Verteilte und physikalisch basierte Modelle

Verteilte und physikalisch basierte Modelle stellen hydrologische Prozesse räumlich über ein Einzugsgebiet dar, indem sie die maßgeblichen Strömungsgleichungen verwenden und auflösen, wie der Abfluss von Ort zu Ort variiert.

Definition

Verteilte und physikalisch basierte Modelle sind hydrologische Modelle, die ein Einzugsgebiet in räumliche Einheiten unterteilen und Prozesse unter Verwendung physikalisch basierter Gleichungen (für Infiltration, Untergrund- und Oberflächenabfluss sowie Gerinneabfluss) mit räumlich variablen Parametern und Eingaben simulieren.

Scope

Dieses Thema behandelt räumlich verteilte hydrologische Modelle und physikalisch basierte Formulierungen, die die Gleichungen für Oberflächen- und Untergrundabfluss auf Rastern oder Elementen lösen, einschließlich des Ansatzes der variablen Beitragsfläche. Es steht im Gegensatz zu konzentrierten konzeptionellen Modellen und verbindet sich mit Kalibrierungs- und Unsicherheitsherausforderungen.

Core questions

• Wie stellen verteilte Modelle die räumliche Variabilität hydrologischer Prozesse dar?
• Welche maßgeblichen Gleichungen liegen physikalisch basierten Modellen zugrunde?
• Wie gleichen Ansätze wie TOPMODEL physikalische Basis und Sparsamkeit aus?
• Was sind die praktischen Grenzen der physikalisch basierten verteilten Modellierung?

Key concepts

• Räumliche Diskretisierung (Gitter, Elemente)
• Maßgebliche Strömungsgleichungen
• Topographischer Index (TOPMODEL)
• Variable Beitragsfläche
• Gekoppelter Oberflächen- und Untergrundabfluss
• Parameter- und Datenanforderungen

Key theories

Der physikalisch basierte Entwurf

Freeze und Harlan legten den Entwurf für die Kopplung der partiellen Differentialgleichungen des Oberflächen- und Untergrundabflusses zu einem einzigen physikalisch basierten, räumlich verteilten Modell fest, der als Vorlage für spätere verteilte Modelle diente.

TOPMODEL und topographische Kontrolle

Beven und Kirkbys TOPMODEL verwendet einen topographischen Index, um die variable Beitragsfläche der Sättigung vorherzusagen, wodurch eine physikalisch basierte Darstellung der Abflussbildung mit relativ wenigen Parametern erreicht wird.

Vollständig verteilte Prozessmodelle

Modelle wie das Systeme Hydrologique Europeen (SHE) lösen die gekoppelten Strömungsgleichungen auf einem Gitter für das gesamte Einzugsgebiet und sind ein Beispiel für die vollständig verteilte, physikalisch basierte hydrologische Modellierung.

Clinical relevance

Verteilte und physikalisch basierte Modelle werden dort eingesetzt, wo räumliche Details wichtig sind, z. B. zur Bewertung von Landnutzungsänderungen, zur Vorhersage von Sättigungs- und Erosionsgebieten, zur Simulation von nicht gemessenen oder sich schnell ändernden Einzugsgebieten und zur Kopplung von Hydrologie mit Wasserqualitäts- und Landoberflächenmodellen, obwohl ihre Daten- und Parameteranforderungen sowie die Äquifinalität ihre Anwendung einschränken.

History

Freeze und Harlans Entwurf von 1969 bildete den Rahmen für die physikalisch basierte verteilte Modellierung; TOPMODEL (1979) bot einen sparsamen, physikalisch basierten Ansatz, der durch die Topographie angetrieben wurde, während umfassende rasterbasierte Modelle wie SHE in den 1980er Jahren eine vollständige Prozessdarstellung anstrebten, was die Kompromisse zwischen Datenbedarf und Parameteridentifizierbarkeit aufzeigte.

Debates

Wert der Komplexität in verteilten Modellen

Es gibt eine anhaltende Debatte darüber, ob vollständig verteilte, physikalisch basierte Modelle ihren großen Daten- und Parameterbedarf angesichts der Äquifinalität und der oft vergleichbaren Leistung einfacherer konzeptioneller oder topographisch basierter Modelle rechtfertigen.

Key figures

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

Seminal works

• freeze1969
• bevenkirkby1979
• abbott1986

Frequently asked questions

Was macht ein Modell physikalisch basiert?

Ein physikalisch basiertes Modell stellt Prozesse unter Verwendung der maßgeblichen physikalischen Gleichungen (zum Beispiel für Infiltration und Untergrundabfluss) mit Parametern dar, die prinzipiell eine physikalische Bedeutung haben, anstatt sich ausschließlich auf konzeptionelle, an Daten kalibrierte Speicher zu verlassen.

Sind verteilte Modelle immer besser als konzentrierte?

Nicht unbedingt. Sie erfassen die räumliche Variabilität und können Fragen beantworten, die konzentrierte Modelle nicht können, aber sie erfordern viel mehr Daten, sind schwieriger zu parametrisieren und übertreffen oft einfachere Modelle bei der Vorhersage des Abflusses am Auslass nicht.