S-HYPE och Kustzonmodellen 1 Niclas Hjerdt

Varför behövs modeller i vattenförvaltningen?  Interpolera i tid och rum.  Kvalitetssäkring av observationer.  Effektivisera miljöövervaktningen.  Beräkna källfördelning av utsläpp.  Beräkna beting för ÅP.  Scenarieberäkning för ÅP.

Kopplade modeller i svensk vattenförvaltning 5 vattendistrikt delavrinningsområden och 600 kustbassänger Hydrologi HYPE modellen dynamisk (dygn) Integrerad processbaserad semi-distribuerad (HRU) vattenflöde & vattenkvalitet Oceanografi Kustzonmodellen: 1-dim dynamisk (10 min.) 1 m vertikal upplösning mekanistisk 45 interna variabler flöden, kemi, biologi Meteorologi PTHBV modellen dynamisk (dygn) 4*4 km nationellt grid Areellt interpolerade observationer Nederbörd och lufttemperatur

HYPE för Sverige: S-HYPE 2004 Utveckling påbörjas 2009 HYPE är uppsatt och kalibrerad för 17,313 delområden i Sverige (S- HYPE2008) 2010 Resultat från S- HYPE2008 publiceras online på SMHI VattenWebb. Vid årsslutet har över 2600 unika användare hämtat datatidsserier från S-HYPE Ny version med 37,838 delområden kalibreras (S- HYPE2010). S-HYPE2010 kopplas till Kustzonmodellen som beskriver tillståndet utmed svenska kusten. Resultaten publiceras i VattenWebb.

Soil/Land use classes (SLC) (Ex. Ryttarbacken i Söderköpingsån) De flesta parametrarna är kopplade till jordart och markanvändning. JordarterMarkanvändningSLC+

HYPE – Hydrological Predictions for the Environment

Indata Data typeDataResolutionSource Meteorological dataPrecipitation, air temperature. Daily subbasin means from 1961 to present date 4 km grid based on precipitation and temperature station data The PTHBV database (SMHI), Johansson (2002) Geographical dataSubbasin areasAverage = 10 km 2, median = 6 km 2 Swedish Water Archive (SMHI) Soil typeGrid, based on sampling with variable spatial resolution Soils Database (Geological Survey of Sweden) Land use250 mCorine Land Cover 2000 (Lantmäteriet; the Swedish mapping, cadastral and land registration authority) Elevation50 mGSD-Terrain Elevation Databank (Lantmäteriet) Hydrographical networkSome km of main stream length 1) Swedish Water Archive (SMHI) Lake informationDepths, regulation rules, rating curve 8542 outlet lakes SpecificSwedish Water Archive (SMHI) Soil nutrient contentInitial nutrient storageNational averages based on thousands of soil samples 2) Eriksson et al. (1997), Johnsson et al. (2008), SLU (2006, 2009)

Indata, forts. Data typeDataResolutionSource Agricultural practicesManure and inorganic fertiliser application, crop husbandry. Timing and amount for fertilisation, sowing and harvesting. 18 regionsStatistics Sweden, SMED consortium, Johnsson et al. (2008) Emissions  Rural house holds  Industries and waste water treatment plants  Atmospheric deposition  Nutrients in urban storm water  270 municipalities  143 industries and 1313 waste water treatment plants  11 km grid, based on MATCH model interpolations  empirical data and land use  Statistics Sweden, Swedish Environmental Research Institute, SMED consortium  County administration boards’ emission registry (EMIR),  SMHI  Ryegård et al., (2007) Calibration/validation  Discharge  Lake water levels  Snow depth  Nitrogen and Phosphorous  (<)447 stations  ~ 100 stations  ~ 600 stations  875 stations  SMHI  SLU: NMÖ & SRK

Kalibrering vatten och vattenkvalitet Generella parametrar 1. Markparametrar i små, sjölösa typområden, (enhetliga jordarter, enhetlig markanvändning) 2. Fokus på grundvattenytans variation och flödesvägar 3. Därefter N och P 4. Sjöar och vattendrag, små (<200 km2) områden 5. Sjöar och vattendrag, hela vattendrag, små och stora samtidigt Specifika parametrar 1. Viktiga sjöar, helst där det finns mätningar i inflöde och utflöde 2. Avvikelser i avdunstning, sjöavbördning, denitrifikation och erosionsbehägenhet för huvudavrinningsområden Iterativt

67 Motala ström R2Q = 0.54, rTN = 0.83, rTP = 0.37

Utvärdering av vattenkvalitet från S-HYPE KväveFosfor

Medelabsolutfel vid mynningsstationerna för S-HYPE baserad på SVAR-2008 och SVAR-2010 (dygnsvärden, ).

Båthusströmmen Trängslet Åsen Väsa Blyberg Spjutmo Foto: Leif Kuhlin

Nationellt heltäckande underlag på vfk-skalan  Modellberäknad vattenföring med uppdatering vid kraftverksdammar.  Modellberäknad naturlig vattenföring med rekonstruerade avbördningskurvor.  Vattenföringsstatistik nuläge/naturlig vattenföring (MLQ, MQ, MHQ, HQ2, HQ10, HQ50).  Regleringsgrad (från modellen).  Nytt nationellt dammregister under utveckling. Begränsningar:  Inga korttidsregleringar, modell med dygnsupplösning.  Bristfällig information om överledningar, minimitappningar, magasinsvolymer. Kommer successivt att förbättras.

Miljötillstånd & korttidsprognoser Interpolation och extrapolation av mätdata. Absoluta värden Miljöanalys & scenarier Analysera orsak-verkan, effekter av åtgärder, klimatscenarier, etc. Relativa värden 15 SMHI beräkningsmodeller KalibreringMätdata Uppdatering

Kustzonsmodellen 16 HBV / S-HYPE Utsjöns tillstånd Nationell miljöövervakning PROBE-Baltic PROBE SCOBI Meteorologi Moln, luftfuktighet, temperatur, vind, nederbörd Havsbassänger SMHI, SVAR Avrinningsområden SMHI, SVAR Atmosfärsdeposition MATCH-modellen, litteratur Markanvändning Typhalter, punktutsläpp SMED WEB-baserat Användargränssnitt för analys och scenariestudier

17 Fysisk modell - PROBE -Program for Boundary Layers in the Environment Följande fysikaliska processer beräknas : – ytvattenblandning – djupvattenblandning – uppvärmning och avkylning genom vattenytan – isläggning, tillväxt och smältning – horisontellt vattenutbyte mellan bassängerna beräknings cell yta djup dz Botten yta -Generell differentialekvation: -Beräknar den vertikala variationen av 15 variabler (u, v, h, s, k, e, phy, zoo, det, nbt, pbt, no3, nh4, po4, o2) -Horisontell upplösning beror på antalet bassänger

Vattenutbyte mellan två bassänger 18 Bassäng 1 Bassäng 2 Tillrinning från Land Hav Sund ρ1ρ1 ρ2ρ2 ρ ut ρ 1 < ρ 2 < ρ ut ρ 1 > ρ 2 > ρ ut byter flödena riktning ρ = täthet Sundflödet i kustzonsmodellen beror på täthetsskillnaden mellan bassängerna sunddjup och tvärsnittsarea Flödesriktningen gäller om om

19 Randvärden - havet  PROBE-Baltic/SCOBI  13 bassänger  Dataassimilation

20 Exempel Bråviken

21 Bråviken modell Inre Bråviken Mellersta Bråviken Yttre Bråviken Ållonö fjärden Svensksunds- viken Bråvikens kustvatten Utsjön Motala ström

Bråviken validering  Inre Bråviken – Station GB20  Temperatur, salthalt, syrgas  Salthalt – tillrinning Motala ström  Lägre O 2 vid botten

23 Biogeokemisk modell - SCOBI -Swedish Coastal and Ocean Biogeochemical model För varje cell och tidssteg beräknas följande: - Fosfat -Nitrat -Ammonium -Syre -Växtplankton -Djurplankton -Detritus -Bentiskt detritus som kväve och fosfor

Bråviken validering  Inre Bråviken – Station GB20  Totalkväve, totalfosfor  Årsvariation syns  Fosfor från botten?

Kustzonmodellens beskrivning av Blekinge skärgård

Norra Östergötland Braviken

B Bråvikens kustvatten V Gotlandshavets utsjövattenBY31 B Sillöfjärden B Marsviken B Yttre Bråviken B Mellersta Bråviken B Inre Bråviken B Svensksunds- viken B Ållonöfjärden B Bosöfjärden B Arkösund B Arköfjärden B St Annas Skärgårds- kustvatten B Aspöfjärden B Lönshuvud- fjärden B Rimmöfjärden B Trännöfjärden B Inre Slätbaken B Merumsfjärden B Kärrfjärden B Hålfjärden Ett konservativt spårämne som sprids från Braviken pappersbruk med flödet 1 m 3 /s och koncentrationen 1000 resulterar i följande ytvattenkoncentrationer: S025 S024 S023 B BB B B BB B B B B B B B B B B B B B B B B B B B B Motala Ström B Pampus- fjärden B B Bråviken och Slätbaken Braviken Konc 1000

Tack för uppmärksamheten!