Erosion 3D Modellezés és szimuláció November 27. SZTE TFGT Kitka Gergely

A modellek csoportosítása 1.) A modell fajtája szerint: Összevont és térbeli eloszlás modellek Tapasztalati modellek: A modell alkotóit és a modellben szereplő változók és azok közötti összefüggéseket tapasztalati úton határozzák meg. pl.: USLE, RUSLE, MUSLE

A modellek csoportosítása Fizikai modellek: A fizikai modellek szintetizálják azokat a független változókat amelyek, térbeli és időbeli változékonyságukkal, egymás közötti kapcsolatrendszerükkel befolyásolják a kimeneti eredményeket. Fontos, hogy az egymástól független összetevőket a köztük levő fizikai kapcsolatok alapján írja le. pl.: EPIC, ANSWERS, EUROSEM, EROSION 2D/3D

A modellek csoportosítása Elméleti modellek: Az elméleti modellek az előző két típus között helyezkedik el. A bemeneti adatokat befolyásoló változókat nem mint fizikai folyamatokat írja le, hanem mint törvényszerűségeket pl.:

A modellek csoportosítása A modellek területi felbontása alapján: -Lejtőprofil pl.: 200 – 300 m (EROSION 2D) -Parcella pl.: 1 – 10 ha (USLE) -Vízgyűjtő: a.) kisvízgyűjtő (10 – 100 km 2 ) pl.:EROSION 3D b.) közepes vízgyűjtő ( km 2 ) pl.: MEDRUSH c.) nagy vízgyűjtő ( km 2 ) pl.:

A modellek csoportosítása A modellek időbeli felbontása: Egyeseményes modellek: A modell egy csapadékeseményre futtatható, a csapadékesemények mérésen alapulnak pl.:EROSION 3D Többeseményes modellek: A modell meterológiai adatok alapján éves átlagot számol az adott területre pl.:USLE, MEDRUSH

Modell ForrásTerületiIdőbeliGISTípus Interfac e USLE Wischmeier,Smith ParcellaTöbbNincsEmpirik us eseményes MUSLE75 Williams,1975ParcellaTöbbNincsEmpirik us eseményes RUSLE Renard et. al. 1991ParcellaTöbbNincsEmpirik us esemény MUSLE87 Bork,Hensel 1988VízgyűjtőTöbbNincsEmpirik us eseményes dUSLE Flacke et. al. 1990VízgyűjtőTöbbNincsEmpirik us eseményes AGNPS Young et. al. 1987VízgyűjtőCsap.Arc/Inf o Empirik us esemény CREAMS Knisel, 1980VízgyűjtőTöbb Elmélet i esemény EPIC Williams, 1997Parcella/Több Empirik us Táblaesemény WEPP Lane,Nearing, 1989 LejtőprofilCsap.Arc/Inf o Fizikai esemény ANSWER Beasly, Huggins, 1982 VízgyűjtőCsap.vanFizikai esemény OPUS Diekkrüger et. al ParcellaCsap.vanFizikai esemény

PEPP Schramm, 1994LejtőprofilCsap Fizikai esemény KINEROS Woolhiser et. al. 1990VízgyűjtőCsap.GRASS Re nds zer Fizikai esemény EUROSEM Morgan et. al. 1998Vízgyűjtő/Csap.Arc/InfoFizikai táblaesemény LISEM De Root et. al. 1994VízgyűjtőCsap.VanFizikai esemény LUMASS AndreaVízgyűjtő Arc GIS 9.1 Empirikus Kieli cikk SWAT InternetVízgyűjtőTöbbArc/Info, Arc Vie w Fizikai esemény GUESS Rose et. al. 1983Parcella/Csap. esemény/év Matemati kai tábla MEDRUSH Kirkby 1992Vízgyűjtő1 óra-100 évGRASS Re nds zer Empirikus EROSION 3D Von Werner, 1995KisvízgyűjtőCsap.Arc/Info, Arc Vie w Fizikai esemény EROSION 2D Schmidt, 1991LejtőprofilCsap.Arc/Info, Arc Vie w Fizikai esemény

EROSION 2D/3D Erosion 2D/3D (SCHMIDT 1991, 1996) Fizikai alapú matematikai modell, Térbeli eloszlást jellemző modell Lejtőprofilra méter hosszúságig (2D) Kis vízgyűjtőre (maximum 14-17km 2 ) alkalmazható Felszíni (lepel) és barázdás erózió modellezésére is alkalmas Egyeseményes modell GIS felhasználói környezet (Arc GIS)

Az E2D/3D felépítése

Bemeneti paraméterek Relief paraméterek: Digitális terepmodellből levezetett adatok: kitettség, lejtőszög, völgyhálózat, lejtőprofil, részvízgyűjtők, vízgyűjtőhatár (minden cellához tartozó „vízgyűjtő”) Meghatározás: DTM készítéséhez az analóg térképek mellé megfelelő mennyiségű terepi mérés. Módszer: GPS, mérőállomás,…

Bemeneti paraméterek Talajparaméterek: 8 db egymással összefüggő paraméter - Kezdeti talajnedvesség : a csapadékesemény előtti közvetlen mérés (v%) - Szemcseösszetétel : a talaj mechanikai összetételét határozza meg (mm) - Talajkohézió : Erosion Resistance (N/m 2 ) - Felszínfedettség : a növényzet felszínborítása (%) - Térfogattömeg : a talaj tömörödöttségét adja meg (kg/m 3 ) - Szervesanyagtartalom : talaj szerves széntartalma (súly%) - Felszíni érdesség : Manning-féle n () - Korrekciós faktor : a beszivárgást módosító tényező Meghatározás: terepi mintavételezés után laboratóriumban kivéve a korrekciós faktort. A felszínfedettséget légifotók alapján is meghatározhatjuk.

Bemeneti paraméterek Csapadék paraméterek: A csapadékesemény hossza (min) Intenzitás 10 perces intervallumokra megadva. Csak a 3mm/h-nál nagyobb intenzitású csapadékesemények szimulálhatóak. Meghatározás: csapadékmérő műszer (BCU LITE2)

Modellezés Paraméterkatalógus - A szász tartományban 10 éves mérési sorozat talajparamétereinek adatait tartalmazza, területhasználat és fizikai talajféleség függvényében. - Ajánlás, az egyes paramétercsoportokhoz milyen korrekciós faktort használjunk. Mért és szimulált eredmények összehasonlítása alapján megadott korrekciós faktor értékek.

Modellezés lépései Mintaterület kiválasztása Terepi mérések, paraméterekre, talajeróziós mérések, területhasználat függvényében Érzékenységi teszt Próbaszimuláció (hogyan viselkedik a modell az itteni mért adatokkal?) Érzékenységi teszt Kalibráció Validáció Modellezés, mint felhasználás

Érzékenységi teszt Mik az érzékeny paraméterek? Monte Carlo szimuláció: Véletlen kiválasztás eredménye alapján változtatok a bemeneti paraméter értékén és vizsgálom, hogy reagál rá a kimeneti eredmény. ????, +10%;-10% módszer: Sorban változtatom +;-10 %-kal a bemeneti paraméterek értékeit (mindig egyet). Melyik az a paraméter, amelyik 10%-nál nagyobb változást okoz az eredményben? Eredmény:Ezekre a paraméterekre kalibrálom a modellt.

Eredmény Paraméterek-10%10%-10%10%-10%10% Felszín fedettség3,30%-0,55%8,30%-4,80%0%-9,50% Térfogattömeg-100%285%-100%868%-100%253% Talajkohézió21%-0,60%13%-8,70%16%-8,50% Szervesanyag0,10%-0,10%0,10%-0,10%0,10%-0,10% Kezdeti talajnedv.-100%285%--100% Felsz. Érdesség6,10%-7,10%8,30%-4,80%0% Korrekciós Faktor Érzékeny paraméterek: -Térfogatömeg -Kezdeti talajnedvesség

Kalibráció Meghatátorozom, hogy viselkedik a modell a megadott érzékeny paraméterekre. Új paraméter értékeket adok meg, amivel a modell a mintaterületen használható. Feltáárom, hogy viselkednek az egymással összefüggő paraméterek.

Validáció A kalibrált modellünket ellenőrizzük: Ismert mérési sorozathoz, eredményekhez hasonlítom a szimulált eredményeket. Megadok egy küszöböt (mekkora a valószínűsíthető eltérés), amin belül a modell biztonsággal használható Felhasználás