HYPE

HYdrological Predictions for the Environment

HYPE är en hydrologisk modell för integrerad simulering av flöden och omsättning av vatten och näringsämnen. Den ger möjligheter för att beräkna faktorer knutna till vattenresurser och vattenkvalitet, men också annan hydrologisk information med mycket hög geografisk detaljeringsgrad.

HYPE simulerar vattenflöden och ämnen från nederbörd genom mark och åar och sjöar till vattendragets utlopp, se figur 1. Avrinningsområdet delas upp i delområden och vidare i klasser beroende på markanvändning, jordart och höjd. Klasserna är inte kopplade till en geografisk plats inom delområdet utan anges som en andel av delområdet.

Typiska markanvändningar kan vara skog, sjö, öppen mark, men även indelning i olika grödor t ex vete, potatis används. Höjdindelning kan användas för att temperaturen som påverkar snöförhållandena ska variera inom ett delområde.

HYPEschema 2013
Figur 1. Schematisk bild av HYPE-modellen.
Förstora Bild

Modellen hanterar till skillnad från HBV/HBV-NP vattnets flödesvägar i mark och ämnesomsättningen i marken för olika markklasser. Marken delas upp i flera skikt vilka kan ha olika tjocklek. Till exempel brukar jordbruksmark delas upp i tre skikt för att simulera näringsämnesomsättningen.

Modellens parametrar är kopplade till markanvändning, t ex avdunstningsparametrar, jordart, t ex vattenhållande förmåga, eller är generella för hela avrinningsområdet. Att parametrar på detta sätt kopplas till geografisk information gör modellen bättre anpassad för beräkningar i avrinningsområden utan observationer.

Vattenkvalitet

HYPE simulerar näringsämnena kväve och fosfor uppdelade i fraktionerna oorganiskt respektive organiskt kväve och löst reaktivt respektive partikulärt fosfor (se exempel i Figur 2). Även organiskt material och konservativa ämnen som t ex O18 kan simuleras. Beräkningarna görs med dagligt tidssteg för vattenvolymer och koncentrationer, medan resultat även kan fås som medel över en period och i form av transporter och källfördelning.

HYPE modellen resultat
Figur 2. Simulerade och observerade värden under anpassning av modellparametrar för olika platser i Sverige: grundvattendjup, vattenföring, Tot-N (totalkvävekoncentration) och TP (totalfosforkoncentration).
Förstora Bild

Modellbeskrivning

Modellens uppbyggnad beskrevs utförligt av Lindström m fl (2010). Modellen har med de viktigaste källorna och sänkorna för kväve och fosfor i mark, sjöar och vattendrag, liksom en förenklad beskrivning av omsättningen av dessa ämnen samt flöden av vatten och näringsämnena genom det hydrologiska systemet.

Datorprogrammet bakom modellen är skrivet i FORTRAN95, och konstruerat så att tillämpningar med hög rumslig uppdelning ska vara möjliga. I en tillämpning av modellen görs en indelning i delavrinningsområden, och dessa delas i sin tur in i markklasser. En markklass är en kombination av en jordart och en markanvändning. De flesta av modellens parametrar är kopplade till antingen jordart eller markanvändning. En vertikal uppdelning i markskikt kan göras, för närvarande maximalt tre skikt (Figur 3).

Markens vattenhållande egenskaper, främst porositeten och mängden växttillgängligt vatten, knyts i modellen till jordart. Vattenbalansen beräknas individuellt för varje markskikt. När de största porerna börjar fyllas med vatten uppstår grundvattenavrinning Grundvattenytans läge i markprofilen beräknas som funktion av andelen av de största porerna som är vattenfyllda. Utflöde kan också ske ur dräneringsrör i jordbruksmark.

HYPE FoUh fig 3
Figur 3. Schematisk beskrivning av HYPE-modellen, uppsatt för en markklass uppdelad i tre markskikt, med flöden och omsättning av vatten och näringsämnen i mark, vattendrag och sjö.
Förstora Bild

Ytavrinning kan uppstå om infiltrationshastigheten inte räcker vid intensiv nederbörd, samt om grundvattenytan går upp till markytan. Makroporer kan leda vatten direkt till dräneringsrören vid intensiv nederbörd. En erosionsmodul finns för uppskattning av hur mycket partikulärt bundet fosfor som frigörs vid regn eller ytavrinning. Flödena från de olika markklasserna läggs samman och transporteras vidare genom vattendrag och sjöar.

I HYPE-modellen kan man ta hänsyn till de viktigaste källor och sänkor av kväve och fosfor (t ex gödsling, nedplöjning av växtrester, atmosfäriskt nedfall, denitrifikation och växtupptag). Två fraktioner vardera av kväve och fosfor behandlas: oorganiskt och organiskt kväve, respektive löst och partikulärt bundet fosfor. Näringsämnen följer samma vägar som vattnet.

Budgetberäkningar görs för de olika variablerna, och mängderna av respektive ämne i pooler i varje markskikt beräknas fortlöpande. Likartade jordart, och likartade grödor, kan slås ihop i grupper för att förenkla beräkningarna. Datum för sådd och skörd måste anges för varje typ av gröda. Modellstrukturen är densamma för alla vegetationsklasser. Skillnader mellan klasser fås genom att man sätter olika parametervärden.

I vattendrag och sjöar beskrivs denitrifikation, mineralisering, primärproduktion, sedimentation, och i vattendrag beskrivs resuspension från botten. Magasineringen och vattenståndsförändringar i sjöar beräknas kontinuerligt. Utflödet bestäms av en avbördningskurva eller en enkel regleringsrutin. Modellen innehåller ett stort antal parametrar, för vilka värdena måste bestämmas inför en tillämpning.

Jämfört med beskrivningen av HYPE-modellen som gavs av Lindström m.fl. (2010) har modellen vidareutvecklats i flera avseenden, bl a

  • nederbördens intensitet, och betydelsen av denna för erosionen, har förbättrats
  • kantzoner utmed vattendrag och diken har införts
  • modellen kan ta hänsyn till atmosfärsdepositionens rumsliga variation och beroende av markanvändning

Användning i olika regioner

HYPE utvecklas idag för Sverige, Östersjöns avrinningsområde, Europa och La Plata i Sydamerika. Hela Sverige sätts upp för beräkning av avrinning och näringsämnestransporter i 17 313 delområden. Europa sattes upp i grövre upplösning med hjälp av globala data set för att beräkna vattenflödet till havet.

Referenser

  1. Arheimer, B., Dahné, J., Donnelly, C., Lindström, G., Strömqvist, J. 2011. Water and nutrient simulations using the HYPE model for Sweden vs. the Baltic Sea basin – influence of input-data quality and scale. Hydrology research 43(4):315-329.
  2. Arheimer, B., Dahné, J., Lindström, G. Marklund, L. and Strömqvist, J. 2011. Multi-variable evaluation of an integrated model system covering Sweden (S-HYPE). IAHS Publ. 345:145-150.
  3. Arheimer, B., Wallman, P., Donnelly, C., Nyström, K. and Pers, C. 2011. E-HypeWeb: Service for Water and Climate Information – and Future Hydrological Collaboration across Europe? International Symposium on Environmental Software Systems (ISESS), IFIP Advances in Information and Communication Technology, Vol. 359.
  4. Arheimer, B., Lindström, G., Pers, C., Rosberg, J. och J. Strömqvist, 2008. Development and test of a new Swedish water quality model for small-scale and large-scale applications. XXV Nordic Hydrological Conference, Reykjavik, August 11-13, 2008. NHP Report No. 50, pp. 483-492.
  5. Donnelly, C., Strömqvist, J. and Arheimer, B. 2011. Modelling climate change effects on nutrient discharges from the Baltic Sea catchment: processes and results. IAHS Publ. 348:1-6.
  6. Donnelly, C., Dahné, J., Strömqvist and Arheimer, B. 2010. Modelling Tools: From Sweden to Pan-European Scales for European WFD Data Requirements. Proceedings BALWOIS conference on Water Informaion and Observation Systems, May 2010, Macedonia.
  7. Donnelly, C., Dahné. J., Rosberg, J., Strömqvist, J., Yang, W. and Arheimer, B. 2010. High-resolution, large-scale hydrological modelling tools for Europe. IAHS Publ. 340:553-561.
  8. Donnelly, C., J. Dahné, G. Lindström, J. Rosberg, J. Strömqvist, C. Pers, W. Yang och B. Arheimer, 2009. An evaluation of multi-basin hydrological modelling for predictions in ungauged basins, 8th IAHS Scienticic Assembly, Hyderabad.
  9. Lindström, G., Pers, C.P., Rosberg, R., Strömqvist, J., Arheimer, B. 2010. Development and test of the HYPE (Hydrological Predictions for the Environment) model – A water quality model for different spatial scales. Hydrology Research 41.3-4:295-319.
  10. Strömqvist, J., Arheimer, B., Dahné, J., Donnelly, C. and Lindström, G. 2011. Water and nutrient predictions in ungauged basins – Set-up and evaluation of a model at the national scale. Hydrological Sciences Journal, 57:2, 229-247.
  11. Strömqvist, J., J. Dahne, C. Donnelly, G. Lindström, J. Rosberg, C. Pers, W. Yang och B. Arheimer, 2009. Using recently developed global data sets for hydrological predictions, 8th IAHS Scienticic Assembly, Hyderabad.