WP-2: Создание структуры базы данных и разработка суб-модели по бассейну реки Некар

Цели и задачи пакета

• Создание базы данных водных ресурсов для бассейна реки Некар
• Разработка, тестирование, оценка и анализ неопределенностей суб-моделей поверхностных водных ресурсов (LARSIM/HBV), качества поверхностных вод (MONERIS/QUALIE/WASP)и подземных вод (MODFLOW)
• Расширение и модификация модели для описания взаимодействия между гидроморфологическими и биологическими свойствами поверхностных вод
• Создание базы данных спроса на воду, а также тестирование, оценка и анализ неопределенностей суб-модели спроса на воду с учетом экономических аспектов
• Создание информационной системы по водным ресурсам, а также тестирование, оценка и анализ неопределенностей суб-модели производства культур
• Определение единиц экономического моделирования, а также адаптация, калибровка и тестирование агро-экономической суб-модели для регионального сельхозпроизводства и сельскохозяйственного спроса на воду
• Создание общей базы данных проекта для бассейна реки Некар

Описание работы

1. Бассейн реки Некар является регионом с максимальной плотностью данных. Следовательно, этот бассейн использован для разработки и адаптации суб-моделей и интегрированной модели MOSDEL II. В первую очередь, создается база данных о водных ресурсах. Необходима информация о геологическом строении, рельефе, гидравлических свойствах, качестве подземных вод, их уровне, отборе подземных вод из скважин, искусственном и естественном восполнении, расходах реки, уровне воды в водохранилище и качестве поверхностных вод.

Эта информация будет собрана из возможных источников и переведена в одинаковый цифровой формат. Для хранения, организации, анализа и визуализации данных будет использован ГИС-среда.

Сбор данных будет проводиться в тесном сотрудничестве с местными властями, исследовательскими институтами и консультантами, в основном, водохозяйственными организациями земли Баден-Вюртемберг. База данных, включая ГИС-обработанную информацию и временные ряды о водопользовании создается для RB1. Данные включают временную изменчивость спроса, его пространственное распределение, экологически чувствительные регионы с минимальным спросом в отношении количества и качества воды и экономических аспектов водоснабжения и очистки сточных вод.

2. Для эффективного использования гидрологических моделей в данном масштабе (14 000 км²) будет разработан препроцессор на основе ArcGIS и ACCESS, который позволит быстрое построение границ суб-водосборов, ячеек сети, сочетая параметры модели с дренажной сетью и ячейками сети. Данные о качестве воды, т.е. эмиссии тяжелых металлов и питательных веществ из разных источников будут представлены LfU на основе MONERIS и обработаны на препроцессоре для создания необходимых входных данных для суб-модели качества воды. Наиболее важной проблемой бассейна являются наводнения и питьевое водоснабжение. Будет проведен анализ влияния изменений климата и землепользования на наводнения и питьевое водоснабжение для разработки стратегии решения этих проблем (2B). Модели поверхностных вод HBV-IWS/LARSIM будут использованы для бассейна реки Некар с использованием передового подхода определения параметров , что связывает данные о водосборе с параметрами модели.

Для определения загрязнения будет использована модель MONERIS (Behrendt et al. 1999) для точечных источников и модель SLYSIS для площадных сельскохозяйственных источников. Использование модели потребует изменения цифровых схем, чтобы адаптировать модель к различным климатическим условиям.

Для имитации качества речной воды будут протестированы модель QUALIE (U.S. EPA 600/3-87/007) и различные цифровые модели, разработанные участником No. 4. Для определения качества озерной воды и воды эстуария имитатор качества WASP (U.S. EPA 600/3-87/039) будет соединен с трехмерной гидродинамической моделью , разработанной участником No.4.

Информация баз данных будет использована для создания концептуальной геогидрогеологической модели бассейна реки Некар. Возможна разработка бассейновых трехмерных моделей в конечных разностях потока грунтовых вод (MODFLOW) и упрощенных моделей транспортировки нитратов и хлоридов (MODPATH). Цифровая модель будет калибрована для условий установившегося потока и окончательно оцененных ролевых данных (переходная).

При изучении влияния масштабных проблем наличие данных, различные разрешения сетки (размер ячейки от 500 х 500 м до 5000 х 5000 м) и номера водоносного горизонта будут выбраны для дискретизации доменов модели. Модель подземных вод будет объединена с гидрологической моделью (HBV, LARSIM) с использованием пакетов MODFLOW "река" и "восполнение". Фильтрация и уровень воды в реке, рассчитанные с помощью HBV (с расчетом уровня воды в реке на препроцессоре), будут использованы в качестве входных данных для определения фильтрационных потерь из реки в подземные воды и восполнения подземных вод.

3. Дальнейшей целью является разработка среднемасштабной имитационной модели среды обитания, основанной на существующей модели CASIMIR (Компьютерная модель для расчета требований на русловой сток реки), и ее расширении в отношении параметров качества воды. Эта модель может быть использована для оценки экологического состояния антропогенно-измененных водоемов. Она является инструментом для определения основных воздействий и разработки реабилитационных мер. Моделирование основано на информации о геометрии и морфологии реки, гидрологии и создании сети. Связь с экологией обоснована требованиями целевых видов к среде обитания.

4. Предпосылкой для устойчивого управления водой может служить описание пространственно-временного расположения водных ресурсов по количеству и качеству. Следует определить экологически чувствительные зоны и анализировать взаимозависимость с водными системами. Основные пользователи (бытовые, промышленные, сельскохозяйственные, туризм и рекреация, экологические требования) характеризуются временным спросом на воду, технологическим уровнем, вкладом в местную и региональную экономику, экологическим воздействием на водопользование. Часть этой работы уже проделана в других модулях типа GAMS, SLISYS. Стоимость водоснабжения, очистки сточных вод основаны на существующих ценах на воду. Воздействие отбора воды и сброса сточных вод на системы поверхностных и подземных вод моделируются последующими модулями. Различные сценарии рассматривают вопросы изменения землепользования, повышения эффективности водопользования и очистки сточных вод, различные темпы роста населения. Наконец, анализ чувствительности поможет определить значимость различных неопределенностей в сценариях и параметрах модели. Работа, в основном, будет проделана на модели WEAP-21.

5. Урожайность культур, почвенная влажность и динамика почвенного раствора, а также формирование грунтовых вод на орошаемых территориях моделируются на модели EPIC. В дальнейшем получаем информацию о питательных веществах (NO₃, фосфаты), органические вещества во взвеси, продукты защиты растений, осадки и урожай культур. Модель будет проверена в бассейне Некар, а ее результаты будут оценены в масштабе поля. Они также будут сопоставлены и гармонизированы с результатами среднемасштабной гидрологической модели. Информационная система земельных ресурсов SLISYS будет использована для улучшения результатов модели культуры. Она состоит из базы климатических и почвенных данных, основанной на подходе SOTER (Цифровая база почвенных данных), рекомендованном ФАО. CORINE, а также дополнительные космические снимки (LANDSAT TM) бассейна реки будут классифицированы и интерпретированы для построения карт землепользования для различных вегетационных периодов.

6. Существующая агро-экономическая модель Бассейна реки Дунай описана во многих публикациях (Dabbert et al. 2002, Rohm and Dabbert 2003, in ANNEX II). Модель нелинейного программирования с использованием техники позитивного математического программирования сельскохозяйственного сектора связана с инструментом агрегирования и и дезинтеграции, который позволяет сводить экономические результаты до требуемого пространственного разрешения в качестве входных данных для моделей естественных наук. Модель сельскохозяйственного сектора включает водопользование для нужд сельского хозяйства. В качестве дисциплинарной инновации проект пытается разработать метод сравнительного легкого использования существующей региональной модели сельскохозяйственного производства в верхнем течении Дуная для других бассейнов.

7. С самого начала структура базы данных для всех трех бассейнов будет доступна всем партнерам. Базовые параметры будут храниться централизованно для всего проекта (физические и административные данные), тогда как дисциплинарная база данных будет оставлена в каждой рабочей группе. С самого начала база данных будет обеспечивать базовые данные каждой рабочей группе и особенно для интегрированной модели. Следовательно, минимальное число переменных будет определено содержанием, временем и пространством. Позднее она будет адаптирована к GIS требованиям потенциальных пользователей. Переменные всех суб-моделей будут использованы для количественной характеристики изменений землепользования и их воздействий на динамику поверхностных вод, исходящую из экономических сценариев, а также неопределенностей параметров, происходящей от неопределенности данных, включая осадки на площади водосбора. Для тестирования моделей будет произведен анализ рисков и надежности. Неопределенности, вызванные ограниченной информацией о физических параметрах и входных данных. Чтобы численно представить эти неопределенности, будут представлены физические коэффициенты и входные параметры как неопределенные числа. Комбинируя эти числа в виде дискретного набора отрезков высокого уровня с надежным численным алгоритмом и используя принцип расширения, будут получены надежные неопределенные численные имитации (Ganoulis et al. 1996).

Результаты

• Адаптированная модель спроса на воду и экономических аспектов в бассейне реки Некар
• Тестированная суб-модель качества поверхностных вод в бассейне реки Некар
• Прототип суб-модели взаимодействия между гидроморфологическим и биологическим качеством
• Тестированная суб-модель продуктивностьи культур и экологического воздействия
• Сдвоенные и адаптированные модели поверхностных водных ресурсов, подземных вод и качества воды в бассейне реки Некар, включая взаимодействие между гидроморфологическим и биологическим качеством и анализом неопределенности
• Агро-экономическая модель, включая продуктивность культур в бассейне реки Некар
• Информационная система по земельным ресурсам в бассейне реки Некар

Основные этапы и ожидаемые результаты

• Спецификация структуры базы дынных и форматы данных
• Созданная база данных водных ресурсов
• Прототип суб-модели поверхностных водных ресурсов, включая качество воды по WP-3
• Прототип суб-модели продуктивности культур и экологического воздействия по WP-3
• Созданная база данных земельных ресурсов
• Созданная база данных спроса на воду
• Суб-модель спроса на воду по WP-3
• Прототип агро-экономической суб-модели по WP-3
• Суб-модель подземных вод, включая качество по WP-3
• Созданная база данных по бассейну реки Некар
• Созданная модель взаимодействия между гидроморфологическим и биологическим качеством

Дизайн:
НИЦ МКВК