2. Terminologi og modelcyklus, Miljøstyrelsen

Retningslinier for opstilling af grundvandsmodeller

2. Terminologi og modelcyklus

2.1	Indledning
2.2	Terminologi og modelcyklus
2.3	Modelprotokol
2.4	Parter og rollefordeling
2.4.1	De forskellige parters ansvar
2.4.2	Situationen i Danmark i dag

Numeriske grundvandsmodeller, som beskriver strømning og stoftransport, anvendes i stigende omfang som værktøjer, der kan medvirke til en bedre forståelse og dermed forvaltning af grundvandsressourcen. Grundvandsmodeller bruges således i et stigende omfang af amterne i forbindelse med detailkortlægning og zonering, bl.a. til (a) overordnede regionale grundvandsmodeller (inkl. overflademoduler), (b) detaljerede grundvandsmodeller dvs. strømningsmodeller og partikelbanemodeller og (c) vurdering af effekter af etablering af beskyttelseszoner (f.eks. nitrat).

Numeriske modeller har begrænsninger i deres anvendelighed som følge af, at de repræsenterer en forenkling af det virkelige fysiske system. Fokus i forskerkredse har i de seneste år i høj grad været rettet mod udvikling af forbedrede og mere brugervenlige modelkoder samt i studier af detailprocesser. Det har resulteret i en bedre forståelse af de grundlæggende processer og i bedre modelværktøjer. Det har imidlertid ikke i sig selv resulteret i forbedrede resultater i praktiske anvendelser.

Hos vandressourceforvalterne (amter og vandværker) har der samtidig i stigende grad udviklet sig en praksis med (pris)konkurrence blandt rådgivere på mange af modelstudierne. Opmærksomheden på nødvendigheden af at dokumentere modelresultater, herunder at beskrive modelbegrænsninger og usikkerheder, er derimod ikke fulgt med i samme takt. Kun enkelte forskere og brugere arbejder indenfor dette område. Resultatet har været en del frustrationer med modelstudier, som ikke svarede til forventningerne hos vandressourceforvalterne.

Samtidig eksisterer der en sand forvirring omkring anvendelse af begreber som model, modelsystem, kode, verifikation, validering, parametrisering, test, kalibrering, simulering mv. Denne terminologiforvirring er ikke opstået i Danmark, men afspejler en intens diskussion og uenighed, der for tiden foregår i internationale videnskabelige kredse. Udover at denne forvirring ofte forstyrrer det praktiske modelarbejde på grund af misforståelser og manglende præcision i aftaler, kan det også ses som et symptom på, at der ikke er en fælles, sammenhængende, og konsistent opfattelse af hvad der er "god modelleringspraksis". Der er derfor behov for en betydelig opstramning i brugen af hydrologiske modeller med brug af en mere stringent terminologi samt mere opmærksomhed og stringens hos de involverede parter.

2.2 Terminologi og modelcyklus

Definition af en terminologi vil uundgåelig afspejle en metodikopfattelse. Nærværende forslag til terminologi og metodik stammer ikke fra en enkelt, men fra en sammenstilling og modifikation af flere kilder: Schlesinger et al (1979), Anderson and Woessner (1992), Refsgaard (1996) og Henriksen (1997). Terminologien i Tabel 2.1 er baseret på en idealiseret opfattelse af en modelcyklus som skitseret på Fig. 2.1, hvor simuleringssituationen opdeles i fire grundliggende elementer. De indre pile beskriver processerne, som forbinder elementerne med hverandre, og de ydre pile henfører til de procedurer, som vurderer disse processers troværdighed.

Tabel 2.1
Definition af terminologi

Eksekverbar kode	Fil indeholdende kildeteksten oversat til computersprog. Denne fil aktiveres for at køre programmet. En eksekverbar kode kan ikke redigeres.
Fysiske system	Det naturlige system, dvs. i dette tilfælde grundvandssystemet.
Følsomheds- analyse	Analyse af simuleringsresultaternes følsomhed overfor ændringer i kalibreringsparametre og andre modelantagelser, f.eks. randbetingelser, hydrauliske parametre og tolkning af geologien. Ved en følsomhedsanalyse analyseres følsomheden overfor den enkelte usikkerhedskilder enkeltvis.
Gyldigheds- område	Det område for hvilket en given model er dokumenteret at have gyldighed indenfor givne nøjagtighedskriterier. Der kan defineres gyldighedsområder for både en konceptuel model, en modelkode og en sted-specifik model.
Hydrogeologisk tolkningsmodel (= konceptuel model)	En tolkning eller arbejdsbeskrivelse af karakteristika og dynamik i det fysiske system, dvs. en beskrivelse af hvilke processer, der forventes at indgå i beskrivelsen af virkeligheden, og hvilken indbyrdes vægt disse skal have (størrelsesordner kun). En hydrogeologisk tolkningsmodel er ofte baseret på en skematisk geologisk model med en hydrostratigrafisk beskrivelse af det givne område.
Input variabel	Input data som varierer i tid (tidsserier), f.eks. data for klimaforhold eller oppumpninger
Kvalifikation af konceptuel model	Et estimat over tilstrækkeligheden af en konceptuel model (hydrogeologisk tolkningsmodel) til den ønskede anvendelse indenfor en acceptabel nøjagtighed.
Kildetekst til modelkode	Computerprogrammets tekst/software kode hvor alle kommandoerne for beregningerne står skrevet. En kildetekst kan redigeres.
Model	En numerisk model indeholdende konkrete inputdata og modelparametre tilpasset et bestemt område.
Model kalibrering	Tilpasning af parameterværdier, så modellen kan reproducere givne feltdata inden for specificerede nøjagtighedsgrænser.
Modelkode = modelsystem	Et computer program, som uden ændringer i selve programmet kan benyttes til at opstille en numerisk model for et bestemt område. Eksempler på modelkoder er MODFLOW og MIKE SHE.
Nøjagtighed- skriterium	Et numerisk mål for overensstemmelsen mellem en modelsimulering og observerede feltdata. Benyttes som mål i kalibrerings og valideringsprocedurer.
Opsætning af model	Etablering af en model til den ønskede anvendelse inden for en acceptabel nøjagtighed.
Parameter	En fysisk størrelse som forudsættes at være konstant i tid, f.eks. hydraulisk ledningsevne eller magasintal. Parametre beskriver et systems fysiske karakteristika.
Postaudit Simulering	Vurdering af tidligere prediktioner på et tidspunkt, hvor der er fremskaffet flere data, f.eks. nogle år senere. Modellens forenklede efterligning af det fysiske system. En simulering refererer i andre sammenhænge oftest til tidsvarierende beskrivelser. Her vil vi imidlertid benytte ordet simulering i forbindelse med både en stationær og en dynamisk modelkørsel.
Tilstands- variabel	Intern variabel, f.eks. vandindhold i den umættede zone eller trykniveau i et givet punkt i et grundvandsmagasin.
Usikkerheds- analyse	Systematisk analyse af forskellige usikkerhedskilder (f.eks. klimadata, hydrauliske parametre og geologiske tolkninger) og deres samlede indflydelse på usikkerheden af simuleringsresultaterne.
Validering af model	Dokumentation for at en model kan beskrive virkeligheden med en tilfredsstillende nøjagtighed.
Variabel	En fysisk størrelse som varierer i tid. Variable kan opdeles i input variable, som beskriver eksterne størrelser, og interne tilstandsvariable.
Verifikation af modelkode	Dokumentation for at en modelkode løser de givne ligninger med en specificeret nøjagtighed.

Figur 2.1
Elementer i modelterminologi og deres indbyrdes sammenhænge

Hvor nogle af de udenlandske synspunkter, som f.eks. Konikow and Bredehoeft (1992) og Oreskes et al. (1994), er meget rigoristiske med fokus på fundamentale videnskabelige problemer, er grundlaget for nærværende forslag et ønske om at opstille en terminologi og et regelsæt, som kan bruges i praksis, og samtidig kan medvirke til en generel opstramning omkring modelanvendelse til glæde for alle involverede parter. Nedenstående terminologi og metodik opererer således med begreberne verifikation og validering (som anvendes rutinemæssigt af modelbrugere), men i snævrere og mere klart definerede betydninger end set hos mange andre forfattere.

Det er vigtigt at bemærke, at nøjagtighedskriterier og gyldighedsområder, som i princippet skal opstilles for en konceptuel model, en modelkode og en model, er en integreret del af terminologien og modelcyklussen. Man kan således godt forestille sig, at f.eks. en grundvandsmodel for et givet område ikke vil passere de nødvendige valideringstest ved en specificeret nøjagtighed, og derfor må kategoriseres som ugyldig på dette nøjagtighedsniveau; mens den samme model for et mindre ambitiøst nøjagtighedskriterie vil være gyldig i visse geografiske områder og til visse formål.

2.3 Modelprotokol

Den følgende procedure for modelanvendelse er en modificeret udgave af den ‘modelling protocol’ som Anderson and Woessner (1992) foreslog. Proceduren er illustreret i Fig. 2.2 og beskrevet trin for trin:

1.	Det første trin er at definere formålet for modelanvendelsen. Et vigtigt element her er at give en første vurdering af den ønskede nøjagtighed af model output.
2.	Herefter opstilles en hydrogeologisk tolkningsmodel (konceptuel model), hvilket bl.a. omfatter en geologisk model samt en beskrivelse af, hvilke processer der skal medtages i den efterfølgende numeriske model (f.eks. overfladevandsprocesser, makroporer, densitet, stoftransport, udveksling med vandløb) samt modelafgrænsning og randbetingelser.
3.	På baggrund af den konceptuelle model udvælges herefter en passende modelkode, som er dokumenteret gyldig (verificeret) til beskrivelse af den konceptuelle model.
4.	Hvis en passende modelkode ikke eksisterer, kan det være nødvendigt at udvikle ny kode, som så skal verificeres.
5.	Efter at have valgt kode og indsamlet de nødvendige feltdata skal der foretages en model opsætning. Det indebærer at vælge rumlig og tidslig diskretisering, definition af rand- og initialbetingelser samt et første gæt på parameterværdier ud fra feltdata.
6.	Herefter skal nøjagtighedskriterierne, som ønskes opfyldt i de efterfølgende kalibrerings- og valideringstrin, fastlægges. Ved fastsættelsen af disse kriterier skal der tages skyldig hensyn til den under trin 1 formulerede ønskede nøjagtighed og til de realistiske grænser, som de tilgængelige data stiller. Såfremt nøjagtighedskriteriet fastlægges som urealistisk højt, vil det enten være nødvendigt at modificere kriteriet eller at indsamle ekstra data.
7.	Model kalibrering involverer parameterjusteringer ved en model med det formål at reproducere virkeligheden inden for den givne nøjagtighedsramme. Modelkalibrering kan enten gennemføres manuelt (trial-and-error) eller ved hjælp af numeriske parameteroptimeringsalgoritmer (invers modellering). Det er under alle omstændigheder vigtigt at vurdere usikkerhederne i skønnet på modelparametrene f.eks. ved hjælp af følsomhedsanalyser.
8.	Model validering foretages ved at gennemføre test som dokumenterer at den givne model (med de kalibrerede parameterværdier) er i stand til at lave tilstrækkeligt nøjagtige forudsigelser til de ønskede formål. Dette kan indebære, at den kalibrerede model anvendes til forudsigelser på en anden periode og sammenlignes med feltdata, som ikke blev anvendt ved kalibreringen.
9.	I tilknytning til modelvalideringen skal der foretages usikkerhedsanalyser, således at usikkerhederne på modelberegningerne kvantificeres og beskrives eksplicit. Som en konsekvens heraf kan der nu drages konklusioner om modellens repræsentativitet og begrænsninger med hensyn til konkrete påtænkte modelanvendelser.
10.	Model simulering er ofte den afsluttende modelanvendelse. Set i lyset af de usikkerheder på modelparametre og måske usikkerhed om fremtidige forhold i oplandet (arealanvendelse, klimaforhold, mv.) bør der foretages følsomhedsanalyser for at få en fornemmelse af usikkerheden på modelforudsigelserne.
11.	Resultaterne præsenteres oftest i rapporter. Men andre præsentationsformer såsom animeringer og direkte overførsel af dedikerede modeller til slutbrugeren sker også hyppigt.
12.	En ekstra mulighed for validering af en model er en såkaldt postaudit eller eftervalidering, som udføres flere år efter det egentlige modelstudie når modellens forudsigelser kan vurderes mod nye feltdata. Amerikanske eksempler på postaudit indenfor grundvandsmodellering er beskrevet af Anderson and Woessner (1992). Et dansk eksempel findes i Suså området, hvor Suså modellen oprindelig var opstillet og kalibreret (men ikke valideret) for perioden 1951-80. Storstrøms Amt og Vestsjællands Amt rekvirerede en egentlig eftervalidering (DHI, 1988), på data fra perioden 1981-87. Postaudit sker i praksis ofte i forbindelse med opfølgende studier.

Fig. 2.2
Procedure for modelanvendelse (model protokol).

2.4 Parter og rollefordeling

2.4.1 De forskellige parters ansvar

Som beskrevet ovenfor er den nuværende situation med hensyn til modelvalidering og anvendelse ikke fuldt tilfredsstillende og kan, teoretisk set, let forbedres. Men som fremhævet af bl.a. Forkel (1996) kan den nuværende situation ikke forbedres blot ved en indsats af forskerne. Det kræver en indsats fra alle tre parter: kodeudviklere (typisk forskere), modelbrugere (typisk rådgivere) og vandressourceforvaltere (typisk amter og vandværker). De forskellige roller og ansvarsområder for de tre parter er vist i Fig. 2.3 med reference til de forskellige trin i modelproceduren gennemgået i afsnit 2.2 og Fig. 2.2.

Hovedansvaret for vandressourceforvalteren er at definere formål og fastsætte nøjagtighedskriterier for den efterfølgende modelanvendelse. Derudover er det forvalterens opgave at stille krav til kodeverifikation og modelvalidering. I mange rådgivningsstudier er nøjagtighedskriterier ikke specificerede overhovedet med det resultat at modelbrugeren, måske ubevidst, fastsætter dem i overensstemmelse med de opnåede modelresultater. I den sammenhæng er det vigtigt i udbudsmaterialet at sikre en konsistens mellem ambitionsniveauet (formål og nøjagtighedskriterier), de tilgængelige data og økonomi. Det kræver selvsagt en betydelig indsigt og en vis erfaring med brug af modeller hos forvalteren.

Fig. 2.3
Hovedansvarsområde og samspil mellem de forskellige parter til sikring af en optimal operationel brug af hydrologiske modeller.

Modelbrugeren har ansvaret for udvælgelse af en passende kode (alternativt at godkende forvalterens valg) samt for model opsætning, kalibrering og validering. Specielt er modelbrugeren ansvarlig for at udarbejde valideringsdokumentation på en sådan måde, at gyldighedsområdet og den tilhørende nøjagtighed er velbeskrevet. Yderligere bør dokumentationen ideelt set gøres så grundig, at modelsimuleringerne om nødvendigt kan reproduceres adskillige år senere. Modelbrugeren og forvalteren skal i fællesskab vurdere, hvad realistiske nøjagtigheder er. Desuden må modelbrugeren være klar over kodens begrænsninger og indgå i en dialog med kodeudvikleren omkring rapportering af brugererfaringer, mangler i dokumentation, kodefejl, markedsbehov mv.

Kodeudviklerens hovedansvarsområde er at udvikle og verificere koden. I denne sammenhæng er det vigtigt, at kodens begrænsninger fremgår af dokumentationen. Eftersom kodeudvikling er en kontinuert proces, er kodevedligeholdelse og regelmæssige opdateringer med nye versioner vigtige. Selvom en modelkode bør have en omfattende dokumentation, vil der i praksis altid opstå tvivl en gang i mellem om en kodes funktion, selv for erfarne brugere. Derfor er en aktiv støtte til og dialog med modelbrugere altafgørende for at sikre en operationel modelanvendelse på et højt fagligt niveau.

Det er vigtigt at fremhæve, at de forskellige ansvarsområder, som de tre grupper i Fig. 2.3 har, er principielle, uafhængigt af hvorvidt de aktuelle personer i en konkret sammenhæng tilhører tre forskellige organisationer eller fungerer med forskellige roller i samme organisation.

Ovenstående betragtninger over ansvarsområder hos forskellige parter skal selvfølgelig ses i sammenhæng med den praktiske virkelighed, som i høj grad er styret af et samspil mellem udbud og efterspørgsel samt af betydelig konkurrence både mellem modelbrugere indbyrdes og mellem kodeudviklere indbyrdes. Dvs., hvis forvaltere ikke specificerer krav om en mere grundig og gennemskuelig modelvalidering med givne acceptable nøjagtighedsgrænser, så vil ingen rådgiver tilbyde det i et modelstudie, fordi det økonomisk/kontraktmæssigt er rarere at have lidt mere fri snor. Tilsvarende vil kodeudviklere ikke bruge mange ressourcer på at udarbejde verifikationsdokumentation, hvis det ikke er et markedskrav; i så fald vil ressourcerne måske blive brugt til at udvikle nye faciliteter i stedet.

2.4.2 Situationen i Danmark i dag

De foregående afsnit beskriver dels en vigtig problemstilling og dels nogle forslag til forbedrede procedurer, som vi alle i fællesskab burde have interesser i at arbejde hen imod. Hvordan er situationen så i Danmark nu, og hvordan er den i sammenligning med situationerne i andre lande på disse områder ?

Der har aldrig været tradition for at lave stringent modelvalidering i Danmark. I ingen af de hidtidige større modelbaserede forskningsprojekter (Suså projektet, Karup projektet, Lossepladsprojektet, NPO projektet, SMP 1) har der været udført systematisk modelvalidering efter stringente procedurer. Tilsvarende er det undtagelsen i dag (hvis der overhovedet findes undtagelser), at amter og vandværker direkte forlanger, at en rådgiver laver stringent modelvalidering. I forbindelse med etableringen af den Nationale Vandressource Model (Henriksen et al., 1997) er der dog lagt vægt på systematisk modelvalidering.

Det faglige niveau blandt udviklere, rådgivere og amter/vandværker med hensyn til modellering generelt er højt i Danmark sammenlignet med andre lande. Men lige netop med hensyn til stringens omkring modelvalidering og dokumentation heraf er vi ikke i front.

Gennem de seneste 5-10 år er den praktiske brug af modeller steget voldsomt. I takt med mere brugervenlige modelkoder, mere erfarne brugere og en stor konkurrence blandt rådgiverne er der i denne periode sket en betydelig effektivisering, således at prisen for en ‘standardopgave’ er reduceret betydeligt. Derimod er det ikke givet, at kvaliteten af modelresultater også er steget (den bliver ofte ikke dokumenteret stringent). Modelvalidering koster selvfølgelig nogle ressourcer, men vil formentlig i de fleste tilfælde nemt tjene sig hjem i form af mere viden om pålideligheden af modelresultater.

Erfaringerne fra de sidste års modelleringsarbejde i amterne viser, at der er adskillige eksempler på frustrationer mellem vandressourceforvaltere og rådgivere. Det drejer sig dels om, at vandressourceforvalteren ikke altid oplever, at han får leveret den ydelse han har bestilt og betalt for, og dels at rådgiveren ikke altid oplever, at forvalteren accepterer opgaveløsningen, efter at rådgiveren har lavet arbejdet i henhold til de givne specifikationer. Der findes også eksempler på at forskellige rådgivere er nået frem til vidt forskellige svar, f.eks. på grundvandsdannelsens størrelse i et givent område, på baggrund af samme datagrundlag. Der er således brug for en øget kvalitet såvel i selve modelleringsarbejdet som i samspillet mellem rådgiver og forvalter (Refsgaard og Henriksen, 2000a).