النماذج الموزعة والقائمة على الفيزياء

تمثل النماذج الموزعة والقائمة على الفيزياء العمليات الهيدرولوجية مكانيًا عبر مستجمع مائي باستخدام المعادلات الحاكمة للتدفق، وتوضح كيفية تباين الجريان السطحي من مكان لآخر.

Definition

النماذج الموزعة والقائمة على الفيزياء هي نماذج هيدرولوجية تقسم المستجمع المائي إلى وحدات مكانية وتحاكي العمليات باستخدام معادلات قائمة على الفيزياء (للتسرب، والتدفق تحت السطحي والسطحي، وتوجيه القنوات) مع معلمات ومدخلات متغيرة مكانيًا.

Scope

يغطي هذا الموضوع النماذج الهيدرولوجية الموزعة مكانيًا والصيغ القائمة على الفيزياء التي تحل معادلات التدفق السطحي وتحت السطحي على شبكات أو عناصر، بما في ذلك منهجية المنطقة المساهمة المتغيرة. وهو يتناقض مع النماذج المفاهيمية المجمعة ويرتبط بتحديات المعايرة وعدم اليقين.

Core questions

• كيف تمثل النماذج الموزعة التباين المكاني للعمليات الهيدرولوجية؟
• ما هي المعادلات الحاكمة التي تستند إليها النماذج القائمة على الفيزياء؟
• كيف توازن المناهج مثل TOPMODEL بين الأساس الفيزيائي والاقتصاد؟
• ما هي الحدود العملية للنمذجة الموزعة القائمة على الفيزياء؟

Key concepts

• التقطيع المكاني (الشبكات، العناصر)
• معادلات التدفق الحاكمة
• المؤشر الطبوغرافي (TOPMODEL)
• المنطقة المساهمة المتغيرة
• التدفق السطحي وتحت السطحي المقترن
• متطلبات المعلمات والبيانات

Key theories

المخطط القائم على الفيزياء

وضع فريز وهارلان مخططًا لربط المعادلات التفاضلية الجزئية للتدفق السطحي وتحت السطحي في نموذج واحد قائم على الفيزياء وموزع مكانيًا، وهو القالب للنماذج الموزعة اللاحقة.

TOPMODEL والتحكم الطبوغرافي

يستخدم نموذج TOPMODEL لبيفن وكيركبي مؤشرًا طبوغرافيًا للتنبؤ بالمنطقة المساهمة المتغيرة للتشبع، مما يحقق تمثيلاً قائمًا على الفيزياء لتوليد الجريان السطحي بعدد قليل نسبيًا من المعلمات.

نماذج العمليات الموزعة بالكامل

تحل نماذج مثل Systeme Hydrologique Europeen (SHE) معادلات التدفق المقترنة على شبكة للمستجمع المائي بأكمله، مما يمثل نمذجة هيدرولوجية موزعة بالكامل وقائمة على الفيزياء.

Clinical relevance

تُستخدم النماذج الموزعة والقائمة على الفيزياء حيث تكون التفاصيل المكانية مهمة، مثل تقييم تغير استخدام الأراضي، والتنبؤ بمكان حدوث التشبع والتآكل، ومحاكاة المستجمعات المائية غير المقاسة أو سريعة التغير، وربط الهيدرولوجيا بنماذج جودة المياه والسطح الأرضي، على الرغم من أن متطلباتها من البيانات والمعلمات وتكافؤ الحلول (equifinality) تحد من استخدامها.

History

وضع مخطط فريز وهارلان عام 1969 إطارًا للنمذجة الموزعة القائمة على الفيزياء؛ وقدم نموذج TOPMODEL (1979) منهجًا قائمًا على الفيزياء ومقتصدًا مدفوعًا بالتضاريس، بينما سعت النماذج الشاملة القائمة على الشبكة مثل SHE في الثمانينيات إلى تمثيل كامل للعمليات، مما كشف عن المفاضلات بين متطلبات البيانات وقابلية تحديد المعلمات.

Debates

قيمة التعقيد في النماذج الموزعة

هناك جدل مستمر حول ما إذا كانت النماذج الموزعة بالكامل والقائمة على الفيزياء تبرر متطلباتها الكبيرة من البيانات والمعلمات نظرًا لتكافؤ الحلول والأداء الذي غالبًا ما يكون قابلاً للمقارنة للنماذج المفاهيمية الأبسط أو النماذج القائمة على التضاريس.

Key figures

• R. Allan Freeze
• Keith J. Beven
• Mike J. Kirkby

Seminal works

• freeze1969
• bevenkirkby1979
• abbott1986

Frequently asked questions

ما الذي يجعل النموذج قائمًا على الفيزياء؟

يمثل النموذج القائم على الفيزياء العمليات باستخدام المعادلات الفيزيائية الحاكمة (على سبيل المثال للتسرب والتدفق تحت السطحي) بمعلمات لها، من حيث المبدأ، معنى فيزيائي، بدلاً من الاعتماد فقط على مخازن مفاهيمية معايرة للبيانات.

هل النماذج الموزعة دائمًا أفضل من النماذج المجمعة؟

ليس بالضرورة. فهي تلتقط التباين المكاني ويمكنها معالجة الأسئلة التي لا تستطيع النماذج المجمعة معالجتها، ولكنها تتطلب بيانات أكثر بكثير، وأصعب في تحديد المعلمات، وغالبًا لا تتفوق على النماذج الأبسط في التنبؤ بتدفق المجرى عند المخرج.