Модель гидрологического транспорта - Hydrological transport model

Река в Мадагаскар относительно свободный от отложений

An гидрологическая транспортная модель это математическая модель используется для имитации течения рек, потоки, движение грунтовых вод или фронтальное смещение дренажа, и вычислить качество воды параметры. Эти модели обычно использовались в 1960-х и 1970-х годах, когда потребность в численном прогнозировании качества воды и дренажа определялась экологическое законодательство, и в то же время стал доступен широкий доступ к значительной мощности компьютеров. Большая часть разработки оригинальной модели проходила в Соединенные Штаты и объединенное Королевство, но сегодня эти модели дорабатываются и используются по всему миру.

Существуют десятки различных моделей транспорта, которые в целом можно сгруппировать по загрязняющие вещества рассмотрены, сложность источников загрязнителей, является ли модель устойчивой или динамической, и смоделированный период времени. Еще одно важное обозначение - распределенная модель (т. Е. Способная предсказывать несколько точек в реке) или сосредоточенная. В базовой модели, например, только один загрязнитель может быть устранен за счет простого точечного сброса в окружающую среду. приемные воды. В самых сложных моделях используются различные линейный источник вклады от поверхностный сток может быть добавлен к нескольким точечные источники, лечение различных химикаты плюс осадок в динамической среде, включая вертикальную стратификацию реки и взаимодействие загрязняющих веществ с водотоком биота. Кроме того водораздел грунтовые воды также могут быть включены. Модель называется «физически обоснованной», если ее параметры могут быть измерены в полевых условиях.

Часто модели имеют отдельные модули для решения отдельных этапов процесса моделирования. Самый распространенный модуль - это подпрограмма для расчета поверхностного стока с учетом изменения землепользование тип, топография, почва тип, растительный покров, осадки и практики управления земельными ресурсами (например, нормы внесения удобрение ). Концепция гидрологического моделирования может быть распространена на другие среды, такие как океаны, но чаще всего (и в этой статье) подразумевается водораздел реки.

История

В 1850 году Т. Дж. Малвани был, вероятно, первым исследователем, применившим математическое моделирование в гидрология ручья контекст, хотя химии тут не было.[1] К 1892 году М.Э. Имбо задумал модель событий связать сток с пиковым количеством осадков, опять же без химического состава.[2] Роберт Э. Хортон Плодотворная работа[3] на поверхностный сток вместе с его сочетанием количественной обработки эрозии[4] заложили основу современной гидрологии химического транспорта.

Типы

Физически обоснованные модели

Физически обоснованные модели (иногда известные как детерминированные, комплексные или основанные на процессах модели) пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления поверхностного стока, подземного потока, суммарного испарения и руслового потока, но они могут быть гораздо более сложными. "Крупномасштабные эксперименты по моделированию были начаты Инженерный корпус армии США в 1953 году для управления водохранилищем на главном стволе реки Миссури ".[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, которая содержит только что процитированное предложение.[9]Другой ранней моделью, которая объединила многие подмодели для химической гидрологии бассейнов, была Стэнфордская модель водораздела (SWM).[10] SWMM (Модель управления ливневыми водами ), HSPF (Программа гидрологического моделирования - FORTRAN) и другие современные Американец деривативы являются преемниками этой ранней работы.

В Европе излюбленной комплексной моделью является Système Hydrologique Européen (SHE),[11][12] которому наследовал МАЙК ОНА и ШЕТРАН. МАЙК ОНА представляет собой физически основанную, пространственно распределенную модель водосборного бассейна для потока воды и перенос наносов. Процессы потока и переноса представлены либо конечно-разностными представлениями частичных дифференциальные уравнения или производными эмпирическими уравнениями. Участвуют следующие основные подмодели:

Эта модель может анализировать эффекты землепользование и изменения климата по качеству воды в потоке, с учетом грунтовые воды взаимодействия.

Во всем мире было разработано несколько бассейновых моделей, в том числе RORB (Австралия ), Синаньцзян (Китай ), Модель танка (Япония ), АРНО (Италия ), ТОП МОДЕЛЬ (Европа ), UBC (Канада ) и HBV (Скандинавия ), MOHID Земля (Португалия ). Однако не все эти модели содержат химический компонент. Вообще говоря, SWM, SHE и TOPMODEL имеют наиболее полную обработку потокового химического анализа и эволюционировали с учетом последних источников данных, включая дистанционное зондирование и географическая информационная система данные.

В Соединенных Штатах Инженерный корпус, Центр инженерных исследований и разработок совместно с исследователями из ряда университетов разработали Gridded Surface / Subsurface Hydrologic Analysis. ГСША модель.[13][14][15] ГСША широко используется в США для исследований и анализа инженерными округами армии США и крупными консалтинговыми компаниями для расчета расхода, уровней воды, распределенной эрозии и доставки наносов в комплекс инженерное дело конструкции. Распределенный компонент "судьба и транспорт" питательных веществ и загрязнителей проходит испытания. ГСША обработка ввода / вывода и интерфейс с ГИС обеспечивается Системой моделирования водоразделов (WMS).[16]

Другая модель, используемая в США и во всем мире, - это VФло, распределенная гидрологическая модель на основе физики, разработанная Vieux & Associates, Inc.[17] VФло использует радиолокационные данные о дождевых осадках и данные ГИС для вычисления пространственно распределенного наземного потока и руслового потока. Включены возможности моделирования испарения, затопления, инфильтрации и таяния снега. Приложения включают в себя 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

Эти модели, основанные на данных, черный ящик системы, использующие математические и статистические концепции для связывания определенных входных данных (например, осадки ) к выходу модели (например, сток ). Обычно используемые методы: регресс, передаточные функции, нейронные сети и идентификация системы. Эти модели известны как модели стохастической гидрологии. Модели, основанные на данных, использовались в гидрологии для моделирования зависимости количества осадков от стока, отражающих воздействие предшествующая влажность и выполнять управление системами в реальном времени.

Компоненты модели

Моделирование поверхностного стока

Река Колумбия, у которого есть поверхностный сток из сельское хозяйство и протоколирование

Ключевым компонентом гидрологической транспортной модели является поверхностный сток элемент, позволяющий оценить осадок, удобрение, пестицид и другие химические загрязнители. Основываясь на работе Хортона, теория единичного гидрографа была разработана Дугом в 1959 году.[18] Требовалось наличие Закон о национальной экологической политике и родственное другим национальным законам, чтобы дать импульс интеграции водно-химического режима в протоколы гидрологических моделей. В начале 1970-х гг. 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 лаборатории воды,[19] одна из первых попыток калибровки модели поверхностного стока с полевыми данными для различных химических загрязнителей.

Внимание, уделяемое моделям загрязнителей поверхностного стока, не соответствовало акценту на чисто гидрологических моделях, несмотря на их роль в генерации данных о загрязнении водотока. В Соединенных Штатах EPA столкнулось с трудностями при интерпретации[20] различные патентованные модели загрязнителей и должны разрабатывать свои собственные модели чаще, чем традиционные ресурсные агентства, которые наводнение прогнозирования, имели более центроид общих моделей бассейнов.

Примеры приложений

Лиден применил Модель HBV для оценки речного переноса трех различных веществ, азот, фосфор и взвешенный осадок[21] в четырех разных странах: Швеция, Эстония, Боливия и Зимбабве. Связь между внутренними переменными гидрологической модели и питательное вещество транспорт был оценен. Модель для азот Источники были разработаны и проанализированы в сравнении со статистическим методом. Модель переноса взвешенных наносов в тропический и полузасушливый регионов была разработана и протестирована. Было показано, что речной общий азот можно хорошо моделировать в Скандинавский климат и нагрузку речных взвешенных наносов можно довольно хорошо оценить в тропическом и полузасушливом климате. Модель HBV для транспортировки материалов в целом хорошо оценивает транспортные нагрузки. Главный вывод исследования заключался в том, что модель HBV может использоваться для прогнозирования переноса материала в масштабе водосборный бассейн в стационарных условиях, но не может быть легко распространен на области, специально не откалиброванные. В другой работе Castanedo et al. применил эволюционный алгоритм для автоматической калибровки модели водосбора.[22]

озеро Тахо, верховья суббассейн Река Траки водораздел

Агентство по охране окружающей среды США разработало Модель DSSAM анализировать качество воды удары от землепользование и Сточные Воды управленческие решения в Река Траки бассейн, территория которого включает города Рино и Спаркс, Невада так же хорошо как озеро Тахо бассейн. Модель[23] удовлетворительно предсказал параметры питательных веществ, отложений и растворенного кислорода в реке. Он основан на загрузке загрязняющих веществ. метрика называется «Общая суточная максимальная нагрузка» (TDML). Успех этой модели способствовал приверженности EPA использованию основного протокола TDML в национальной политике EPA для управления многими речными системами в Соединенные Штаты.[24]

Модель DSSAM построена таким образом, чтобы обеспечить динамический распад большинства загрязнителей; например, общий азот и фосфор разрешено потреблять бентосный водоросли на каждом временном шаге, и сообществам водорослей дается отдельная динамика популяции в каждом участке реки (например, на основе температуры реки). Относительно ливневого стока в Уошу Каунти, конкретные элементы в новом ксерискейп постановления были проанализированы на эффективность с использованием модели. Для различных сельскохозяйственных целей в водоразделе модель была запущена, чтобы понять основные источники воздействия, и были разработаны методы управления для снижения загрязнения в реке. Использование модели было специально проведено для анализа выживаемости двух вымирающие виды найдено в Река Траки и Пирамидное озеро: the Цуй-уй рыба-присоска (под угрозой исчезновения 1967 г.) и Лахонтанская головорезная форель (под угрозой в 1970 г.).

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ Mulvany, T.J. (1850 г.). «Об использовании саморегистрирующих дождемеров и расходомеров». Proc. Institute Civ. Англ. 4 (2): 1–8.
  2. ^ М.Э. Имбо, (1892) Ла Дюранс: режим. Crues et inundations, Анна. Ponts Chausses Mem. Док. Сер. 3 (I) 5–18
  3. ^ Хортон, Р. (1933). «Роль инфильтрации в гидрологическом цикле». Пер. Являюсь. Geophys. Союз. 145: 446–460. Дои:10.1029 / TR014i001p00446.
  4. ^ Хортон, Р. (1945). «Эрозионное развитие водотоков и их водосборных бассейнов: гидрологический подход к количественной геоморфологии». Бык. Геол. Soc. Являюсь. 56 (3): 275–330. Дои:10.1130 / 0016-7606 (1945) 56 [275: edosat] 2.0.co; 2.
  5. ^ Отчет об использовании электронно-вычислительных машин для интеграции операций с резервуарами, том 1 Технические отчеты корпорации DATAmatic, подготовленные в сотрудничестве с Raytheon Manufacturing Company для подразделения реки Миссури, Инженерный корпус армии США, январь 1957 г.
  6. ^ М.П. Барнетт, Комментарий к расчетам долины Нила, Журнал Королевского статистического общества, серия B, т. 19, 223, 1957 г.
  7. ^ H.A.W. Моррис и В.Н.Алан, Планирование окончательного гидравлического развития долины Нила, Известия Института инженеров-строителей, 14, 101, 1959 г.
  8. ^ Ф.С. Коричневый, Развитие водных ресурсов - бассейн реки Колумбия, в Отчет совещания Межведомственного комитета по бассейну Колумбии, Портленд, Орегон, декабрь 1958 г.
  9. ^ Д.Ф. Манзер и М. Барнетт, Анализ путем моделирования: методы программирования для высокоскоростного цифрового компьютера, в Артур Маас и другие, Проектирование систем водных ресурсов, стр. 324–390, Издательство Гарвардского университета, Кембридж, Массачусетс, 1962.
  10. ^ Н.Х. Кроуфорд, Р.К. Линсли. Цифровое моделирование в гидрологии: Стэнфордская модель водораздела IV, Технический отчет №39 Стэндфордский Университет, Пало-Альто, Калифорния. (1966)
  11. ^ Эбботт, П. Э. О'Коннелл; Bathurst, J.C .; Cunge, J.A .; Расмуссен, Дж. (1986). «Введение в европейскую систему: система Hydrologique Europeen (SHE)». Журнал гидрологии. 87 (1–2): 61–77. Дои:10.1016/0022-1694(86)90115-0.
  12. ^ Виджай П. Сингх, Компьютерные модели гидрологии водосбора, публикации о водных ресурсах, стр. 563-594 (1995)
  13. ^ Даунер, К.У. и Ф.Л. Огден, 2006 г., Руководство пользователя по поверхностному гидрологическому анализу подземных водоемов (GSSHA), версия 1.43 для Системы моделирования водоразделов 6.1, Общесистемная программа водных ресурсов, Лаборатория прибрежных и гидравлических систем, Инженерный корпус армии США, Центр инженерных исследований и разработок, ERDC / CHL SR -06-1, 207 с.
  14. ^ Даунер, C.W .; Огден, Ф. (2004). «GSSHA: модель для моделирования различных процессов создания речного стока». Журнал гидротехники. 9 (3): 161–174. Дои:10.1061 / (ASCE) 1084-0699 (2004) 9: 3 (161).
  15. ^ Даунер, C.W., F.L. Огден, Дж. М. Недзялек и С. Лю, 2006, Модель поверхностного / подземного гидрологического анализа (GSSHA): модель для моделирования процессов образования разнообразных речных потоков, стр. 131–159, in Watershed Models, V.P. Сингх и Д. Фреверт, ред., Тейлор и Фрэнсис Груп, CRC Press, 637 стр.
  16. ^ «Система моделирования водоразделов». Aquaveo. Получено 19 февраля 2016.
  17. ^ Vieuxinc.com
  18. ^ J.C.I. Дуг, Параметризация гидрологических процессов, АО «Исследовательская конференция по процессам на суше в моделях общей циркуляции атмосферы», 243–284 (1959)
  19. ^ СМ. Хоган, Леда Патмор, Гэри Латшоу, Гарри Сейдман и др. Компьютерное моделирование переноса пестицидов в почве для пяти инструментальных водосборов, Юго-восточная лаборатория водных ресурсов Агентства по охране окружающей среды США, Афины, Джорджия, автор ESL Inc., Саннивейл, Калифорния (1973)
  20. ^ Стивен Грант, И. Искандар, Загрязняющая гидрология, CRC Press (2000) ISBN  1-56670-476-6
  21. ^ Рикард Лиден, Концептуальные модели стока для оценок переноса материалов, Кандидатская диссертация, Лундский университет, Лунд, Швеция (2000)
  22. ^ Castanedo, F .; Patricio, M.A .; Молина, Дж. М. (2006). Применение метода эволюционных вычислений для калибровки модели HSPF испанского водораздела. ИДЕАЛ. Конспект лекций по информатике. 2006. С. 216–223. CiteSeerX  10.1.1.497.5100. Дои:10.1007/11875581_26. ISBN  978-3-540-45485-4.
  23. ^ Разработка динамической модели качества воды для реки Траки, Earth Metrics Inc., Серия технологий Агентства по охране окружающей среды, Вашингтон, округ Колумбия (1987)
  24. ^ USEPA. 1991 г. Руководство для принятия решений, основанных на качестве воды: процесс TMDL, EPA 440 / 4-91-001. Агентство по охране окружающей среды США, Управление водных ресурсов, Вашингтон, округ Колумбия.

внешняя ссылка