Ολιστικές έναντι μονομερών στρατηγικών για την υδρολογική μοντελοποίηση τροποποιημένων υδροσυστημάτων

I. Nalbantis, A. Efstratiadis, E. Rozos, M. Kopsiafti, and D. Koutsoyiannis, Holistic versus monomeric strategies for hydrological modelling of human-modified hydrosystems, Hydrology and Earth System Sciences, 15, 743–758, doi:10.5194/hess-15-743-2011, 2011.

[Ολιστικές έναντι μονομερών στρατηγικών για την υδρολογική μοντελοποίηση τροποποιημένων υδροσυστημάτων]

[doc_id=1055]

[Αγγλικά]

Η μοντελοποίηση τροποποιημένων λεκανών, οι οποίες δεν μετρώνται επαρκώς, αποτελεί πρόκληση για την υδρολογική επιστήμη. Συχνά, τα μοντέλα για τέτοια συστήματα είναι λεπτομερή και βασίζονται στην υδραυλική ενός μόνο τμήματος του συστήματος, ενώ για τα άλλα τμήματα χρησιμοποιούνται υπεραπλουστευμένα μοντέλα ή αδρομερείς παραδοχές. Τυπικά πρόκειται για μια προσέγγιση του τύπου «από κάτω προς τα πάνω», στην οποία ζητούμενο είναι η εκμετάλλευση της γνώσης των υδρολογικών διεργασιών στη μικροκλίμακα, για ορισμένες μόνο συνιστώσες του συστήματος. Επιπλέον, πρόκειται για μια μονομερή προσέγγιση κατά δύο τρόπους: Πρώτον, ουσιώδεις αλληλεπιδράσεις μεταξύ συνιστωσών του συστήματος ενδέχεται είτε να αναπαρίστανται φτωχά ή ακόμη και να αγνοούνται. Δεύτερον, οι διαφορές στο επίπεδο λεπτομέρειας της αναπαράστασης των διεργασιών μπορεί να οδηγήσει σε μη ελεγχόμενα σφάλματα. Επιπρόσθετα, η διαδικασία βαθμονόμησης θεωρεί μονομερώς την αναπαραγωγή των παρατηρημένων αποκρίσεων, χρησιμοποιώντας τυπικά κριτήρια προσαρμογής. Το άρθρο αποσκοπεί στο να αναδείξει ορισμένα κρίσιμα ζητήματα που αφορούν στη συνολική προσέγγιση μοντελοποίησης τέτοιων υδροσυστημάτων. Για το σκοπό αυτό εξετάζονται δύο εναλλακτικές στρατηγικές μοντελοποίησης, οι οποίες αντανακλούν δύο προσεγγίσεις ή φιλοσοφίες μοντελοποίησης: μια κυρίαρχη προσέγγιση «από κάτω προς τα πάνω», η οποία είναι επίσης μονομερής και πολύ συχνά βασίζεται μόνο στην πληροφορία εξόδου (της λεκάνης), και μια «από πάνω προς τα κάτω» ολιστική προσέγγιση, η οποία βασίζεται σε γενικευμένη πληροφορία. Εξετάζονται κρίσιμες επιλογές, με τις οποίες κωδικοποιούνται οι διαφορές μεταξύ των δύο στρατηγικών: η αναπαράσταση των επιφανειακών, υπόγειων και διαχειριστικών διεργασιών του νερού, οι έννοιες της σχηματοποίησης και παραμετροποίησης, και η μεθοδολογία εκτίμησης των παραμέτρων. Η πρώτη στρατηγική βασίζεται σε αυτόνομα μοντέλα για τις επιφανειακές και υπόγειες διεργασίες και τη διαχείριση του νερού, τα οποία λειτουργούν σειριακά. Για κάθε μοντέλο χρησιμοποιείται διαφορετική παραμετροποίηση (λεπτομερής ή αδρομερής), η οποία υπαγορεύεται από τη σχηματοποίηση του υδροσυστήματος. Η δεύτερη στρατηγική αφορά σε ολοκλήρωση όλων των διεργασιών σε ένα μοντέλο, φειδωλή παραμετροποίηση και υβριδική χειροκίνητη-αυτόματη βελτιστοποίηση των παραμέτρων, με βάση πολλαπλούς στόχους. Η εφαρμογή ελέγχου εξετάζεται σε ένα υδροσύστημα της Ελλάδας με υψηλή πολυπλοκότητα, όπως εκτεταμένες αλληλεπιδράσεις επιφανειακών και υπόγειων νερών, κακώς ορισμένα όρια, απώλειες νερού προς τη θάλασσα, και ανθρωπογενείς επεμβάσεις με μη μετρούμενες απολήψεις από επιφανειακά και υπόγεια νερά. Κριτήρια σύγκρισης είναι η φυσική ερμηνεία των παραμέτρων, η αναπαραγωγή των υδρογραφημάτων σε πολλαπλές θέσεις της λεκάνης, η ευλογοφάνεια των μη ελεγχόμενων εξόδων του μοντέλου, ο απαιτούμενος υπολογιστικός φόρτος και η επίδοση σε συνθήκες στοχαστικής προσομοίωσης. Η εργασία μας επιτρέπει τη διερεύνηση της επιδείνωσης της επίδοσης του μοντέλου σε περιπτώσεις κατά τις οποίες δεν δίνεται ισορροπημένη προσοχή σε όλες τις συνιστώσες των τροποποιημένων υδροσυστημάτων και στη σχετική πληροφορία. Ακόμη, εντοπίζονται πηγές σφαλμάτων και αξιολογούνται οι συνδυαστικές επιπτώσεις τους.

PDF Πλήρες κείμενο (1733 KB)

PDF Συμπληρωματικό υλικό:

Βλέπε επίσης: http://dx.doi.org/10.5194/hess-15-743-2011

Εργασίες μας στις οποίες αναφέρεται αυτή η εργασία:

1. Ι. Ναλμπάντης, και Ε. Ρόζος, Σύστημα προσομοίωσης του υδρολογικού κύκλου στη λεκάνη Β. Κηφισού, Εκσυγχρονισμός της εποπτείας και διαχείρισης του συστήματος των υδατικών πόρων ύδρευσης της Αθήνας, Τεύχος 10, 72 pages, Τομέας Υδατικών Πόρων, Υδραυλικών και Θαλάσσιων Έργων – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Αθήνα, Δεκέμβριος 2000.
2. A. Efstratiadis, and D. Koutsoyiannis, An evolutionary annealing-simplex algorithm for global optimisation of water resource systems, Proceedings of the Fifth International Conference on Hydroinformatics, Cardiff, UK, 1423–1428, doi:10.13140/RG.2.1.1038.6162, International Water Association, 2002.
3. I. Nalbantis, E. Rozos, G. M. T. Tentes, A. Efstratiadis, and D. Koutsoyiannis, Integrating groundwater models within a decision support system, Proceedings of the 5th International Conference of European Water Resources Association: "Water Resources Management in the Era of Transition", edited by G. Tsakiris, Athens, 279–286, European Water Resources Association, 2002.
4. D. Koutsoyiannis, G. Karavokiros, A. Efstratiadis, N. Mamassis, A. Koukouvinos, and A. Christofides, A decision support system for the management of the water resource system of Athens, Physics and Chemistry of the Earth, 28 (14-15), 599–609, doi:10.1016/S1474-7065(03)00106-2, 2003.
5. A. Efstratiadis, D. Koutsoyiannis, and D. Xenos, Minimising water cost in the water resource management of Athens, Urban Water Journal, 1 (1), 3–15, doi:10.1080/15730620410001732099, 2004.
6. E. Rozos, A. Efstratiadis, I. Nalbantis, and D. Koutsoyiannis, Calibration of a semi-distributed model for conjunctive simulation of surface and groundwater flows, Hydrological Sciences Journal, 49 (5), 819–842, doi:10.1623/hysj.49.5.819.55130, 2004.
7. D. Koutsoyiannis, Stochastic simulation of hydrosystems, Water Encyclopedia, Vol. 4, Surface and Agricultural Water, edited by J. H. Lehr and J. Keeley, 421–430, doi:10.1002/047147844X.sw913, Wiley, New York, 2005.
8. E. Rozos, and D. Koutsoyiannis, A multicell karstic aquifer model with alternative flow equations, Journal of Hydrology, 325 (1-4), 340–355, 2006.
9. D. Koutsoyiannis, A. Efstratiadis, and K. Georgakakos, Uncertainty assessment of future hydroclimatic predictions: A comparison of probabilistic and scenario-based approaches, Journal of Hydrometeorology, 8 (3), 261–281, doi:10.1175/JHM576.1, 2007.
10. A. Efstratiadis, I. Nalbantis, A. Koukouvinos, E. Rozos, and D. Koutsoyiannis, HYDROGEIOS: A semi-distributed GIS-based hydrological model for modified river basins, Hydrology and Earth System Sciences, 12, 989–1006, doi:10.5194/hess-12-989-2008, 2008.
11. D. Koutsoyiannis, C. Makropoulos, A. Langousis, S. Baki, A. Efstratiadis, A. Christofides, G. Karavokiros, and N. Mamassis, Climate, hydrology, energy, water: recognizing uncertainty and seeking sustainability, Hydrology and Earth System Sciences, 13, 247–257, doi:10.5194/hess-13-247-2009, 2009.
12. Μ. Κοψιαύτη, Διερεύνηση στρατηγικών παραμετροποίησης υδρογεωλογικού υπομοντέλου του λογισμικού Υδρόγειος - Εφαρμογή στη λεκάνη του Βοιωτικού Κηφισού, Μεταπτυχιακή εργασία, 133 pages, Τομέας Υδατικών Πόρων και Περιβάλλοντος – Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο, Μάρτιος 2009.
13. A. Efstratiadis, and N. Mamassis, Evaluating models or evaluating modelling practices? - Interactive comment on HESS Opinions “Crash tests for a standardized evaluation of hydrological models”, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, 6, C1404–C1409, 2009.
14. A. Efstratiadis, and D. Koutsoyiannis, One decade of multiobjective calibration approaches in hydrological modelling: a review, Hydrological Sciences Journal, 55 (1), 58–78, doi:10.1080/02626660903526292, 2010.
15. A. Efstratiadis, I. Nalbantis, E. Rozos, and D. Koutsoyiannis, Accounting for water management issues within hydrological simulation: Alternative modelling options and a network optimization approach, European Geosciences Union General Assembly 2010, Geophysical Research Abstracts, Vol. 12, Vienna, 10085, doi:10.13140/RG.2.2.22189.69603, European Geosciences Union, 2010.
16. E. Rozos, and D. Koutsoyiannis, Error analysis of a multi-cell groundwater model, Journal of Hydrology, 392 (1-2), 22–30, 2010.
17. D. Koutsoyiannis, Hurst-Kolmogorov dynamics and uncertainty, Journal of the American Water Resources Association, 47 (3), 481–495, doi:10.1111/j.1752-1688.2011.00543.x, 2011.

Εργασίες μας που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία:

1. A. Efstratiadis, A. D. Koussis, S. Lykoudis, A. Koukouvinos, A. Christofides, G. Karavokiros, N. Kappos, N. Mamassis, and D. Koutsoyiannis, Hydrometeorological network for flood monitoring and modeling, Proceedings of First International Conference on Remote Sensing and Geoinformation of Environment, Paphos, Cyprus, 8795, 10-1–10-10, doi:10.1117/12.2028621, Society of Photo-Optical Instrumentation Engineers (SPIE), 2013.
2. A. Montanari, G. Young, H. H. G. Savenije, D. Hughes, T. Wagener, L. L. Ren, D. Koutsoyiannis, C. Cudennec, E. Toth, S. Grimaldi, G. Blöschl, M. Sivapalan, K. Beven, H. Gupta, M. Hipsey, B. Schaefli, B. Arheimer, E. Boegh, S. J. Schymanski, G. Di Baldassarre, B. Yu, P. Hubert, Y. Huang, A. Schumann, D. Post, V. Srinivasan, C. Harman, S. Thompson, M. Rogger, A. Viglione, H. McMillan, G. Characklis, Z. Pang, and V. Belyaev, “Panta Rhei – Everything Flows”, Change in Hydrology and Society – The IAHS Scientific Decade 2013-2022, Hydrological Sciences Journal, 58 (6), 1256–1275, doi:10.1080/02626667.2013.809088, 2013.
3. D. Koutsoyiannis, Reconciling hydrology with engineering, Hydrology Research, 45 (1), 2–22, doi:10.2166/nh.2013.092, 2014.
4. S. Ceola, A. Montanari, and D. Koutsoyiannis, Toward a theoretical framework for integrated modeling of hydrological change, WIREs Water, 1 (5), 427–438, doi:10.1002/wat2.1038, 2014.
5. A. Efstratiadis, Y. Dialynas, S. Kozanis, and D. Koutsoyiannis, A multivariate stochastic model for the generation of synthetic time series at multiple time scales reproducing long-term persistence, Environmental Modelling and Software, 62, 139–152, doi:10.1016/j.envsoft.2014.08.017, 2014.
6. A. Efstratiadis, I. Nalbantis, and D. Koutsoyiannis, Hydrological modelling of temporally-varying catchments: Facets of change and the value of information, Hydrological Sciences Journal, 60 (7-8), 1438–1461, doi:10.1080/02626667.2014.982123, 2015.
7. I. Tsoukalas, P. Kossieris, A. Efstratiadis, and C. Makropoulos, Surrogate-enhanced evolutionary annealing simplex algorithm for effective and efficient optimization of water resources problems on a budget, Environmental Modelling and Software, 77, 122–142, doi:10.1016/j.envsoft.2015.12.008, 2016.
8. T. Vergou, A. Efstratiadis, and D. Dermatas, Water balance model for evaluation of landfill malfunction due to leakage, Proceedings of ISWA 2016 World Congress, Novi Sad, Ιnternational Solid Waste Association, 2016.
9. E. Savvidou, A. Efstratiadis, A. D. Koussis, A. Koukouvinos, and D. Skarlatos, A curve number approach to formulate hydrological response units within distributed hydrological modelling, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, doi:10.5194/hess-2016-627, 2016.
10. P. Kossieris, C. Makropoulos, C. Onof, and D. Koutsoyiannis, A rainfall disaggregation scheme for sub-hourly time scales: Coupling a Bartlett-Lewis based model with adjusting procedures, Journal of Hydrology, 556, 980–992, doi:10.1016/j.jhydrol.2016.07.015, 2018.
11. E. Savvidou, A. Efstratiadis, A. D. Koussis, A. Koukouvinos, and D. Skarlatos, The curve number concept as a driver for delineating hydrological response units, Water, 10 (2), 194, doi:10.3390/w10020194, 2018.

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία: Δείτε τις στο Google Scholar ή στο ResearchGate

Άλλες εργασίες που αναφέρονται σ' αυτή την εργασία (αυτός ο κατάλογος μπορεί να μην είναι ενημερωμένος):

1. Gharari, S., M. Hrachowitz, F. Fenicia, and H. H. G. Savenije, Hydrological landscape classification: investigating the performance of HAND based landscape classifications in a central European meso-scale catchment, Hydrology and Earth System Sciences, 15, 3275-3291, doi:10.5194/hess-15-3275-2011, doi:10.5194/hess-15-3275-2011, 2011.
2. #Gharari, S., M. Hrachowitz, F. Fenicia, and H. H. G Savenije, Moving beyond traditional model calibration or how to better identify realistic model parameters: sub-period calibration, Hydrology and Earth System Science Discussions,, 9, 1885-1918, doi:10.5194/hessd-9-1885-2012, 2012.
3. Flipo, N., C. Monteil, M. Poulin, C. de Fouquet, and M. Krimissa, Hybrid fitting of a hydrosystem model: Long term insight into the Beauce aquifer functioning (France), Water Recourses Research, 48, W05509, doi:10.1029/2011WR011092, 2012.
4. Wang, X., T. Liu and W. Yang, Development of a robust runoff-prediction model by fusing the rational equation and a modified SCS-CN method, Hydrological Sciences Journal, 57(6), 1118-1140, doi:10.1080/02626667.2012.701305, 2012.
5. Maneta, M. P., and W. W. Wallender, Pilot-point based multi-objective calibration in a surface–subsurface distributed hydrological model, Hydrological Sciences Journal, 58(2), 390-407, doi:10.1080/02626667.2012.754987, 2013.
6. Hrachowitz, M., H.H.G. Savenije, G. Blöschl, J.J. McDonnell, M. Sivapalan, J.W. Pomeroy, B. Arheimer, T. Blume, M.P. Clark, U. Ehret, F. Fenicia, J.E. Freer, A. Gelfan, H.V. Gupta, D.A. Hughes, R.W. Hut, A. Montanari, S. Pande, D. Tetzlaff, P.A. Troch, S. Uhlenbrook, T. Wagener, H.C. Winsemius, R.A. Woods, E. Zehe, and C. Cudennec, A decade of Predictions in Ungauged Basins (PUB) — a review, Hydrological Sciences Journal, 58(6), 1198-1255, 2013.
7. #Loukas, A., and L. Vasiliades, Review of applied methods for flood-frequency analysis in a changing environment in Greece, In: A review of applied methods in Europe for flood-frequency analysis in a changing environment, Floodfreq COST action ES0901: European procedures for flood frequency estimation (ed. by H. Madsen et al.), Centre for Ecology & Hydrology, Wallingford, UK, 2013.
8. Flipo, N., A. Mouhri, B. Labarthe, S. Biancamaria, A. Rivière and P. Weill, Continental hydrosystem modelling: the concept of nested stream–aquifer interfaces, Hydrology and Earth System Sciences, 18, 3121-3149, doi:10.5194/hess-18-3121-2014, 2014.
9. Ivkovic, K. M., B. F. W. Croke and R. A.Kelly, Overcoming the challenges of using a rainfall-runoff model to estimate the impacts of groundwater extraction on low flows in an ephemeral stream, Hydrology Research, 45(1), 58-72, doi:10.2166/nh.2013.204, 2014.
10. Mateo, C. M., N. Hanasaki, D. Komori, K. Tanaka, M. Kiguchi, A. Champathong, T. Sukhapunnaphan, D.Yamazaki, and T. Oki, Assessing the impacts of reservoir operation to floodplain inundation by combining hydrological, reservoir management, and hydrodynamic models, Water Resources Research, 50(9), 7245–7266, doi:10.1002/2013WR014845, 2014.
11. Gharari, S., M. Hrachowitz, F. Fenicia, H. Gao, and H. H. G. Savenije, Using expert knowledge to increase realism in environmental system models can dramatically reduce the need for calibration, Hydrology and Earth System Sciences, 18, 4839-4859, doi:10.5194/hess-18-4839-2014, 2015.
12. Thirel, G., V. Andréassian, C. Perrin, J.-N. Audouy, L. Berthet, P. Edwards, N. Folton, C. Furusho, A. Kuentz, J. Lerat, G. Lindström, E. Martin, T. Mathevet, R. Merz, J. Parajka, D. Ruelland, and J. Vaze, Hydrology under change: an evaluation protocol to investigate how hydrological models deal with changing catchments, Hydrological Sciences Journal, 60(7-8), 1184-1199, doi:10.1080/02626667.2014.9672482014, 2015.
13. Pryet, A., B. Labarthe, F. Saleh, M. Akopian and N. Flipo, Reporting of stream-aquifer flow distribution at the regional scale with a distributed process-based model, Water Resources Management, 10.1007/s11269-014-0832-7, 29(1), 139-159, 2015.
14. Donnelly, C., J. C. M. Andersson, and B. Arheimer, Using flow signatures and catchment similarities to evaluate the E-HYPE multi-basin model across Europe, Hydrological Sciences Journal, 61(2), 255-273, doi:10.1080/02626667.2015.1027710, 2016.
15. Bellin, A., B. Majone, O. Cainelli, D. Alberici, and F. Villa, A continuous coupled hydrological and water resources management model, Environmental Modelling and Software, 75, 176–192, doi:10.1016/j.envsoft.2015.10.013, 2016.
16. Ajmal, M., J.-H. Ahn, and , T.-W. Kim, Excess stormwater quantification in ungauged watersheds using an event-based modified NRCS model, Water Resources Management, 30(4), 1433-1448, doi:10.1007/s11269-016-1231-z, 2016.
17. Ma, L., C. He, H. Bian, and L. Sheng, MIKE SHE modeling of ecohydrological processes: Merits, applications, and challenges, Ecological Engineering, 96, 137–149, doi:10.1016/j.ecoleng.2016.01.008, 2016.
18. Tigkas, D., V. Christelis, and G. Tsakiris, Comparative study of evolutionary algorithms for the automatic calibration of the Medbasin-D conceptual hydrological model, Environmental Processes, 3(3), 629–644, doi:10.1007/s40710-016-0147-1, 2016.
19. Ercan, A., E. C. Dogrul, and T. N. Kadir, Investigation of the groundwater modelling component of the Integrated Water Flow Model (IWFM), Hydrological Sciences Journal, 61(16), 2834-2848, doi:10.1080/02626667.2016.1161765, 2016.
20. Antonetti, M., and M. Zappa, How can expert knowledge increase the realism of conceptual hydrological models? A case study in the Swiss Pre-Alps, Hydrology and Earth System Sciences Discussions, doi:10.5194/hess-2017-322, 2017.
21. Balbarini, N., W. M. Boon, E. Nicolajsen, J. M. Nordbotten, P. L. Bjerg, and P. J. Binning, A 3-D numerical model of the influence of meanders on groundwater discharge to a gaining stream in an unconfined sandy aquifer, Journal of Hydrology, 552, 168-181, doi:10.1016/j.jhydrol.2017.06.042, 2017.
22. Gunda, T., B. L. Turner, and V. C. Tidwell, The influential role of sociocultural feedbacks on community-managed irrigation system behaviors during times of water stress, Water Resources Research, 54(4), 2697-2714, doi:10.1002/2017WR021223, 2018.
23. van Tol, J.J., and S.A. Lorentz, Hydropedological interpretation of regional soil information to conceptualize groundwater-surface water interactions, Vadose Zone Journal, 17:170097, doi:10.2136/vzj2017.05.0097, 2018
24. Christelis, V., and A. G. Hughes, Metamodel-assisted analysis of an integrated model composition: an example using linked surface water – groundwater models, Environmental Modelling and Software, doi:10.1016/j.envsoft.2018.05.004, 2018.

Κατηγορίες: Υπόγεια νερά, Υδρολογικά μοντέλα, Υδροσυστήματα