Сравнивайте с английским: нажмите на абзац — оригинал откроется в окне. Кнопка EN под абзацем показывает его прямо в тексте.
Содержание
Введение
Гидрологическая транспортная модель - это математическая модель, используемая для моделирования потока рек, ручьев, движения грунтовых вод или смещения дренажного фронта и расчета параметров качества воды. Эти модели в основном стали использоваться в 1960-х и 1970-х годах, когда спрос на численное прогнозирование качества воды и водоотведения был обусловлен экологическим законодательством, и в то же время широкий доступ к значительной вычислительной мощности стал доступен. Большая часть первоначальной разработки моделей происходила в Соединенных Штатах и Соединенном Королевстве, но сегодня эти модели усовершенствованы и используются во всем мире. Существуют десятки различных транспортных моделей, которые могут быть сгруппированы по загрязняющим веществам, сложности источников загрязнения, является ли модель устойчивым или динамическим, и модельному периоду времени. Еще одно важное определение - распределенная ли модель (т.е. способная предсказывать несколько точек в пределах реки) или объединенная. Например, в базовой модели может быть рассмотрен только один загрязняющий вещество из простого точечного сброса в принимающие воды. В наиболее сложных моделях различные входы источников линии от поверхностного стока могут быть добавлены к нескольким точечным источникам, обрабатывая различные химические вещества плюс осадок в динамической среде, включая вертикальную стратификацию рек и взаимодействие загрязняющих веществ с биотой в потоке. Кроме того, могут быть включены и водосборные грунтовые воды. Модель называется "физически основанной", если ее параметры могут быть измерены в полевых условиях. Часто модели имеют отдельные модули для решения отдельных шагов в процессе моделирования. Наиболее распространенным модулем является подпрограмма для расчета поверхностного стока, позволяющая изменять тип землепользования, топографию, тип почвы, растительный покров, осадки и практику управления земельными ресурсами (например, скорость применения удобрения). Концепция гидрологического моделирования может быть распространена на другие среды, такие как океаны, но чаще всего (и в этой статье) подразумевается река.
An hydrological transport model is a mathematical model used to simulate the flow of rivers, streams, groundwater movement or drainage front displacement, and calculate water quality parameters. These models generally came into use in the 1960s and 1970s when demand for numerical forecasting of water quality and drainage was driven by environmental legislation, and at a similar time widespread access to significant computer power became available. Much of the original model development took place in the United States and United Kingdom, but today these models are refined and used worldwide. There are dozens of different transport models that can be generally grouped by pollutants addressed, complexity of pollutant sources, whether the model is steady state or dynamic, and time period modeled. Another important designation is whether the model is distributed (i. e. capable of predicting multiple points within a river) or lumped. In a basic model, for example, only one pollutant might be addressed from a simple point discharge into the receiving waters. In the most complex of models, various line source inputs from surface runoff might be added to multiple point sources, treating a variety of chemicals plus sediment in a dynamic environment including vertical river stratification and interactions of pollutants with in stream biota. In addition watershed groundwater may also be included. The model is termed "physically based" if its parameters can be measured in the field. Often models have separate modules to address individual steps in the simulation process. The most common module is a subroutine for calculation of surface runoff, allowing variation in land use type, topography, soil type, vegetative cover, precipitation and land management practice (such as the application rate of a fertilizer). The concept of hydrological modeling can be extended to other environments such as the oceans, but most commonly (and in this article) the subject of a river watershed is generally implied.
История
В 1850 году Т. Дж. Мулвани, вероятно, был первым исследователем, который использовал математическое моделирование в контексте гидрологии потока, хотя в этом не было никакой химии. К 1892 году М. Э. Имбо разработал модель событий, чтобы связать сток с пиковыми осадками, опять же без химических реакций. Основополагающие работы Роберта Э. Хортона по поверхностному стоку вместе с его сочетанием количественной обработки эрозии заложили основу для современной химической транспортной гидрологии.
In 1850, T. J. Mulvany was probably the first investigator to use mathematical modeling in a stream hydrology context, although there was no chemistry involved. By 1892 M. E. Imbeau had conceived an event model to relate runoff to peak rainfall, again still with no chemistry. Robert E. Horton’s seminal work on surface runoff along with his coupling of quantitative treatment of erosion laid the groundwork for modern chemical transport hydrology.
Стохастические модели
Эти модели, основанные на данных, представляют собой системы черного ящика, использующие математические и статистические концепции для связывания определенного ввода (например, осадков) с выводом модели (например, стока). Наиболее часто используемые методы - регрессия, функции переноса, нейронные сети и идентификация системы. Эти модели известны как стохастические гидрологические модели. Модели на основе данных использовались в гидрологии для моделирования отношения стока осадков, представления воздействия предшествующей влаги и выполнения контроля в режиме реального времени на системах.
These models based on data are black box systems, using mathematical and statistical concepts to link a certain input (for instance rainfall) to the model output (for instance runoff). Commonly used techniques are regression, transfer functions, neural networks and system identification. These models are known as stochastic hydrology models. Data based models have been used within hydrology to simulate the rainfall runoff relationship, represent the impacts of antecedent moisture and perform real time control on systems.
Моделирование поверхностного стока
Ключевым компонентом гидрологической транспортной модели является элемент поверхностного стока, который позволяет оценивать осадок, удобрения, пестициды и другие химические загрязнители. Основываясь на работе Хортона, теория единичного гидрографа была разработана Дуге в 1959 году. Это требовало наличия Закона о национальной экологической политике и родственных других национальных законодательных актов, чтобы обеспечить импульс для интеграции химии воды в гидрологические протоколы 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. Пример этих усилий был разработан в Юго-Восточной Водной Лаборатории, одной из первых попыток калибровки модели поверхностного стока с полевыми данными для различных химических загрязнителей. При этом внимание, уделяемое моделям поверхностного стока, не соответствует акценту на чистых гидрологических моделях, несмотря на их роль в получении данных о загрязняющих веществах потока. В Соединенных Штатах EPA испытывает трудности с интерпретацией различных запатентованных моделей загрязнителей и вынуждена разрабатывать свои собственные модели чаще, чем обычные ресурсные агентства, которые, сосредоточившись на прогнозировании наводнений, имеют больше центроида общих моделей бассейна.
A key component of a hydrological transport model is the surface runoff element, which allows assessment of sediment, fertilizer, pesticide and other chemical contaminants. Building on the work of Horton, the unit hydrograph theory was developed by Dooge in 1959. It required the presence of the National Environmental Policy Act and kindred other national legislation to provide the impetus to integrate water chemistry to hydrology model protocols. In the early 1970s the U. S. Environmental Protection Agency (EPA) began sponsoring a series of water quality models in response to the Clean Water Act. An example of these efforts was developed at the Southeast Water Laboratory, one of the first attempts to calibrate a surface runoff model with field data for a variety of chemical contaminants. The attention given to surface runoff contaminant models has not matched the emphasis on pure hydrology models, in spite of their role in the generation of stream loading contaminant data. In the United States the EPA has had difficulty interpreting diverse proprietary contaminant models and has to develop its own models more often than conventional resource agencies, who, focused on flood forecasting, have had more of a centroid of common basin models.
Примеры применения
Liden применил модель HBV для оценки речной транспортировки трех различных веществ, азота, фосфора и суспендированных осадков в четырех разных странах: Швеции, Эстонии, Боливии и Зимбабве. Была проведена оценка связи между внутренними гидрологическими переменными модели и транспортом питательных веществ. Была разработана модель источников азота и проанализирована в сравнении со статистическим методом. Разработана и опробована модель транспортировки суспендированных осадков в тропических и полузасушливых регионах. Было показано, что общий речной азот может быть хорошо смоделирован в скандинавском климате, а речная нагрузка на суспендированные осадочные вещества может быть довольно хорошо оценена в тропическом и полузасушливом климате. Модель HBV для транспортировки материалов в целом оценивает хорошие нагрузки на транспортировку материалов. Основным выводом исследования было то, что модель HBV может использоваться для прогнозирования транспортировки материалов в масштабе бассейна дренажа в стационарных условиях, но не может быть легко обобщена на области, не специально калиброванные. В другой работе, Кастанедо и др. применяет эволюционный алгоритм для автоматической калибровки модели водосбора. Агентство по охране окружающей среды США разработало модель DSSAM для анализа воздействия на качество воды в результате решений по использованию земель и управлению сточными водами в бассейне реки Трукки, в районе, который включает города Рино и Спаркс, штат Невада, а также бассейн озера Тахо. Модель удовлетворительно предсказала параметры питательных веществ, осадков и растворенного кислорода в реке. Она основана на показателе нагрузки загрязняющих веществ, называемом "общая максимальная суточная нагрузка" (TMDL). Успех этой модели способствовал приверженности EPA использованию базового протокола TMDL в национальной политике EPA по управлению многими речными системами в Соединенных Штатах. Модель DSSAM построена таким образом, чтобы позволить динамическое распад большинства загрязняющих веществ; например, общее количество азота и фосфора может быть потреблено бентовыми водорослями в каждом этапе времени, и водорослевым сообществам дается отдельная динамика популяции в каждом русле реки (например, на основе температуры реки). В отношении стока ливневой воды в округе Вашо, конкретные элементы в новом распоряжении xeriscape были проанализированы на предмет эффективности с использованием модели. Для различных сельскохозяйственных видов использования в водосборе модель была запущена, чтобы понять основные источники воздействия, и были разработаны методы управления для снижения загрязнения рек. Использование модели было специально проведено для анализа выживания двух исчезающих видов, найденных в реке Трукки и озере Пирамида: Cui ui сосательная рыба (находящаяся под угрозой исчезновения в 1967) и лахонтанская форель-резаль (находящаяся под угрозой исчезновения в 1970).
Liden applied the HBV model to estimate the riverine transport of three different substances, nitrogen, phosphorus and suspended sediment in four different countries: Sweden, Estonia, Bolivia and Zimbabwe. The relation between internal hydrological model variables and nutrient transport was assessed. A model for nitrogen sources was developed and analysed in comparison with a statistical method. A model for suspended sediment transport in tropical and semi arid regions was developed and tested. It was shown that riverine total nitrogen could be well simulated in the Nordic climate and riverine suspended sediment load could be estimated fairly well in tropical and semi arid climates. The HBV model for material transport generally estimated material transport loads well. The main conclusion of the study was that the HBV model can be used to predict material transport on the scale of the drainage basin during stationary conditions, but cannot be easily generalised to areas not specifically calibrated. In a different work, Castanedo et al. applied an evolutionary algorithm to automated watershed model calibration. The United States EPA developed the DSSAM Model to analyze water quality impacts from land use and wastewater management decisions in the Truckee River basin, an area which include the cities of Reno and Sparks, Nevada as well as the Lake Tahoe basin. The model satisfactorily predicted nutrient, sediment and dissolved oxygen parameters in the river. It is based on a pollutant loading metric called "Total Maximum Daily Load" (TMDL). The success of this model contributed to the EPA's commitment to the use of the underlying TMDL protocol in EPA's national policy for management of many river systems in the United States. The DSSAM Model is constructed to allow dynamic decay of most pollutants; for example, total nitrogen and phosphorus are allowed to be consumed by benthic algae in each time step, and the algal communities are given a separate population dynamic in each river reach (e. g. based upon river temperature). Regarding stormwater runoff in Washoe County, the specific elements within a new xeriscape ordinance were analyzed for efficacy using the model. For the varied agricultural uses in the watershed, the model was run to understand the principal sources of impact, and management practices were developed to reduce in river pollution. Use of the model has specifically been conducted to analyze survival of two endangered species found in the Truckee River and Pyramid Lake: the Cui ui sucker fish (endangered 1967) and the Lahontan cutthroat trout (threatened 1970).