수문학적 수송 모형

Hydrological transport model
마다가스카르의 강으로 퇴적물 하중이 비교적 적다.

수문학적 운송 모델은 하천, 하천, 지하수 이동 또는 배수 전면 변위를 시뮬레이션하고 수질 매개변수를 계산하는 데 사용되는 수학적 모델이다.이러한 모델은 일반적으로 1960년대와 1970년대에 사용되었는데, 당시 환경 법규에 의해 수질 및 배수량 수치 예측에 대한 수요가 증가하였고, 이와 동시에 상당한 컴퓨터 파워에 대한 광범위한 접근이 가능해졌다.원래 모델 개발의 대부분은 미국과 영국에서 이루어졌지만, 오늘날 이러한 모델은 전 세계적으로 개량되어 사용되고 있습니다.

일반적으로 해결된 오염 물질, 오염원의 복잡성, 모델이 정상 상태인지 동적 상태인지 여부 및 기간 모델별로 분류할 수 있는 운송 모델은 수십 가지가 있습니다.또 다른 중요한 지정은 모델이 분포되어 있는지(즉, 강 내의 여러 점을 예측할 수 있는지) 또는 일괄되어 있는지 여부이다.예를 들어, 기본 모델에서는 단순한 지점 방류에서 수용수로의 오염 물질 1개만 취급할 수 있다.가장 복잡한 모델에서는 지표면 유출의 다양한 라인 선원 입력이 여러 점 선원에 추가되어 수직 하천 층화 및 하천 내 바이오타와의 오염물질 상호작용을 포함한 동적 환경에서 다양한 화학 물질과 침전물을 처리할 수 있다.또한 유역 지하수도 포함될 수 있다.모델의 매개변수를 현장에서 측정할 수 있는 경우 모델을 "물리 기반"이라고 합니다.

모델에는 시뮬레이션 프로세스의 개별 단계를 다루기 위한 별도의 모듈이 있는 경우가 많습니다.가장 일반적인 모듈은 지표면 유출을 계산하기 위한 서브루틴으로, 토지 이용 유형, 지형, 토양 유형, 식물성 피복, 강수량 및 토지 관리 관행(비료 적용률 등)의 변화를 허용한다.수문 모델링의 개념은 바다와 같은 다른 환경으로 확장될 수 있지만, 가장 일반적으로(그리고 이 기사에서) 하천 유역의 주제는 일반적으로 암시된다.

역사

1850년, T. J. 멀바니는 화학이 [1]관련되지는 않았지만, 아마도 하천 수문학의 맥락에서 수학적 모델링을 사용한 최초의 연구자였을 것이다.1892년까지 M.E. Imbeau는 유출과 최대 강우량을 연관짓는 사건 모델을 구상했지만,[2] 여전히 화학 작용이 없었다.로버트 E. 지표면 유출에 대한 호튼의 중요한 연구와[3] 침식의 정량적[4] 처리의 결합은 현대 화학 수송 수문학의 토대를 마련했습니다.

종류들

물리 기반 모델

물리적 기반 모델(결정론적 모델, 포괄적 모델 또는 프로세스 기반 모델이라고도 함)은 실제 환경에서 관찰되는 물리적 프로세스를 표현하려고 합니다.일반적으로 이러한 모델에는 표면 유출, 지표면 흐름, 증발 증발 및 채널 흐름의 표현이 포함되지만 훨씬 더 복잡할 수 있습니다."미 육군 공병대가 미주리 강의 주요 수맥에 있는 저수지 관리를 위해 1953년에 대규모 시뮬레이션 실험을 시작했습니다."이것과 [5]나일강과[6][7] 컬럼비아강을[8] 다룬 다른 초기 연구들은 더 넓은 맥락에서 하버드 수자원 세미나에서 출판된 책에서 논의되고 있습니다. 이 책에는 인용된 [9]문장이 포함되어 있습니다.유역 화학 수문학의 많은 하위 모델을 통합한 또 다른 초기 모델은 스탠포드 워터린 모델(SWM)[10]이었다.SWMM(폭우 물 관리 모델), HSPF(Hydrogical Simulation Program - FORTRAN) 및 기타 현대 미국 파생상품이 이 초기 작업의 후속 제품이다.

유럽에서 선호하는 포괄적인 모델은 MICKE SHE와 SHETRAN에 의해 계승된 시스템 수문학 유로펜(SHE)[11][12]이다. MIKE SHE는 물 흐름과 침전물 수송을 위한 분수령 규모의 물리적 기반, 공간적 분포 모델이다.흐름 및 전달 프로세스는 편미분 방정식의 유한 차이 표현 또는 파생 경험 방정식으로 표현됩니다.다음과 같은 주요 서브모델이 관련되어 있습니다.

이 모델은 지하수 상호작용을 고려하여 하천 수질에 대한 토지 이용과 기후 변화의 영향을 분석할 수 있다.

세계적으로는 RORB(호주), 신안장(중국), 탱크(일본), ARNO(이탈리아), TOPMODEL(유럽), UBC(캐나다), HBV(스칸디나비아), MOHID 랜드(포르투갈) 등 다양한 유역 모델이 개발되고 있다.그러나 이러한 모든 모델에 화학 성분이 있는 것은 아닙니다.일반적으로 SWM, SHE 및 TOPMODEL은 가장 포괄적인 스트림 화학 처리를 가지고 있으며 원격 감지 및 지리 정보 시스템 데이터를 포함한 최신 데이터 소스를 수용하도록 진화했습니다.

미국에서는 다수의 대학의 연구원과 협력하여 엔지니어, 엔지니어 연구 및 개발 센터(Commps of Engineer,[13][14][15] Engineer Research and Development Center)가 그리드드 표면/지하 수문 분석 GSSHA 모델을 개발했다.GSSHA는 복잡한 엔지니어링 설계에서 흐름, 수위, 분산 침식 및 침전물 전달을 계산하기 위해 미 육군 공병대 구역 및 대규모 컨설팅 회사에 의한 조사 및 분석에 널리 사용됩니다.분산된 영양소 및 오염물질의 운명 및 운송 구성요소가 테스트 중입니다.GSSHA 입출력 처리 및 GIS와의 인터페이스는 WMS([16]Waterin Modeling System)에 의해 촉진됩니다.

미국과 전 세계에서 사용되는 또 다른 모델은 Vflo로, View & Associates, Inc.[17]에서 개발한 물리 기반 분산 수문 모델이다. Vflo는 레이더 강우 및 GIS 데이터를 사용하여 공간적으로 분산된 육로 흐름과 채널 흐름을 계산한다.증발 증발, 침수, 침투 및 눈 녹은 모델링 기능이 포함됩니다.적용 분야에는 토목 인프라 운영 및 유지관리, 빗물 예측 및 비상 관리, 토양 수분 모니터링, 토지 이용 계획, 수질 모니터링 등이 포함됩니다.

확률 모형

데이터에 기반한 이러한 모델은 특정 입력(예: 강우)을 모델 출력(예: 유출)에 연결하기 위해 수학적 및 통계적 개념을 사용하는 블랙박스 시스템이다.일반적으로 사용되는 기술은 회귀, 전달 함수, 신경 네트워크 및 시스템 식별입니다.이 모델들은 확률적 수문학 모델이라고 알려져 있다.데이터 기반 모델은 강우 유출 관계를 시뮬레이션하고, 선행 수분의 영향을 나타내며, 시스템에 대한 실시간 제어를 수행하기 위해 수문학 내에서 사용되어 왔다.

모델 컴포넌트

지표면 유출 모델링

농업과 벌목의 지표면 유출이 있는 컬럼비아 강

수문학적 운송 모델의 핵심 요소는 표면 유출 요소이며, 이를 통해 침전물, 비료, 농약 및 기타 화학 오염 물질을 평가할 수 있다.호튼의 작품을 바탕으로 1959년 [18]두기에 의해 유닛 하이드로그래프 이론이 개발되었습니다.그것은 수문학 모델 프로토콜에 물 화학을 통합하기 위한 추진력을 제공하기 위해 국가 환경 정책법의 존재를 요구했고 다른 국가 법령을 연계시켰다.1970년대 초에 미국 환경보호국(EPA)은 청정수법에 대응하여 일련의 수질 모델을 후원하기 시작했습니다.이러한 노력의 예는 다양한 화학 오염물질에 대한 현장 데이터로 표면 유출 모델을 보정하기 위한 최초의 시도 중 하나인 남동수 연구소에서 [19]개발되었다.

지표면 유출 오염물질 모델에 대한 관심은 하천 부하 오염물질 데이터 생성에 대한 역할에도 불구하고 순수 수문학 모델에 대한 강조와 일치하지 않는다.미국에서는 EPA가 다양한 독점 오염물질 모델을 해석하는[20] 데 어려움을 겪었고 홍수 예측에 초점을 맞춘 기존 자원 기관보다 더 자주 자체 모델을 개발해야 한다.

응용 프로그램 예시

Liden은 HBV 모델을 적용하여 4개국의 세 가지 다른 물질, 질소, 인 및 부유[21] 퇴적물의 하천 수송을 추정했다.스웨덴, 에스토니아, 볼리비아, 짐바브웨.내부 수문 모델 변수와 영양소 수송 간의 관계를 평가하였다.질소 선원에 대한 모델이 통계적 방법과 비교하여 개발 및 분석되었다.열대 및 반건조 지역의 부유 퇴적물 수송 모델을 개발하고 테스트했다.북유럽 기후에서 강의 총 질소를 잘 시뮬레이션할 수 있고 열대 및 반건조 기후에서 강의 부유 퇴적물 하중을 상당히 잘 추정할 수 있는 것으로 나타났다.재료 운송을 위한 HBV 모델은 일반적으로 재료 운송 하중을 잘 추정했습니다.연구의 주요 결론은 HBV 모델을 사용하여 정지 상태에서의 배수 유역 규모에서 물질 수송을 예측할 수 있지만, 특별히 보정되지 않은 영역으로는 쉽게 일반화할 수 없다는 것이었다.다른 연구에서 Castanedo 등은 자동화된 유역 모델 [22]보정에 진화 알고리즘을 적용했다.

트루키 강 유역의 수변인 타호 호수

미국 EPA는 트루키 강 유역의 토지 사용과 폐수 관리 결정으로 인한 수질 영향을 분석하기 위해 DSSAM 모델을 개발했다.트루키 강 유역은 네바다주 리노와 스파크스, 타호 호수 유역을 포함한다.모델은[23] 강의 영양소, 침전물 및 용존 산소 매개변수를 만족스럽게 예측했습니다.TMDL(Total Maximum Daily Load)이라는 오염 물질 적재 메트릭을 기반으로 합니다.이 모델의 성공은 미국의 많은 하천 시스템 [24]관리를 위한 EPA의 국가 정책에서 기초 TMDL 프로토콜의 사용에 대한 EPA의 헌신에 기여했다.

DSSAM 모델은 대부분의 오염물질의 동적 붕괴를 허용하도록 구성되었다. 예를 들어, 각 시간 단계에서 전체 질소와 인을 해저 조류가 소비할 수 있도록 허용되고 조류 군집에는 각 하천 수역(예: 하천 온도에 기초함)에서 별도의 개체군이 부여된다.와쇼 카운티의 빗물 유출과 관련하여, 새로운 제리스케이프 조례의 특정 요소를 모델을 사용하여 분석하였다.유역의 다양한 농업 용도를 위해, 주요 영향원을 파악하기 위해 모델을 실행하였고, 하천 오염을 줄이기 위해 관리 관행이 개발되었다.이 모델의 사용은 트루키 강과 피라미드 호수에서 발견된 멸종 위기 종인 쿠이-우이 빨판 물고기(1967년 통제)와 라혼탄 갈치 송어(1970년 위협)의 생존을 분석하기 위해 특별히 실시되었다.

「 」를 참조해 주세요.

레퍼런스

  1. ^ Mulvany, T.J. (1850). "On the use of self registering rain and flow gauges". Proc. Institute Civ. Eng. 4 (2): 1–8.
  2. ^ M.E. Imbeau, (1892) La Durance: 정권. 홍수 등 순항이야, 앤 폰트 쇼시스 Mem. Doc. 3 (I) Ser. 5 ~ 18
  3. ^ Horton, R.E. (1933). "The role of infiltration on the hydrologic cycle". Trans. Am. Geophys. Union. 145: 446–460. doi:10.1029/TR014i001p00446.
  4. ^ Horton, R.E. (1945). "Erosional development of streams and their drainage basins: Hydrological approach to quantitative geomorphology". Bull. Geol. Soc. Am. 56 (3): 275–330. doi:10.1130/0016-7606(1945)56[275:edosat]2.0.co;2.
  5. ^ 미국 육군 미주리강사업부 레이시온 제조회사와 협력하여 작성한 저수지 운영 통합용 전자 컴퓨터 사용 보고서, vol.1 DATAmatic Corporation 기술 보고서, 1957년 1월
  6. ^ M.P. Barnett, Nile Valley Calculations, Royal Statistics Society 저널, 시리즈 B, vol. 19, 223, 1957
  7. ^ H.A.W. Morrice와 W.N. Allan, 나일 계곡의 궁극적인 수력 개발을 위한 계획, 토목기술자 협회의 절차, 14, 101, 1959,
  8. ^ F.S. Brown, 수자원 개발 – 콜롬비아 강 유역, 포틀랜드, 1958년 12월 콜롬비아 유역 기관간 위원회 회의 보고서
  9. ^ D.F. Manzer와 M.P. Barnett, 시뮬레이션에 의한 분석: 고속 디지털 컴퓨터를 위한 프로그래밍 기법, Arthur Maas 등, 수자원 시스템 설계, 페이지 324–390, 하버드 대학 출판부, 캠브리지, 1962.
  10. ^ N.H. 크로포드와 R.K. 린슬리입니다수문학 디지털 시뮬레이션: Stanford Watermine Model IV, 기술 보고서 No.39 Stanford University, Palo Alto, Cala. (1966)
  11. ^ Abbott, P.E.O'Connell; Bathurst, J.C.; Cunge, J.A.; Rasmussen, J. (1986). "An Introduction to the European System: Systeme Hydrologique Europeen (SHE)". Journal of Hydrology. 87 (1–2): 61–77. doi:10.1016/0022-1694(86)90115-0.
  12. ^ Vijay P.Sing, 수자원 간행물, 수역 수문학 컴퓨터 모델, pgs. 563-594(1995)
  13. ^ Dower, C.W. 및 F.L. Ogden, 2006, GSSHA(Gridded Surface Subsurface Hydrogy Analysis) 사용자 매뉴얼, 버전 1.43, 시스템 와이드 수자원 프로그램, 연안 및 수력연구소, 미국 육군.
  14. ^ Downer, C.W.; Ogden, F.L. (2004). "GSSHA: A model for simulating diverse streamflow generating processes". Journal of Hydraulic Engineering. 9 (3): 161–174. doi:10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161).
  15. ^ 다우너, C.W., F.L. Ogden, J. M. Niedzialek 및 S.Liu, 2006년, 격자 표면/지하 수문 분석(GSSHA) 모델:다양한 흐름 생성 프로세스 시뮬레이션을 위한 모델, 131–159페이지(Waterin Models, V.P. Singh 및 D).프리버트, 에드Taylor & Francis 그룹, CRC Press, 637pp.
  16. ^ "Watershed Modeling System". Aquaveo. Retrieved 19 February 2016.
  17. ^ Vieuxinc.com
  18. ^ J.C.I. Dooge, 수문학적 과정의 매개변수화, JSC 대기 일반 순환 모델의 지표면 과정에 관한 연구회의, 243-284(1959)
  19. ^ C.M. Hogan, Leda Patmore, Gary Latshaw, Harry Seidman 등ESL Inc., 캘리포니아 서니베일(1973년)의 미국 환경보호청 남동부 물 연구소, 아테네, 가의 5개 계측 유역의 토양 내 농약 수송 컴퓨터 모델링
  20. ^ Steven Grant, I K Iskandar, 오염물질 수문학, CRC Press (2000) ISBN 1-5670-476-6
  21. ^ Rikard Liden, 재료 수송 견적을 위한 개념적 유출 모델, 박사 학위 논문, 스웨덴 룬드 대학교 룬드(2000년)
  22. ^ Castanedo, F.; Patricio, M.A.; Molina, J.M. (2006). Evolutionary Computation Technique Applied to HSPF Model Calibration of a Spanish Watershed. IDEAL. Lecture Notes in Computer Science. Vol. 2006. pp. 216–223. CiteSeerX 10.1.1.497.5100. doi:10.1007/11875581_26. ISBN 978-3-540-45485-4.
  23. ^ 워싱턴 D.C. 환경보호청 기술 시리즈 Truckey River, Earth Metrics Inc.의 동적 수질 시뮬레이션 모델 개발(1987년)
  24. ^ USEPA. 1991년수질 기반 결정을 위한 지침: TMDL 프로세스, EPA 440/4-91-001. 미국 환경보호청, 워싱턴 DC.

외부 링크