Hidrolojik model - Hydrological model

Bir hidrolojik model su kaynaklarının anlaşılmasına, tahmin edilmesine ve yönetilmesine yardımcı olan gerçek dünya sisteminin (ör. yüzey suyu, toprak suyu, sulak alan, yeraltı suyu, haliç) basitleştirilmesidir. Suyun hem akışı hem de kalitesi genel olarak hidrolojik modeller kullanılarak incelenir.

MODFLOW, US Geological Survey tarafından geliştirilen yöntemlere dayanan hesaplamalı bir yeraltı suyu akış modeli.

Kavramsal modeller

Kavramsal modeller yaygın olarak önemli bileşenleri temsil etmek için kullanılır (ör. özellikler, olaylar ve süreçler ) hidrolojik girdileri çıktılarla ilişkilendiren. Bu bileşenler, cihazın önemli işlevlerini açıklamaktadır. sistemi ilgi alanıdır ve genellikle varlıklar (su depoları) ve bu yetkiler arasındaki ilişkiler (mağazalar arasındaki akışlar veya akışlar) kullanılarak oluşturulur. Kavramsal model, belirli olayları (girdi veya sonuç senaryoları) açıklamak için senaryolarla birleştirilir.

Örneğin, bir havza modeli kullanılarak temsil edilebilir kolları ana nehri temsil eden bir kutuyu işaret eden okların bulunduğu kutular gibi. Kavramsal model daha sonra önemli su havzası özelliklerini (ör. Arazi kullanımı, arazi örtüsü, topraklar, alt topraklar, jeoloji, sulak alanlar, göller), atmosferik değişimleri (ör. Yağış, evapotranspirasyon), insan kullanımlarını (ör. Tarımsal, belediye, endüstriyel , navigasyon, termo ve hidroelektrik enerji üretimi), akış süreçleri (örn., karayolu, ara akış, temel akış, kanal akışı), taşıma süreçleri (örn. çökeltiler, besinler, patojenler) ve olaylar (örn. alçak, taşkın ve ortalama akış koşulları).

Model kapsamı ve karmaşıklığı, modelleme hedeflerine bağlıdır ve insan veya çevresel sistemler daha fazla riske maruz kalıyorsa daha fazla ayrıntı gerekir. Sistem modelleme daha sonra matematiksel ilişkiler kullanılarak doldurulan kavramsal modeller oluşturmak için kullanılabilir.

Analog modeller

Bilgisayar modellerinin ortaya çıkmasından önce hidrolojik modelleme kullanıldı analog modeller akış ve taşıma sistemlerini simüle etmek. Aksine Matematiksel modeller hidrolojik sistemleri tanımlamak, tahmin etmek ve yönetmek için denklemleri kullanan analog modeller, hidrolojiyi simüle etmek için matematiksel olmayan yaklaşımları kullanır.

Analog modellerin iki genel kategorisi yaygındır; ölçek analogları fiziksel sistemin minyatürleştirilmiş versiyonlarını kullanan ve süreç analogları ilgili sistemi taklit etmek için karşılaştırılabilir fizik (örneğin, elektrik, ısı, difüzyon) kullanan.

Analogları ölçeklendir

Detay Mississippi Nehir Havzası Modeli (ABD Ordusu Mühendisler Birliği, 2006)

Ölçekli modeller, daha fazla görselleştirme kolaylığı sağlayan bir boyutta fiziksel veya kimyasal işlemlerin yararlı bir yaklaşımını sunar.^[1] Model, bir (çekirdek, sütun), iki (plan, profil) veya üç boyutta oluşturulabilir ve bir soruyu yanıtlamak için gerektiğinde çeşitli spesifik başlangıç ​​ve sınır koşullarını temsil edecek şekilde tasarlanabilir.

Ölçekli modeller genellikle doğal benzerlerine benzer fiziksel özellikleri kullanır (örneğin yerçekimi, sıcaklık). Yine de bazı özelliklerin doğal değerlerinde tutulması hatalı tahminlere yol açabilir.^[2] Viskozite, sürtünme ve yüzey alanı gibi özellikler, uygun akış ve taşıma davranışını sürdürmek için ayarlanmalıdır. Bu genellikle boyutsuz oranları eşleştirmeyi içerir (ör. Reynolds sayısı, Froude numarası ).

Bir akiferin iki boyutlu ölçekli modeli.

Yeraltı suyu akışı, akrilikten yapılmış ve kum, silt ve kil ile doldurulmuş ölçekli bir model kullanılarak görselleştirilebilir.^[3] Simüle edilen yeraltı suyunun akışını temsil etmek için su ve izleyici boya bu sistemden pompalanabilir. Bazı fiziksel akifer modelleri, pompalar ve bariyerler kullanılarak simüle edilen basitleştirilmiş sınır koşulları ile iki ve üç boyut arasındadır.^[4]

Proses analogları

Proses analogları, hidrolojide, sıvı akışını temsil etmek için aradaki benzerliği kullanarak kullanılır. Darcy Yasası, Ohm Kanunu, Fourier Yasası, ve Fick Yasası. Sıvı akışının analogları, akı nın-nin elektrik, sıcaklık, ve çözünenler, sırasıyla.^[5] Sıvı potansiyeline karşılık gelen analoglar Voltaj, sıcaklık ve çözün konsantrasyon (veya kimyasal potansiyel ). Analogları hidrolik iletkenlik vardır elektiriksel iletkenlik, termal iletkenlik ve çözünen difüzyon katsayısı.

İlk süreç analog modeli, bir ızgaradaki dirençlerden oluşan bir akiferin elektrik ağı modeliydi.^[6] Gerilimler, dış sınır boyunca atandı ve daha sonra alan içinde ölçüldü. Elektriksel iletkenlik kağıdı^[7] dirençler yerine de kullanılabilir.

İstatistiksel modeller

İstatistiksel modeller bir çeşit matematiksel model hidrolojide verileri ve veriler arasındaki ilişkileri tanımlamak için yaygın olarak kullanılan.^[8] İstatistiksel yöntemler kullanarak hidrologlar geliştirir ampirik ilişkiler gözlemlenen değişkenler arasında,^[9] geçmiş verilerdeki eğilimleri bulmak,^[10] veya olası fırtına veya kuraklık olaylarını tahmin edin.^[11]

Anlar

İstatistiksel anlar (Örneğin., anlamına gelmek, standart sapma, çarpıklık, Basıklık ) verilerin bilgi içeriğini tanımlamak için kullanılır. Bu anlar daha sonra uygun bir frekansı belirlemek için kullanılabilir dağıtım,^[12] bu daha sonra bir olasılık modeli.^[13] İki yaygın teknik, L-moment oranlarını içerir^[14] ve Moment-Oran Diyagramları.^[15]

Şiddetli kuraklık ve fırtınalar gibi aşırı olayların sıklığı, genellikle ortalamaya en yakın verilerden ziyade dağılımın kuyruğuna odaklanan dağılımların kullanılmasını gerektirir. Toplu olarak bilinen bu teknikler aşırı değer analizi, aşırı olayların olasılığını ve belirsizliğini belirlemek için bir metodoloji sağlayın.^[16][17] Uç değer dağılımlarının örnekleri aşağıdakileri içerir: Gumbel, Pearson, ve Genelleştirilmiş Olağanüstü Değer. Pik deşarjı belirlemek için standart yöntem, log-Pearson Tip III (log-gama) dağılımını ve gözlemlenen yıllık akış piklerini kullanır.^[18]

Korelasyon analizi

Korelasyon derecesi ve doğası, aşağıdaki gibi bir yöntem kullanılarak ölçülebilir: Pearson korelasyon katsayısı, otokorelasyon, ya da T testi.^[19] Modeldeki rastgelelik veya belirsizlik derecesi de kullanılarak tahmin edilebilir. stokastik,^[20] veya kalıntı analizi.^[21] Bu teknikler taşkın dinamiklerinin belirlenmesinde kullanılabilir,^[22][23] fırtına karakterizasyonu,^[24][25] ve karst sistemlerinde yeraltı suyu akışı.^[26]

Regresyon analizi hidrolojide, aralarında bir ilişki olup olmadığını belirlemek için kullanılır. bağımsız ve bağımlı değişkenler. İki değişkenli diyagramlar, fiziksel bilimlerde en yaygın kullanılan istatistiksel regresyon modelidir, ancak basitten karmaşığa kadar çeşitli modeller mevcuttur.^[27] İki değişkenli bir diyagramda, bir doğrusal veya daha yüksek seviyeli model verilere uydurulabilir.

Faktor analizi ve Temel bileşenler Analizi vardır çok değişkenli hidrolojik değişkenler arasındaki ilişkileri tanımlamak için kullanılan istatistiksel prosedürler.^[28][29]

Evrişim üçüncü bir işlevi üretmek için iki farklı işlev üzerinde matematiksel bir işlemdir. Hidrolojik modelleme ile ilgili olarak, konvolüsyon akarsu deşarjının yağışla ilişkisini analiz etmek için kullanılabilir. Evrişim, bir yağış olayından sonra akış aşağı akıntıyı tahmin etmek için kullanılır. Su bu modelleme yöntemini kullanarak havza boyunca hareket ederken "gecikme süresinin" tahmin edilmesi nedeniyle bu tür bir model bir "gecikmeli evrişim" olarak kabul edilecektir.

Zaman serisi analiz, bir veri serisi içindeki ve farklı zaman serileri arasındaki zamansal korelasyonu karakterize etmek için kullanılır. Birçok hidrolojik fenomen tarihsel olasılık bağlamında incelenir. Zamansal bir veri seti içinde, olay frekansları, eğilimler ve karşılaştırmalar, zaman serisi analizinin istatistiksel teknikleri kullanılarak yapılabilir.^[30] Bu tekniklerle cevaplanan sorular genellikle belediye planlaması, inşaat mühendisliği ve risk değerlendirmeleri için önemlidir.

Markov Zincirleri önceki bir duruma veya olaya dayalı olarak bir durumun veya olayın olasılığını belirlemeye yönelik matematiksel bir tekniktir.^[31] Olay, yağmurlu hava gibi bağımlı olmalıdır. Markov Zincirleri ilk kez 1976'da yağış olay uzunluğunu modellemek için kullanıldı.^[32] taşkın risk değerlendirmesi ve baraj yönetimi için kullanılmaya devam etmektedir.

Kavramsal modeller

Kavramsal modeller hidrolojik sistemleri temsil eder fiziksel kavramlar. Kavramsal model, önemli model bileşenlerinin tanımlanmasında başlangıç ​​noktası olarak kullanılır. Model bileşenleri arasındaki ilişkiler daha sonra kullanılarak belirlenir cebirsel denklemler, sıradan veya kısmi diferansiyel denklemler veya integral denklemler. Model daha sonra kullanılarak çözülür analitik veya sayısal prosedürler.

Nash Modeli, akış akışını tahmin etmek için bir dizi doğrusal rezervuar kullanır.^[33]

örnek 1

doğrusal rezervuar modeli (veya Nash Modeli) yağış-akış analizi için yaygın olarak kullanılmaktadır. Model, sabit bir birinci dereceden depolama katsayısı ile birlikte bir dizi doğrusal rezervuar kullanır, K, her bir rezervuardan çıkışı tahmin etmek için (bu daha sonra serideki bir sonrakinin girdisi olarak kullanılır).

Model, süreklilik ve depolama-deşarj denklemlerini birleştirerek her bir rezervuardan dışarı akışı tanımlayan sıradan bir diferansiyel denklem sağlar. Tank modelleri için süreklilik denklemi:

${displaystyle {dS (t) dt üzerinden} = i (t) -q (t)}$

bu, zaman içinde depolamadaki değişikliğin giriş ve çıkışlar arasındaki fark olduğunu gösterir. Depo depolama-deşarj ilişkisi:

${displaystyle q (t) = S (t) / K}$

nerede K rezervuarın ne kadar hızlı boşaldığını gösteren bir sabittir; daha küçük bir değer daha hızlı çıkışı gösterir. Bu iki denklem verimini birleştirmek

${displaystyle K {dq over dt} = i-q}$

ve çözüme sahip:

Yağış-akış modellemesinde kullanılan doğrusal olmayan bir rezervuar

${displaystyle q = i (1-e ^ {- t / k})}$

Reaksiyon faktörü Alpha, artan deşarjla artar.^[34]

Örnek 2

Bir dizi doğrusal rezervuar kullanmak yerine, aynı zamanda bir doğrusal olmayan rezervuar kullanılabilir.^[35]

Böyle bir modelde sabit K yukarıdaki denklemde buna da denilebilir reaksiyon faktörü, başka bir sembolle değiştirilmesi gerekiyor, diyelim ki α (Alfa), bu faktörün depolama (S) ve deşarj (q) 'ya bağımlılığını belirtmek için.

Soldaki şekilde ilişki kuadratiktir:

α = 0.0123 q² + 0.138 q - 0.112

Yönetim denklemleri

Yönetim denklemleri sistemin davranışını matematiksel olarak tanımlamak için kullanılır. Cebirsel denklemler muhtemelen basit sistemler için kullanılırken, sıradan ve kısmi diferansiyel denklemler genellikle zaman içinde uzayda değişen problemler için kullanılır. Yönetim denklemlerinin örnekleri şunları içerir:

Manning denklemi akış hızını kanal pürüzlülüğünün, hidrolik yarıçapın ve kanal eğiminin bir fonksiyonu olarak tahmin eden cebirsel bir denklemdir:

${displaystyle v = {k bölü n} R ^ {2/3} S ^ {1/2}}$

Darcy Yasası hidrolik iletkenliği ve hidrolik eğimi kullanarak sabit, tek boyutlu yeraltı suyu akışını açıklar:

${displaystyle {vec {q}} = - Kabla h}$

Yeraltı suyu akış denklemi akifer geçirgenliğini ve depolanabilirliğini kullanarak zamanla değişen, çok boyutlu yeraltı suyu akışını açıklar:

${displaystyle Tabla ^ {2} h = S {kısmi h bölü t}}$

Advection-Dispersiyon denklemi Çözünen madde dağılım katsayısını ve yeraltı suyu hızını kullanarak sabit, tek boyutlu akışta çözünen hareketini açıklar:

${displaystyle D {kısmi ^ {2} C kısmi x ^ {2}} - v {kısmi x üzerinden kısmi C} = {kısmi t üzerinde kısmi C}}$

Poiseuille Yasası kayma gerilimini kullanarak laminer, sabit, tek boyutlu sıvı akışını açıklar:

${displaystyle {kısmi x üzerinden kısmi P} = - mu {kısmi y üzerinde kısmi au}}$

Cauchy integrali sınır değeri problemlerini çözmek için ayrılmaz bir yöntemdir:

${displaystyle f (a) = {frac {1} {2pi i}} oint _ {gamma} {frac {f (z)} {z-a}}, dz}$

Çözüm algoritmaları

Analitik yöntemler

Cebirsel, diferansiyel ve integral denklemler için kesin çözümler genellikle belirli sınır koşulları kullanılarak ve varsayımları basitleştirerek bulunabilir. Laplace ve Fourier dönüşüm yöntemleri, diferansiyel ve integral denklemlere analitik çözümler bulmak için yaygın olarak kullanılmaktadır.

Sayısal yöntemler

Gerçek dünyadaki birçok matematiksel model, bir analitik çözüm için gerekli olan basitleştirici varsayımları karşılayamayacak kadar karmaşıktır. Bu durumlarda, modelleyici, kesin çözüme yaklaşan sayısal bir çözüm geliştirir. Çözüm teknikleri şunları içerir: Sonlu fark ve sonlu elemanlar yöntemler, diğerleri arasında.

Bir grafik kullanıcı arayüzü ve karmaşık kod kullanarak denklem setlerini çözmek için özel yazılım da kullanılabilir, öyle ki çözümler nispeten hızlı bir şekilde elde edilir ve program, sistem hakkında derin bir bilgi sahibi olmadan bir uzman veya son kullanıcı tarafından çalıştırılabilir. Yüzey suyu akışı, besin maddesi taşınması ve kaderi ve yeraltı suyu akışı gibi yüzlerce hidrolojik amaç için model yazılım paketleri vardır.

Yaygın olarak kullanılan sayısal modeller şunları içerir: SWAT, MODFLOW, FEFLOW, ve MIKE SHE

Model kalibrasyonu ve değerlendirmesi

Doğrusal olmayan rezervuar modeli kullanılarak gözlemlenmiş ve modellenmiş yüzey akışı.^[34]

Fiziksel modeller kullanır parametreleri çalışılan sistemin benzersiz yönlerini karakterize etmek. Bu parametreler, laboratuvar ve saha çalışmaları kullanılarak elde edilebilir veya gözlemlenen ve modellenen davranış arasındaki en iyi uyuşma bulunarak tahmin edilebilir. Fiziksel ve hidrolojik benzerliklere sahip komşu havzalar arasında, model parametreleri, parametrelerin uzamsal aktarılabilirliğini düşündürecek şekilde sorunsuz bir şekilde değişir.^[36]

Modeli değerlendirme kalibre edilmiş modelin modelleyicinin ihtiyaçlarını karşılama yeteneğini belirlemek için kullanılır. Hidrolojik model uyumunun yaygın olarak kullanılan bir ölçüsü, Nash-Sutcliffe verimlilik katsayısı.

Ayrıca bakınız

• Hidrolojik optimizasyon
• Bilimsel modelleme

Referanslar

Dış bağlantılar

• http://drought.unl.edu/MonitoringTools/DownloadableSPIProgram.aspx