MIKE 11 model til beskrivelse af iltvariation i Østerå
Formål
Formålet med denne model er at blive i stand til at beskrive
den naturlige iltvariation over døgnet i Østerå. Til beskrivelse af denne
er der til strømningsmodellen tilføjet et advektion-dispersions
modul, der beskriver den advektive og dispersive stoftransport i vandløbet.
Desuden er der tilføjet et vandkvalitetsmodul, hvor processer som respiration,
fotosyntese og geniltning er beskrevet. Iltvariationen er således forsøgt
beskrevet ved hjælp af disse processer ud fra forsøgsbestemte konstanter.
Advektion – Dispersions modulet (AD)
AD modulet er en overbygning til HD modulet i MIKE 11. For at opnå en tilfredsstillende beskrivelse af stoftransporten kræves en korrekt beskrivelse af hydrodynamiske parametre som vandføring, vandstand, tværsnitsarealer etc. Resultatfilen fra strømningsmodellen er anvendt som initialbetingelse ved beregning i AD modulet. Dette er gjort for at opnå en mere stabil beskrivelse af stoftransporten.
I AD modulet i MIKE 11 er de tilstandsvariable, der ønskes beskrevet, defineret. De tilstandsvariable, der er medtaget i AD modulet er opløst ilt, BOD og temperatur. For hver variabel kræves initial – og randbetingelser til den numeriske løsning af advektion-dispersions-ligningen. Desuden er dispersionskoefficienten defineret i AD modulet. Dispersionskoefficienten er forsøgt bestemt i modellering af sporstofforsøg.
På den øvre rand ved Indkildevej er iltvariationen over døgnet anvendt som randbetingelse for opløst ilt. Denne variation er fundet på baggrund af målinger foretaget den 07.09.04 ved station 5 ca. 800 m nedstrøms øvre rand, se Figur 1.
Figur 1 Iltvariation på øvre rand ved Indkildevej [mg/l].
Den målte variation, er antaget at være gældende på randen i en given periode før og efter målingerne er foretaget.
Temperaturvariationen i vandfasen er ikke målt på samme tid som iltvariationen. På baggrund af enkelte målinger den efterfølgende dag (08.09.04) er nedenstående temperaturvariation antaget at være gældende, se Figur 2.
Figur 2 Vandtemperaturvariation [ºC].
Denne variation er antaget at være gældende på hele å strækningen.
På nedre rand er det antaget at iltkoncentrationen er
konstant. I praksis er iltkoncentrationen på nedre rand uden betydning, idet
randen i modellen er defineret som typen ”open transport”. Det vil sige, at
ilten på nedre rand transporteres ud af modellen uden at påvirke forholdene
opstrøms i modellen. Ved simulering af den naturlige iltvariation er der set
bort fra BOD i vandløbet. Den naturlige iltvariation er modelleret ved hjælp af
konstanter for fotosyntese, respiration og geniltning sammenlignelige med
konstanterne fundet ved forsøg. Her indgår evt. respiration i form af BOD
nedbrydning i respirationskonstanten.
[Til toppen] [Tilbage]
Vandkvalitetsmodulet WQ ECO Lab
WQ ECO Lab modulet er baseret på resultater fra HD og AD
modulerne i MIKE 11. Her beskrives de processer, der har indflydelse på tilstandsvariable
defineret i AD modulet. I WQ ECO Lab modulet defineres en række konstanter,
der har betydning for iltvariationen i vandløbet. De konstanter, der har størst
indflydelse på iltkurvernes forløb, er konstanterne for fotosyntese, respiration
og geniltning. Disse er beregnet på baggrund af iltmålingerne i Østerå.
[Til toppen] [Tilbage]
Modelresultater
Med ovenstående modelopsæt er det forsøgt at opnå en tilfredsstillende beskrivelse af iltkoncentrationens variation over døgnet i Østerå. Idet iltmålingerne fra station 5 er anvendt som randbetingelse, er der kalibreret efter de 4 tilbageværende målinger.
Da konstanter for fotosyntese, respiration og geniltning er beregnet på baggrund af de målte iltkurver, bør det være muligt at beskrive forløbet af disse i modellen vha. de beregnede værdier. De beregnede værdier ses i Tabel 1.
|
Proces |
Odums metode |
TH & KR/Grafisk metode |
|
Fotosyntese [mg/l/d] |
12,4 |
10,8 |
|
Respiration [mg/l/d] |
26,4 |
15,1 |
|
Geniltning [d-1] |
7,9 |
1,0 |
Tabel 1 Beregnede middelværdier for fotosyntese, respiration og geniltning. Værdierne er beregnet ved hhv. Odums og TH & KR/Grafisk metode.
Ved indsættelse af de beregnede værdier for fotosyntese, respiration og geniltning i WQ ECO Lab er det erfaret, at det ikke er muligt at opnå en tilfredsstillende beskrivelse af døgnvariationen i iltkoncentrationen i Østerå. Dette er illustreret ved at plotte simuleret iltkoncentration overfor den målte iltkoncentration. På Figur 3 og Figur 4 ses simulerede og målte iltkoncentrationer i henholdsvis station 2 og station 4.
Figur 3 Rød kurve angiver simulering foretaget med værdier beregnet med TH & KR/Grafisk metode. Lilla kurve angiver simulering foretaget med værdier beregnet med Odums metode. Blå markeringer angiver målte iltkoncentrationer i station 2 opstrøms fisketrappen.
Figur 4 Rød kurve angiver simulering foretaget med værdier beregnet med TH & KR/Grafisk metode. Lilla kurve angiver simulering foretaget med værdier beregnet med Odums metode. Blå markeringer angiver målte iltkoncentrationer i station 4 ved Over Kæret.
Det fremgår heraf at amplituden på de simulerede iltvariationer ikke stemmer overens med den målte. Amplituden
på iltkurverne afhænger netop af størrelsen på fotosyntese, respiration og
geniltning. På trods af at de 3 nævnte parametre er beregnet på baggrund af
målinger, er det valgt at kalibrere på disse for at opnå bedre overensstemmelse
mellem modellerede og målte koncentrationer.
For at opnå en tilfredsstillende overensstemmelse mellem simuleret iltkoncentration i de 4 stationer kræves en betydelig større fotosyntese og respiration, se Tabel 2.
|
Proces |
Odums metode |
TH & KR/Grafisk metode |
Kalibreret værdi |
|
Fotosyntese [mg/l/d] |
12,4 |
10,8 |
43,5 |
|
Respiration [mg/l/d] |
26,4 |
15,1 |
25,0 |
|
Geniltning [d-1] |
7,9 |
1,0 |
1,7 |
Tabel 2 Beregnede og kalibrerede globale værdier for fotosyntese, respiration og geniltning.
På grund af den horisontale variation i iltkoncentrationen er det nødvendigt at definere lokale værdier for fotosyntese, respiration og geniltning. Fisketrappen er et eksempel på et sted i modellen, hvor det er nødvendigt at definere en lokal værdi for geniltningen for at beskrive dennes indflydelse på iltkoncentrationen. De lokalt definerede værdier ses i Tabel 3.
|
Proces |
Værdi [per dag] |
Sted |
|
Geniltning [d-1] |
2,5 |
før Ny Kærvej |
|
|
2,5 |
før fisketrappe |
|
|
30 |
efter fisketrappe |
|
|
35 |
bro før Sønderbro |
|
Respiration [mg/l/d] |
10 |
v. Over Kæret |
|
|
10 |
v. Ny Kærvej |
|
|
10 |
efter fisketrappe |
|
|
45 |
bro før Sønderbro |
|
Fotosyntese
[mg/l/d] |
32 |
v. Over Kæret |
|
|
33 |
v. Ny Kærvej |
|
|
4 |
før fisketrappe |
|
|
0 |
efter fisketrappe |
|
|
0 |
bro før Sønderbro |
Tabel 3 Lokale værdier for fotosyntese,
respiration og geniltning anvendt under kalibreringen.
Med ovenstående værdier er kalibreringsresultatet, som ses
på Figur 5 til Figur 8 opnået. Generelt er de kalibrerede værdier for fotosyntese
højere end både erfaringsværdier og værdier fundet ved forsøg. Værdierne for
respiration ligger generelt tættere på værdierne fundet ved forsøg samt erfaringsværdier
for danske vandløb [Jacobsen Hvidtved, 1979]. Med
hensyn til geniltningskonstanten ligger den kalibrerede værdi tættest på værdien
fundet ved TH & KR/Grafisk metode. De lokale høje værdier omkring fisketrappen
skyldes den lokalt forøgede geniltning forårsaget af denne.
Figur 5 Simuleret (rød) vs. målt (blå) iltkoncentration i station 4 ved Over Kæret. Korrelationskoefficient = 0,74.
Figur 6 Simuleret (rød) vs. målt (blå) iltkoncentration i station 3 ved Ny Kærvej. Korrelationskoefficient = 0,92.
Figur 7 Simuleret (rød) vs. målt (blå) iltkoncentration i station 2 opstrøms fisketrappen. Korrelationskoefficient = 0,93.
Figur 8 Simuleret (rød) vs. målt (blå) iltkoncentration i station 1 nedstrøms fisketrappen. Korrelationskoefficient = 0,95.
Generelt ses det, at modellen beskriver koncentrationsforløbet med størst nøjagtighed i dagtimerne, hvor koncentrationen stiger. Koncentrationsforløbet om natten er generelt beskrevet dårligt i modellen. Denne uoverensstemmelse er mest udtalt i station 4 ved Over Kæret. Korrelationskoefficienten er beregnet til mellem 0,74 og 0,95 med den laveste korrelation ved stationen længst opstrøms.
På trods af at modellen ikke beskriver koncentrationsforløbet
korrekt over hele døgnet vælges det alligevel at anvende den til beskrivelse
af efterfølgende scenario, hvor der sker en BOD tilledning til Østerå. Dette
anses som værende rimeligt, idet det er minimum værdier for iltkoncentrationen,
der er af størst interesse ved beskrivelse af konsekvenserne ved en tilledning.
Disse beskrives tilfredsstillende i modellen.
[Til toppen] [Tilbage]
Dispersionskoefficientens indflydelse på iltkoncentrationen
Det er i modellering af sporstof fundet, at der er uoverensstemmelse i sammenhængen mellem vandhastighederne i MIKE 11 og den anvendte dispersionskoefficient. Som tidligere nævnt beregnes en middelhastighed over de enkelte tværsnit i modellen, hvilket giver en forholdsvis lav hastighed sammenlignet med hastigheden fundet på baggrund af sporstofforsøget. Det er af denne grund undersøgt, hvorvidt dispersionskoefficienten har indflydelse på den modellerede iltvariation. På Figur 9 ses iltvariationen ved en dispersionskoefficient på hhv. 4,8 m2/s og 0,6 m2/s.
Figur 9 Iltvariationen i station 4 med en dispersionskoefficient på hhv. 4,8 m2/s (blå) og 0,6 m2/s (rød). Korrelationskoefficient = 1,0.
Det fremgår af ovenstående at dispersionskoefficienten er
uden betydning ved beskrivelse af iltvariationen i åen. Dette vil imidlertid
ikke være tilfældet ved modellering af den BOD transport og omsætning, der
foregår i vandløbet eksempelvis ved en overløbshændelse. Af denne grund er
begge dispersionskoefficienter anvendt ved modellering af overløbshændelse.
Sammenfatning
Den naturlige iltvariation er indledningsvis forsøgt
modelleret med konstanter for geniltning, respiration og fotosyntese fundet
på baggrund af målinger. Det er her erfaret at det ikke er muligt
at opnå en tilfredsstillende beskrivelse af iltvariationen med disse.
Derfor er der kalibreret på disse konstanter. Med værdier der
afviger væsentligt fra de forsøgsbestemte, er der opnået
rimelig overensstemmelse mellem målt og modelleret iltkoncentrationsforløb.
Den bedste overensstemmelse er opnået nedstrøms. På grund
af variationer i åens biologiske og fysiske udformning, er det nødvendigt
at definere lokale værdier for geniltning, respiration og fotosyntese.
Eksempelvis er det nødvendigt at definere en lokalt forøget
geniltning omkring fisketrappen. Afslutningsvis er det undersøgt hvilken
indflydelse dispersionskoefficienten har på iltvariationen. Her er det
fundet at denne er uden betydning for den naturlige iltvariation.
[Til toppen] [Tilbage]