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Articulo de referencia

Hydrological transport model

River in Madagascar relatively free of sediment load An hydrological transport model is a mathematical model used to simulate the flow of rivers, streams , groundwater movement ...

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River in Madagascar relatively free of sediment load

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 watershedgroundwater 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.

History

En 1850, TJ Mulvany fue probablemente el primer investigador en utilizar modelos matemáticos en un contexto de hidrología de arroyos, aunque no había química involucrada. [ 1 ] Para 1892, ME Imbeau había concebido un modelo de eventos para relacionar la escorrentía con la precipitación máxima, nuevamente sin química. [ 2 ] El trabajo seminal de Robert E. Horton [ 3 ] sobre la escorrentía superficial junto con su acoplamiento del tratamiento cuantitativo de la erosión [ 4 ] sentó las bases para la hidrología moderna del transporte químico.

Tipos

Modelos basados ​​en la física

Los modelos basados ​​en la física (a veces conocidos como modelos deterministas, integrales o basados ​​en procesos) intentan representar los procesos físicos observados en el mundo real. Por lo general, estos modelos contienen representaciones de la escorrentía superficial, el flujo subsuperficial, la evapotranspiración y el flujo de canal, pero pueden ser mucho más complejos. "El Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los EE. UU. inició experimentos de simulación a gran escala en 1953 para la gestión de embalses en el cauce principal del río Misuri". Esto, [ 5 ] y otros trabajos iniciales que trataron sobre el río Nilo [ 6 ] [ 7 ] y el río Columbia [ 8 ] se discuten, en un contexto más amplio, en un libro publicado por el Seminario de Recursos Hídricos de Harvard, que contiene la frase que acabamos de citar. [ 9 ] Otro modelo inicial que integró muchos submodelos para la hidrología química de la cuenca fue el Modelo de Cuenca Hidrográfica de Stanford (SWM). [ 10 ] El SWMM ( modelo de gestión de aguas pluviales ), el HSPF (programa de simulación hidrológica – FORTRAN) y otros derivados estadounidenses modernos son sucesores de este trabajo inicial.

En Europa, un modelo integral preferido es el Système Hydrologique Européen (SHE), [ 11 ] [ 12 ] que ha sido sucedido por MIKE SHE y SHETRAN . MIKE SHE es un modelo físico a escala de cuenca, distribuido espacialmente, para el flujo de agua y el transporte de sedimentos . Los procesos de flujo y transporte se representan mediante representaciones de diferencias finitas de ecuaciones diferenciales parciales o mediante ecuaciones empíricas derivadas. Los siguientes submodelos principales están involucrados:

This model can analyze effects of land use and climate changes upon in-stream water quality, with consideration of groundwater interactions.

Worldwide a number of basin models have been developed, among them RORB (Australia), Xinanjiang (China), Tank model (Japan), ARNO (Italy), TOPMODEL (Europe), UBC (Canada) and HBV (Scandinavia), MOHID Land (Portugal). However, not all of these models have a chemistry component. Generally speaking, SWM, SHE and TOPMODEL have the most comprehensive stream chemistry treatment and have evolved to accommodate the latest data sources including remote sensing and geographic information system data.

In the United States, the Corps of Engineers, Engineer Research and Development Center in conjunction with a researchers at a number of universities have developed the Gridded Surface/Subsurface Hydrologic Analysis GSSHA model.[13][14][15]GSSHA is widely used in the U.S. for research and analysis by U.S. Army Corps of Engineers districts and larger consulting companies to compute flow, water levels, distributed erosion, and sediment delivery in complex engineering designs. A distributed nutrient and contaminant fate and transport component is undergoing testing. GSSHA input/output processing and interface with GIS is facilitated by the Watershed Modeling System (WMS).[16]

Otro modelo utilizado en Estados Unidos y a nivel mundial es V flo , un modelo hidrológico distribuido basado en la física desarrollado por Vieux & Associates, Inc. [ 17 ] V flo emplea datos de precipitación por radar y SIG para calcular el flujo superficial y el flujo en canales distribuidos espacialmente. Incluye capacidades de modelado de evapotranspiración, inundación, infiltración y deshielo. Sus aplicaciones abarcan operaciones y mantenimiento de infraestructura civil, predicción de aguas pluviales y gestión de emergencias, monitoreo de la humedad del suelo, planificación del uso del suelo , monitoreo de la calidad del agua, entre otras.

Modelos estocásticos

Estos modelos, basados ​​en datos, son sistemas de caja negra que utilizan conceptos matemáticos y estadísticos para vincular una entrada determinada (por ejemplo, la precipitación ) con la salida del modelo (por ejemplo, la escorrentía ). Las técnicas más comunes son la regresión , las funciones de transferencia , las redes neuronales y la identificación de sistemas . Estos modelos se conocen como modelos hidrológicos estocásticos. En hidrología, los modelos basados ​​en datos se han utilizado para simular la relación precipitación-escorrentía, representar los impactos de la humedad antecedente y realizar un control en tiempo real de los sistemas.

Componentes del modelo

Modelización de la escorrentía superficial

El río Columbia , que recibe escorrentía superficial proveniente de la agricultura y la tala de árboles.

Un componente clave de un modelo de transporte hidrológico es el elemento de escorrentía superficial , que permite evaluar sedimentos, fertilizantes , pesticidas y otros contaminantes químicos. Partiendo del trabajo de Horton, la teoría del hidrograma unitario fue desarrollada por Dooge en 1959. [ 18 ] Requirió la presencia de la Ley Nacional de Política Ambiental y otras leyes nacionales afines para proporcionar el impulso para integrar la química del agua en los protocolos de los modelos hidrológicos. A principios de la década de 1970, la Agencia de Protección Ambiental de los Estados Unidos (EPA) comenzó a patrocinar una serie de modelos de calidad del agua en respuesta a la Ley de Agua Limpia . Un ejemplo de estos esfuerzos se desarrolló en el Laboratorio de Agua del Sudeste, [ 19 ] uno de los primeros intentos de calibrar un modelo de escorrentía superficial con datos de campo para una variedad de contaminantes químicos.

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[20] 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.[21]

Example applications

Liden applied the HBV model to estimate the riverine transport of three different substances, nitrogen, phosphorus and suspended sediment[22] 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.[23]

Lake Tahoe, headwater sub-basin of the Truckee River watershed

La EPA de los Estados Unidos desarrolló el modelo DSSAM para analizar los impactos en la calidad del agua derivados de las decisiones sobre el uso del suelo y la gestión de aguas residuales en la cuenca del río Truckee , un área que incluye las ciudades de Reno y Sparks, Nevada, así como la cuenca del lago Tahoe . El modelo [ 24 ] predijo satisfactoriamente los parámetros de nutrientes, sedimentos y oxígeno disuelto en el río. Se basa en una métrica de carga de contaminantes denominada "Carga Máxima Diaria Total" (TMDL). El éxito de este modelo contribuyó al compromiso de la EPA con el uso del protocolo TMDL subyacente en la política nacional de la EPA para la gestión de muchos sistemas fluviales en los Estados Unidos . [ 25 ]

El modelo DSSAM está diseñado para permitir la degradación dinámica de la mayoría de los contaminantes; por ejemplo, se permite que el nitrógeno y el fósforo totales sean consumidos por las algas bentónicas en cada paso de tiempo, y las comunidades de algas tienen una dinámica poblacional separada en cada tramo del río (por ejemplo, en función de la temperatura del río). En cuanto a la escorrentía de aguas pluviales en el condado de Washoe , se analizó la eficacia de los elementos específicos de una nueva ordenanza de xeropaisajismo utilizando el modelo. Para los diversos usos agrícolas en la cuenca, se ejecutó el modelo para comprender las principales fuentes de impacto y se desarrollaron prácticas de gestión para reducir la contaminación en el río. El uso del modelo se ha llevado a cabo específicamente para analizar la supervivencia de dos especies en peligro de extinción que se encuentran en el río Truckee y el lago Pyramid : el pez chupador Cui-ui (en peligro de extinción desde 1967) y la trucha degollada de Lahontan (amenazada desde 1970).

Véase también

Referencias

  1. ↑ Mulvany, TJ (1851). "Sobre el uso de pluviómetros y medidores de caudal autorregistrables". Proc. Institute Civ. Eng. Of Ireland . 4 (2): 18– 33.
  2. ^ ME Imbeau, (1892) La Durance: Régimen. Crues et inundaciones , Ann. Ponts Chausses Mem. Doc. Ser. 3(I) 5-18
  3. ↑ Horton, RE (1933). "El papel de la infiltración en el ciclo hidrológico". Trans. Am. Geophys. Union . 145 (1): 446– 460. Bibcode : 1933TrAGU..14..446H . doi : 10.1029/TR014i001p00446 .
  4. ↑ Horton, RE (1945). "Desarrollo erosivo de arroyos y sus cuencas de drenaje: Enfoque hidrológico para la geomorfología cuantitativa" . Bull. Geol. Soc. Am. 56 (3): 275– 330. doi : 10.1130/0016-7606(1945)56 [ 275:edosat ] 2.0.co ; 2 . S2CID 129509551 . 
  5. ↑ Informe sobre el uso de computadoras electrónicas para la integración de operaciones en embalses , vol. 1. Informes técnicos de DATAmatic Corporation, preparados en colaboración con Raytheon Manufacturing Company para la División del Río Missouri, Cuerpo de Ingenieros del Ejército de los Estados Unidos, enero de 1957.
  6. ↑ MPBarnett, Comentario sobre los cálculos del valle del Nilo , Journal of the Royal Statistical Society, Serie B, vol. 19, 223, 1957
  7. ↑ HAW Morrice y WN Allan, Planificación para el desarrollo hidráulico definitivo del valle del Nilo , Actas del Instituto de Ingenieros Civiles, 14, 101, 1959,
  8. ↑ FS Brown, Desarrollo de recursos hídricos – Cuenca del río Columbia , en Informe de la reunión del Comité Interinstitucional de la Cuenca del Columbia , Portland, OR, diciembre de 1958
  9. ↑ DF Manzer y MP Barnett, Análisis mediante simulación: técnicas de programación para una computadora digital de alta velocidad , en Arthur Maas et al ., Diseño de sistemas de recursos hídricos , págs. 324–390, Harvard University Press, Cambridge, MA, 1962.
  10. ↑ NH Crawford y RK Linsley. Simulación digital en hidrología: Modelo de cuenca hidrográfica de Stanford IV , Informe técnico n.° 39 , Universidad de Stanford , Palo Alto, California (1966).
  11. ↑ Abbott, PEO'Connell; Bathurst, JC; Cunge, JA; Rasmussen, J. (1986). "Una introducción al sistema europeo: Systeme Hydrologique Europeen (SHE)". Journal of Hydrology . 87 ( 1– 2): 61– 77. doi : 10.1016/0022-1694(86)90115-0 .
  12. ↑ Vijay P. Singh, Modelos informáticos de hidrología de cuencas hidrográficas, Publicaciones sobre recursos hídricos , págs. 563-594 (1995)
  13. ↑ Downer, CW y FL Ogden, 2006, Manual del usuario del análisis hidrológico de superficie y subsuperficie en cuadrícula (GSSHA), versión 1.43 para el sistema de modelado de cuencas hidrográficas 6.1, Programa de recursos hídricos a nivel de sistema, Laboratorio costero e hidráulico, Cuerpo de ingenieros del ejército de EE. UU., Centro de investigación y desarrollo de ingeniería, ERDC/CHL SR-06-1, 207 págs.
  14. ↑ Downer, CW; Ogden, FL (2004). "GSSHA: Un modelo para simular diversos procesos de generación de flujo de corriente". Journal of Hydraulic Engineering . 9 (3): 161– 174. doi : 10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161) .
  15. ↑ Downer, CW, FL Ogden, JM Niedzialek y S. Liu, 2006, Modelo de análisis hidrológico de superficie/subsuperficie en cuadrícula (GSSHA): un modelo para simular diversos procesos de producción de flujo de corriente, págs. 131–159, en Modelos de cuencas hidrográficas, VP Singh y D. Frevert, eds., Taylor and Francis Group, CRC Press, 637 págs.
  16. ↑ "Sistema de modelado de cuencas hidrográficas" . Aquaveo . Consultado el 19 de febrero de 2016 .
  17. ↑ Vieuxinc.com
  18. ↑ JCI Dooge, Parametrización de procesos hidrológicos , Conferencia de estudio del JSC sobre procesos de la superficie terrestre en modelos de circulación general atmosférica, 243–284 (1959)
  19. ↑ CM Hogan, Leda Patmore, Gary Latshaw, Harry Seidman et al. Modelado computacional del transporte de plaguicidas en el suelo para cinco cuencas hidrográficas instrumentadas , Agencia de Protección Ambiental de EE. UU., Laboratorio de Agua del Sureste, Athens, Georgia, por ESL Inc. , Sunnyvale, California (1973)
  20. ^ Steven Grant, IK Iskandar, Hidrología de contaminantes , CRC Press (2000) ISBN 1-56670-476-6
  21. ↑ Benson, Reed D. (1996). "Un problema de cuenca hidrográfica: el papel de la protección del caudal en la gestión de cuencas fluviales del noroeste" . Derecho ambiental . 26 (1): 175– 224. ISSN 0046-2276 . JSTOR 43266471 .  
  22. ^ Rikard Liden, Modelos conceptuales de escorrentía para estimaciones del transporte de materiales , tesis doctoral, Universidad de Lund , Lund, Suecia (2000)
  23. ↑ Castanedo, F.; Patricio, MA; Molina, JM (2006). "Técnica de computación evolutiva aplicada a la calibración del modelo HSPF de una cuenca hidrográfica española". Ingeniería de datos inteligentes y aprendizaje automatizado – IDEAL 2006. Notas de clase en informática. Vol. 2006. pp. 216–223 . CiteSeerX 10.1.1.497.5100 . doi : 10.1007/11875581_26 . ISBN    978-3-540-45485-4.{{cite book}}: |journal= ignored (help)
  24. ↑Development of a dynamic water quality simulation model for the Truckee River, Earth Metrics Inc., Environmental Protection Agency Technology Series, Washington D.C. (1987)
  25. ↑USEPA. 1991. Guidance for water quality-based decisions: The TMDL process, EPA 440/4-91-001. U.S. Environmental Protection Agency, Office of Water, Washington, DC.
  • HBV model applied to climate change in the Rhine River basin
  • TOPMODEL characteristics and parameters
  • Xinanjiang model and its application in northern China
  • Evolutionary Computation Technique Applied to HSPF Model Calibration of a Spanish Watershed