarczone przez SWAT o wszystkich dopływach do Wisły w czasie najbliższych kilkunastu godzin, dane o planowanych zrzutach wody ze zbiornika Na tej podstawie są tworzone dane dla programu HEC- RAS Wyniki symulacji przepływu wody i jej poziomu w poszczególnych przekrojach Wisły są przekazywane do bazy CRISdb Katowice, 17 grudnia

35 Moduł HEC-RAS Aktywne punkty przeglądarki, w których można otrzymać dane o poziomie i przepływie wody w Wiśle poniżej zbiornika goczałkowickiego Katowice, 17 grudnia 2015 Katowice

36 Moduł HEC-RAS Poziom wody w Wiśle w przekroju W_r2_13799 poniżej zbiornika goczałkowickiego w grudniu 2015 r. Katowice, 17 grudnia 2015 Katowice

37 Moduł HEC-RAS Poziom wody w Wiśle w przekroju W_r2_13799 poniżej zbiornika goczałkowickiego w grudniu 2015 roku Katowice, 17 grudnia 2015 Katowice

38 Moduł HEC-RAS Poziom wody w Wiśle w przekroju W_r2_13799 poniżej zbiornika goczałkowickiego w grudniu 2015 roku Katowice, 17 grudnia 2015 Katowice

39 System CRIS MODUŁ GEMSS Katowice, 17 grudnia

40 Moduł GEMSS Do modelowania przepływu wód, transportu zawiesin i substancji pokarmowych w dużym zbiorniku wód system CRIS wykorzystuje model GEMSS (Generalized Environmental Modelling System for Surface waters) Model GEMSS działa na dedykowanym serwerze w OSLO. GEMSS jest zasilany przy pomocy: danych o stanie dopływów do zbiornika z modelu SWAT, danych z monitoringu meteorologicznego, danych z monitoringu ze stacji ostrzegawczej w Strumieniu danych o bilansie wód dostarczanych przez gospodarza zbiornika GEMSS modeluje dobowe rozkłady nutrientów, temperatury oraz stężenia zawiesin w warstwie powierzchniowej i w warstwie dennej zbiornika. Wyniki modelowania są przesyłane do bazy CRISdb. Katowice, 17 grudnia

41 System CRIS MODUŁ RADAR Katowice, 17 grudnia

42 Moduł RADAR Od poprawnego wyznaczenia przestrzennego rozkładu opadów zależy jak wyznaczany jest spływ wód opadowych na obszarze zlewni Przy pomocy pomiarów opadu atmosferycznego w sieci punktów opadowych trudno uzyskać poprawną informację o przestrzennym rozkładzie opadów. Projekt zakładał, że do uzyskania informacji o przestrzennym rozkładzie opadów atmosferycznych na obszarze zlewni będą wykorzystane dane z radaru meteorologicznego. CRIS korzysta z komercyjnego serwisu z radaru IMGW w Ramży Na podstawie danych z radaru są tworzone pliki wejściowe dla SWAT o wielkości opadu na obszarze basenów Katowice, 17 grudnia

43 Moduł RADAR Katowice, 17 grudnia

44 System CRIS MODUŁ WRF Katowice, 17 grudnia

45 Moduł WRF Projekt zakładał wykorzystanie modelu meteorologicznego WRF (Weather Research & Forecasting) do opracowywania krótkookresowych prognoz meteorologicznych Model WRF jest obecnie szeroko wykorzystywanym modelem meteorologicznym (następca modelu MM5) Do prognozowania lokalnych warunków meteorologicznych jest wykorzystywana globalna prognoza meteorologiczna, która następnie jest dopasowywana do warunków lokalnych, poprzez korektę danych początkowych. Korekta jest oparta na lokalnych obserwacjach meteorologicznych W systemie CRIS była najpierw wykorzystywana korekta wykorzystująca obserwacje meteorologiczne dla lotnictwa (METAR), następnie dołączono dane z lokalnych stacji meteorologicznych a obecnie wykorzystuje się bieżące dane ze wszystkich stacji meteorologicznych dostępnych w serwisie OGIMET Katowice, 17 grudnia

46 Moduł WRF Program sterujący symulacją co 4 godz. pobiera: z serwerów NOAA - aktualną prognozę globalną, z serwisu OGIMET - aktualne obserwacje meteorologiczne ze stacji w otoczeniu 400 km od domeny CRIS, z bazy CRISdb - aktualne obserwacje meteorologiczne ze stacji lokalnych. Na tej postawie tworzy dane startowe i uruchamia WRF. CRIS korzysta jedynie z kilku parametrów prognozy tworzonej przez WRF: ciśnienie atmosferyczne na poziomie morza, ciśnienie atmosferyczne na poziomie terenu, temperatura powietrza na wysokości 2 m ponad poziomem terenu, natężenie promieniowania słonecznego., wilgotność powietrza, całkowity opad atmosferyczny prędkość i kierunek wiatru. Katowice, 17 grudnia

47 Moduł WRF Katowice, 17 grudnia

48 Moduł WRF Katowice, 17 grudnia

49 System CRIS MODUŁ CALPUFF Katowice, 17 grudnia

50 Moduł CALPUFF Dla wyznaczenia depozycji azotu z powietrza projekt zakładał wykorzystanie modelu dyspersji zanieczyszczeń CALPUFF Dla uwzględnienia przemian chemicznych tlenków azotu zastosowano model przemian chemicznych MESSOPUFF. CALPUFF wykorzystuje moduły do wyliczania emisji zanieczyszczeń do powietrza opracowane na potrzeby systemu SINZAP II W cyklu symulacji dobowych CALPUFF wyznacza rozkład stężeń NOx z emitorów na terenie województwa śląskiego, uwzględnia stężenia NOx napływające z zewnątrz, oblicza stężenia HNO3 oraz NO3 w powietrzu, oblicza strumień depozycji HNO3 do podłoża dla każdego basenu SWAT. Wyniki symulacji depozycji eksportuje do bazy CRISdb. Katowice, 17 grudnia