Гидрологическая транспортная модель
Гидрологическая транспортная модель — это математическая модель, используемая для моделирования течения рек, ручьев , движения грунтовых вод или смещения дренажного фронта , а также расчета качества воды параметров . Эти модели, как правило, стали использоваться в 1960-х и 1970-х годах, когда потребность в численном прогнозировании качества воды и дренажа была обусловлена экологическим законодательством , и в то же время стал доступен широкий доступ к значительным вычислительным мощностям. Большая часть первоначальной разработки модели проходила в США и Великобритании , но сегодня эти модели совершенствуются и используются во всем мире.
Существуют десятки различных моделей переноса, которые можно в целом сгруппировать по рассматриваемым загрязнителям , сложности источников загрязнения, является ли модель стационарной или динамической, а также моделируемому периоду времени. Еще одним важным признаком является то, является ли модель распределенной (т. е. способна прогнозировать несколько точек в пределах реки) или сосредоточенной. Например, в базовой модели можно устранить только один загрязнитель путем простого точечного сброса в принимающие воды . В наиболее сложных моделях различные линейные источники поверхностного стока могут быть добавлены к нескольким точечным источникам , обрабатывая различные химические вещества и отложения реки в динамичной среде, включая вертикальную стратификацию рек и взаимодействие загрязняющих веществ с биотой . Кроме того, водораздела подземные воды могут быть включены . Модель называется «физически обоснованной», если ее параметры можно измерить в полевых условиях.
Часто модели имеют отдельные модули для выполнения отдельных этапов процесса моделирования. Наиболее распространенным модулем является подпрограмма для расчета поверхностного стока, позволяющая варьировать тип землепользования , топографию , тип почвы , растительный покров , осадки и практику землепользования (например, норму внесения удобрений ). Концепцию гидрологического моделирования можно распространить на другие среды, например океаны , но чаще всего (и в этой статье) обычно подразумевается водосбор реки.
История
[ редактировать ]В 1850 году Т. Дж. Малвани, вероятно, был первым исследователем, применившим математическое моделирование в контексте гидрологии ручьев , хотя при этом не было задействовано никакой химии. [1] К 1892 году М. Е. Имбо разработал модель событий , позволяющую связать сток с пиковым количеством осадков, опять же без химии. [2] Роберта Э. Хортона Основополагающая работа [3] на поверхностный сток вместе с его сопряжением с количественной обработкой эрозии [4] заложили основу современной гидрологии транспорта химических веществ.
Типы
[ редактировать ]Физически обоснованные модели
[ редактировать ]Физически обоснованные модели (иногда называемые детерминистическими, комплексными или процессно-ориентированными моделями) пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления поверхностного стока, подземного стока, суммарного испарения и руслового стока, но они могут быть гораздо более сложными. «Крупномасштабные эксперименты по моделированию были начаты Инженерным корпусом армии США в 1953 году для управления водохранилищами на главном стволе реки Миссури». Этот, [5] и другие ранние работы, посвященные реке Нил. [6] [7] и река Колумбия [8] обсуждаются в более широком контексте в книге, опубликованной Гарвардским семинаром по водным ресурсам и содержащей только что процитированное предложение. [9] Еще одной ранней моделью, которая объединила множество подмоделей химической гидрологии бассейна, была Стэнфордская модель водораздела (SWM). [10] SWMM ( Модель управления ливневыми водами ), HSPF (Программа гидрологического моделирования – FORTRAN) и другие современные американские производные модели являются преемниками этой ранней работы.
В Европе предпочтительной комплексной моделью является Европейская гидрологическая система (ESH). [11] [12] на смену ему пришли МАЙК ШЕ и ШЕТРАН . MIKE SHE — это физически обоснованная, пространственно распределенная модель потока воды и переноса наносов в масштабе водосбора . Процессы потока и переноса представляются либо конечно-разностными представлениями уравнений в частных производных , либо производными эмпирическими уравнениями. Здесь задействованы следующие основные подмодели:
- Эвапотранспирация : Пенмана-Монтейта. формализм
- Эрозия: уравнения отделения дождевых капель и сухопутного стока
- Сухопутный и русловой поток: уравнения непрерывности и импульса Сен-Венана
- по суше Перенос наносов : двумерное уравнение сохранения общей нагрузки наносов
- Ненасыщенный поток: уравнение Ричардса
- Насыщенный поток: закон Дарси и сохранение массы двумерного ламинарного потока
- Одномерное уравнение сохранения массы для переноса наносов в канале.
Эта модель может анализировать влияние землепользования и изменений климата на качество речной воды с учетом подземных вод взаимодействия .
По всему миру разработан ряд бассейновых моделей, среди них RORB ( Австралия ), Xinanjiang ( Китай ), Tank model ( Япония ), ARNO ( Италия ), TOPMODEL ( Европа ), UBC ( Канада ) и HBV ( Скандинавия ), MOHID Land. ( Португалия ). Однако не все эти модели имеют химическую составляющую. Вообще говоря, SWM, SHE и TOPMODEL имеют наиболее полную химическую обработку потоков и были разработаны для работы с новейшими источниками данных, включая данные дистанционного зондирования и географических информационных систем .
В Соединенных Штатах Инженерный корпус, Центр инженерных исследований и разработок совместно с исследователями из ряда университетов разработали модель GSSHA для поверхностного/подповерхностного гидрологического анализа с привязкой к сетке . [13] [14] [15] GSSHA широко используется в США для исследований и анализа округами Инженерного корпуса армии США и крупными консалтинговыми компаниями для расчета расхода, уровня воды, распределенной эрозии и доставки наносов в сложных инженерных проектах. Распределенный компонент распределения питательных веществ и загрязняющих веществ, а также транспортировка проходят испытания. GSSHA Обработка входных/выходных данных и взаимодействие с ГИС обеспечивается Системой моделирования водоразделов (WMS). [16]
Другая модель, используемая в США и во всем мире, — это V flo , распределенная гидрологическая модель, основанная на физике, разработанная Vieux & Associates, Inc. [17] V flo использует радиолокационные данные об осадках и данные ГИС для расчета пространственно распределенного наземного и руслового стока. Включены возможности моделирования суммарного испарения, затопления, инфильтрации и таяния снегов. Приложения включают эксплуатацию и техническое обслуживание гражданской инфраструктуры, прогнозирование ливневых стоков и управление чрезвычайными ситуациями, мониторинг влажности почвы, планирование землепользования, мониторинг качества воды и другие.
Стохастические модели
[ редактировать ]Эти модели, основанные на данных, представляют собой системы «черного ящика» , использующие математические и статистические концепции для связи определенных входных данных (например, осадков ) с выходными данными модели (например, стоком ). Обычно используемые методы - регрессия , передаточные функции , нейронные сети и идентификация систем . Эти модели известны как модели стохастической гидрологии. Модели, основанные на данных, использовались в гидрологии для моделирования зависимости количества осадков и стока, представления воздействия предшествующей влажности и осуществления контроля над системами в режиме реального времени.
Компоненты модели
[ редактировать ]Моделирование поверхностного стока
[ редактировать ]
Ключевым компонентом модели гидрологического переноса является элемент поверхностного стока , который позволяет оценить содержание отложений, удобрений , пестицидов и других химических загрязнителей. Основываясь на работах Хортона, теория единичного гидрографа была разработана Дугом в 1959 году. [18] Для этого потребовалось наличие Закона о национальной экологической политике и аналогичного другого национального законодательства, чтобы дать толчок интеграции химического состава воды в протоколы гидрологических моделей. В начале 1970-х годов Агентство по охране окружающей среды США (EPA) начало спонсировать серию моделей качества воды в ответ на Закон о чистой воде . Пример этих усилий был разработан в Юго-восточной водной лаборатории, [19] одна из первых попыток откалибровать модель поверхностного стока с полевыми данными для различных химических загрязнителей.
Внимание, уделяемое моделям загрязнения поверхностного стока, не соответствует акценту на чисто гидрологических моделях, несмотря на их роль в получении данных о загрязняющих веществах, поступающих в потоки. В Соединенных Штатах у Агентства по охране окружающей среды возникли трудности с интерпретацией [20] различные собственные модели загрязнения, и ему приходится разрабатывать свои собственные модели чаще, чем традиционным ресурсным агентствам, которые, сосредоточившись на прогнозировании наводнений , имеют больше центроида моделей общего бассейна. [21]
Примеры приложений
[ редактировать ]Лиден применил модель ВГВ для оценки речного переноса трех различных веществ: азота , фосфора и взвешенных отложений. [22] в четырех разных странах: Швеции , Эстонии , Боливии и Зимбабве . Была оценена связь между внутренними переменными гидрологической модели и переносом питательных веществ . Была разработана модель источников азота и проанализирована в сравнении со статистическим методом. Была разработана и апробирована модель переноса взвешенных отложений в тропических и полузасушливых регионах. Было показано, что общий речной азот можно хорошо смоделировать в скандинавском климате, а нагрузку речных взвешенных отложений можно достаточно хорошо оценить в тропическом и полузасушливом климате. Модель HBV для транспортировки материалов в целом хорошо оценивает нагрузки, связанные с транспортировкой материалов. Основной вывод исследования заключался в том, что модель HBV можно использовать для прогнозирования переноса материалов в масштабах водосборного бассейна в стационарных условиях, но ее нельзя легко обобщить на области, специально не откалиброванные. В другой работе Кастанедо и др. применил эволюционный алгоритм для автоматической калибровки модели водораздела. [23]
Агентство по охране окружающей среды США разработало модель DSSAM для анализа на качество воды воздействия решений по землепользованию и управлению сточными водами в бассейне реки Траки , территории, которая включает города Рино и Спаркс, штат Невада, а также бассейн озера Тахо . Модель [24] удовлетворительно спрогнозировал параметры питательных веществ, отложений и растворенного кислорода в реке. Он основан на загрязняющих веществ нагрузки показателе , называемом «Общая максимальная суточная нагрузка» (TMDL). Успех этой модели способствовал приверженности EPA использованию основного протокола TMDL в национальной политике EPA по управлению многими речными системами в Соединенных Штатах . [25]
Модель DSSAM построена так, чтобы обеспечить динамический распад большинства загрязнителей; например, общий азот и фосфор могут потребляться бентосными водорослями на каждом временном этапе, а сообществам водорослей придается отдельная динамика популяций на каждом участке реки (например, в зависимости от температуры реки). Что касается ливневых стоков в округе Уошо , с использованием этой модели были проанализированы конкретные элементы нового постановления о ксерискейпе на предмет эффективности. Для различных видов сельскохозяйственного использования в водосборе была использована модель, чтобы понять основные источники воздействия, и были разработаны методы управления для снижения загрязнения реки. Модель была специально использована для анализа выживаемости двух находящихся под угрозой исчезновения видов, обитающих в реке Траки и озере Пирамид : Куи-уи присоска (находящаяся под угрозой исчезновения в 1967 году) и форель-головорез Лахонтан (находящаяся под угрозой исчезновения в 1970 году).
См. также
[ редактировать ]- Водоносный горизонт
- Дифференциальное уравнение
- Модель ВГВ
- Гидрометрия
- Проникновение
- Модель стока (водоем)
- Модель управления ливневыми водами
- Инженерный корпус армии США
- Модель ВАФЛЕКС
- Модель спецназа
Ссылки
[ редактировать ]- ^ Малвани, Ти Джей (1850 г.). «О применении саморегистрирующих дождемеров и расходомеров». Учеб. Институт Гражданского. англ. 4 (2): 1–8.
- ^ ME Имбо, (1892) Ла Дюранс: Режим. Наводнения и наводнения , Энн. Ponts Chausses Mem. Док. Сер. 3 (И) 5–18
- ^ Хортон, Р.Э. (1933). «Роль инфильтрации в гидрологическом цикле». Пер. Являюсь. Геофиз. Союз . 145 (1): 446–460. Бибкод : 1933ТрАГУ..14..446Х . дои : 10.1029/TR014i001p00446 .
- ^ Хортон, Р.Э. (1945). «Эрозионное развитие ручьев и их водосборных бассейнов: Гидрологический подход к количественной геоморфологии» . Бык. геол. Соц. Являюсь. 56 (3): 275–330. doi : 10.1130/0016-7606(1945)56[275:edosat]2.0.co;2 . S2CID 129509551 .
- ^ Отчет об использовании электронных компьютеров для интеграции операций с резервуарами , том 1. Технические отчеты DATAmatic Corporation, подготовленные в сотрудничестве с производственной компанией Raytheon для подразделения реки Миссури, Инженерный корпус армии США, январь 1957 г.
- ^ М. П. Барнетт, Комментарий к расчетам в долине Нила , Журнал Королевского статистического общества, серия B, том. 19, 223, 1957 г.
- ^ HAW Моррис и В.Н. Аллан, Планирование окончательного гидравлического развития долины Нила , Труды Института инженеров-строителей, 14, 101, 1959,
- ^ Ф.С. Браун, Развитие водных ресурсов - бассейн реки Колумбия , в отчете заседания Межведомственного комитета бассейна Колумбии, Портленд, Орегон, декабрь 1958 г.
- ^ Д. Ф. Манзер и М. П. Барнетт, Анализ посредством моделирования: методы программирования для высокоскоростного цифрового компьютера , в книге Артура Мааса и др ., Проектирование систем водных ресурсов , стр. 324–390, издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 1962.
- ^ Н. Х. Кроуфорд и Р. К. Линсли. Цифровое моделирование в гидрологии: Стэнфордская модель водораздела IV , Технический отчет № 39 Стэнфордского университета , Пало-Альто, Калифорния. (1966)
- ^ Эбботт, PEO'Коннелл; Батерст, JC; Кунге, Дж. А.; Расмуссен, Дж. (1986). «Введение в европейскую систему: Systeme Hydrologique Europeen (SHE)». Журнал гидрологии . 87 (1–2): 61–77. дои : 10.1016/0022-1694(86)90115-0 .
- ^ Виджей П. Сингх, Компьютерные модели гидрологии водоразделов, Публикации по водным ресурсам , стр. 563-594 (1995)
- ^ Даунер, К.В. и Ф.Л. Огден, 2006 г., Руководство пользователя по поверхностному гидрологическому анализу подповерхностных слоев (GSSHA), версия 1.43 для системы моделирования водоразделов 6.1, Общесистемная программа водных ресурсов, Лаборатория прибрежных и гидравлических систем, Инженерный корпус армии США, инженерные исследования и Центр развития, ERDC/CHL SR-06-1, 207 стр.
- ^ Даунер, CW; Огден, Флорида (2004). «GSSHA: модель для моделирования разнообразных процессов генерации речного стока». Журнал гидротехники . 9 (3): 161–174. дои : 10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161) .
- ^ Даунер, К.В., Ф.Л. Огден, Дж. М. Нидзиалек и С. Лю, 2006, Модель гидрологического анализа поверхности/подповерхности с сеткой (GSSHA): модель для моделирования процессов, вызывающих разнообразные потоки рек, стр. 131–159, в моделях водораздела, В. П. Сингх и Д. Фреверт, ред., Группа Тейлора и Фрэнсиса, CRC Press, 637 стр.
- ^ «Система моделирования водоразделов» . Аквавео . Проверено 19 февраля 2016 г.
- ^ Vieuxinc.com
- ^ JCI Dooge, Параметризация гидрологических процессов , Исследовательская конференция АО «Процессы на поверхности суши в моделях общей циркуляции атмосферы», 243–284 (1959)
- ^ CM Хоган, Леда Патмор, Гэри Латшоу, Гарри Зейдман и др. Компьютерное моделирование переноса пестицидов в почве для пяти оборудованных водосборов , Юго-восточная водная лаборатория Агентства по охране окружающей среды США, Афины, Джорджия, компания ESL Inc. , Саннивейл, Калифорния (1973).
- ^ Стивен Грант, И.К. Искандар, Гидрология загрязнений , CRC Press (2000) ISBN 1-56670-476-6
- ^ Бенсон, Рид Д. (1996). «Проблема водораздела: роль защиты речного стока в управлении бассейном северо-западной реки» . Экологическое право . 26 (1): 175–224. ISSN 0046-2276 . JSTOR 43266471 .
- ^ Рикард Лиден, Концептуальные модели стока для оценки переноса материалов , докторская диссертация, Лундский университет , Лунд, Швеция (2000)
- ^ Кастанедо, Ф.; Патрисио, Массачусетс; Молина, Дж. М. (2006). «Техника эволюционных вычислений, примененная к калибровке модели HSPF испанского водораздела». Интеллектуальная инженерия данных и автоматизированное обучение – IDEAL 2006 . Конспекты лекций по информатике. Том. 2006. стр. 216–223. CiteSeerX 10.1.1.497.5100 . дои : 10.1007/11875581_26 . ISBN 978-3-540-45485-4 .
{{cite book}}:|journal=игнорируется ( помогите ) - ^ Разработка динамической модели качества воды для реки Траки , Earth Metrics Inc., Серия технологий Агентства по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия (1987)
- ^ УСЕПА. 1991. Руководство по принятию решений, основанных на качестве воды: процесс TMDL , EPA 440/4-91-001. Агентство по охране окружающей среды США, Управление водных ресурсов, Вашингтон, округ Колумбия.