Modeliranje kroženja vode in spiranja hranil v porečju ... kerjanec-M._IZH.pdfTopografija Raba zemljišč Hidrogeologija Lokacije merilnih mest Poselitev Sproščanje tal / erozija

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: 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: 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


Predstavitev izbranega porečja

Topografija Raba zemljišč Hidrogeologija

Lokacije merilnih mest Poselitev Sproščanje tal / erozija


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):


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


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


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


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)


Iskanje najboljše strukture modela


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.


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


Nadaljnje delo

Hvala za vašo pozornost!


Vprašanja?

Documents

Modeliranje kroženja vode in spiranja hranil v porečju ... kerjanec-M._IZH.pdfTopografija Raba zemljišč Hidrogeologija Lokacije merilnih mest Poselitev Sproščanje tal / erozija