نموذج النقل الهيدرولوجي

📅 آخر تحديث: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
✍️ نُشر في: ٤ أغسطس ٢٠٢٦
📷 يحتوي على 3 صور
الموسوعة الحرة
نهر في مدغشقر خالٍ نسبياً من الرواسب

نموذج النقل الهيدرولوجي هو نموذج رياضي يُستخدم لمحاكاة تدفق الأنهار والجداول ، وحركة المياه الجوفية، أو إزاحة جبهة التصريف ، وحساب معايير جودة المياه . بدأ استخدام هذه النماذج عمومًا في ستينيات وسبعينيات القرن الماضي، عندما تزايد الطلب على التنبؤ العددي بجودة المياه والتصريف نتيجةً للتشريعات البيئية ، وفي الوقت نفسه، أصبح الوصول إلى قدرات حاسوبية كبيرة متاحًا على نطاق واسع. وقد جرى تطوير معظم النماذج الأصلية في الولايات المتحدة والمملكة المتحدة ، ولكنها اليوم تُستخدم على نطاق واسع في جميع أنحاء العالم.

توجد عشرات النماذج المختلفة لنقل الملوثات، والتي يمكن تصنيفها عمومًا حسب الملوثات التي تعالجها، ومدى تعقيد مصادر التلوث، وما إذا كان النموذج مستقرًا أم ديناميكيًا، والفترة الزمنية التي يغطيها. ومن المعايير المهمة الأخرى ما إذا كان النموذج موزعًا (أي قادرًا على التنبؤ بنقاط متعددة داخل النهر) أو مجمعًا. ففي النموذج الأساسي، على سبيل المثال، قد يُعالج ملوث واحد فقط من نقطة تصريف بسيطة في المياه المستقبلة . أما في النماذج الأكثر تعقيدًا، فقد تُضاف مدخلات خطية متنوعة من الجريان السطحي إلى مصادر نقطية متعددة ، ما يُعالج مجموعة متنوعة من المواد الكيميائية بالإضافة إلى الرواسب في بيئة ديناميكية تشمل التطبق الرأسي للنهر وتفاعلات الملوثات مع الكائنات الحية في مجرى النهر . كما يمكن أيضًا تضمين المياه الجوفية في مستجمعات المياه . ويُطلق على النموذج اسم "النموذج القائم على أسس فيزيائية" إذا أمكن قياس معاييره ميدانيًا.

غالبًا ما تتضمن النماذج وحدات منفصلة لمعالجة خطوات محددة في عملية المحاكاة. الوحدة الأكثر شيوعًا هي روتين فرعي لحساب الجريان السطحي، يسمح بتغيرات في نوع استخدام الأراضي ، والتضاريس ، ونوع التربة ، والغطاء النباتي ، وهطول الأمطار ، وممارسات إدارة الأراضي (مثل معدل استخدام الأسمدة ) . يمكن توسيع مفهوم النمذجة الهيدرولوجية ليشمل بيئات أخرى كالمحيطات ، ولكن في أغلب الأحيان (وفي هذه المقالة) يُفترض ضمنيًا موضوع مستجمعات الأنهار.

تاريخ

في عام 1850، كان تي جيه مولفاني على الأرجح أول باحث يستخدم النمذجة الرياضية في سياق هيدرولوجيا الأنهار، على الرغم من عدم وجود أي تدخل كيميائي. [ 1 ] وبحلول عام 1892، ابتكر إم إي إمبو نموذجًا للأحداث لربط الجريان السطحي بذروة هطول الأمطار، دون أي تدخل كيميائي أيضًا. [ 2 ] وقد أرست أعمال روبرت إي هورتون الرائدة [ 3 ] حول الجريان السطحي، إلى جانب ربطه للمعالجة الكمية للتآكل [ 4 ]، الأساس لهيدرولوجيا النقل الكيميائي الحديثة.

الأنواع

النماذج القائمة على الأسس الفيزيائية

تحاول النماذج القائمة على الأسس الفيزيائية (المعروفة أحيانًا بالنماذج الحتمية أو الشاملة أو القائمة على العمليات) تمثيل العمليات الفيزيائية الملاحظة في العالم الحقيقي. عادةً ما تتضمن هذه النماذج تمثيلات للجريان السطحي، والجريان تحت السطحي، والتبخر، وجريان القنوات، ولكنها قد تكون أكثر تعقيدًا. "بدأ فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي تجارب محاكاة واسعة النطاق في عام 1953 لإدارة الخزانات على المجرى الرئيسي لنهر ميسوري". هذا [ 5 ] ، بالإضافة إلى أعمال مبكرة أخرى تناولت نهر النيل [ 6 ] [ 7 ] ونهر كولومبيا [ 8 ] ، نوقشت في سياق أوسع في كتاب نشرته ندوة موارد المياه بجامعة هارفارد، والذي يتضمن الجملة المقتبسة للتو. [ 9 ] ومن النماذج المبكرة الأخرى التي دمجت العديد من النماذج الفرعية للهيدرولوجيا الكيميائية للأحواض المائية نموذج مستجمعات المياه في ستانفورد (SWM). [ 10 ] يعتبر كل من SWMM ( نموذج إدارة مياه الأمطار ) وHSPF (برنامج المحاكاة الهيدرولوجية - FORTRAN) والمشتقات الأمريكية الحديثة الأخرى خلفاء لهذا العمل المبكر.

في أوروبا، يُعدّ نظام الهيدرولوجيا الأوروبي (SHE) نموذجًا شاملًا مفضلًا [ 11 ] [ 12 ] ، وقد حلّ محله كلٌّ من MIKE SHE و SHETRAN . MIKE SHE هو نموذجٌ فيزيائيٌّ موزّعٌ مكانيًا على مستوى مستجمعات المياه، يُعنى بتدفق المياه ونقل الرواسب . تُمثَّل عمليات التدفق والنقل إما بتمثيلات الفروق المحدودة للمعادلات التفاضلية الجزئية أو بمعادلات تجريبية مشتقة. وتتضمن النماذج الفرعية الرئيسية ما يلي:

يمكن لهذا النموذج تحليل تأثيرات استخدام الأراضي وتغير المناخ على جودة المياه في مجرى النهر، مع مراعاة تفاعلات المياه الجوفية .

طُوِّرت نماذج عديدة لأحواض الأنهار حول العالم، من بينها RORB ( أستراليا )، وشينانجيانغ ( الصين )، ونموذج الخزانات ( اليابان )، وARNO ( إيطاليا )، وTOPMODEL ( أوروبا )، وUBC ( كندا )، و HBV ( اسكندنافيا )، وMOHID Land ( البرتغال ). مع ذلك، لا تتضمن جميع هذه النماذج مكونًا كيميائيًا. وبشكل عام، تتميز نماذج SWM وSHE وTOPMODEL بمعالجة شاملة للكيمياء النهرية، وقد تطورت لتستوعب أحدث مصادر البيانات، بما في ذلك بيانات الاستشعار عن بُعد ونظم المعلومات الجغرافية .

في الولايات المتحدة، قام فيلق المهندسين، مركز أبحاث وتطوير المهندسين، بالتعاون مع باحثين من عدد من الجامعات، بتطوير نموذج تحليل الهيدرولوجيا السطحية/تحت السطحية الشبكي (GSSHA) . [ 13 ] [ 14 ] [ 15 ] يُستخدم نموذج GSSHA على نطاق واسع في الولايات المتحدة لأغراض البحث والتحليل من قِبل مناطق فيلق المهندسين بالجيش الأمريكي وشركات الاستشارات الكبرى لحساب التدفق، ومستويات المياه، والتآكل الموزع، ونقل الرواسب في التصاميم الهندسية المعقدة . ويجري حاليًا اختبار مكون خاص بمصير وانتقال المغذيات والملوثات الموزعة. ويتم تسهيل معالجة مدخلات/مخرجات نموذج GSSHA وربطه بنظام المعلومات الجغرافية ( GIS ) من خلال نظام نمذجة مستجمعات المياه (WMS). [ 16 ]

يُعدّ نموذج V flo نموذجًا آخر يُستخدم في الولايات المتحدة والعالم ، وهو نموذج هيدرولوجي موزّع قائم على الفيزياء، طوّرته شركة Vieux & Associates, Inc. [ 17 ]. يستخدم V flo بيانات هطول الأمطار الرادارية وبيانات نظم المعلومات الجغرافية لحساب التدفق السطحي وتدفق القنوات الموزّع مكانيًا. ويتضمن النموذج إمكانيات نمذجة التبخر والنتح، والفيضانات، والتسرب، وذوبان الثلوج. تشمل تطبيقاته عمليات وصيانة البنية التحتية المدنية، والتنبؤ بمياه الأمطار وإدارة الطوارئ، ومراقبة رطوبة التربة، وتخطيط استخدام الأراضي ، ومراقبة جودة المياه، وغيرها.

النماذج العشوائية

تُعدّ هذه النماذج القائمة على البيانات أنظمةً مغلقة المصدر ، تستخدم مفاهيم رياضية وإحصائية لربط مُدخلات مُحددة (مثل هطول الأمطار ) بمخرجات النموذج (مثل الجريان السطحي ). ومن التقنيات الشائعة الاستخدام: الانحدار ، ودوال النقل ، والشبكات العصبية ، وتحديد النظام . تُعرف هذه النماذج بنماذج الهيدرولوجيا العشوائية. وقد استُخدمت النماذج القائمة على البيانات في مجال الهيدرولوجيا لمحاكاة العلاقة بين هطول الأمطار والجريان السطحي، وتمثيل تأثيرات الرطوبة السابقة ، والتحكم في الأنظمة في الوقت الفعلي.

مكونات النموذج

نمذجة الجريان السطحي

نهر كولومبيا ، الذي يشهد جريانًا سطحيًا من الزراعة وقطع الأشجار

يُعدّ عنصر الجريان السطحي مكونًا أساسيًا في نموذج النقل الهيدرولوجي ، إذ يسمح بتقييم الرواسب والأسمدة والمبيدات الحشرية وغيرها من الملوثات الكيميائية. واستنادًا إلى أعمال هورتون، طوّر دوج نظرية الهيدروغراف الوحدوي عام 1959. [ 18 ] وقد استلزم ذلك وجود قانون السياسة البيئية الوطنية وتشريعات وطنية أخرى مماثلة لتوفير الحافز اللازم لدمج كيمياء المياه في بروتوكولات نماذج الهيدرولوجيا. في أوائل سبعينيات القرن الماضي، بدأت وكالة حماية البيئة الأمريكية (EPA) برعاية سلسلة من نماذج جودة المياه استجابةً لقانون المياه النظيفة . ومن الأمثلة على هذه الجهود ما طُوّر في مختبر مياه الجنوب الشرقي، [ 19 ] الذي يُعدّ من أوائل المحاولات لمعايرة نموذج الجريان السطحي باستخدام بيانات ميدانية لمجموعة متنوعة من الملوثات الكيميائية.

لم يحظَ نموذج تلوث الجريان السطحي بالاهتمام الكافي مقارنةً بنموذج الهيدرولوجيا البحتة، على الرغم من دوره في توليد بيانات تلوث حمولة المجاري المائية. في الولايات المتحدة، واجهت وكالة حماية البيئة صعوبة في تفسير نماذج التلوث المتنوعة المملوكة لها [ 20 ] ، واضطرت إلى تطوير نماذجها الخاصة في كثير من الأحيان أكثر من وكالات الموارد التقليدية، التي ركزت على التنبؤ بالفيضانات ، واعتمدت بشكل أكبر على نماذج الأحواض المشتركة. [ 21 ]

تطبيقات نموذجية

طبّق ليدن نموذج HBV لتقدير النقل النهري لثلاث مواد مختلفة، هي النيتروجين والفوسفور والرواسب العالقة [ 22 ] ، في أربع دول : السويد، وإستونيا، وبوليفيا، وزيمبابوي . وقد تم تقييم العلاقة بين متغيرات النموذج الهيدرولوجي الداخلي ونقل المغذيات . وتم تطوير نموذج لمصادر النيتروجين وتحليله مقارنةً بطريقة إحصائية. كما تم تطوير نموذج لنقل الرواسب العالقة في المناطق الاستوائية وشبه القاحلة واختباره. وأظهرت النتائج إمكانية محاكاة النيتروجين الكلي في الأنهار بدقة في مناخ الشمال الأوروبي ، وإمكانية تقدير حمولة الرواسب العالقة في الأنهار بدقة جيدة في المناخات الاستوائية وشبه القاحلة. وبشكل عام، قدّر نموذج HBV لنقل المواد أحمال نقل المواد بدقة جيدة. وكان الاستنتاج الرئيسي للدراسة هو إمكانية استخدام نموذج HBV للتنبؤ بنقل المواد على نطاق حوض التصريف خلال الظروف المستقرة، ولكن لا يمكن تعميمه بسهولة على المناطق التي لم تتم معايرتها بشكل خاص. وفي دراسة أخرى، طبّق كاستانيدو وآخرون خوارزمية تطورية لمعايرة نموذج مستجمعات المياه آليًا [ 23 ] .

بحيرة تاهو ، حوض فرعي من منابع مستجمعات مياه نهر تروكي

طورت وكالة حماية البيئة الأمريكية نموذج DSSAM لتحليل تأثيرات قرارات استخدام الأراضي وإدارة مياه الصرف الصحي على جودة المياه في حوض نهر تروكي ، وهي منطقة تشمل مدينتي رينو وسباركس في ولاية نيفادا، بالإضافة إلى حوض بحيرة تاهو . وقد تنبأ النموذج [ 24 ] بدقة بمستويات المغذيات والرواسب والأكسجين المذاب في النهر. ويستند النموذج إلى مقياس تحميل الملوثات المعروف باسم "الحد الأقصى اليومي الإجمالي" (TMDL). وقد ساهم نجاح هذا النموذج في التزام وكالة حماية البيئة باستخدام بروتوكول TMDL الأساسي في سياستها الوطنية لإدارة العديد من أنظمة الأنهار في الولايات المتحدة . [ 25 ]

صُمم نموذج DSSAM للسماح بالتحلل الديناميكي لمعظم الملوثات؛ فعلى سبيل المثال، يُسمح للطحالب القاعية باستهلاك النيتروجين والفوسفور الكليين في كل خطوة زمنية، وتُمنح مجتمعات الطحالب ديناميكية سكانية منفصلة في كل جزء من النهر (على سبيل المثال، بناءً على درجة حرارة النهر). وفيما يتعلق بجريان مياه الأمطار في مقاطعة واشو ، تم تحليل العناصر المحددة ضمن قانون جديد لتنسيق الحدائق الجافة من حيث فعاليتها باستخدام النموذج. وبالنسبة للاستخدامات الزراعية المتنوعة في مستجمع المياه، تم تشغيل النموذج لفهم المصادر الرئيسية للتأثير، وتم تطوير ممارسات إدارية للحد من التلوث في النهر. وقد تم استخدام النموذج تحديدًا لتحليل بقاء نوعين مهددين بالانقراض موجودين في نهر تروكي وبحيرة بيراميد : سمكة كوي-وي المصاصة (مهددة بالانقراض عام 1967) وسمكة لاهونتان ذات الحلق المقطوع (مهددة عام 1970).

انظر أيضاً

مراجع

  1. ↑ مولفاني، تي جيه (1851). "حول استخدام مقاييس المطر والتدفق ذاتية التسجيل". وقائع معهد المهندسين المدنيين في أيرلندا . 4 (2): 18-33 .
  2. ^ إم إي إمبو، (1892) لا دورانس: النظام. كروز والفيضانات ، آن. بونتس تشاوسيس ميم. وثيقة. سر. 3(ط) 5-18
  3. ↑ هورتون، ر. إي. (1933). "دور التسرب في الدورة الهيدرولوجية". معاملات الاتحاد الجيوفيزيائي الأمريكي . 145 (1): 446-460 . Bibcode : 1933TrAGU..14..446H . doi : 10.1029/TR014i001p00446 .
  4. ↑ هورتون، ر. إي. (1945). "التطور التعرية للأنهار وأحواض تصريفها: منهج هيدرولوجي للجيومورفولوجيا الكمية" . نشرة الجمعية الجيولوجية الأمريكية 56 (3): 275-330 . doi : 10.1130/0016-7606(1945)56 [ 275:edosat ] 2.0.co ; 2. S2CID 129509551 . 
  5. ↑ تقرير عن استخدام الحواسيب الإلكترونية لدمج عمليات الخزانات ، المجلد 1، التقارير الفنية لشركة داتاماتيك، التي أُعدت بالتعاون مع شركة رايثيون للتصنيع لقسم نهر ميسوري، فيلق المهندسين، جيش الولايات المتحدة، يناير 1957
  6. ↑ MPBarnett، تعليق على حسابات وادي النيل ، مجلة الجمعية الإحصائية الملكية، السلسلة ب، المجلد 19، 223، 1957
  7. ↑ HAW Morrice و WN Allan، التخطيط للتطوير الهيدروليكي النهائي لوادي النيل ، وقائع معهد المهندسين المدنيين، 14، 101، 1959،
  8. ↑ إف إس براون، تنمية موارد المياه - حوض نهر كولومبيا ، في تقرير اجتماع اللجنة المشتركة بين الوكالات لحوض كولومبيا ، بورتلاند، أوريغون، ديسمبر 1958
  9. ↑ DF Manzer و MP Barnett، التحليل عن طريق المحاكاة: تقنيات البرمجة لجهاز كمبيوتر رقمي عالي السرعة ، في Arthur Maas et al ، تصميم أنظمة موارد المياه ، ص 324-390، مطبعة جامعة هارفارد، كامبريدج، ماساتشوستس، 1962.
  10. ↑ إن إتش كروفورد وآر كيه لينسلي. المحاكاة الرقمية في علم المياه: نموذج مستجمعات المياه في ستانفورد الرابع ، التقرير الفني رقم 39، جامعة ستانفورد ، بالو ألتو، كاليفورنيا (1966)
  11. ↑ أبوت، بي. إي. أو. كونيل؛ باثورست، جيه. سي.؛ كونج، جيه. إيه.؛ راسموسن، جيه. (1986). "مقدمة إلى النظام الأوروبي: النظام الهيدرولوجي الأوروبي (SHE)". مجلة الهيدرولوجيا . 87 ( 1-2 ): 61-77 . doi : 10.1016/0022-1694(86)90115-0 .
  12. ↑ فيجاي ب. سينغ، نماذج حاسوبية لهيدرولوجيا مستجمعات المياه، منشورات موارد المياه ، الصفحات 563-594 (1995)
  13. ↑ داونر، سي دبليو، وإف إل أوجدن، 2006، دليل مستخدم تحليل الهيدرولوجيا السطحية والجوفية الشبكية (GSSHA)، الإصدار 1.43 لنظام نمذجة مستجمعات المياه 6.1، برنامج موارد المياه على مستوى النظام، مختبر السواحل والهيدروليكا، فيلق مهندسي الجيش الأمريكي، مركز أبحاث وتطوير المهندسين، ERDC/CHL SR-06-1، 207 صفحة.
  14. ↑ داونر، سي دبليو؛ أوجدن، إف إل (2004). "GSSHA: نموذج لمحاكاة عمليات توليد تدفق المياه المتنوعة". مجلة الهندسة الهيدروليكية . 9 (3): 161-174 . doi : 10.1061/(ASCE)1084-0699(2004)9:3(161) .
  15. ↑ داونر، سي دبليو، إف إل أوجدن، جي إم نيدزياليك، وإس ليو، 2006، نموذج التحليل الهيدرولوجي السطحي/تحت السطحي الشبكي (GSSHA): نموذج لمحاكاة عمليات إنتاج تدفق المياه المتنوعة، الصفحات 131-159، في نماذج مستجمعات المياه، في بي سينغ، ودي فريفرت، المحررين، مجموعة تايلور وفرانسيس، مطبعة سي آر سي، 637 صفحة.
  16. ↑ "نظام نمذجة مستجمعات المياه" . أكوافيو . تم الاطلاع عليه بتاريخ 19 فبراير 2016 .
  17. ↑ Vieuxinc.com
  18. ↑ JCI Dooge، تحديد معلمات العمليات الهيدرولوجية ، مؤتمر دراسة JSC حول عمليات سطح الأرض في نماذج الدوران العام للغلاف الجوي، 243-284 (1959)
  19. ↑ سي إم هوجان، ليدا باتمور، جاري لاتشو، هاري سيدمان وآخرون. نمذجة حاسوبية لانتقال المبيدات في التربة لخمس مستجمعات مائية مجهزة بأجهزة قياس ، وكالة حماية البيئة الأمريكية، مختبر المياه الجنوبي الشرقي، أثينا، جورجيا. بواسطة شركة ESL Inc. ، صني فيل، كاليفورنيا (1973)
  20. ^ ستيفن جرانت، آي كيه اسكندر، هيدرولوجيا الملوثات ، مطبعة CRC (2000) ISBN 1-56670-476-6
  21. ↑ بنسون، ريد د. (1996). "قضية مستجمعات المياه: دور حماية تدفق المياه في إدارة أحواض أنهار الشمال الغربي" . القانون البيئي . 26 (1): 175-224 . ISSN 0046-2276 . JSTOR 43266471 .  
  22. ^ ريكارد ليدن، نماذج الجريان السطحي المفاهيمية لتقديرات نقل المواد ، أطروحة دكتوراه، جامعة لوند ، لوند، السويد (2000)
  23. ↑ كاستانيدو، ف.؛ باتريسيو، م.أ.؛ مولينا، ج.م. (2006). "تقنية الحوسبة التطورية المطبقة على معايرة نموذج HSPF لحوض تصريف مياه إسباني". هندسة البيانات الذكية والتعلم الآلي - IDEAL 2006. سلسلة محاضرات في علوم الحاسوب. المجلد 2006. الصفحات 216-223 . CiteSeerX 10.1.1.497.5100 . doi : 10.1007/11875581_26 . ISBN    978-3-540-45485-4.{{cite book}}تم |journal=تجاهله ( مساعدة )
  24. ↑ تطوير نموذج محاكاة ديناميكي لجودة المياه لنهر تروكي ، شركة إيرث متريكس، سلسلة تكنولوجيا وكالة حماية البيئة، واشنطن العاصمة (1987)
  25. ↑ وكالة حماية البيئة الأمريكية. 1991. إرشادات لاتخاذ القرارات المتعلقة بجودة المياه: عملية TMDL ، EPA 440/4-91-001. وكالة حماية البيئة الأمريكية، مكتب المياه، واشنطن العاصمة.