modeliranje kroženja vode in spiranja hranil v porečju ... kerjanec-m... · pdf file36....
TRANSCRIPT
36. Goljevščkov spominski dan
Modeliranje kroženja vode in spiranja hranil v porečju reke Pesnice
Mateja Škerjanec 1
Tjaša Kanduč 2
David Kocman 2
Nataša Mori 3
Johanna Robinson 2
Ines Levačić 4
Miha Kračun 4
Primož Banovec 1
1 Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo 2 Inštitut Jožef Stefan 3 Nacionalni inštitut za biologijo 4 IEI d.o.o.
Ljubljana, 23. marec 2017
Univerza v LjubljaniFakulteta za gradbeništvo in geodezijo
① Uvod – predstavitev ARRS projekta
② Porečje reke Pesnice
③ Modeliranje z orodjem ProBMoT
④ Rezultati modeliranja
⑤ Zaključki
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Vsebina
Partnerji:• Inštitut Jožef Stefan• Nacionalni inštitut za biologijo• Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo• Inštitut za ekološki inženiring d.o.o. (sofinancer)
Trajanje projekta: 1. 7. 2014 - 30. 6. 2017
Problemi, ki jih naslavljamo:• Neustrezen in neučinkovit nadzor nad kemijskim in ekološkim stanjem voda,• Ocena stanja voda podana le na podlagi kazalcev okolja,• Nepoznavanje procesov, ki privedejo do določenega stanja,• Neupoštevanje sinergističnih učinkov različnih stresorjev.
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
ARRS projekt: Primerjalna študija ekosistemskih storitev in upravljanja v kontrastnih rečnih sistemih Slovenije
Meritev
Ocena stanja
Osnovni izzivi projekta:• Zasuk na področju upravljanja z vodami
• Ugotavljanje vpliva različnih stresorjev na stanje voda z uporabo
matematičnih modelov
Testna porečja:• Idrijca
• Kamniška Bistrica
• Pesnica
Spremljanje kazalcev okolja Celovito modeliranje stanja
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
ARRS projekt: Primerjalna študija ekosistemskih storitev in upravljanja v kontrastnih rečnih sistemih Slovenije
Pesnica (do Perniškega jezera)
• Površina porečja: 117 km2
• Dolžina rečnega odseka : 23 km
• Nadmorske višine: 243 - 808 m
• Raba: 60 % kmetijskih, 33 % naravnih in 7 % urbanih površin
• Prebivalstvo: cca. 13.000
• Terenske meritve fizikalno-kemijskih parametrov: 13.2. - 2.9.2016
Zg. Kungota
Pesnica
AT
SLO
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Predstavitev izbranega porečja
Topografija Raba zemljišč Hidrogeologija
Lokacije merilnih mest Poselitev Sproščanje tal / erozija
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Značilnosti porečja reke Pesnice
Uporabljen pristop temelji na knjižnici znanja in orodju za avtomatsko odkrivanje enačb ProBMoT (Čerepnalkoski, 2012).
Konceptualizacija znanja, zajetega v domenski knjižnici (Škerjanec, 2014):
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Modeliranje kroženja vode in spiranja hranil
Padavine Evapotranspiracija
Nenasičena cona
Nasičena cona
Površinski odtok
Bazni odtok
Izgube
Pronicanje
Vodotok
Sediment in hranila
Hranila
Točkovni viri
Različne rabe tal
Površinski odtok in infiltracija: SCS (NRCS, 1986)
Referenčna evapotranspiracija: Hamon (1961), Hargreaves in sod. (1985)
Podpovršinski tok vode: vodna bilanca
Erozija: USLE (Wischmeier in Smith, 1978), MUSLE (Williams, 1995)
Obremenitev s hranili v raztopljeni obliki: vsota prispevkov površinskega in baznega odtoka, greznic in točkovnih izpustov
Obremenitev s hranili v vezani obliki: prispevki spiranja kmetijskih in urbanih površin
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Matematična formulacija procesov
Knjižnica
Opis sistema
Generiranje struktur
Kandidatne strukture
Nastavitve
Podatkovna datoteka
Kandidatni modeli
Razvrščeni modeli
RazvrščanjemodelovUmerjanje parametrov
Kandidatna struktura
Pretvorba struktur v enačbe
Matematični model
Neodvisne spremenljivke
Merjene odvisne spremenljivke
Nastavitve
Parametri
Simulacija
Simulirane odvisne spremenljivke
Umerjanje parametrov
Primerjava
Ocena odstopanja
Generiranjeparametrov
Kandidatni model
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Process Based Modeling Tool
Opis sistema:
• Definicija hidroloških procesov ter procesov spiranja sedimenta in hranil s sodelujočimi spremenljivkami, posebej za urbane, kmetijske in naravne površine.
• Določitev znanih vrednosti parametrov.
• Določitev pričakovanih razponov vrednosti v primeru neznanih vrednostih parametrov.
Podatkovna datoteka: pripravljena za obdobje med 13.2.in 2.9.2016
V podatkovni datoteki so zapisane:
• Dnevne (merjene) vrednosti neodvisnih spremenljivk
• Dnevne (merjene) vrednosti odvisnih spremenljivk: pretok in obremenitev s celotnim dušikom na iztoku iz porečja
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Priprava vhodnih datotek
Generiranih 16 modelov; razlike v enačbah za izračun:
• Referenčne evapotranspiracije: Hamon (1961) in Hargreaves s sod. (1985)
• Obremenitve s hranili v vezani obliki z urbanih površin: Haith (1992) in USGS (Driver in Tasker, 1990)
Umerjanje parametrov:
• 25 parametrov/model
• Za umerjanje vsakega parametra: 1.000 iteracij (skupno 400.000)
• Računski čas: cca. 5,5 ur (procesor i5-3470; frekvenca 3,20 GHz; pomnilnik 8 GB)
Kot najboljši model izbran model #14:
• RMSE = 0,709 (do 1,889)
• Referenčna evapotranspiracija: Hargreaves s sod. (1985)
• Obremenitev s hranili v vezani obliki z urbanih površin: Haith (1992)
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Iskanje najboljše strukture modela
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Rezultati izbranega modela
0
50
100
150
200
250
3000
5
10
15
20
25
30
13.2.2016 14.3.2016 13.4.2016 13.5.2016 12.6.2016 12.7.2016 11.8.2016
pad
avin
e(m
m)
pre
tok
(m3 /
s)
čas (v dnevih)
padavine meritve model Obremenitev s celotnim dušikom
Pretok
Urbanizacija18 %
Kmetijstvo81 %
Narava1 %
0
1000
2000
3000
4000
5000
6000
13.2.2016 14.3.2016 13.4.2016 13.5.2016 12.6.2016 12.7.2016 11.8.2016
celo
tni d
uši
k (k
g/d
an)
čas (v dnevih)
meritve model
Razčlenitev znanja na osnovne komponente (procese in spremenljivke) omogoča podroben opis opazovanega sistema.
Vključitev alternativnih matematičnih izrazov za opis posameznih procesov omogoča odkrivanje novih (bolj optimalnih) kombinacij enačb oz. modelov.
Uporabljen pristop k modeliranju porečij omogoča:
• avtomatsko generiranje vseh možnih struktur modela,
• avtomatsko izbiro optimalne strukture modela za izbrani primer.
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Prednosti uporabe predlaganega pristopa
Validacija zgrajenega modela.
Testiranje različnih scenarijev (podnebne spremembe, spremembe rabe tal, spremembe v načinu odvajanja odpadne vode).
Uporaba modela za validacijo izvedenih meritev.
Meritev
Ocena stanja
Meritev
Ocena stanja
Rezultati modela≈
Iskanje razlogov za neujemanje
DA NE
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Nadaljnje delo
Hvala za vašo pozornost!
ARRS projekt Porečje reke Pesnice Modeliranje Rezultati Zaključki
Vprašanja?