Гидрологическая транспортная модель — это математическая модель , используемая для моделирования течения рек, ручьев , движения грунтовых вод или смещения фронта дренажа , а также для расчета параметров качества воды . Эти модели в основном начали использоваться 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 вычислительной мощности. Большая часть первоначальной разработки модели происходила в Соединенных Штатах и Великобритании , но сегодня эти модели усовершенствованы и используются во всем мире.
Существуют десятки различных моделей переноса, которые можно сгруппировать по загрязняющим веществам , сложности источников загрязняющих веществ, по тому, является ли модель устойчивой или динамической, и по моделируемому периоду времени. Другое важное обозначение — является ли модель распределенной (т. е. способной предсказывать несколько точек в реке) или сосредоточенной. Например, в базовой модели может быть рассмотрен только один загрязняющий агент из простого точечного сброса в принимающие воды. В самых сложных моделях различные линейные входы источника из поверхностного стока могут быть добавлены к нескольким точечным источникам , обрабатывая различные химикаты и осадки в динамической среде, включая вертикальную стратификацию реки и взаимодействие загрязняющих веществ с биотой в русле . Кроме того, могут быть включены грунтовые воды водораздела . Модель называется «физически обоснованной», если ее параметры можно измерить в полевых условиях.
Часто модели имеют отдельные модули для рассмотрения отдельных шагов в процессе моделирования. Наиболее распространенным модулем является подпрограмма для расчета поверхностного стока, позволяющая варьировать тип землепользования , топографию , тип почвы , растительный покров , осадки и практику управления земельными ресурсами (например, норму внесения удобрений ). Концепция гидрологического моделирования может быть распространена на другие среды, такие как океаны , но чаще всего (и в этой статье) подразумевается тема речного водораздела.
В 1850 году Т. Дж. Малвани был, вероятно, первым исследователем, использовавшим математическое моделирование в контексте гидрологии рек, хотя химия здесь не участвовала. [1] К 1892 году М. Э. Имбо придумал модель событий , связывающую сток с пиковым количеством осадков, опять же без химии. [2] Основополагающая работа Роберта Э. Хортона [3] по поверхностному стоку вместе с его связью с количественным рассмотрением эрозии [4] заложила основу современной гидрологии химического транспорта.
Физически обоснованные модели (иногда называемые детерминированными, всеобъемлющими или основанными на процессах моделями) пытаются представить физические процессы, наблюдаемые в реальном мире. Обычно такие модели содержат представления поверхностного стока, подземного потока, эвапотранспирации и руслового потока, но они могут быть гораздо более сложными. «Масштабные эксперименты по моделированию были начаты Инженерным корпусом армии США в 1953 году для управления водохранилищем на главном русле реки Миссури». Эта [5] и другие ранние работы, которые касались реки Нил [6] [7] и реки Колумбия [8], обсуждаются в более широком контексте в книге, опубликованной Гарвардским семинаром по водным ресурсам, которая содержит только что процитированное предложение. [9] Еще одной ранней моделью, которая интегрировала множество подмоделей для химической гидрологии бассейна, была Стэнфордская модель водораздела (SWM). [10] SWMM ( модель управления ливневыми водами ), HSPF (программа гидрологического моделирования – FORTRAN) и другие современные американские производные являются преемниками этой ранней работы.
В Европе предпочтительная комплексная модель — Système Hydrologique Européen (SHE), [11] [12] , за которой последовали MIKE SHE и SHETRAN . MIKE SHE — это физически обоснованная, пространственно распределенная модель водораздельного масштаба для потока воды и переноса осадков . Процессы потока и переноса представлены либо конечно-разностными представлениями уравнений в частных производных , либо выведенными эмпирическими уравнениями. Задействованы следующие основные подмодели:
Эта модель позволяет анализировать влияние землепользования и изменений климата на качество воды в русле реки с учетом взаимодействия с грунтовыми водами .
Во всем мире было разработано несколько моделей бассейнов, среди которых 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 химический компонент. В целом, SWM, SHE и TOPMODEL имеют наиболее полную обработку химии потока и развивались для учета новейших источников данных, включая данные дистанционного зондирования и географических информационных систем .
В Соединенных Штатах Инженерный корпус, Инженерный научно-исследовательский и опытно-конструкторский центр совместно с исследователями из ряда университетов разработали модель Gridded Surface/Subsurface Hydrological Analysis GSSHA . [13] [14] [15] GSSHA широко используется в США для исследований и анализа округами Инженерного корпуса армии США и крупными консалтинговыми компаниями для расчета потока, уровня воды, распределенной эрозии и доставки осадков в сложных инженерных проектах. Распределенный компонент судьбы и транспорта питательных веществ и загрязняющих веществ проходит испытания. Обработка ввода/вывода GSSHA и интерфейс с ГИС облегчаются Системой моделирования водоразделов (WMS). [16]
Другая модель, используемая в Соединенных Штатах и во всем мире, — это V flo , распределенная гидрологическая модель на основе физики, разработанная Vieux & Associates, Inc. [17] V flo использует данные радиолокационных осадков и ГИС для вычисления пространственно распределенного потока по суше и руслу. Включены возможности моделирования эвапотранспирации, затопления, инфильтрации и таяния снега. Приложения включают эксплуатацию и обслуживание гражданской инфраструктуры, прогнозирование ливневых стоков и управление чрезвычайными ситуациями, мониторинг влажности почвы, планирование землепользования, мониторинг качества воды и другие.
Эти модели, основанные на данных, представляют собой системы черного ящика , использующие математические и статистические концепции для связывания определенных входных данных (например, осадков ) с выходными данными модели (например, стоком ). Обычно используемые методы — это регрессия , функции переноса , нейронные сети и идентификация системы . Эти модели известны как модели стохастической гидрологии. Модели, основанные на данных, использовались в гидрологии для моделирования взаимосвязи между осадками и стоком, представления воздействия предшествующей влажности и осуществления управления системами в реальном времени.
Ключевым компонентом гидрологической модели переноса является элемент поверхностного стока , который позволяет оценивать осадки, удобрения , пестициды и другие химические загрязнители. Основываясь на работе Хортона, теория единичного гидрографа была разработана Дуге в 1959 году. [18] Для этого требовалось наличие Закона о национальной политике в области охраны окружающей среды и других родственных национальных законодательств, чтобы дать импульс для интеграции химии воды в протоколы гидрологической модели. 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 . Примером этих усилий стала разработка в Юго-восточной водной лаборатории [19] — одна из первых попыток калибровки модели поверхностного стока с полевыми данными для различных химических загрязнителей.
Внимание, уделяемое моделям загрязнения поверхностного стока, не соответствовало акценту на чисто гидрологических моделях, несмотря на их роль в формировании данных о загрязнении потока. В Соединенных Штатах у Агентства по охране окружающей среды возникли трудности с интерпретацией [20] различных фирменных моделей загрязнения, и ему приходится разрабатывать свои собственные модели чаще, чем обычным ресурсным агентствам, которые, сосредоточившись на прогнозировании наводнений , имели больше общего центра моделей бассейнов. [21]
Лиден применил модель HBV 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 гидрологическими переменными модели и переносом питательных веществ . Была разработана и проанализирована модель для источников азота в сравнении со статистическим методом. Была разработана и протестирована модель для переноса взвешенных отложений в тропических и полузасушливых регионах. Было показано, что общий речной азот может быть хорошо смоделирован в северном климате, а нагрузка речных взвешенных отложений может быть достаточно хорошо оценена в тропическом и полузасушливом климате. Модель HBV для переноса материалов в целом хорошо оценивала нагрузки переноса материалов. Главный вывод исследования состоял в том, что модель HBV может быть использована для прогнозирования переноса материалов в масштабе водосборного бассейна в стационарных условиях, но ее нельзя легко обобщить на области, не откалиброванные специально. В другой работе Кастанедо и др. применили эволюционный алгоритм для автоматизированной калибровки модели водораздела. [23]
Агентство по охране окружающей среды США разработало модель DSSAM для анализа влияния на качество воды решений по землепользованию и управлению сточными водами в бассейне реки Траки , районе, который включает города Рино и Спаркс, штат Невада , а также бассейн озера Тахо . Модель [24] удовлетворительно предсказала параметры питательных веществ, отложений и растворенного кислорода в реке. Она основана на метрике нагрузки загрязняющих веществ , называемой «общая максимальная суточная нагрузка» (TMDL). Успех этой модели способствовал приверженности Агентства по охране окружающей среды использованию базового протокола TMDL в национальной политике Агентства по охране окружающей среды для управления многими речными системами в Соединенных Штатах . [25]
Модель DSSAM создана для обеспечения динамического распада большинства загрязняющих веществ; например, общий азот и фосфор могут потребляться бентосными водорослями на каждом временном шаге, а сообществам водорослей задается отдельная динамика популяции на каждом участке реки (например, на основе температуры реки). Что касается ливневого стока в округе Уошо , то с помощью модели были проанализированы конкретные элементы в новом постановлении о ксерискейпе на предмет эффективности. Для различных видов сельскохозяйственного использования в водоразделе модель была запущена для понимания основных источников воздействия, и были разработаны методы управления для снижения загрязнения в реке. Модель была специально использована для анализа выживания двух находящихся под угрозой исчезновения видов, обнаруженных в реке Траки и озере Пирамид : рыбы-прилипала куи-уи (находится под угрозой с 1967 г.) и форели-головореза Лахонтан (находится под угрозой с 1970 г.).
{{cite book}}: |journal=проигнорировано ( помощь )