Hydrologisches Transportmodell – Wikipedia

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Fluss in Madagaskar relativ frei von Sedimentfracht

Ein hydrologisches Transportmodell ist ein mathematisches Modell, das verwendet wird, um die Strömung von Flüssen, Bächen, Grundwasserbewegungen oder Entwässerungsfrontverschiebungen zu simulieren und Wasserqualitätsparameter zu berechnen. Diese Modelle kamen im Allgemeinen in den 1960er und 1970er Jahren zum Einsatz, als die Nachfrage nach numerischen Vorhersagen der Wasserqualität und der Entwässerung durch die Umweltgesetzgebung getrieben wurde und zu einer ähnlichen Zeit ein breiter Zugang zu beträchtlicher Computerleistung verfügbar wurde. Ein Großteil der ursprünglichen Modellentwicklung fand in den Vereinigten Staaten und Großbritannien statt, aber heute werden diese Modelle verfeinert und weltweit verwendet.

Es gibt Dutzende verschiedener Transportmodelle, die im Allgemeinen nach adressierten Schadstoffen, Komplexität der Schadstoffquellen, ob das Modell stationär oder dynamisch ist, und nach Zeitmodellen gruppiert werden können. Eine weitere wichtige Bezeichnung ist, ob das Modell verteilt (dh in der Lage ist, mehrere Punkte innerhalb eines Flusses vorherzusagen) oder zusammengefasst ist. In einem Basismodell könnte beispielsweise nur ein Schadstoff aus einer einfachen Punkteinleitung in den Vorfluter adressiert werden. In den komplexesten Modellen können verschiedene Linienquelleneinträge aus dem Oberflächenabfluss zu mehreren Punktquellen hinzugefügt werden, um eine Vielzahl von Chemikalien plus Sediment in einer dynamischen Umgebung zu behandeln, einschließlich vertikaler Flussschichtung und Wechselwirkungen von Schadstoffen mit strömungsnahen Biota. Darüber hinaus kann auch Grundwasser von Wassereinzugsgebieten einbezogen werden. Das Modell wird als “physikalisch basiert” bezeichnet, wenn seine Parameter im Feld gemessen werden können.

Modelle haben oft separate Module, um einzelne Schritte im Simulationsprozess zu behandeln. Das gebräuchlichste Modul ist ein Unterprogramm zur Berechnung des Oberflächenabflusses, das Variationen in Landnutzungsart, Topographie, Bodenart, Vegetationsdecke, Niederschlag und Landbewirtschaftungspraxis (wie der Ausbringungsmenge eines Düngemittels) ermöglicht. Das Konzept der hydrologischen Modellierung kann auf andere Umgebungen wie die Ozeane ausgedehnt werden, aber am häufigsten (und in diesem Artikel) wird das Thema eines Flusseinzugsgebiets im Allgemeinen impliziert.

Geschichte[edit]

Im Jahr 1850 war TJ Mulvany wahrscheinlich der erste Forscher, der mathematische Modellierung im Kontext der Fließgewässerhydrologie einsetzte, obwohl keine Chemie involviert war.[1] Bis 1892 hatte ME Imbeau ein Ereignismodell entwickelt, um Abfluss und Spitzenniederschlag in Beziehung zu setzen, wieder ohne Chemie.[2]Robert E. Hortons bahnbrechendes Werk[3] zum Oberflächenabfluss zusammen mit seiner Kopplung der quantitativen Behandlung der Erosion[4] legte den Grundstein für die moderne chemische Transporthydrologie.

Physikalisch basierte Modelle[edit]

Physikalisch basierte Modelle (manchmal auch als deterministische, umfassende oder prozessbasierte Modelle bekannt) versuchen, die in der realen Welt beobachteten physikalischen Prozesse abzubilden. Typischerweise enthalten solche Modelle Darstellungen des Oberflächenabflusses, der unterirdischen Strömung, der Evapotranspiration und der Kanalströmung, sie können jedoch weitaus komplizierter sein. “Großmaßstäbliche Simulationsexperimente wurden 1953 vom US Army Corps of Engineers für das Reservoir-Management am Hauptstamm des Missouri River begonnen”. Diese,[5] und andere frühe Arbeiten, die sich mit dem Nil befassten[6][7] und der Columbia River[8] werden in einem breiteren Kontext in einem vom Harvard Water Resources Seminar veröffentlichten Buch diskutiert, das den gerade zitierten Satz enthält.[9]

Ein weiteres frühes Modell, das viele Untermodelle für die chemische Hydrologie von Becken integriert hat, war das Stanford Watershed Model (SWM).[10] Das SWMM (Storm Water Management Model), das HSPF (Hydrological Simulation Program – FORTRAN) und andere moderne amerikanische Derivate sind Nachfolger dieser frühen Arbeiten.

In Europa ist ein beliebtes Gesamtmodell das Système Hydrologique Européen (SHE),[11][12] die von MIKE SHE und SHETRAN abgelöst wurde. MIKE SHE ist ein physikalisch basiertes, räumlich verteiltes Modell für Wasserfluss und Sedimenttransport auf Wassereinzugsgebietsebene. Strömungs- und Transportprozesse werden entweder durch Finite-Differenzen-Darstellungen partieller Differentialgleichungen oder durch abgeleitete empirische Gleichungen dargestellt. Die folgenden Hauptteilmodelle sind beteiligt:

Dieses Modell kann die Auswirkungen von Landnutzungs- und Klimaänderungen auf die Gewässerqualität unter Berücksichtigung von Grundwasserinteraktionen analysieren.

Weltweit wurden eine Reihe von Beckenmodellen entwickelt, darunter RORB (Australien), Xinanjiang (China), Tankmodell (Japan), ARNO (Italien), TOPMODEL (Europa), UBC (Kanada) und HBV (Skandinavien), MOHID Land (Portugal). Allerdings haben nicht alle diese Modelle eine Chemiekomponente. Im Allgemeinen verfügen SWM, SHE und TOPMODEL über die umfassendste stromchemische Behandlung und wurden weiterentwickelt, um die neuesten Datenquellen einschließlich Fernerkundungs- und Geoinformationssystemdaten aufzunehmen.

In den Vereinigten Staaten hat das Corps of Engineers, das Ingenieurforschungs- und Entwicklungszentrum in Zusammenarbeit mit Forschern einer Reihe von Universitäten das GSSHA-Modell der hydrologischen Analyse von Gitteroberflächen/Untergrundflächen entwickelt.[13][14][15]GSSHA wird in den USA häufig für Forschung und Analyse von Distrikten des US Army Corps of Engineers und größeren Beratungsunternehmen verwendet, um Strömungen, Wasserstände, verteilte Erosion und Sedimentabgabe in komplexen Konstruktionsdesigns zu berechnen. Eine verteilte Nährstoff- und Schadstoff-Schicksals- und Transportkomponente wird getestet. Die GSSHA-Ein-/Ausgabeverarbeitung und die Schnittstelle mit GIS werden durch das Watershed Modeling System (WMS) erleichtert.[16]

Ein weiteres Modell, das in den Vereinigten Staaten und weltweit verwendet wird, ist Vflo, ein physikbasiertes verteiltes hydrologisches Modell, das von Vieux & Associates, Inc. entwickelt wurde.[17] Vflo verwendet Radar-Niederschlags- und GIS-Daten, um räumlich verteilte Überland- und Kanalströmungen zu berechnen. Evapotranspiration, Überschwemmung, Infiltration und Schneeschmelze-Modellierungsfunktionen sind enthalten. Zu den Anwendungen gehören der Betrieb und die Wartung der zivilen Infrastruktur, die Vorhersage von Regenwasser und das Notfallmanagement, die Überwachung der Bodenfeuchtigkeit, die Landnutzungsplanung, die Überwachung der Wasserqualität und andere.

Stochastische Modelle[edit]

Diese auf Daten basierenden Modelle sind Black-Box-Systeme, die mathematisch-statistische Konzepte verwenden, um einen bestimmten Input (zum Beispiel Niederschlag) mit dem Modelloutput (zum Beispiel Abfluss) zu verknüpfen. Häufig verwendete Techniken sind Regression, Übertragungsfunktionen, neuronale Netze und Systemidentifikation. Diese Modelle werden als stochastische Hydrologiemodelle bezeichnet. In der Hydrologie wurden datenbasierte Modelle verwendet, um die Niederschlags-Abfluss-Beziehung zu simulieren, die Auswirkungen vorhergehender Feuchtigkeit darzustellen und eine Echtzeitsteuerung von Systemen durchzuführen.

Modellkomponenten[edit]

Oberflächenabflussmodellierung[edit]

Eine Schlüsselkomponente eines hydrologischen Transportmodells ist das Oberflächenabflusselement, das die Bewertung von Sedimenten, Düngemitteln, Pestiziden und anderen chemischen Verunreinigungen ermöglicht. Aufbauend auf der Arbeit von Horton wurde die Einheitsganglinientheorie 1959 von Dooge entwickelt.[18] Es erforderte das Vorhandensein des National Environmental Policy Act und verwandter anderer nationaler Gesetze, um den Anstoß zu geben, die Wasserchemie in hydrologische Modellprotokolle zu integrieren. In den frühen 1970er Jahren begann die US-Umweltschutzbehörde EPA als Reaktion auf den Clean Water Act eine Reihe von Wasserqualitätsmodellen zu sponsern. Ein Beispiel für diese Bemühungen wurde am Southeast Water Laboratory entwickelt,[19] einer der ersten Versuche, ein Oberflächenabflussmodell mit Felddaten für eine Vielzahl chemischer Schadstoffe zu kalibrieren.

Die Aufmerksamkeit, die den Schadstoffmodellen des Oberflächenabflusses geschenkt wurde, entspricht nicht der Betonung reiner Hydrologiemodelle, trotz ihrer Rolle bei der Generierung von Daten zu Schadstoffbelastungen von Bachläufen. In den Vereinigten Staaten hatte die EPA Schwierigkeiten bei der Auslegung[20] verschiedene proprietäre Schadstoffmodelle und muss häufiger eigene Modelle entwickeln als konventionelle Ressourcenagenturen, die mit ihrem Schwerpunkt auf Hochwasservorhersagen eher einen Schwerpunkt auf gemeinsame Einzugsgebietsmodelle hatten.

Beispielanwendungen[edit]

Liden verwendete das HBV-Modell, um den Flusstransport von drei verschiedenen Stoffen, Stickstoff, Phosphor und Schwebstoffen, abzuschätzen[21] in vier verschiedenen Ländern: Schweden, Estland, Bolivien und Simbabwe. Die Beziehung zwischen internen hydrologischen Modellvariablen und dem Nährstofftransport wurde bewertet. Ein Modell für Stickstoffquellen wurde entwickelt und im Vergleich zu einer statistischen Methode analysiert. Ein Modell für den Schwebstofftransport in tropischen und semiariden Regionen wurde entwickelt und getestet. Es wurde gezeigt, dass der Gesamtstickstoffgehalt von Flüssen im nordischen Klima gut simuliert werden kann und die Schwebstofffracht von Flüssen in tropischen und semiariden Klimazonen ziemlich gut geschätzt werden kann. Das HBV-Modell für den Materialtransport schätzt die Materialtransportlasten im Allgemeinen gut ab. Die Hauptschlussfolgerung der Studie war, dass das HBV-Modell verwendet werden kann, um den Materialtransport auf der Skala des Einzugsgebiets unter stationären Bedingungen vorherzusagen, aber nicht ohne weiteres auf nicht spezifisch kalibrierte Gebiete verallgemeinert werden kann. In einer anderen Arbeit haben Castanedo et al. wendete einen evolutionären Algorithmus auf die automatische Kalibrierung von Wassereinzugsgebieten an.[22]

Die US-EPA hat das DSSAM-Modell entwickelt, um die Auswirkungen der Landnutzung und des Abwassermanagements auf die Wasserqualität im Einzugsgebiet des Truckee River zu analysieren, einem Gebiet, das die Städte Reno und Sparks, Nevada sowie das Lake Tahoe-Becken umfasst. Das Model[23] zufriedenstellend vorhergesagte Nährstoff-, Sediment- und gelöste Sauerstoffparameter im Fluss. Sie basiert auf einer Schadstoffbelastungsmetrik namens “Total Maximum Daily Load” (TMDL). Der Erfolg dieses Modells trug zum Engagement der EPA bei, das zugrunde liegende TMDL-Protokoll in der nationalen Politik der EPA für das Management vieler Flusssysteme in den Vereinigten Staaten zu verwenden.[24]

Das DSSAM-Modell ist so konstruiert, dass es den dynamischen Zerfall der meisten Schadstoffe ermöglicht; Beispielsweise dürfen benthische Algen in jedem Zeitschritt Gesamtstickstoff und Phosphor verbrauchen, und die Algengemeinschaften erhalten in jedem Flussabschnitt eine eigene Populationsdynamik (zB basierend auf der Flusstemperatur). In Bezug auf den Regenwasserabfluss in Washoe County wurden die spezifischen Elemente einer neuen Xeriscape-Verordnung mit dem Modell auf ihre Wirksamkeit hin analysiert. Für die vielfältigen landwirtschaftlichen Nutzungen im Einzugsgebiet wurde das Modell durchgeführt, um die Haupteinflussquellen zu verstehen, und es wurden Managementpraktiken entwickelt, um die Verschmutzung der Flüsse zu reduzieren. Das Modell wurde speziell verwendet, um das Überleben von zwei gefährdeten Arten zu analysieren, die im Truckee River und im Pyramid Lake vorkommen: dem Cui-ui Saugfisch (gefährdet 1967) und der Lahontan Cutthroat Forelle (bedroht 1970).

Siehe auch[edit]

Verweise[edit]

  1. ^ Mulvany, TJ (1850). „Über die Verwendung von selbstregistrierenden Regen- und Durchflussmessern“. Proz. Institut Civ. Eng. 4 (2): 1–8.
  2. ^ Ich Imbeau, (1892) La Durance: Regime. Crues und Überschwemmungen, Ann. Ponts Chausses Mem. Doc. Ser. 3(I) 5–18
  3. ^ Horton, RE (1933). „Die Rolle der Infiltration auf den Wasserkreislauf“. Übers. Bin. Geophysik. Union. 145: 446–460. mach:10.1029/TR014i001p00446.
  4. ^ Horton, RE (1945). “Erosionsentwicklung von Bächen und ihren Einzugsgebieten: Hydrologischer Ansatz zur quantitativen Geomorphologie”. Stier. Geol. Soz. Bin. 56 (3): 275–330. mach:10.1130/0016-7606(1945)56[275:edosat]2.0.co;2.
  5. ^ Bericht über den Einsatz elektronischer Computer zur Integration von Lagerstättenbetrieben, Band 1 Technische Berichte der DATAmatic Corporation, erstellt in Zusammenarbeit mit Raytheon Manufacturing Company für die Missouri River Division, Corps of Engineers, US Army, Januar 1957
  6. ^ MPBarnett, Kommentar zu den Niltal-Berechnungen, Zeitschrift der Royal Statistical Society, Reihe B, vol. 19, 223, 1957
  7. ^ HAW Morrice und WN Allan, Planung für die endgültige hydraulische Erschließung des Niltals, Protokoll des Instituts für Bauingenieure, 14, 101, 1959,
  8. ^ FS Braun, Wasserressourcenentwicklung – Columbia River Basin, im Bericht über die Sitzung des interinstitutionellen Ausschusses des Columbia-Beckens, Portland, OR, Dez. 1958
  9. ^ DF Manzer und MP Barnett, Analyse durch Simulation: Programmiertechniken für einen Hochgeschwindigkeits-Digitalcomputer, in Arthur Maas et al, Design von Wasserressourcensystemen, S. 324–390, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1962.
  10. ^ NH Crawford und RK Linsley. Digitale Simulation in der Hydrologie: Stanford Watershed Model IV, Technischer Bericht Nr. 39 Stanford University, Palo Alto, Ca. (1966)
  11. ^ Abbott, PEO’Connell; Bathurst, JC; Cunge, JA; Rasmussen, J. (1986). „Eine Einführung in das Europäische System: Systeme Hydrologique Europeen (SHE)“. Zeitschrift für Hydrologie. 87 (1–2): 61–77. mach:10.1016/0022-1694(86)90115-0.
  12. ^ Vijay P. Singh,, Computermodelle der Wassereinzugsgebietshydrologie, Publikationen zu Wasserressourcen, pg. 563-594 (1995)
  13. ^ Downer, CW, and FL Ogden, 2006, Gridded Surface Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) User’s Manual, Version 1.43 for Watershed Modeling System 6.1, System Wide Water Resources Program, Coastal and Hydraulics Laboratory, US Army Corps of Engineers, Engineer Research and Development Zentrum, ERDC/CHL SR-06-1, 207 S.
  14. ^ Wermutstropfen, CW; Ogden, FL (2004). „GSSHA: Ein Modell zur Simulation diverser Stromfluss-Erzeugungsprozesse“. Zeitschrift für Wasserbau. 9 (3): 161–174. mach:10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161).
  15. ^ Downer, CW, FL Ogden, JM Niedzialek und S. Liu, 2006, Gridded Surface/Subsurface Hydrologic Analysis (GSSHA) Model: A Model for Simulating Diverse Streamflow Producing Processes, S. 131–159, in Watershed Models, VP Singh, und D. Frevert, Hrsg., Taylor und Francis Group, CRC Press, 637 pp.
  16. ^ “Watershed Modelling System”. Aquaveo. Abgerufen 19. Februar 2016.
  17. ^ Vieuxinc.com
  18. ^ JCI Dooge, Parametrierung hydrologischer Prozesse, JSC Study Conference on Land Surface Processes in Atmospheric General Circulation Models, 243–284 (1959)
  19. ^ CM Hogan, Leda Patmore, Gary Latshaw, Harry Seidman et al. Computermodellierung des Pestizidtransports im Boden für fünf instrumentierte Wassereinzugsgebiete, US-Umweltschutzbehörde Southeast Water Laboratory, Athens, Georgia von ESL Inc., Sunnyvale, Kalifornien (1973)
  20. ^ Steven Grant, IK Iskandar, Schadstoffhydrologie, CRC-Presse (2000) ISBN 1-56670-476-6
  21. ^ Rikard Liden, Konzeptionelle Abflussmodelle für Materialtransportschätzungen, Doktorarbeit, Universität Lund, Lund, Schweden (2000)
  22. ^ Castanedo, F.; Patrick, MA; Molina, JM (2006). Evolutionäre Rechentechnik, angewendet auf die HSPF-Modellkalibrierung einer spanischen Wasserscheide. IDEAL. Skript zur Vorlesung Informatik. 2006. S. 216–223. CiteSeerX 10.1.1.497.5100. mach:10.1007/11875581_26. ISBN 978-3-540-45485-4.
  23. ^ Entwicklung eines dynamischen Simulationsmodells für die Wasserqualität des Truckee River, Earth Metrics Inc., Environmental Protection Agency Technology Series, Washington DC (1987)
  24. ^ USEPA. 1991. Leitfaden für Entscheidungen auf der Grundlage der Wasserqualität: Der TMDL-Prozess, EPA 440/4-91-001. US-Umweltschutzbehörde, Office of Water, Washington, DC.

Externe Links[edit]


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