Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo 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
Vsebina 1 Uvod predstavitev ARRS projekta 2 Porečje reke Pesnice 3 Modeliranje z orodjem ProBMoT 4 Rezultati modeliranja 5 Zaključki
ARRS projekt: Primerjalna študija ekosistemskih storitev in upravljanja v kontrastnih rečnih sistemih Slovenije 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. Meritev Ocena stanja
ARRS projekt: Primerjalna študija ekosistemskih storitev in upravljanja v kontrastnih rečnih sistemih Slovenije Osnovni izzivi projekta: Zasuk na področju upravljanja z vodami Spremljanje kazalcev okolja Celovito modeliranje stanja Ugotavljanje vpliva različnih stresorjev na stanje voda z uporabo matematičnih modelov Testna porečja: Idrijca Kamniška Bistrica Pesnica
Predstavitev izbranega porečja AT Zg. Kungota Pesnica Pesnica (do Perniškega jezera) Površina porečja: 117 km 2 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 SLO
Značilnosti porečja reke Pesnice Topografija Raba zemljišč Hidrogeologija Lokacije merilnih mest Poselitev Sproščanje tal / erozija
Modeliranje kroženja vode in spiranja hranil Uporabljen pristop temelji na knjižnici znanja in orodju za avtomatsko odkrivanje enačb ProBMoT (Čerepnalkoski, 2012). Konceptualizacija znanja, zajetega v domenski knjižnici (Škerjanec, 2014): Padavine Evapotranspiracija Točkovni viri Različne rabe tal Nenasičena cona Površinski odtok Sediment in hranila Pronicanje Nasičena cona Bazni odtok Hranila Vodotok Izgube
Matematična formulacija procesov 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
Process Based Modeling Tool Knjižnica Podatkovna datoteka Opis sistema Kandidatne strukture Kandidatni modeli Razvrščeni modeli Generiranje struktur Umerjanje parametrov Razvrščanje modelov Nastavitve Neodvisne spremenljivke Nastavitve Merjene odvisne spremenljivke Umerjanje parametrov Kandidatna struktura Matematični model Simulacija Primerjava Kandidatni model Pretvorba struktur v enačbe Parametri Simulirane odvisne spremenljivke Generiranje parametrov Ocena odstopanja
Priprava vhodnih datotek 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
Iskanje najboljše strukture modela 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)
pretok (m 3 /s) Rezultati izbranega modela celotni dušik (kg/dan) padavine (mm) 30 0 25 50 Pretok 20 100 15 150 10 200 5 250 0 13.2.2016 14.3.2016 13.4.2016 13.5.2016 12.6.2016 12.7.2016 11.8.2016 čas (v dnevih) Narava 1 % padavine meritve model Obremenitev s celotnim dušikom 6000 5000 300 Urbanizacija 18 % 4000 3000 Kmetijstvo 81 % 2000 1000 0 13.2.2016 14.3.2016 13.4.2016 13.5.2016 12.6.2016 12.7.2016 11.8.2016 čas (v dnevih) meritve model
Prednosti uporabe predlaganega pristopa 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.
Nadaljnje delo Validacija zgrajenega modela. Testiranje različnih scenarijev (podnebne spremembe, spremembe rabe tal, spremembe v načinu odvajanja odpadne vode). Uporaba modela za validacijo izvedenih meritev. Meritev Meritev Rezultati modela DA NE Ocena stanja Ocena stanja Iskanje razlogov za neujemanje
Vprašanja? Hvala za vašo pozornost!