Из Википедии, бесплатной энциклопедии
  (Перенаправлено из транспортной модели Hydrology )
Перейти к навигации Перейти к поиску
Река на Мадагаскаре относительно свободна от наносов

Модель гидрологического переноса - это математическая модель, используемая для моделирования течения рек, ручьев , движения грунтовых вод или смещения фронта дренажа , а также расчета параметров качества воды . Эти модели обычно использовались в 1960-х и 1970-х годах, когда спрос на численное прогнозирование качества воды и дренажа был обусловлен экологическим законодательством , и в то же время стал доступен широкий доступ к значительной мощности компьютеров. Большая часть первоначальных моделей разрабатывалась в Соединенных Штатах и Соединенном Королевстве , но сегодня эти модели совершенствуются и используются по всему миру.

Существуют десятки различных моделей переноса, которые в целом можно сгруппировать по рассматриваемым загрязняющим веществам , сложности источников загрязняющих веществ, независимо от того, является ли модель устойчивой или динамической, и смоделированным периодом времени. Еще одно важное обозначение - распределенная модель (т. Е. Способная предсказывать несколько точек в пределах реки) или сосредоточенная. В базовой модели, например, только один загрязнитель может быть устранен за счет простого точечного сброса в водоприемники . В наиболее сложной модели, различные исходные линии входы от поверхностного стока могут быть добавлены в несколько точечных источников , лечения различных химических веществ , плюс осадкав динамической среде, включая вертикальную стратификацию рек и взаимодействие загрязняющих веществ с биотой водотока . Кроме того, могут быть включены подземные воды водосбора . 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, позволяющая варьировать тип землепользования , топографию , тип почвы , растительный покров , количество осадков и методы управления земельными ресурсами (например, нормы внесения удобрений ). Концепция гидрологического моделирования может быть распространена на другие среды, такие как океаны , но чаще всего (и в этой статье) подразумевается речной водораздел.

История [ править ]

В 1850 году Т. Дж. Малвани был, вероятно, первым исследователем, применившим математическое моделирование в контексте гидрологии водотока , хотя химия здесь не была задействована. [1] К 1892 году М.Э. Имбо разработал модель событий, чтобы связать сток с пиковым количеством осадков, опять же без химического состава. [2] Основополагающая работа Роберта Э. Хортона [3] по поверхностному стоку вместе с его сочетанием количественной обработки эрозии [4] заложила основу для современной гидрологии химического переноса.

Типы [ править ]

Физические модели [ править ]

Физически обоснованные модели (иногда называемые детерминированными, комплексными или основанными на процессах) 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 Инженерным корпусом армии США в 1953 году для управления водохранилищем на главном стволе реки Миссури». Эта [5] и другие ранние работы, посвященные реке Нил [6] [7] и реке Колумбия [8] , обсуждаются в более широком контексте в книге, опубликованной Гарвардским семинаром по водным ресурсам, которая содержит предложение только что процитировано. [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 американские производные модели являются преемниками этой ранней работы.

В Европе излюбленной комплексной моделью является Système Hydrologique Européen (SHE) [11] [12] , на смену которой пришли MIKE SHE и SHETRAN . MIKE SHE - это физически основанная, пространственно распределенная модель водосборного бассейна для переноса воды и наносов . Поток и процессы переноса представлены либо конечно-разностными представлениями дифференциальных уравнений в частных производных, либо производными эмпирическими уравнениями. Участвуют следующие основные подмодели:

  • Эвапотранспирация : формализм Пенмана-Монтейта
  • Эрозия: уравнения отрыва для капли дождя и наземного потока
  • Сухопутный поток и поток в проливе : уравнения непрерывности и импульса Сен-Венана
  • Транспортировка наносов по суше : 2D уравнение сохранения общей нагрузки наносов
  • Ненасыщенный поток: уравнение Ричардса
  • Насыщенный поток: закон Дарси и сохранение массы двумерного ламинарного потока
  • Одномерное уравнение сохранения массы канального переноса осадка.

Эта модель может анализировать влияние землепользования и изменений климата на качество воды в потоке с учетом взаимодействия с грунтовыми водами .

Во всем мире был разработан ряд моделей бассейнов, в том числе RORB ( Австралия ), Xinanjiang ( Китай ), Tank model ( Япония ), ARNO ( Италия ), TOPMODEL ( Европа ), UBC ( Канада ) и HBV ( Скандинавия ), MOHID Land. ( Португалия ). Однако не все эти модели содержат химический компонент. Вообще говоря, SWM, SHE и TOPMODEL имеют наиболее полную обработку потокового химического анализа и разработаны с учетом последних источников данных, включая данные дистанционного зондирования и данные географических информационных систем .

В Соединенных Штатах Инженерный корпус, Центр инженерных исследований и разработок совместно с исследователями из ряда университетов разработали модель GSSHA для поверхностного / подземного гидрологического анализа с привязкой к сетке . [13] [14] [15] GSSHA 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 сложных инженерных проектах. Распределенный компонент "судьба и транспорт" питательных веществ и загрязнителей проходит испытания. Обработка ввода / вывода GSSHA и интерфейс с ГИС обеспечивается Системой моделирования водоразделов (WMS).[16]

Другая модель, используемая в Соединенных Штатах и ​​во всем мире, - это V flo , распределенная гидрологическая модель, основанная на физике, разработанная Vieux & Associates, Inc. [17] V flo использует данные радарного дождя 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 обслуживание гражданской инфраструктуры, прогнозирование ливневых стоков и управление чрезвычайными ситуациями, мониторинг влажности почвы, планирование землепользования, мониторинг качества воды и другие.

Стохастические модели [ править ]

Эти модели, основанные на данных, представляют собой системы « черного ящика» , использующие математические и статистические концепции для привязки определенных входных данных (например, осадков ) к выходным данным модели (например, стока ). Обычно используемые методы - это регрессия , 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, представления воздействия предшествующей влажности и управления системами в реальном времени.

Компоненты модели [ править ]

Моделирование поверхностного стока [ править ]

Река Колумбия с поверхностным стоком от сельского хозяйства и лесозаготовок.

Ключевым компонентом модели гидрологического переноса является элемент поверхностного стока , который позволяет проводить оценку отложений, удобрений , пестицидов и других химических загрязнителей. Основываясь на работе Хортона, теория единичного гидрографа была разработана Дугом в 1959 году [18]. Это потребовало наличия Закона о национальной экологической политике и аналогичного другого национального законодательства, чтобы придать импульс интеграции химического состава воды в протоколы гидрологических моделей. В начале 1970-х 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], это 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 Агентство по охране окружающей среды столкнулось с трудностями при интерпретации [20] различных патентованных моделей загрязнителей и должно разрабатывать свои собственные модели чаще, чем традиционные ресурсные агентства, которые, сосредоточившись на прогнозировании наводнений , имели больше центроид моделей общих бассейнов.

Примеры приложений [ править ]

Лиден применил модель HBV для оценки речного переноса трех различных веществ, азота , фосфора и взвешенных отложений [21] в четырех разных странах: Швеции , Эстонии , Боливии и Зимбабве . Была оценена связь между переменными внутренней гидрологической модели и переносом питательных веществ . Модель источников азота была разработана и проанализирована в сравнении со статистическим методом. Модель переноса взвешенных наносов в тропических и полузасушливых районах.регионов была разработана и протестирована. Было показано, что общий речной азот может быть хорошо смоделирован в условиях северного климата, а нагрузка речных взвешенных наносов может быть достаточно хорошо оценена 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 материалов в масштабе водосборного бассейна в стационарных условиях, но не может быть легко обобщена на участки, не откалиброванные специально. В другой работе Castanedo et al. применил эволюционный алгоритм для автоматической калибровки модели водосбора. [22]

Lake Tahoe , исток Суббассейн на реке Траки водоразделе

Агентство по охране окружающей среды США разработало модель DSSAM для анализа воздействия на качество воды в результате решений по землепользованию и управлению сточными водами в бассейне реки Траки , который включает города Рино и Спаркс, штат Невада, а также бассейн озера Тахо . Модель [23] удовлетворительно предсказала параметры питательных веществ, наносов и растворенного кислорода в реке. Он основан на метрике содержания загрязняющих веществ.называется «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 . [24]

Модель DSSAM предназначена для динамического распада большинства загрязняющих веществ; например, общий азот и фосфор могут потребляться бентосными водорослями на каждом временном шаге, а сообществам водорослей дается отдельная динамика популяции на каждом участке реки (например, на основе температуры реки). Что касается стока ливневых вод в округе Уошу , конкретные элементы в новом постановлении о ксерискейпе были проанализированы на предмет эффективности с использованием модели. Для различных сельскохозяйственных целей в водоразделе модель была запущена, чтобы понять основные источники воздействия, и были разработаны методы управления для уменьшения загрязнения в реке. Использование модели было специально проведено для анализа выживания двух исчезающих видов.найдены в реке Траки и озере Пирамид : рыба - присоска Cui-ui (находящаяся под угрозой исчезновения в 1967 г.) и головорезная форель Lahontan (под угрозой исчезновения в 1970 г.).

См. Также [ править ]

  • Водоносный горизонт
  • Дифференциальное уравнение
  • Модель HBV
  • Гидрометрия
  • Проникновение
  • Модель стока (водохранилище)
  • Модель управления ливневыми водами
  • Инженерный корпус армии США
  • Модель WAFLEX
  • SWAT модель

Ссылки [ править ]

  1. ^ Mulvany, TJ (1850). «Об использовании саморегистрирующих дождемеров и расходомеров». Proc. Institute Civ. Англ. 4 (2): 1–8.
  2. ^ ME Imbeau, (1892) La Durance: режим. Crues et inundations , Ann. Ponts Chausses Mem. Док. Сер. 3 (I) 5–18
  3. Перейти ↑ Horton, RE (1933). «Роль инфильтрации в гидрологическом цикле». Пер. Являюсь. Geophys. Союз . 145 : 446–460. DOI : 10.1029 / TR014i001p00446 .
  4. Перейти ↑ Horton, RE (1945). «Эрозионное развитие водотоков и их водосборных бассейнов: гидрологический подход к количественной геоморфологии» . Бык. Геол. Soc. Являюсь. 56 (3): 275–330. DOI : 10.1130 / 0016-7606 (1945) 56 [275: edosat] 2.0.co; 2 .
  5. ^ Отчет об использовании электронных компьютеров для интеграции операций с водохранилищами , том 1, технические отчеты DATAmatic Corporation, подготовленные в сотрудничестве с Raytheon Manufacturing Company для речного дивизиона Миссури, Инженерный корпус армии США, январь 1957 г.
  6. ^ MPBarnett, Комментарий на расчеты долины Нила , журнал Королевского статистического общества, серия B, т. 19, 223, 1957 г.
  7. ^ HAW Morrice и WN Allan, Планирование окончательного гидравлического развития долины Нила , Труды Института инженеров-строителей, 14, 101, 1959,
  8. ^ Ф. С. Браун, Развитие водных ресурсов - бассейн реки Колумбия , в отчете совещания Межведомственного комитета по бассейну Колумбии, Портленд, Орегон, декабрь 1958 г.
  9. ^ DF Manzer и MP Barnett, Анализ путем моделирования: методы программирования для высокоскоростного цифрового компьютера , в Arthur Maas et al , Design of Water Resource Systems , стр. 324–390, Harvard University Press, Кембридж, Массачусетс, 1962.
  10. ^ NH Crawford и RK Linsley. Цифровое моделирование в гидрологии: Стэнфордская модель водораздела IV , Технический отчет № 39 Стэнфордского университета , Пало-Альто, Калифорния. (1966)
  11. ^ Abbott, PEO'Connell; Батерст, JC; Cunge, JA; Расмуссен, Дж. (1986). «Введение в европейскую систему: система Hydrologique Europeen (SHE)». Журнал гидрологии . 87 (1–2): 61–77. DOI : 10.1016 / 0022-1694 (86) 90115-0 .
  12. ^ Виджай П. Сингх, Компьютерные модели гидрологии водосбора, Публикации по водным ресурсам , стр. 563-594 (1995)
  13. ^ Даунер, CW и FL Огден, 2006, Руководстворешетчатой поверхности недропользованию Гидрологический анализ (GSSHA)пользователя, версия 1.43 для водоразделов моделирования системы 6.1 Система Wide Программа водных ресурсов, прибрежных и Hydraulics Laboratory, США Инженерный корпус армии, инженер исследований и Центр развития, ERDC / CHL SR-06-1, 207 с.
  14. ^ Даунер, CW; Огден, Флорида (2004). «GSSHA: модель для моделирования различных процессов создания речного стока». Журнал гидротехники . 9 (3): 161–174. DOI : 10.1061 / (ASCE) 1084-0699 (2004) 9: 3 (161) .
  15. ^ Даунер, CW, FL Огден, JM Niedzialek и S. Liu, 2006, решетчатая поверхность / подповерхностный Гидрологический анализ (GSSHA) Модель:. Модель для Симуляция разнообразных процессов Streamflow производства, стр 131-159, в водоразделе модели, В. П. Сингх , и Д. Фреверт, ред., Тейлор и Фрэнсис Груп, CRC Press, 637 стр.
  16. ^ "Система моделирования водораздела" . Aquaveo . Проверено 19 февраля +2016 .
  17. ^ Vieuxinc.com
  18. ^ JCI Dooge, Параметризация гидрологических процессов , Исследовательская конференция АО по процессам на поверхности суши в моделях общей циркуляции атмосферы, 243–284 (1959)
  19. ^ CM Хоган, Леда Patmore, Гэри Латшо, Гарри Сайдмандр. Компьютерное моделирование переноса пестицидов в почве для пяти водосборных бассейнов с приборами , Юго-восточная лаборатория Управления по охране окружающей среды США, Афины, Джорджия, ESL Inc. , Саннивейл, Калифорния (1973)
  20. ^ Стивен Грант, И. К. Искандар, Загрязняющая гидрология , CRC Press (2000) ISBN 1-56670-476-6 
  21. ^ Рикард Лиден, Концептуальные модели стока для оценок переноса материалов , докторская диссертация, Лундский университет , Лунд, Швеция (2000)
  22. ^ Кастанедо, Ф .; Патрисио, Массачусетс; Молина, JM (2006). Техника эволюционных вычислений, применяемая к калибровке модели HSPF испанского водораздела . ИДЕАЛ . Конспект лекций по информатике. 2006 . С. 216–223. CiteSeerX 10.1.1.497.5100 . DOI : 10.1007 / 11875581_26 . ISBN  978-3-540-45485-4.
  23. ^ Разработка модели динамического моделирования качества воды для реки Траки , Earth Metrics Inc., Environmental Protection Agency Technology Series, Вашингтон, округ Колумбия (1987)
  24. ^ USEPA. 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.

Внешние ссылки [ править ]

  • Модель HBV применима к изменению климата в бассейне реки Рейн [ мертвая ссылка ]
  • TOPMODEL характеристики и параметры
  • Модель Синаньцзян и ее применение в северном Китае
  • Метод эволюционных вычислений, примененный к калибровке модели HSPF испанского водораздела