Кіріспе

Гидрологиялық көлік моделі - өзендер, өзендер ағынын, жер асты суларының қозғалысын немесе дренаждық фронттың орын ауыстыруын симуляциялау және су сапасының параметрлерін есептеу үшін қолданылатын математикалық модель. Бұл модельдер әдетте 1960 және 1970 жылдары су сапасы мен су бұрудың сандық болжау сұранысына экологиялық заңнама әсер еткен кезде және осыған ұқсас уақытта едәуір компьютерлік қуатқа кеңінен қол жетімді болды. Бастапқы модельдің көп бөлігі АҚШ пен Ұлыбританияда жасалды, бірақ бүгінде бұл модельдер жетілдіріліп, бүкіл әлемде қолданылады. Көлік құралдарының оншақты түрлі үлгілері бар, оларды жалпы алғанда, қарастырылған ластаушы заттар, ластаушы көздердің күрделілігі, модель тұрақты күйде ме, әлде динамикалық ма, және модельденген уақыт кезеңі бойынша топтастыруға болады. Тағы бір маңызды белгі - модельдің таралғандығы (яғни өзен ішіндегі бірнеше нүктелерді болжауға қабілетті) немесе топталғандығы. Мысалы, негізгі модельде, суды қабылдауға арналған жай нүктелік төгілуден тек бір ғана ластаушы затты ғана қарастыруға болады. Ең күрделі модельдерде жер бетінен ағып кетуден әртүрлі желілік көздердің кірістері бірнеше нүктелік көздерге қосылуы мүмкін, әртүрлі химиялық заттар мен шөгінділерді динамикалық ортада, соның ішінде вертикальді өзен стратификациясы мен ластаушылардың өз-ара әрекеттесуімен өңдеу. Сонымен қатар су бассейнінің жер асты сулары да қамтылуы мүмкін. Егер оның параметрлерін өрісте өлшеу мүмкін болса, модель "физикалық негізделген" деп аталады. Көбінесе модельдерде симуляция процесінің жеке қадамдарын қарастыру үшін жеке модульдер болады. Ең көп таралған модуль - жер бетіндегі ағынды суды есептеудің ішкі бағдарламасы, жерді пайдалану түрін, топографияны, топырақ түрін, өсімдіктер жамылғысын, жауын-шашынды және жерді басқару практикасын (мысалы, тыңайтқыштарды қолдану мөлшерін) өзгертуге мүмкіндік береді. Гидрологиялық модельдеу ұғымы мұхит сияқты басқа орталарға да қолданылуы мүмкін, бірақ көбінесе (және осы мақалада) өзен су айдыны тақырыбы жалпы алғанда түсінікті.

Тарих

1850 жылы Т. Ж. Мулвани, химиялық элементтер қатыстырылмаса да, ағыс гидрологиясы жағдайында математикалық модельдеуді қолданған алғашқы зерттеуші болған. 1892 жылы М. Э. Имбо су ағынын жауын-шашынның ең жоғары деңгейіне байланыстыратын оқиғалар моделін ойлап тапты, бұл да химиялық әсерсіз. Роберт Э. Хортонның жер бетіндегі ағынды сулар туралы еңбегі эрозияны сандық өңдеумен байланыстыра отырып, қазіргі заманғы химиялық транспорттық гидрологияның негізін қалады.

Стохастикалық модельдер

Бұл деректер негізінде жасалған модельдер - математикалық және статистикалық ұғымдарды пайдаланып, белгілі бір кірісті (мысалы, жаңбыр) модельдің шығысына (мысалы, ағып кету) байланыстыратын қара қорап жүйелері. Әдетте қолданылатын әдістер - регрессия, трансферт функциялары, нейрондық желілер және жүйелерді анықтау. Бұл модельдер стохастикалық гидрология модельдері деп аталады. Гидрологияда жаңбырдың ағып кету қатынасын симуляциялау, алдын ала ылғалдың әсерін бейнелеу және жүйелерді нақты уақыт режимінде бақылау үшін деректерге негізделген модельдер пайдаланылды.

Жер бетінен ағып кетуді модельдеу

Гидрологиялық тасымалдау моделінің негізгі компоненті - шөгінділерді, тыңайтқыштарды, пестицидтерді және басқа да химиялық ластаушы заттарды бағалауға мүмкіндік беретін беткі ағын элементі. Хортонның жұмысына сүйене отырып, 1959 жылы Доуг гидрографиялық бірлік теориясын әзірледі. Ол су химиясын гидрологияның үлгілік хаттамаларына қосуға ынталандыру үшін Ұлттық экологиялық саясат туралы заңның болуын және басқа ұлттық заңнаманы қажет етті. 1970 жылдардың басында АҚШ-тың Қоршаған ортаны қорғау агенттігі (EPA) таза су туралы заңға жауап ретінде су сапасының бірқатар модельдерін демеушілікке бастады. Бұл әрекеттердің мысалы Оңтүстік-шығыс су зертханасында жасалды, бұл әртүрлі химиялық ластаушы заттардың далалық деректерімен жер бетіндегі ағынды модельді калибрлеудің алғашқы әрекеттерінің бірі. Жер бетінен ағып шығатын ластаушы модельдерге назар аударған кезде, олардың ағыс ластаушы мәліметтерді жинақтаудағы рөліне қарамастан, таза гидрологиялық модельдерге назар аударған жоқ. АҚШ-та EPA-ның әртүрлі залалданғыш модельдерді түсіндіруде қиындықтары болды және олар су тасқынын болжауға бағытталған, жалпы бассейн модельдерінің орталыққа көбірек бағытталған дәстүрлі ресурс агенттіктеріне қарағанда көбірек өз модельдерін әзірлеуге мәжбүр болды.

Қолдану үлгілері

Лиден HBV моделін қолданып, төрт түрлі елде: Швецияда, Эстонияда, Боливияда және Зимбабведе үш түрлі заттардың, азот, фосфор және суспензиядағы шөгінділердің өзен арқылы тасымалдануын бағалады. Ішкі гидрологиялық модельдің айнымалылары мен қоректік заттар тасымалының арасындағы байланыс бағаланды. Азот көздерінің моделі әзірленді және статистикалық әдіспен салыстырылып, талдалды. Тропикалық және жартылай құрғақ аймақтарда тұнбаларды тасымалдаудың моделі әзірленді және сынақтан өтті. Өзендегі жалпы азотты скандинавиялық климатпен жақсы симуляциялау мүмкін екені және тропикалық және жартылай құрғақ климаттарда өзендегі сусындаған шөгінді жүктемесін жақсы бағалауға болатындығы көрсетілді. Материалдарды тасымалдаудың HBV моделі жалпы алғанда материалдарды тасымалдау жүктемесін жақсы бағалады. Зерттеудің негізгі қорытындысы HBV моделін стационарлық жағдайда сумен тазарту бассейнінің масштабында материал тасымалын болжауға қолдануға болады, бірақ арнайы калибрленбеген аймақтарға оңай жалпылана алмайды. Басқа бір еңбекте, Кастанедо және басқалар. автоматтандырылған су айдыны моделінің калибрлеуіне эволюциялық алгоритмді қолданды. АҚШ-тың ЭҚА-сы жерді пайдаланудан және ағынды суларды басқару шешімдерінен су сапасына әсер етуді талдау үшін DSSAM моделін әзірледі. Модель өзендегі қоректік заттардың, шөгінділердің және еріген оттегі параметрлерін қанағаттанарлықтай болжады. Ол "Жалпы ең жоғары тәуліктік жүктеме" (TMDL) деп аталатын ластаушы заттың жүктемесі метрикасына негізделген. Бұл модельдің табыстылығы EPA-ның АҚШ-тағы көптеген өзен жүйелерін басқару бойынша EPA-ның ұлттық саясатында TMDL протоколын пайдалануға деген міндеттемесіне ықпал етті. DSSAM моделі ластаушылардың көпшілігінің динамикалық ыдырауына мүмкіндік беру үшін құрылған; мысалы, жалпы азот пен фосфорды әр уақыт кезеңінде бентозды балдырлар тұтына алады, ал балдырлар қауымдастықтарына әр өзен ағысында жеке популяция динамикасы беріледі (мысалы, өзен температурасына байланысты). Уошоу округінің тасқын сулары бойынша жаңа xeriscape ережесіндегі нақты элементтер модельдің көмегімен тиімділігі үшін талдалды. Су айдынындағы әртүрлі ауыл шаруашылығы мақсаттары үшін модель әсердің негізгі көздерін түсіну үшін орындалды және өзеннің ластануын азайту үшін басқару әдістері әзірленді. Модельді пайдалану Truckee өзенінде және Пирамида көлінде кездесетін екі құрып кету қаупі төнген түрдің тіршілігін талдау үшін арнайы жүргізілді: Cui ui сорушы балық (1967 жылы құрып кету қаупі бар) және Лахонтанның өлім қаупі бар (1970) көлі.