Görlitz 17.11.2014
Pakiet programów MIKE opracowany na Politechnice Duńskiej, zmodyfikowany przez Duński Instytut Hydrauliki, Zasady działania modeli: MIKE NAM - model konceptualny o parametrach skupionych, o strukturze zbiornikowej; opisany przez algorytmy, które w uproszczonej formie charakteryzują zawartość wilgoci we wzajemnie powiązanych zbiornikach, reprezentujących różne formy retencji (powierzchniową, podpowierzchniową i podziemną). MIKE BASIN - jest komputerowym systemem wspomagania decyzji w zakresie gospodarowania zasobami wodnymi w zlewniach rzecznych. Dla każdego kroku czasowego model dokonuje rozrządu wody pomiędzy poszczególnych użytkowników z uwzględnieniem wymagań dotyczących zachowania przepływów nienaruszalnych i hierarchii użytkowania zasobów wodnych, symuluje pobory i zrzuty.
Zastosowane podejście do przygotowania materiału wejściowego na potrzeby bilansu wodnego: 16 15 Obszar zlewni Nysy Łużyckiej podzielony został na 16 mniejszych zlewni bilansowych: 11 dopływów kontrolowanych Nysy Łużyckiej (dopływy potraktowano całościowo, jako pojedyncze systemy, bez podziału na podsystemy-zlewnie cząstkowe) zlewnię bezpośrednią Nysy Łużyckiej podzielono na 5 zlewni cząstkowych 12 11 13 10 9 14 Dane wejściowe: Opad atmosferyczny (P) - dobowe Ewapotranspiracja potencjalna (EP) - dobowe Przepływy (Q) - średnie miesięczne Parametry charakteryzujące zlewnie 6 8 7 Podejście przy kalibracji modelu: modyfikowano parametry i zmienne równań wyznaczane na podstawie własności fizycznych zlewni i wprowadzane jako wartości średnie, część z nich estymowana była w trakcie kalibracji modelu. 2 3 4 1 5
Kalibracja: Szczegółowa analiza danych i materiałów dla obszarów pod kątem budowy geologicznej, rodzajów występujących gruntów, hydrografii, użytkowania terenu, właściwości fizycznych itp., w celu poprawienia ustawień parametrów modeli, Walidacja: Sprawdzenie poprawności modelu na niezależnej próbce danych, Ostateczna symulacja: Sprawdzenie poprawności modelu na pełnej serii czasowej.
Ocena poprawności modeli typu opad-odpływ dla zlewni cząstkowych Nysy Łużyckiej wykonana została w oparciu o: graficzne porównanie wyników modeli i danych źródłowych, co polegało na analizie wykresów symulowanych wartości przepływu z wartościami obserwowanymi na wodowskazach zamykających modelowane zlewnie, analizę statystyczną w oparciu o wybrane miary błędów: statystyka NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency) szeroko stosowana do oceny błędów symulacji długoterminowych (pozwala ona na ocenę poprawności symulowanych wartości w porównaniu do wartości obserwowanych, współczynnik korelacji R pozwala na ocenę współzmienności analizowanych cech, statystyka BIAS służy do oceny tendencji do przeszacowywania lub niedoszacowywania modelowanej charakterystyki
16 Zlewnia nr 15 12 11 2 13 10 6 7 3 4 9 14 1 8 5 Statystyki poprawności modeli Współczynnik korelacji R [-] NSE [-] BIAS [%] 1 0,69 0,5-0,55 2 0,75 0,6 1,47 3 0,70 0,5 0,91 4 0,68 0,5-2,10 5 0,68 0,5-2,13 6 0,71 0,5-2,44 7 0,73 0,5-0,42 8 0,69 0,5 4,23 9 0,78 0,6 6,28 10 0,68 0,5 1,26 11 0,74 0,5-0,38 12 0,68 0,5-1,09 13 0,70 0,5-2,59 14 0,79 0,6 0,17 15 0,57 0,3 1,03 16 0,73 0,4 2,44 3. Obliczona statystyka BIAS wskazuje, że modele dla zlewni nr 1, 4, 5, 6, 7, 11, 12 oraz 13 mają ogólną tendencję do niedoszacowania wartości, pozostałe modele typu opad-odpływ mają ogólną tendencję do przeszacowania wartości. 1. Obliczenia statystyczne miarą NSE wykazały, że niemal wszystkie modele prawidłowo odzwierciedlają czasową zmienność przepływu. Wyjątek stanowią modele zlewni Grano- Buderoser-Mühlenfließ i Schwarzes Fließ, co wiąże się z antropogenicznym zaburzeniem przepływu rzecznego, a tym samym trudnością w prowadzeniu symulacji transformacji opadu atmosferycznego w przepływ modelami numerycznymi. 2. Potwierdzeniem poprawnej symulacji czasowej zmienności przepływów jest uzyskanie stosunkowo wysokiej wartości współczynnika korelacji R, co wskazuje na dobrą współzmienność analizowanych cech.
Systematyczne niedoszacowania, czy przeszacowania niskich i wysokich wartości przepływu sygnalizowane statystyką BIAS są nieznaczne z punktu widzenia celu opracowania modeli typu opad-odpływ. Ostateczne dobre dopasowanie bilansu wodnego oraz średnich wartości przepływu w poszczególnych zlewniach, a także przeprowadzone statystyczne oceny przeprowadzonych symulacji wskazuje na dobre wykalibrowanie modeli na potrzeby opracowania bilansu wodnego zlewni Nysy Łużyckiej. Wykalibrowane modele typu opad-odpływ stanowiły gotowe narzędzie do analizy danych z projekcji klimatycznych, w celu wygenerowania prognozowanych ciągów natężenia przepływu w 16 zlewniach bilansowych. Porównanie średnich wartości przepływów obserwowanych na wodowskazach z wartościami symulowanymi przez modele MIKE NAM: Zlewnia nr Średnie przepływy [m 3 /s] obserwowane symulowane 1 6,05 6,02 2 3,41 3,46 3 1,28 1,29 4 0,94 0,92 5 3,60 3,52 6 1,09 1,07 7 0,77 0,77 8 3,04 3,17 9 1,02 1,08 10 2,27 2,30 11 0,35 0,35 12 0,33 0,32 13 2,05 2,00 14 3,81 3,82 15 0,22 0,22 16 0,30 0,31
Model stanu aktualnego: Model bilansu wodnego (MIKE BASIN) na stan aktualny opiera się o aktualne serie danych natężenia przepływu za okres 11.2000 10.2010. Uwzględnia wielkości poborów i zrzutów - rzeczywiste lub z pozwoleń wodnoprawnych dla użytkowników >10 l/s. Modele prognostyczne: Modele prognostyczne dla okresu 11.2010 10.2100. Opracowane dla pięciu projekcji klimatycznych (trzy z projekcji A1B dla okresów suchego, przeciętnego i mokrego oraz dwie: skrajnie sucha i skrajnie mokra z pozostałych projekcji). Uwzględniają dynamikę przepływu wygenerowaną w oparciu o modele typu opad-odpływ (MIKE NAM). Uwzględniają prognozowane wielkości poborów i zrzutów użytkowników wody zlewni Nysy Łużyckiej.
Natężenie przepływu w wybranych wodowskazach na Nysy Łużyckiej
Łączne wykorzystanie programów pozwala na dynamiczne ujęcie zagadnienia bilansu wodnego metodą modelowania, Prognostyczne modele bilansu wodnego opracowane dla okresu 11.2010 10.2100 oraz pięciu scenariuszy zmian klimatu (trzy z projekcji A1B dla okresów suchego, przeciętnego i mokrego oraz dwie: skrajnie sucha i skrajnie mokra z pozostałych projekcji), wykonywane są przy łącznym użyciu programów MIKE NAM i MIKE BASIN, Modele MIKE NAM (przygotowujące materiał wejściowy do prognostycznych modeli bilansu wodnego), opracowane zostały na możliwie najdłuższych seriach danych, w celu ich wielowariantowego sprawdzenia i wykalibrowania, Kryterium oceny poprawności modeli MIKE NAM było graficzne porównanie wyników modeli i danych źródłowych oraz analiza statystyczna wyników, a także analiza porównawcza średnich wartości przepływów obserwowanych na wodowskazach z wartościami symulowanymi przez modele, Podstawą oceny statystycznej była statystyka NSE (Nash-Sutcliffe Efficiency), która jest szeroko stosowana do oceny błędów symulacji długoterminowych.
Institute of Meteorology and Water Management National Research Institute Wrocław Branch 51-616 Wrocław, ul.: Parkowa 30 Tel.+48 71 32 00 358 Fax.+48 71 328 41 07 www.imgw.pl www.pogodynka.pl