SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation N ... · Uberblick¨ uber das Projekt ......

SAPHIRSAxonian Platform for High PerformanceIRrigationN. Schutze, K. Barfus, U. Grießbach, S. Kloß,

P. Rohm, S. Seidel, P. Stange, M. Wagner, S. WerischSAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 1 / 41

Gliederung

Uberblick uber das Projekt

Virtuelles Feld und Versuche

Modellierung und Simulation

robuste Kalibrierung anhand von Versuchsdaten

erhobene Versuchsdaten

Stochastische Ertragsfunktion

Regionales Informationssystem

Konzeption des Informationssystems

Okonomische Betrachtungen

Umsetzung - Informationssystem

SAPHIR SAxonian Platform for High Performance IRrigation Lehrstuhl fur Hydrologie (TU Dresden) 2 / 41

ESF Projekt SAPHIR

◮ ESF Forderprogramm fur Nachwuchsforschergruppen

◮ IHM: 8 Mitarbeiter, verschiedene Disziplinen

◮ Ausbildung von Bewasserungsexperten durch angewandte

Forschung und Entwicklung

◮ Projektlaufzeit: August 2012 - Dezember 2014

◮ Methoden- und Prototypenentwicklung


Motivation des Projekts

◮ Ausbildung von Fachkraften (angewandte Agrarforschung)

◮ Bewasserungstechnik und –management in Sachsen nicht

flachendeckend auf dem Stand der Technik

◮ laut prognostiziertem Klimawandel Zunahme heißer, trockener

Sommer und gleichzeitig Niederschlagsruckgang in der ersten

Vegetationsperiode

◮ international steigt der Bewasserungsbedarf (Klimawandel,

Bevolkerungswachstum)

◮ Fokus auf Tropfbewasserung


Zwei Hauptkomponenten von SAPHIR

◮ Entwicklung eines optimierten Bewasserungsmanagements

einschließlich okonomischer Betrachtungen fur sachsische

Landwirtschaftsbetriebe (virtuelles Feld)

◮ Entwicklung eines regionalen Informationssystems fur die

Ermittlung der Bewasserungswurdigkeit und Ertragssicherheit in

Sachsen


Saphir - Uberblick

virtuelles Feld

Experimente

sortenspezi�scheP�anzenparameter

standortspezi�scheBodenparameter

Optimierung des Bewässerungsmanagements

SCWPFs UnsicherheitBoden

UnsicherheitKlima

Y

I

Ökonomie Feldskala

Ökonomie Regionalskala

Kosten Kosten

BewässerungswürdigkeitZusatzwasserbedarf

Gewinnfunktion

Erträge Erträge


Saphir - Virtuelles Feld und Versuche

virtuelles Feld

Experimente





UnsicherheitKlima

Ökonomie Feldskala

Kosten

Gewinnfunktion

ErträgeErträge

op

tim

ale

Bew

ässe

run

gsp

län

e


Kosten



Gliederung












Simulationsbasiertes virtuelles Feld

◮ Abbildung zentraler Prozesse im System Boden - Pflanze -

Atmosphare durch Modelle einschließlich der Auswirkungen

verschiedener Bewirtschaftungspraktiken (z.B. Bewasserung)

tic

representation of the

odel

main

tation,

and a soil component.

Ma

cro

pore

s

Pestic

ide

Ma

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Nitr

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Ma

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Wate

r

Soil

Uptake

Turnover

Sorption

Transport

Phase

change

BioclimateSVAT

Light distribution

InterceptionSnow accumulation

VegetationGrowth

Photosynthesis

RespirationUptake

Numeric layer

Parameters:Soil Data

Vegetation

Data

Driving

variables:Weather Data

Management

Data


Optimales Bewasserungsmanagement

1. Durchfuhrung spezifischer Versuche zur Kalibrierung und

Validierung der Modelle und Optimierungstechniken

2. Bereitstellung von Pflanzenwachstumsmodellen fur Sachsen

3. Umfangreiche Simulations- und Optimierungsrechnungen mit

dem virtuellen Feld fur reprasentative Standorte in Sachsen

◮ Ermittlung eines optimalen Bewasserungsmanagements◮ Bewasserungsplane◮ Planung von Bewasserungsanlagen◮ Kosten-Nutzen-Analysen


Simulationsbasiertes virtuelles Feld - Optimierung

Bewässerungssysteme der

landwirtschaftlichen Praxis

Erstellung des virtuellen Feldes

Modellierung von P�anzen-

wachstum und Wassertransport

Implementation der Bewässerungs-

planung und Steuerung optimale Bewässerungsplanung

und -steuerung

Bewässerungsplan

Ertrag

Wasserproduktivität

optimales

Bewässerungs-

management

Optimierung

OCCASION

P�anzenwachs-

tumsmodell


Gliederung












Kalibrierung und Validierung der virtuellen Felder

◮ Durchfuhrung von Experimenten an 3 Standorten◮ LfULG Pillnitz◮ Lysimeterstation Brandis◮ Gewachshaus Durnast, TU Munchen

◮ Intensive Datenerhebung◮ Pflanzenkennwerte (LAI, Ertrag ...)◮ Saugspannung, Wassergehalt

◮ Modellkalibrierung und -validierung anhand von erhobenen

Versuchsdaten


LfULG Pillnitz

◮ 2009 - 2014

◮ Bewasserungs- und Sortenversuche

◮ Erbse, Zwiebel, Weißkohl, Buschbohne

◮ Modellkalibrierung, Test von 2 Bewasserungsstrategien


LfULG Pillnitz - Bewasserungsstrategie

◮ Sensorgesteuerte Tropfbewasserung◮ Bewasserung von 15 mm bei 200 hPa auf 30 cm (Zwiebel)◮ automatische Auslosung durch Tensiometer

100 110 120 130

0

10

20

30

40NS

und B

ew

ässeru

ng [m

m]

NS

Bew

0

200

400

600

800

1000

Saugspannung [hP

a]

Tag nach der Saat

200 hPaauf 30 cm Tiefe

techn. Probleme

Abb.: Sensorgesteuerte Bewasserung von Zwiebel, 2013

◮ Vergleich mit Bedarfsermittlung durch SVAT Modell, KWB und

unbewasserte Kontrolle


Lysimeterstation Brandis

◮ 2013, 2014

◮ Bewasserungsversuch

◮ 2 wagbare Großlysimeter

◮ intensives Bodenmonitoring

◮ Charakterisierung

bodenhydraulischer Prozesse

0

100

50

90

80

70

60

40

30

20

10

110

120

130

140

150

160

170

180

190

200

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

h(z,t)

θ(z,t)

Q(z,t)

ET(t) P(t)

I(t)

h(t)

LAI(t)


Gewachshaus Durnast, TU Munchen

◮ Kornermais (2009-2014)

◮ Defizitbewasserungsversuche

◮ Optimierung von sensorgesteuerter Tropbewasserung

◮ Zerlegung der Pflanzen, Wurzelprofile, Untersuchung der

Strahlungsverhaltnisse im Gewachshaus


Gliederung












Bodenhydraulische Eigenschaften

◮ Messung von:◮ Saugspannung (pF Meter, Tensiometer,...)◮ Wassergehalt (FDR Sonden, TDR Sonden, Diviner,...)

◮ in verschiedenen Tiefen

◮ moglichst kontinuierlich (→ dynamisches Verhalten)

◮ Bestimmung der vGM1 Parameter

20

40

20

40

20

40

soil

wate

r conte

nt [%

]

20

40

20

40

0 50 100 150 200 2500

20

40

days after sowing [days]

soil

depth

[cm

]

observed

predicted

80

100

60

40

20

10

Val Cal Val Cal Val

Abb.: Inverse Kalibrierung (Winterweizen)1van Genuchten Mualem Parameter (Θr , Θs , α, Ks , n), beschreiben

Retentionskurve


Pflanzenvariablen

wochentliche Bestimmung von:

◮ stomatarer Leitfahigkeit (Trockenstress)

◮ N-Gehalt der Blatter

◮ Pflanzenhohen

◮ phanologischen Phasen

in bestimmten Stadien (Blute...):

◮ Blattflachenindex (LAI)

◮ Biomasse (Partitionierung)


Modellkalibrierung - Bsp. Buschbohne

unkalibriert kalibriert

2010 2011 2012 20130

1

2

3

4Ertrag Bohnen unberegnet (4 Sorten)

Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Ert

rag [t T

M h

a1]

2010 2011 2012 20130

1

2

3

4Ertrag Bohnen vollbewässert (20,0,100 mm)

Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Ert

rag [t T

M h

a1]

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Abb.: Beobachtungswerte alle Sorten(Kreuze), Simulationsergebnisse (Kreise)


Modellkalibrierung - Bsp. Buschbohne

unkalibriert kalibriert

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Ert

rag [t T

M h

a1]

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Ert

rag [t T

M h

a1]

2010 2011 2012 20130

1

2

3


Ert

rag [t T

M h

a1]

Jahr

Abb.: Beobachtungswerte alle Sorten(Kreuze), Simulationsergebnisse (Kreise)

0 10 20 30 40 50 60 700

10

20

30

40

50

60

Pfla

nze

nh

öh

e [

cm

]

Tag nach der Saat

simulierte und gemessene Pflanzenhöhen (Buschbohne)

Pflanzenhöhesim

Pflanzenhöhebeob

Abb.: gemessene und simulierte Pflan-zenhohen


Gliederung












Saphir - stochastische Ertragsfunktionen

virtuelles Feld

Experimente





UnsicherheitKlima

Ökonomie Feldskala

Kosten

Gewinnfunktion

ErträgeErträge

op

tim

ale

Bew

ässe

run

gsp

län

e


Kosten



Ertragsfunktionen

◮ Zusammenhang zwischen Ertrag und Bewasserung

◮ Bindeglied zwischen Feld- und Regionalskala

◮ maximaler Gewinn nicht unbedingt bei Vollbewasserung

0 100 200 300 400 5000

2

4

6

8

10

12

Bewässerungswasser [mm]

Ert

rag [t/ha]

Vollbewässerung

Koste

n [E

uro

]

Kostenmaximale

Rentabilität

De�zitbewässerung


Ertragsfunktionen

Versuchsergebnisse (Kreuze)

und Ertragsfunktion fur verschie-

dene Bewasserungsmengen

stochastische Ertragsfunktionen

fur 200 Klimarealisierungen

1 100 200 300 400 5000

2

4

6

8

10

12

water applied (mm)

yie

ld (

t h

a−1

)

0 100 200 300 400 500

2

4

6

8

10

12

water applied (mm)

yie

ld (

t ha−1

)−1

x

x

x

xx

experimental results

potential yield (model)

cwpf - iteration over

irrigation water applied

scwpf - iteration over

generated climate scenarios

x


Gliederung












Saphir

virtuelles Feld

Experimente





UnsicherheitKlima

Ökonomie Feldskala

Kosten

Gewinnfunktion

ErträgeErträge

op

tim

ale

Bew

ässe

run

gsp

län

e


Kosten



Strategien und Methoden

◮ Bewertung der Effekte des Klimawandels auf unbewasserte und

bewasserte Kulturen mittels Prozessmodellierung

◮ Wesentliche Kenngroßen und –funktionen (Wasserbedarf,

Ertragspotential) werden auf dem virtuellen Feld berechnet und

auf großere Einheiten skaliert

◮ Stochastische Ertragsfunktionen dienen als Basis fur die

Erlosfunktionen verschiedener Kulturen

◮ Vergleich verschiedener Bewasserungsverfahren unter

Berucksichtigung der Kosten der Wasserbereitstellung



◮ 5 km x 5 km

◮ KWB < 200 mm

◮ Landnutzung:

Landwirtschaft

Klima

Klima 1

Klima 2

Klima 3

Klima 4

Klima 5

. . .

. . .

Klima n



◮ 5 km x 5 km

◮ KWB < 200 mm

◮ Landnutzung:

Landwirtschaft

B1

B2

B3

Klima

Klima 1

Klima 2

Klima 3

Klima 4

Klima 5

. . .

. . .

Klima n

Boden

Boden 1

Boden 2

. . .

. . .

Boden n



◮ 5 km x 5 km

◮ KWB < 200 mm

◮ Landnutzung:

Landwirtschaft

B1

B2

B3

Klima

Klima 1

Klima 2

Klima 3

Klima 4

Klima 5

. . .

. . .

Klima n

Boden

Boden 1

Boden 2

. . .

. . .

Boden n

SCWPF

Y

Q

Kostenfkt.

¤

Q

Gewinnfkt.

¤

Q



◮ 5 km x 5 km

◮ KWB < 200 mm

◮ Landnutzung:

Landwirtschaft

B1

B2

B3

Klima

Klima 1

Klima 2

Klima 3

Klima 4

Klima 5

. . .

. . .

Klima n

Boden

Boden 1

Boden 2

. . .

. . .

Boden n

SCWPF

Y

Q

Kostenfkt.

¤

Q

Gewinnfkt.

¤

Q

Pflanze 1

B1

B2

B3

Pflanze 2

. . .B1

B2

B3

Pflanze n



◮ hier: Betrachtung des Modells WEREX V im Szenario A1B

◮ in der nahen Zukunft andern sich die Erbsenertrage wenig

◮ in ferner Zukunft wird erheblich mehr Wasser zur Bewasserung

benotigt

0 10 20 30 405Kilometer

0.7 - 0.9

1.0 - 1.1

1.2 - 1.4

1.5 - 1.6

1.7 - 1.9

2.0 - 2.2

2.3 - 2.6

2.7 - 3.0

3.1 - 3.7

3.8 - 5.2

Abb.: Anderung der notwendigen Bewasserungsmenge 2071-2100 zu 1961-1990


Gliederung












Okonomische Betrachtungen - Feldskala

Erlöse Kosten

Aggregation in MATLAB

spezifische

Ertragsfunktion

KTBL-

Datensammlung Erzeuger- und

Betriebsmittelpreise

Schlagspezifische

Angaben

0 25 50 75 100 125 150−200

−100

0

100

200

300

400

500

600

700

Bewässerungsmenge[mm]

[EU

R/h

a]

Erlöse

Kosten

Gewinn


Okonomische Betrachtungen - Regionalskala

Wassernachfragekurve

ermöglicht Abschätzung des regionalen

Wasserbedarfs für ausgewählte Gebietseinheiten

steigende Kosten führen zu einer Verringerung

der Nachfrage

Eingabeparameter:

- Region

- Wahrscheinlichkeit

- Betrachtungszeitraum

- Erzeugerpreis

- …

Erlöse

Kosten

Gewinn

-

=

Kultur 1 Kultur 3

Kultur 2

Besimmung opimaler Bewässerungsmenge

-

-

-


Gliederung













•Datengrundlage:

• ca. 590 Klimazellen (5x5 Km)

• ca. 400 Bodentypen

• SCWPF‘s

Client

Parametereingabe

Regionsauswahl

Server

PHP, Matlab, deegree,

PostGIS

•IT-Konzept:

•Serviceorientierte Architektur

• AngularJS, Bootstrap, Google Charts,

Openlayers, deegree, PostGIS


Schlussfolgerungen

◮ Versuche 2013 erfolgreich durchgefuhrt (Datenerhebung)

◮ vorlaufige Ergebnisse fur Markterbse

◮ Prototyp des Informationssystems erstellt

◮ Simulationen zur Bewasserungsteuerung


Vielen Dank fur Ihre

Aufmerksamkeit!


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