Модель стока (водохранилище)
Модели стока или модель дождевого стока описывают, как осадки преобразуются в сток в водосборном бассейне (водосборе или водоразделе). Точнее, он создает поверхностного стока гидрограф в ответ на выпадение осадков, представленный и вводимый в виде гиетографа . Модели дождевого стока необходимо откалибровать , прежде чем их можно будет использовать.
Хорошо известной моделью стока является линейный резервуар , но на практике она имеет ограниченное применение. Модель стока с нелинейным водоемом более универсальна, но все же она справедлива только для водосборов, площадь поверхности которых ограничена условием, что осадки можно считать более или менее равномерно распределенными по площади. Тогда максимальный размер водораздела зависит от характеристик осадков в регионе. Если исследуемая территория слишком велика, ее можно разделить на подбассейны, а различные гидрографы стока можно объединить, используя методы маршрутизации паводков .
Линейный резервуар
[ редактировать ]
Гидрология линейного водоема (рис. 1) определяется двумя уравнениями. [ 1 ]
- уравнение потока : , в единицах [L/T], где L — длина (например, мм), а T — время (например, час, день).
- уравнение непрерывности или водного баланса : , с единицами [L/T]
где:
Q - сток или сброс
R — эффективное количество осадков или избыток осадков или их пополнение.
A — постоянный коэффициент реакции или коэффициент отклика с единицей измерения [1/T]
S — запас воды с единицей измерения [л]
dS — это дифференциал или небольшое приращение S.
dT — это дифференциал или небольшое приращение T
Уравнение стока
Комбинация двух предыдущих уравнений приводит к дифференциальному уравнению , решением которого является:
![{\displaystyle Q_{2}=Q_{1}\exp \left(-A(T_{2}-T_{1})\right)+R\left[1-\exp \left(-A(T_{ 2}-T_{1})\вправо)\вправо]}](https://wikimedia.org/api/rest_v1/media/math/render/svg/d10c1d0bf3046089ef6150c7175547f40ccd3856)
Это уравнение стока или уравнение разряда , где Q1 и Q2 — значения Q в момент времени T1 и T2 соответственно, а T2−T1 — небольшой временной шаг, в течение которого пополнение можно считать постоянным.
Вычисление общего гидрографа
При условии, что значение A известно, общий гидрограф можно получить, используя последовательное количество временных шагов и вычисляя с помощью уравнения стока сток в конце каждого временного шага на основе стока в конце предыдущего временного шага.
Единичный гидрограф
Разряд также можно выразить как: Q = − dS/dT. Подстановка выражения Q в уравнение (1) дает дифференциальное уравнение dS/dT = A·S, решением которого является: S = exp(− A·t) . Заменяя здесь S на Q/A согласно уравнению (1), получаем, что: Q = A exp(− A·t) . Это называется гидрографом мгновенной единицы (IUH), поскольку здесь Q равно Q2 из приведенного выше уравнения стока с использованием R = 0 и принятием S за единицу , что делает Q1 равным A согласно уравнению (1).
Наличие приведенного выше уравнения стока исключает необходимость расчета полного гидрографа путем суммирования частичных гидрографов с использованием IUH , как это делается с помощью более сложного метода свертки . [ 2 ]
Определение коэффициента отклика A
Когда коэффициент отклика A можно определить на основе характеристик водосбора (водосборной площади), водохранилище можно использовать в качестве детерминистической модели или аналитической модели , см. Гидрологическое моделирование .
В противном случае коэффициент A можно определить на основе данных об осадках и стоке, используя метод, описанный ниже в разделе « Нелинейный водоем» . С помощью этого метода резервуар можно использовать как модель черного ящика .
Конверсии
1 мм/день соответствует 10 м 3 /день на гектар водораздела
1 л/с на га соответствует 8,64 мм/день или 86,4 м. 3 /день за ха
Нелинейный резервуар
[ редактировать ]
В отличие от линейного резервуара, нелинейный резервуар имеет коэффициент реакции A, который не является постоянным: [ 3 ] но это функция S или Q (рис. 2, 3).
Обычно A увеличивается с увеличением Q и S, поскольку чем выше уровень воды, тем выше становится пропускная способность. Поэтому коэффициент называется Aq вместо A.
Нелинейный резервуар не имеет полезного единичного гидрографа .
В периоды без осадков или пополнения запасов, т. е. когда R = 0, уравнение стока сводится к
- Q2 = Q1 exp { − Aq (T2 − T1) }, или:
или, используя шаг в единицу времени (T2 − T1 = 1) и решая для Aq:
- Aq = − ln (Q2/Q1)
Следовательно, коэффициент реакции или отклика Aq может быть определен на основе измерений стока или расхода с использованием единичных временных шагов во время засушливых периодов, используя численный метод .
На рисунке 3 показано соотношение между Aq (Альфа) и Q для небольшой долины (Рогбом) в Сьерра-Леоне.
На рисунке 4 показан наблюдаемый и смоделированный или реконструированный стока гидрограф водотока в нижнем конце той же долины. [ 4 ] [ 5 ]
Перезарядка
[ редактировать ]
Пополнение, также называемое эффективным количеством осадков или избытком осадков , можно смоделировать с помощью предварительного водохранилища (рис. 6), при этом пополнение будет представлять собой перелив . Предрезервуар знает следующие элементы:
- максимальный объем памяти (см) при длине устройства [л]
- фактический запас (Sa) с единицей измерения [L]
- относительное хранение: Sr = Sa/Sm
- максимальная скорость побега (Em) с единицами длины/времени [L/T]. Это соответствует максимальной скорости испарения плюс просачивание и пополнение подземных вод , которые не примут участия в процессе стока (рисунок 5, 6).
- фактическая скорость побега: Ea = Sr·Em
- дефицит запаса: Sd = Sm + Ea − Sa
Перезарядку за единицу времени (T2−T1=1) можно найти по формуле R = Rain − Sd.
Фактический запас в конце единичного временного шага находится как Sa2 = Sa1 + Rain – R – Ea, где Sa1 – фактический запас в начале временного шага.
Метод кривых чисел (метод CN) дает еще один способ расчета перезарядки. здесь Исходная абстракция сравнивается с Sm − Si, где Si — начальное значение Sa.
Nash model
[ редактировать ]
Модель Нэша [ 7 ] использует серию (каскад) линейных резервуаров, в которых каждый резервуар переливается в следующий до тех пор, пока не будет получен сток. Для калибровки модель требует значительных исследований.
Программное обеспечение
[ редактировать ]Рисунки 3 и 4 сделаны с помощью программы RainOff. [ 8 ] предназначен для анализа осадков и стока с использованием нелинейной модели водоема с предводохранилищем. Программа также содержит пример гидрографа сельскохозяйственной подпочвенной дренажной системы, для которого значение A можно получить из характеристик системы. [ 9 ]
Raven — это надежная и гибкая система гидрологического моделирования, предназначенная для решения сложных гидрологических проблем в научных кругах и на практике. Этот полностью объектно-ориентированный код обеспечивает полную гибкость в пространственной дискретизации, интерполяции, представлении процесса и генерации принудительных функций. Модели, построенные с помощью Raven, могут быть как простыми, от модели с сосредоточенными параметрами одного водораздела и всего несколькими переменными состояния, так и до полной модели полураспределенной системы с физически обоснованной инфильтрацией, таянием снега и маршрутизацией. Такая гибкость способствует поэтапному моделированию, одновременно позволяя исследовать важные исследовательские вопросы, касающиеся дискретизации, численной реализации и ансамблевого моделирования гидрологических моделей поверхностных вод. Raven имеет открытый исходный код и распространяется под лицензией Artistic License 2.0.
Гидрологическая модель SMART [ 10 ] включает в себя подпочвенный дренажный поток сельскохозяйственных культур, а также резервуары почвы и грунтовых вод, чтобы моделировать вклад пути потока в речной сток.
V flo – еще одна программа для моделирования стока. V flo использует радиолокационные данные об осадках и данные ГИС для создания основанного на физике моделирования распределенного стока.
Программная платформа WEAP (Water Evaluation And Planning) моделирует сток и просачивание воды на основе данных о климате и землепользовании, используя выбор линейных и нелинейных моделей резервуаров.
Программная платформа RS MINERVE моделирует формирование стока свободного поверхностного стока и его распространение в реках или ручьях. Программное обеспечение основано на объектно-ориентированном программировании и позволяет проводить гидрологическое и гидравлическое моделирование в соответствии с полураспределенной концептуальной схемой с различными моделями дождевого стока, такими как HBV, [ 11 ] GR4J, SAC-SMA или SOCONT.
IHACRES – это методология моделирования дождевых потоков в масштабе водосборного бассейна. Его цель – помочь гидрологу или инженеру по водным ресурсам охарактеризовать динамическую взаимосвязь между осадками в бассейне и речным стоком. [ 12 ]
Ссылки
[ редактировать ]- ^ JW de Zeeuw, 1973. Анализ гидрографа территорий с преимущественно стоком грунтовых вод . В: Принцип и применение дренажа, Vol. II, Глава 16, Теории полевого дренажа и водосборного стока. стр. 321-358. Публикация 16, Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды.
- ^ Д. А. Крайенхофф ван де Леур, 1973. Соотношения между осадками и стоком и вычислительные модели . В: Принцип и применение дренажа, Vol. II, Глава 16, Теории полевого дренажа и водораздельного стока. стр 245-320. Публикация 16, Международный институт мелиорации и улучшения земель (ILRI), Вагенинген, Нидерланды.
- ^ Осушение земель и засоленность почвы: опыт Мексики . В: Годовой отчет ILRI за 1995 год, стр. 44-53. Международный институт мелиорации и улучшения земель, Вагенинген (ILRI), Нидерланды. На линии: [1]
- ^ А.Хьюзинг, 1988. Соотношение осадков и стоков в небольшой возделываемой долине в Сьерра-Леоне . Исследовательский проект по использованию водно-болотных угодий. Международный институт мелиорации и улучшения земель, Вагенинген, Нидерланды
- ^ Отношения между количеством осадков и стоком в небольшой долине, оцененные с помощью нелинейной модели водохранилища . В: Международный журнал экологических наук, январь 1019 г. Онлайн: [2]
- ^ Описание программного обеспечения для гидрологической модели каскада Нэша. На линии: [3] .
- ^ Джаявардена, AW (2014). Моделирование экологических и гидрологических систем . США: CRC Press. ISBN 978-0-415-46532-8 .
- ^ RainOff , компьютерная модель отношений осадков и стока с использованием концепции нелинейного водоема. Скачать с: [4] или с: [5]
- ^ Теория нелинейного резервуара
- ^ Моклер, Ева М.; О'Локлин, Фиакра Э.; Бруен, Майкл (01 мая 2016 г.). «Понимание гидрологических путей стока в концептуальных моделях водосбора с использованием анализа неопределенности и чувствительности» . Компьютеры и геонауки . Неопределенность и чувствительность в моделировании динамики поверхности. 90, Часть Б: 66–77. Бибкод : 2016CG.....90...66M . дои : 10.1016/j.cageo.2015.08.015 .
- ^ «Модель HBV-light» . www.geo.uz.ch. Проверено 19 мая 2023 г.
- ^ «IHACRES | Инструменты | Набор инструментов eWater» . Toolkit.ewater.org.au . Проверено 19 мая 2023 г.