YÜZEYSEL SU KALİTESİ MODELLEME TEKNİKLERİ ve SWAT

Transkript

YÜZEYSEL SU KALİTESİ
MODELLEME TEKNİKLERİ
ve SWAT MODELİ
Doç. Dr. Ali Ertürk
10/10/2013
Model Nedir?
• Alıcı ortamın maruz kaldığı etkilere karşı;
fiziksel, kimyasal ve biyolojik yapısı itibari
ile vereceği tepkilerin tespit edilmesini
sağlayan, günümüzde özellikle bilgisayar
kullanımı ile geliştirilen araçlardır.
• Gerçek ekosistemlerin basitleştirilmesi ve
idealleştirilmesi ile problemlerin
çözülmesine yararlar.
Modellerin Faydaları
• Modeller kullanılarak izleme verileri ile zamanda
ve konumda interpolasyon yapabilirler.
• İzleme ağının çözünürlüğü ne kadar yüksek
olursa olsun, bir sisteminin her anının ve
noktasının izleme kapsamına alınması mümkün
değildir.
• Doğrulanmış modeller ise ölçüm olmayan
zaman ve konumlardaki su kalitesinin tahmin
edilmesinde kullanılabilinmektedirler.
• Modeller yardımıyla alıcı ortamlar üzerinde
değişik hipotezler sanal olarak
denenebilmektedir. Gerçekleşmemiş olayların
sonuçlarının da öngörülmeleri mümkündür.
(Senaryo analizleri).
Örnek Senaryolar
• Yönetilen su ekosisteminin önemli çevresel
sorunları yok ama özümleme kapasitesi
belirlenmeye çalışılıyor. Bu ekosistem
“özümleme kapasitesi aşılana kadar kirletilip
çevresel sorunların gözlediği kirletici yükünün
özümleme kapasitesi olarak tanımlanması” bir
belirleme yöntemi olamayacağına göre model
tabanlı bir simülasyon yapılması gerekmektedir.
• İklim değişikliği, üzerinde çalıştığımız su
ekosistemindeki su kalitesini nasıl etkileyecek?
• Su kaynağımızın havzasında tarım %50 artarsa
ne olur?.
• Su kaynağımıza aniden bir kirletici dökülüyor. Bu
kirleticinin su alma ağzında zararlı
konsantrasyonlara ulaşması ne kadar sürer?
Modellerin Faydaları
• Çevre sorunlarının çözülmesi için en uygun
seçeneğin belirlenmesi çalışmalarında
zaman ve para tasarrufu sağlarlar.
• Değişik senaryolar ve çevre risklerinin daha
iyi analiz edilmesini sağlarlar.
• Doğal proseslerin ve sistemin nasıl
işlediğinin daha iyi anlaşılmasını sağlarlar.
• Modeller gelecekteki durum ile ilgili yorum
yapılabilmesini sağlarlar.
Modellerin Kullanım Amaçları
• Çevre problemlerinin ve risklerinin belirlenmesine ve
kirliliğin önlenmesinde yardımcı araç olarak
• Gelecek senaryolarının kurulup, sürdürülebilir
kalkınma da göz önünde bulundurularak, çeşitli
yönetim planlarının yapılmasında
• Bu planlar doğrultusunda alınacak önlemlerin çevresel
etkilerinin ve maliyetlerinin önceden tahmin
edilmesinde
• İzleme ağlarının tasarımında
• Kirlenmeye karşı önlemlerin ve islah çalışmalarının
muhtemel sonuçlarının belirlenmesinde
• Risk altındaki alıcı ortamların belirlenmesinde
• Eksik verilerin tamamlanmasında
• Su kalitesini etkileyen önemli proseslerin
belirlenmesinde
• Mevcut su kalitesinin detaylı olarak analizinde
Su Kalitesi/Havza Yönetiminde Modellerin Yeri
1
Suyun faydalı
kullanım
amaçlarının
belirlenmesi
4
3
Matematiksel
modeller ile
etki-tepki
ilişkilerinin
bulunması
Su kalitesi
standartları
2
Belirlenen faydalı
kullanım amaçları için
su kalitesi ölçütleri
5
Su kalitesi
standartlarını
sağlayabilmek için
yapılması
gerekenler,
duyarlılık analizleri
6
Emniyet
faktörlerinin
belirlenmesi
8
Su kalitesi
standartlarının suyun
faydalı kullanım
amaçları ile
uyumluluğu ve elde
edilecek faydalar
9
Su kalitesi
yönetim planının
oluşturulması
7
Fayda – maliyet
analizleri
Modelleme (Model Geliştirme)
Sürecinin Adımları
Problemin tanımı
Arazi ve
laboratuar
verileri
Teorik çatı
Sayısal tanımlama
Doğrulama
Kalibrasyon
Geçerlilik
Kontrolü
Modelin
Uygulanması
Doğrulama
Geliştirilen modelin hesap sisteminin ya da
modelleme yazılımlarının doğru
çalıştıklarından emin olunmalıdır. Aşağıdaki
testler mutlaka yapılmalıdır.
• Model, sistemin kütle dengesini koruyabiliyor mu?
• Su kalitesi değişkenleri arasındaki ilişkiler beklendiği gibi
mi?
• Kullanılan sayısal çözüm yöntemleri, model ortamında
canlandırılan ekosistemin yapısını temsil etmeye uygun
mu?
Kalibrasyon
Model katsayılarının değiştirilmesi suretiyle
arazi verilerinin model çıktıları ile uyumlarının
sağlanması olarak tanımlanmaktadır.
Kalibrasyon - Devam
DOĞRULUKLARI
SINANMIŞ MODEL
GİRDİLERİ
ARAZİDE
YAPILAN
ÖLÇÜMLER
Ekosisteme
özel kinetik ve
stokiyometrik
katsayılar
ARA
SONUÇLAR
Süreçler ile ilgili
taşınım ve
dönüşüm
denklemlerinin
genel çözümleri
Ara
sonuçlar,
arazi
ölçümleri ile
uyumlu mu?
Süreçler ile ilgili
kinetik ve
stokiyometrik
katsayılar
Hayır
MODEL
Evet
Kalibrasyon - Devam
• Karmaşık modellerin kalibrasyonları da
uzun sürebilmektedir.
• Model katsayıları ekosistem için kalibre
edilene kadar modelin binlerce kez
çalıştırılması gerekebilmektedir.
• Bu zor, sıkıcı ve pek de üretken olmayan
bir süreçtir.
• Bu nedenle otomatik kalibrasyon
algoritmaları geliştirilmiştir.
Geçerlilik Kontrolü
Kalibre edilmiş modelin mümkün olduğu
kadar farklı koşullar için yeniden çalıştırılıp
üretilen sonuçların farklı koşulları temsil
eden arazi verileriyle karşılaştırılması
olarak tanımlanmaktadır.
Model
Geliştirme
Süreci
Modelin Uygulanması/Kullanılması
Matematiksel Model Sınıfları
Ampirik Modeller
Örneğin fosfor ve chl-A arasındaki ilişkiyi
deneysel verilerin analiziyle elde eden
modellerdir.
Kuramsal Modeller
Bu tip modeller etkin mekanizmaları
matematiksel denklemlerle ifade edip
olayları
açıklayacak
şekilde
tasarlanmaktadır.
Kuramsal Modellerin Prensipleri
Kütle Korunumu Kanunu
Doğada enerji ve madde vardan yok olamaz. Yoktan var
olamaz. Ancak dönüşümlere uğrayabilir. Teori ağırlıklı
modellerdeki hesaplar bu kanuna dayanmaktadır.
Korunan Özelliklere Örnekler:
• Kütle (su kütlesi, bileşen kütlesi)
(Su kütlesi = yoğunluk x hacim)
(Bileşen kütlesi = konsantrasyon x hacim)
• Momentum
(Momentum = kütle x hız)
• Isı
Karmaşık Olmayan Bir Model
1) Havalanma
2) Sedimentin oksijen ihtiyacı
3) Organik maddenin oksitlenmesi
4) Organik maddenin çökelmesi
Karmaşık Bir Model
CE-QUAL-R1
Fitoplankton Karbonlu
 (C 4 a nc )
v S4
 G P1 a nc C 4  D P1 a nc C 4 
a C
t
D nc 4
Organik Azot
v (1  f D7 )

 C7
C4
 20) 

 C 7  S3
D P1 a nc f on C 4  k 71θ (T
C7
71
t
D
 K mPc C 4 
Amonyum Azotu



C6
 C1
C4
(T  20) 
 C 7 G P1 a nc PNH3 C 4  k 12 θ12

 C1
D P1 a nc (1f on )C 4 k 71θ 71(T 20) 
t
 K mPc C 4 
 K NIT C 6 
Nitrat Azotu

C6
K NO3 
C 2
(T  20) 
 20) 

 C1  G P1 a nc (1  PNH3 ) C 4  k 2D θ (T

 C 2
 k 12 θ12
2D
dt
 K NIT  C 6 
 K NO3  C 6 
Çözünmüş Oksijen


 C6
C6
C6
64
 20) 
(T  20) 

 C 5 

 C1
 k 2 (CS  C 6 )  k d θ (T
k 12 θ12
d
t
K

C
14
K

C
 BOD 6 
 NIT 6 

SOD (T 20)
32
 32 48

(T  20)
θS
 G P1  
a nc 1PNH3 C 4 
k 1R θ1R
C4
D
12
 12 14

Organik Fosfor
WASP Modeli
EUTRO Modülü
v S 3 (1  f D8 )


 (C 8 )
C4
( T  20)

 C8 
 D P1 a PC f OP C 4  k 83  83
C8
t
D
 K mPC  C 4 
İnorganik Fosfor
 (C3 )
(T 20)
(T  20)
 k PZD θ PZD
a PC (1  f OP ) C 4  k OPD θ OPD
f D8 C8
t
Su Kalitesinin Tahmin Edilmesi
Yağış
Hidrolojik
hesaplar
Sosyoekonomik yapı ve
endüstriyel faaliyetler
Yüzeysel
akış
(debi)
Arazi
kullanımı ve
özellikleri
Kirletici
yükü
Yeraltına
sızan debi
Yüzey
altındaki
taşınım ve
dönüşüm
süreçleri
HAVZA
MODELİ
Havzada
yüzeyde
taşınım ve
dönüşüm
süreçleri
Su kalitesi değişkenlerinin zamana
ve konuma göre alacakları tahmin
edilen sayısal değerler
Veriler
Modeller
Sonuçlar
Yardımcı araçlar
Noktasal
kaynaklardan
gelen yükler
Su
ortamına
ulaşan
kirletici
yükleri
•Birim
dönüşümü
•Zaman serisi
analizi
•Biçimlendirme
SU EKOLOJİSİ MODELİ
Su kaynağındaki
taşınım ve
dönüşüm süreçleri
Su kalitesi hesapları için
gerekli diğer veriler
Farklı
senaryolar
için su
kaynağına
ulaşan
kirletici
yükler
Havza/Hidrolojik Modeller
• SWAT
• HSPF
• Ve daha onlarcası
Hidrodinamik Modeller
•
•
•
•
•
•
SHYFEM*
TELEMAC
MOHID*
EFDC*
SSIIM*
CE-QUAL-W2*
* Su kalitesi/ekolojisi bileşenleri de var.
Su Kalitesi/Ekolojisi Modelleri
•
•
•
•
•
•
•
•
AQUATOX
WASP
ECOPATH ve ECOSIM
CE-QUAL-R1
WQRRS
ESTAS
SİSMOD
EGÖLEM
Modelleme İçin Gerekli Bileşenler
• Donanım
• Yazılım
• Modelleme konusunda yetişmiş uzman
personel
• Ve en önemlisi veri
GEREKLİ VERİLER
MODELLEMENİN UYMAMA
SEÇENEĞİ OLMAYAN ÜÇ
KURALI
• Modeller; su, enerji ve kütlenin korunumu
üzerine kuruludur.
• Modellenen ortam bilgisayar ortamında gerçeğe
mümkün olan en yakın şekilde temsil edilmelidir.
Bu koşul ancak kurumlarımızın ellerindeki
verileri paylaşmaları ile gerçekleştirilebilir.
• Toplam üç kural vardır.
Havza Modellerinin Çalıştırılması
İçin Gerekli Veriler
• Topgrafya (SYM)
• Akarsular ve göletlerle ilgili geometrik veriler
(Batimetri, enkesit, vb)
• Su mühendisliği yapılarının özellikleri (Göletler,
küçük barajlar, köprüler, bağlamalar, su alma
yapıları, sulama yapıları, vb.)
• Su kullanımı ile ilgili ayrıntılı* veriler (aylık)
• Su ortamlarına deşarjlar ile ilgili ayrıntılı** veriler
(aylık)
* Ne zaman, hangi kaynaktan ne kadar su alınıyor.
** Ne zaman, nereye, hangi debi ve kalitede (modellenmesi istenen
parametreler açısından) deşarj var.
İçin Gerekli Veriler - Devam
• Arazi kullanımı ve özellikleri
- tarım, orman alanları ve yerleşim
alanları
- sayısallaştırılmış köy sınırlar (mümkün
değilse ilçe sınırları)
- mümkün olduğu kadar çok yıl için köy
ölçeğinde gübre kullanımı ve hayvanclılık
verileri (mümkün değilse ilçe)
- ürün deseni ve zirai operasyonlar
- jeoloji ve hidrojeoloji
• Havzayı temsil eden metroloji istasyonlarında mümkün
olduğunca uzun süreli meteorolojik zaman serileri
- yağış (saatlik)
- sıcaklık (saatlik ve günlük maksimum
ve minimumlarla birlikte)
- nem (saatlik)
- hava basıncı (saatlik)
- rüzgar hızı ve yönü (saatlik)
- buharlaşma (saatlik, mümkün değilse günlük)
- bulutluluk (saatlik)
- güneş ışıması (saatlik)
Havza Modellerinin Doğrulanması
İçin Gerekli Veriler
• Akarsulardaki debiler (günlük, mümkünse
sürekli)
• Akarsular ve göletlerle modellenen
parametreler için su kalitesi değerler
(Aylık)
• Ürün desenine göre ürün verimleri
Hidrodinamik Modellerin
Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler
• Ayrıntılı* batimetri
• Kıyı bölgesinin büyük ölçekli/ayrıntılı
topografyası
• Modellenen ortama olan tüm girişlerin en
azından günlük zaman çözünürlüğünde
debileri.
• Özellikle baraj göllerinde modellenen ortamın
su kaynağı işletmesi ile ilgili günlük veriler
*
Eş derinlikler 1 m aralıklarla verilmeli, baraj göllerinde en azından
ana akarsu girişlerinin yakın civarında batimetrik ölçümler
yenilenmeli.
Hidrodinamik Modellerin Çalıştırılması
İçin Gerekli Veriler-Devam
• Eğer mümkünse uzun yıllar günlük verilerle
doğrulanmış bir havza modelleme
çalışmasından elde edilen anlık debiler.
Hidrodinamik Modellerin Çalıştırılması
• Su ortamını temsil eden metroloji istasyonlarında
mümkün olduğunca uzun süreli meteorolojik
zaman serileri
- yağış (saatlik)
- sıcaklık (saatlik ve günlük maksimum
ve minimumlarla birlikte)
- nem (saatlik)
- hava basıncı (saatlik)
- rüzgar hızı ve yönü (saatlik)
- buharlaşma (saatlik)
- bulutluluk (saatlik)
Hidrodinamik Modellerinin
Doğrulanması İçin Gerekli Veriler
• Su seviyeleri (limnigraf - günlük,
mümkünse sürekli)
• Su sıcaklığı (günlük)
• Akıntı hızı ve yönleri (mümkün olduğu
kadar çok noktada ve yüksek zamansal
çözünürlükte)
Su Kalitesi/Ekolojisi Modellerinin
Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler
• Su ortamını temsil eden metroloji istasyonlarında
mümkün olduğunca uzun süreli meteorolojik
zaman serileri
- hava sıcaklığı (günlük)
- nem (günlük)
- su sıcaklığı (günlük, mümkünse iyi
doğrulanmış bir hidrodinamik modelden
alınan sürekli simülasyon sonuçları)
- rüzgar hızı (saatlik, mümkün değilse günlük
ortalama)
- buharlaşma (günlük)
- bulutluluk (günlük)
Çalıştırılması İçin Gerekli Veriler - Devam
• Ayrıntılı* batimetri
• Kıyı bölgesinin büyük ölçekli/ayrıntılı
topografyası
• Modellenen ortama olan tüm girişlerin en
azından günlük zaman çözünürlüğünde debileri.
doğrulanmış bir havza modelinden elde edilen
anlık debiler.
* Eş derinlikler 1 m aralıklarla verilmeli, baraj göllerinde en
azından ana akarsu girişlerinin yakın civarında batimetrik
ölçümler yenilenmeli.
doğrulanmış bir havza modelleme çalışmasından
elde edilen anlık debiler ve modellenen su kalitesi
değişkenlerinin anlık değerleri.
• Eğer böyle bir çalışma yoksa modellenen su
ortamına giren başlıca akarsularda ölçülmüş günlük
debiler ve su kalitesi değişkenlerinin aylık ölçümleri.
• Modellenen su ortamına giren başlıca deşarjların
(en azından diğerlerini temsil edici olanlarını) aylık
debileri ve ilgili su kalitesi değişkenlerinin aylık
ölçümleri.
doğrulanmış bir hidrodinamik modelleme
çalışmasından elde edilen anlık debiler
• Su kaynağının kullanımı ile ilgili bilgiler (işletme
koşulları, su ürünleri avcılığı ve yetiştiriciliği
operasyonları, vb.)
• Ortamın ekolojik yapısı (taban yapısı, çökellerin
durumu, jeoloji, tabanda yaşayan canlılar
sazlıklar, vb.)
• Yetiştirilen su ürünleri ile ilgili ayrıntılı veriler
(örneğin yaş ve boy dağılımları, biyokütle, vb.)
Doğrulanması İçin Gerekli Veriler
• Modellenen su kalitesi değişkenlerinin
(parametrelerinin) en az bir yıl boyunca birden
çok istasyonda, her istasyonda temsil edici
birden çok derinlik için en az aylık ölçümü.
• Bu ölçümlerin mümkünse bir hidrolojik yıla denk
gelecek şekilde planlanmalı.
• Modellenen değişkenlerle ilgili yerinde süreç
hızları (örneğin fotosentez, solunum, fiksasyon
vb) ölçümü.
Model Denklemlerinin Sayısal
Çözümü
Sayısal Çözüm
• Model uzayı sonlu sayıda homojen
bölgeye ayrılır (konumsal ayrıklaştırma).
• Zaman sonlu sayıda aralığa bölünür.
(zamansal ayrıklaştırma).
• Her zaman aralığı için her homojen
bölgede kütle dengesi kurularak, taşınım
denklemi sonlu sayıda cebirsel denkleme
dönüştürülür.
Zamansal Ayrıklaştırma
• Açık yöntemler
Gelecek zaman aralığındaki çözüm, şimdiki
zaman aralığındaki değerler ile hesaplanır.
• Kapalı yöntemler
Gelecek zaman aralığındaki çözüm, gelecek
zaman aralığındaki değerler ile hesaplanır.
• Yarı kapalı yöntemler
Gelecek zaman aralığındaki çözüm, şimdiki ve
gelecek zaman aralıklarındaki değerler ile
hesaplanır.
d
C  k  C
dt
Açık çözüm
C t  t  C t
 k  C t
t
C t  t  C t  k  C t  t
C t  t  C t  k  C t  t 
Birinci mertebe
bozunma denklemi
d
C  k  C
dt
Kapalı Çözüm
C t  t  C t
 k  C t  t
t
C t  t  C t  k  C t  t  t
C t  t  k  C t  t  t  C t
C t  t  1  k  t   C t
C t  t
Ct

1  k  t
Birinci mertebe
bozunma denklemi
d
C  k  C
dt
Birinci mertebe
bozunma denklemi
Yarı Kapalı Çözüm
C t  t  C t
 C t  t  C t 
 k  

t
2


 C t  t  C t 
C t  t  C t  k  
  t
2


C t  t
C t  t
C t  t
Ct
 Ct  k 
 t  k 
 t
2
2
C
C
 k  t  t  t  C t  k  t  t
2
2
C t  t
C t  t
 k  t 
 k  t 
 1 
  C t  1 

2 
2 


k  t
1
2
 Ct 
k  t
1
2
Açık Çözümlü Tek Kutu Modeli
V
d
C  Q  C0  Q  C  k  V  C
dt


d
Q
C   C0  C  k  C
dt
V
Açık çözüm






C t  t  C t Q
  C0  C t  k  C t
t
V
Q

C t  t  C t    C0  C t  k  C t   t
V

Q

C t  t  C t    C0  C t  k  C t   t
V

Daha yakından bir bakış
Sınır
konsantrasyonu
Ct  t


Q

0
 Ct    C  Ct  k  Ct   t
V

Gelecek
zaman
adımındaki
konsantrasyon
Şimdiki zaman
adımındaki
konsantrasyon
Türev (Kütle
dengesi
denkleminin
sağ tarafı)
Zaman
aralığının
uzunluğu
(Zaman
adımı)
Türeve daha yakından bir bakış
Taşınım türev
fonksiyonu

Kinetik türev
fonksiyonu

Q
0
 C  Ct  k  Ct
V
Kinetik katsayı
Türev (Kütle dengesi
denkleminin sağ tarafı)
Birden çok değişkenin modellendiği duruma göre
genelleştirme

 f

C

,C   f

k ,k ,,k

, C , C ,, C  t
C1t  t  C1t  fTaşı nım C0,1, C1t  fKinetik k1, k 2 ,, k m , C1t, C2t ,, Cnt  t
C2t  t  C2t
Taş ı nım
0,2
2
t
Kinetik
1
2
m
1
t
2
t
n
t




Cnt  t  Cnt  fTaş ı nım C0,n , Cnt  fKinetik k1, k 2 ,, k m , C1t, C2t ,, Cnt  t


Taşınım türev
fonksiyonu
Durum
Durum
değişkeninin
değişkeninin
gelecek zaman şimdiki zaman
adımındaki
adımındaki
konsantrasyon konsantrasyon



Kinetik türev
fonksiyonu
Türev (Kütle
dengesi
denkleminin
sağ tarafı)
Zaman
aralığının
uzunluğu
(Zaman
adımı)
Kinetik türev fonksiyonuna daha yakından bir bakış
 C 
1
2
ns
 fKinetik k1, k 2 ,, k m , Ct , Ct ,, Ct


 t Kinetik

Kinetik
katsayılar

Durum
değişkenleri






k1 f1 T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns
t , diğ er ç evre koş ulları 1
k 2 f2 T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns
t , diğ er ç evre koş ulları 2



k m fm T, S, pH,C1t, C2t ,, Cns
t , diğ er ç evre koş ulları m
Kinetik türev fonksiyonu, durum değişkenlerini
birbirlerine bağımlı hale getirir.
Kinetik türev fonksiyonuna daha yakından bir bakış
 NO3  N 
R



t

Kinetik
Nİ T RAT LAŞ MA
İlgilenilen
durum
değişkeni
RNİT RAT İNDİRGENMES İ 
RNO3 ALIMI,PHY_D 
RNO3 ALIMI,PHY_C 
Kinetik
katsayı
RNO3_ALIMI, PHY_G
Diğer durum
değişkenleri
ne bağımlılık
RNİ TRATLAŞMA  kNITR  NH4  N
kNITR  kNITR,20  NITR 
T - 20
Kinetik
katsayı




O
2

corrNITR,pH  
 O2   KHNITR,O 
2 

Kinetik türev fonksiyonu (ları) karmaşık ve
doğrusal olmayan denklemlerden oluşabilirler.
Konumsal Ayrıklaştırma
• Sonlu Farklar
• Sonlu Elemanlar
• Kutular (sonlu farkların özel durumu)
Örnek bir
su kalitesi
modeli
Denitrifikasyon
Salınım
Çökelme
Oksitlenme
Çökelme
SOİ
if
itr
ika
on
y
s
N
Bünyeye
alma
Bünyeye
alma
Solunum
ve ölüm
Bünyeye
alma
Salınım
Solunum
ve ölüm
Çökelme
Meraklısına
…
function [OUTMASSES, CONCENTRATIONS] = ...
WQ_ROUTE_1(IN_MASSES, OUTFLOWS, INITIAL_CONCENTRATIONS, ...
VOLUMES, NUM_TIME_STEPS, D_T, DYNAMIC_FORCINGS, ...
ELEVATION)
NUM_S_VARS
CONCENTRATIONS
OUTMASSES
= numel(INITIAL_CONCENTRATIONS);
= ones(NUM_TIME_STEPS, NUM_S_VARS) * (-9999);
= ones(NUM_TIME_STEPS, NUM_S_VARS) * (-9999);
CONCENTRATIONS(1,:) = INITIAL_CONCENTRATIONS;
OUTMASSES
(1,:) = INITIAL_CONCENTRATIONS .* OUTFLOWS(1);
MASSES
= INITIAL_CONCENTRATIONS .* VOLUMES (1);
CONSTANTS = 0;
OPTIONS
= 1;
for i = 2:NUM_TIME_STEPS
FORCINGS(1:9) = DYNAMIC_FORCINGS(i - 1,:);
FORCINGS(10) = ELEVATION;
[KINETIC_DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ...
WQ_KINETICS_1(CONCENTRATIONS(i - 1, :), CONSTANTS, ...
FORCINGS, OPTIONS);
%[KINETIC_DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ...
%
WQ_KINETICS_1_mex(CONCENTRATIONS(i - 1, :), CONSTANTS, ...
%
FORCINGS, OPTIONS);
KINETIC_DERIVS = VOLUMES(i - 1) .* KINETIC_DERIVS;
MASSES = MASSES + ...
((IN_MASSES(i-1,:) - OUTMASSES(i-1,:) + ...
KINETIC_DERIVS)) * D_T;
CONCENTRATIONS(i,:) = MASSES ./ VOLUMES(i);
for j = 1:NUM_S_VARS
if (isnan(CONCENTRATIONS(i,j)))
fprintf('\n\n\n');
fprintf('---------------------------\n');
fprintf('!!! ERROR IN WQ_ROUTE_1 !!!\n');
fprintf('---------------------------\n');
fprintf('\n');
fprintf('State variable no : %d\n' , j);
fprintf('VOLUMES(i-1)
: %f\n' , VOLUMES(i-1));
fprintf('VOLUMES(i)
: %f\n' , VOLUMES(i));
fprintf('IN_MASSES(i-1)
: %f\n' , IN_MASSES(i-1,:));
fprintf('OUTMASSES(i-1)
: %f\n' , OUTMASSES(i-1,:));
fprintf('KINETIC_DERIVS
: %f\n' , KINETIC_DERIVS);
fprintf('MASSES (j)
: %f\n' , MASSES (j));
fprintf('KINETIC_DERIVS(j) : %f\n\n', KINETIC_DERIVS(j));
error('Concentration is not a number');
end
if (CONCENTRATIONS(i,j) < 1.0E-10)
CONCENTRATIONS(i,j) = 1.0E-10;
end
end
MASSES
OUTMASSES
end
end
= CONCENTRATIONS(i,:) .* VOLUMES(i);
(i,:) = CONCENTRATIONS(i,:) .* OUTFLOWS(i);
function [DERIVS, SETTLING_DERIVS] = ...
WQ_KINETICS_1(S_VARS, CONSTANTS, FORCINGS, OPTIONS)
NUM_SVAR = numel(S_VARS);
DERIVS
= ones(1,NUM_SVAR) * (-9999);
SETTLING_DERIVS = ones(1,NUM_SVAR) * (-9999);
PHYC
ORGN
NH4N
NO2N
NO3N
ORGP
PO4P
CBOD
DOXY
TEMP
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
K_H_ORGN_MINER = 0.2;
K_H_ORGN_SETTL = 0.2;
K_H_ORGP_MINER = 0.05;
K_H_ORGP_SETTL = 0.05;
K_H_CBOD_MINER = 1.0;
K_H_DOXY_MINER = 1.0;
K_H_CBOD_SETTL = 1.0;
S_VARS(1);
S_VARS(2);
S_VARS(3);
S_VARS(4);
S_VARS(5);
S_VARS(6);
S_VARS(7);
S_VARS(8);
S_VARS(9);
S_VARS(10);
K_DENIT = 0.8;
THETA_K_DENIT = 1.02;
K_HS_DOXY_DENIT = 1.0;
% Air temperature (degrees Celcisus)
AIR_TEMP
= FORCINGS(1);
C_TO_CHLA
N_TO_C
P_TO_C
O2_TO_C
K_G_20
THETA_K_G
K_R_20
THETA_K_R
V_S_A_20
THETA_V_S_A_20
K_H_N_A
K_H_P_A
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
=
30;
0.25;
0.05;
2.66;
2.0;
1.066;
0.05;
1.045;
0.3;
1.03;
0.2;
0.05;
K_MIN_N
THETA_K_MIN_N
V_S_N_20
THETA_V_S_N_20
=
=
=
=
0.3;
1.04;
0.5;
1.04;
K_NITR_1_20
THETA_NITR_1
K_H_NH4N_NITR_1
K_H_DOXY_NITR_1
K_H_PREF_NH4N_GROWTH_NH4N
=
=
=
=
=
0.5;
1.045;
0.6;
1.5;
0.1;
% Current velocity (m/s)
CURRENT_VEL = FORCINGS(7);
K_NITR_2_20
THETA_NITR_2
K_H_NO2N_NITR_2
K_H_DOXY_NITR_2
=
=
=
=
5.0;
1.045;
0.1;
1.5;
% Background light extinction of water (m^-1)
K_E_W
= FORCINGS(9);
K_MIN_P
THETA_K_MIN_P
V_S_P_20
THETA_V_S_P_20
=
=
=
=
0.3;
1.04;
0.5;
1.04;
K_MIN_C
THETA_K_MIN_C
V_S_C_20
THETA_V_S_C_20
=
=
=
=
0.3;
1.04;
0.5;
1.04;
K_A_20
THETA_K_A_20
= 0.5;
= 1.045;
%I_S
K_HS_LIGHT
W_TYPE
= 100000;
= 3000;
= 1;
% Relative hummidity
R_H
= FORCINGS(2);
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE
% --------------------------------------------------------------------C_P
= 1000000;
RHO
= 1;
SIGMA
= 11.7E-8; %Stefan-Bolzman constant cal / (cm^2 * d * K^4)
A
= 0.6;
R_L
= 0.03;
EMISS_WATER = 0.97;
C_1
= 0.47;
%Bowen ratio, mmHg C-1
% Calculate the saturation vapour pressure
E_SAT = 4.596 * exp((17.27 * AIR_TEMP) / (237.3 + AIR_TEMP));
E_AIR = R_H * E_SAT;
% T_D
= 237.3 / (17.27/log(E_AIR / 4.596));
E_S
= 4.596 * exp((17.27 * TEMP) / (237.3 + TEMP));
HEAT_CAP = RHO * C_P * H;
F_UW
= 19.0 + (0.95 * WIND_SPEED * WIND_SPEED);
NET_SOLAR_RAD = J_SN / HEAT_CAP;
% Shortwave solar radiaton (MJ.m^2.day^-1)
J_SN
= FORCINGS(3) * 238845.8966275;
ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD = (SIGMA / HEAT_CAP) * ...
((AIR_TEMP+ 273).^4) * (A + 0.031 *(E_AIR.^0.5)) * (1 - R_L);
% Wind speed (m/s)
WIND_SPEED = FORCINGS(4);
WATER_LONG_WAVE_RAD = EMISS_WATER * ...
(SIGMA / HEAT_CAP) * ((AIR_TEMP + 273).^4);
FRAC_L
= FORCINGS(5);
% Depth(m)
H
= FORCINGS(6);
CONDUCTION = C_1 * F_UW * (TEMP - AIR_TEMP);
EVAPORATION = F_UW * (E_S - E_AIR);
% --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE
% ---------------------------------------------------------------------
if (H < 0.1)
H = 0.1;
end
% Salinity (ppt)
SALT
= FORCINGS(8);
% Elevation
ELEV
= FORCINGS(10);
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON
% --------------------------------------------------------------------if (OPTIONS == 1)
% Calculate the TEMPerature limitation
LIM_TEMP_A = (THETA_K_G .^(TEMP - 20));
% Calculate
INORG_SOLID
DETRITUS
CHLA
the light limitation
= 0;
= 0;
= (PHYC / C_TO_CHLA) * 1000;
K_E_P = K_E_W + (0.052 * INORG_SOLID) + (0.174 * DETRITUS);
K_E
= K_E_P + (0.0088 * CHLA)
+ (0.054 *(CHLA .^ (2/3)));
%238845.8966275 (MJ ---> Calories)
I_A
= 0.45 * FORCINGS(9) * 238845.8966275;
%ALPHA_0 = (I_A / I_S);
%ALPHA_1 = (I_A / I_S) * exp(-K_E * H);
if (OPTIONS == 1)
TEMP = 5.0 + (0.75 * AIR_TEMP);
else
TEMP = 10;
end
%LIM_LIGHT_A = ((2.718 * FRAC_L) ./ (K_E * H)) * ...
%
(exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0));
%if (LIM_LIGHT_A < 0.5)
%
LIM_LIGHT_A = 0.5;
%end
AVG_LIGHT = (I_A / (H * K_E)) * (1 - exp(-K_E * H));
LIM_LIGHT_A = AVG_LIGHT / (AVG_LIGHT + K_HS_LIGHT);2
RESPIRATION = K_R_20 * (THETA_K_R .^(TEMP - 20)) * PHYC;
SETTLING_A = (V_S_A_20 / H) * (THETA_V_S_A_20 .^(TEMP - 20)) * PHYC;
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE
% --------------------------------------------------------------------C_P
= 1000000;
RHO
= 1;
SIGMA
= 11.7E-8; %Stefan-Bolzman constant cal / (cm^2 * d * K^4)
A
= 0.6;
R_L
= 0.03;
EMISS_WATER = 0.97;
C_1
= 0.47;
%Bowen ratio, mmHg C-1
% Calculate the saturation vapour pressure
E_SAT = 4.596 * exp((17.27 * AIR_TEMP) / (237.3 + AIR_TEMP));
E_AIR = R_H * E_SAT;
% T_D
= 237.3 / (17.27/log(E_AIR / 4.596));
E_S
= 4.596 * exp((17.27 * TEMP) / (237.3 + TEMP));
% --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON
% ---------------------------------------------------------------------
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR NITROGEN CYCLE
% --------------------------------------------------------------------% Organic Nitrogen
RESPIRATION_N = N_TO_C * RESPIRATION;
LIM_ORGN_MINER = ORGN / (ORGN + K_H_ORGN_MINER);
LIM_ORGN_SETTL = ORGN / (ORGN + K_H_ORGN_SETTL);
MINERALIZATION_N = K_MIN_N * (THETA_K_MIN_N .^(TEMP - 20))
LIM_ORGN_MINER * ORGN;
HEAT_CAP = RHO * C_P * H;
F_UW
= 19.0 + (0.95 * WIND_SPEED * WIND_SPEED);
SETTLING_N
NET_SOLAR_RAD = J_SN / HEAT_CAP;
ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD = (SIGMA / HEAT_CAP) * ...
((AIR_TEMP+ 273).^4) * (A + 0.031 *(E_AIR.^0.5)) * (1 - R_L);
% NH4N
LIM_TEMP_NITR_1 = THETA_NITR_1 .^(TEMP - 20);
LIM_NH4N_NITR_1 = NH4N / (K_H_NH4N_NITR_1 + NH4N);
LIM_DOXY_NITR_1 = DOXY / (K_H_DOXY_NITR_1 + DOXY);
WATER_LONG_WAVE_RAD = EMISS_WATER * ...
(SIGMA / HEAT_CAP) * ((AIR_TEMP + 273).^4);
NITRIFICATION_1 = K_NITR_1_20 * LIM_TEMP_NITR_1 * ....
LIM_NH4N_NITR_1 * LIM_DOXY_NITR_1;
CONDUCTION = C_1 * F_UW * (TEMP - AIR_TEMP);
EVAPORATION = F_UW * (E_S - E_AIR);
% --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATION FOR TEMPERATURE
% ---------------------------------------------------------------------
SEDIMENT_RELEASE_N = 0;
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHYTOPLAKTON
% --------------------------------------------------------------------if (OPTIONS == 1)
% Calculate the TEMPerature limitation
LIM_TEMP_A = (THETA_K_G .^(TEMP - 20));
% Calculate
INORG_SOLID
DETRITUS
CHLA
the light limitation
= 0;
= 0;
= (PHYC / C_TO_CHLA) * 1000;
K_E_P = K_E_W + (0.052 * INORG_SOLID) + (0.174 * DETRITUS);
K_E
= K_E_P + (0.0088 * CHLA)
+ (0.054 *(CHLA .^ (2/3)));
AVG_LIGHT
= (I_A / (H * K_E)) * (1 - exp(-K_E * H));
LIM_LIGHT_A = AVG_LIGHT / (AVG_LIGHT + K_HS_LIGHT);
LIM_LIGHT_A = real(LIM_LIGHT_A);
% Calculate the nutrient limitation
DIN = NH4N + NO3N;
LIM_NUT_A = min((DIN / (K_H_N_A + DIN)), (PO4P / (K_H_P_A + PO4P)));
GROWTH = K_G_20 * LIM_TEMP_A * min(LIM_LIGHT_A, LIM_NUT_A) * PHYC;
* ...
= (V_S_N_20 / H) * (THETA_V_S_N_20 .^(TEMP - 20)) * ...
LIM_ORGN_SETTL * ORGN;
PREF_NH4N_GROWTH = NH4N / (NH4N + K_H_PREF_NH4N_GROWTH_NH4N);
GROWTH_NN4N = N_TO_C * GROWTH * PREF_NH4N_GROWTH;
% NO2N
LIM_TEMP_NITR_2 = THETA_NITR_2 .^(TEMP - 20);
LIM_NO2N_NITR_2 = NO2N / (K_H_NO2N_NITR_2 + NH4N);
LIM_DOXY_NITR_2 = DOXY / (K_H_DOXY_NITR_2 + DOXY);
NITRIFICATION_2 = K_NITR_2_20 * LIM_TEMP_NITR_2 * ....
LIM_NO2N_NITR_2 * LIM_DOXY_NITR_2;
% NO3N
LIM_TEMP_DENIT = THETA_K_DENIT .^(TEMP - 20);
LIM_O2_DENIT
= K_HS_DOXY_DENIT / (DOXY + K_HS_DOXY_DENIT);
GROWTH_NO3N
= N_TO_C * GROWTH * (1 - PREF_NH4N_GROWTH);
DENITRIFICATION = K_DENIT * LIM_O2_DENIT * LIM_TEMP_DENIT;
% --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR NITROGEN CYCLE
% --------------------------------------------------------------------% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHOSPHORUS CYCLE
% --------------------------------------------------------------------% Organic Phoshorus
LIM_ORGP_MINER = ORGP / (ORGP + K_H_ORGP_MINER);
LIM_ORGP_SETTL = ORGP / (ORGP + K_H_ORGP_SETTL);
RESPIRATION_P
= P_TO_C
* RESPIRATION;
else
GROWTH
= 0;
V_S_A_20 = 1.0;
K_R_20
= K_R_20 * 2;
end
MINERALIZATION_P = K_MIN_P * (THETA_K_MIN_P .^(TEMP - 20))
LIM_ORGP_MINER * ORGP;
SETTLING_P
* ...
= (V_S_P_20 / H) * (THETA_V_S_P_20 .^(TEMP - 20)) * ...
LIM_ORGP_SETTL * ORGP;
% Phosphate Phosphorus
SEDIMENT_RELEASE_P = 0;
GROWTH_P = P_TO_C * GROWTH;
% --------------------------------------------------------------------% END OF PROCESS RATE CALCULATIONS FOR PHOSPHORUS CYCLE
% ---------------------------------------------------------------------
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR ORGANIC MATTER AND DISSOLVED OXYGEN
% --------------------------------------------------------------------% Carbonaceous BOD
LIM_CBOD_MINER = CBOD / (CBOD + K_H_CBOD_MINER);
LIM_CBOD_SETTL = CBOD / (CBOD + K_H_CBOD_SETTL);
LIM_O2_MINER
= DOXY / (DOXY + K_H_DOXY_MINER);
% Phosphate Phosphorus
DERIVS(7) = MINERALIZATION_P + SEDIMENT_RELEASE_P - GROWTH_P;
SETTLING_DERIVS(7) = 0;
MINERALIZATION_O2 = K_MIN_C * (THETA_K_MIN_C .^(TEMP - 20))
LIM_CBOD_MINER * LIM_O2_MINER * CBOD;
% Dissolved Oxygen
DERIVS(9) = REAERATION - MINERALIZATION_O2 - SOD + GROWTH_O2 - ...
RESPIRATION_O2 - NITRIFICATION_1_O2 - NITRIFICATION_2_O2;
* ...
SETTLING_O2 = (V_S_C_20 / H) * (THETA_V_S_C_20 .^(TEMP - 20)) * ...
LIM_CBOD_SETTL * CBOD;
% Dissolved Oxygen
if (OPTIONS == 1)
C_SAT_O2 = DO_SATURATION(TEMP, SALT, ELEV);
if (K_A_20 > 0)
K_A = K_A_20 * (THETA_K_A_20 .^(TEMP - 20));
else
KA_WIND = KAWIND (WIND_SPEED, TEMP, AIR_TEMP, H, WTYPE);
KA_HYDRA = KAHYDRA(H, CURRENT_VEL, (TEMP - 20));
% Carbonaceous BOD
DERIVS(8) = RESPIRATION_O2 - MINERALIZATION_O2 - SETTLING_O2;
SETTLING_DERIVS(8) = SETTLING_O2;
% Temperature
if (OPTIONS == 1)
DERIVS(10) = NET_SOLAR_RAD + ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD - ...
WATER_LONG_WAVE_RAD - CONDUCTION - EVAPORATION;
else
DERIVS(10) = 0;
end
if (KA_WIND > KA_HYDRA)
K_A = KA_WIND;
else
K_A = KA_HYDRA;
end
end
REAERATION = K_A * (C_SAT_O2 - DOXY);
else
REAERATION = 0;
end
SOD
GROWTH_O2
RESPIRATION_O2
NITRIFICATION_1_O2
NITRIFICATION_2_O2
=
=
=
=
=
0;
O2_TO_C * GROWTH;
O2_TO_C * RESPIRATION;
3.43 * NITRIFICATION_1;
1.14 * NITRIFICATION_2;
% --------------------------------------------------------------------% PROCESS RATE CALCULATIONS FOR ORGANIC MATTER AND DISSOLVED OXYGEN
% --------------------------------------------------------------------% Phytoplankton
DERIVS(1) = GROWTH - RESPIRATION - SETTLING_A;
SETTLING_DERIVS(1) = SETTLING_A;
% Organic Nitrogen
DERIVS(2) = RESPIRATION_N - MINERALIZATION_N - SETTLING_N;
SETTLING_DERIVS(2) = SETTLING_N;
% Ammonia Nitrogen
DERIVS(3) = MINERALIZATION_N - NITRIFICATION_1 + ...
SEDIMENT_RELEASE_N - GROWTH_NN4N;
% Nitrite Nitrogen
DERIVS(4) = NITRIFICATION_1 - NITRIFICATION_2;
% Nitrate Nitrogen
DERIVS(5) = NITRIFICATION_2 - GROWTH_NO3N - DENITRIFICATION;
% Organic Phosphorus
DERIVS(6) = RESPIRATION_P - MINERALIZATION_P - SETTLING_P;
SETTLING_DERIVS(6) = SETTLING_P;
if (sum(isnan(DERIVS)) > 0)
fprintf('\n\n\n');
fprintf('------------------------------\n');
fprintf('!!! ERROR IN WQ_KINETICS_1 !!!\n');
fprintf('------------------------------\n');
fprintf('\n');
fprintf('Derivative for PHYC : %f\n', DERIVS(1));
fprintf(' PHYC : %f\n', PHYC);
fprintf('Derivative for ORGN : %f\n', DERIVS(2));
fprintf(' ORGN : %f\n', ORGN);
fprintf('Derivative for NH4N : %f\n', DERIVS(3));
fprintf(' NH4N : %f\n', NH4N);
fprintf('Derivative for NO2N : %f\n', DERIVS(4));
fprintf(' NO2N : %f\n', NO2N);
fprintf('Derivative for NO3N : %f\n', DERIVS(5));
fprintf(' NO3N : %f\n', NO3N);
fprintf('Derivative for ORGP : %f\n', DERIVS(6));
fprintf(' ORGP : %f\n', ORGP);
fprintf('Derivative for PO4P : %f\n', DERIVS(7));
fprintf(' PO4P : %f\n', PO4P);
fprintf('Derivative for CBOD : %f\n', DERIVS(8));
fprintf(' CBOD : %f\n', CBOD);
fprintf('Derivative for DOXY : %f\n', DERIVS(9));
fprintf(' DOXY : %f\n', DOXY);
fprintf('Derivative for TEMP : %f\n', DERIVS(10));
fprintf(' TEMP : %f\n', TEMP);
fprintf('\n');
fprintf('GROWTH
fprintf(' K_G_20
: %f\n', GROWTH);
: %f\n' , K_G_20);
if (OPTIONS == 1)
fprintf(' LIM_TEMP_A : %f\n' , LIM_TEMP_A);
fprintf('
THETA_K_G
: %f\n', FRAC_L);
fprintf('
TEMP
: %f\n', TEMP);
fprintf('
AIR_TEMP
: %f\n', AIR_TEMP);
fprintf('\n');
fprintf(' LIM_NUT_A
: %f\n' , LIM_NUT_A);
fprintf('\n')
fprintf(' LIM_LIGHT_A : %f\n' , LIM_LIGHT_A);
fprintf('
FRAC_L
: %f\n', FRAC_L);
fprintf('
K_E
: %f\n', K_E);
fprintf('
H
: %f\n', H);
fprintf('
ALPHA_1
: %f\n', ALPHA_1);
fprintf('
ALPHA_0
: %f\n', ALPHA_0);
fprintf('
exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0) : %f\n', ...
exp(-ALPHA_1)-exp(-ALPHA_0));
fprintf('
I_A
: %f\n', I_A);
end
fprintf('\n');
fprintf('RESPIRATION
fprintf('SETTLING_A
: %f\n', RESPIRATION);
: %f\n', SETTLING_A);
fprintf('MINERALIZATION_N
fprintf('RESPIRATION_N
fprintf('SETTLING_N
:
:
:
:
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
MINERALIZATION_N);
RESPIRATION_N);
MINERALIZATION_N);
SETTLING_N);
fprintf('NITRIFICATION_1
fprintf('SEDIMENT_RELEASE_N
fprintf('GROWTH_NN4N;
:
:
:
:
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
MINERALIZATION_N);
NITRIFICATION_1);
SEDIMENT_RELEASE_N);
GROWTH_NN4N);
: %f\n', NITRIFICATION_1);
fprintf('GROWTH_NO3N
fprintf('DENITRIFICATION
: %f\n', GROWTH_NO3N);
: %f\n', DENITRIFICATION);
fprintf('RESPIRATION_P
fprintf('MINERALIZATION_P
fprintf('SETTLING_P
: %f\n', RESPIRATION_P);
: %f\n', MINERALIZATION_P);
: %f\n', SETTLING_P);
fprintf('MINERALIZATION_P
fprintf('SEDIMENT_RELEASE_P
fprintf('GROWTH_P
: %f\n', MINERALIZATION_P);
: %f\n', SEDIMENT_RELEASE_P);
: %f\n', GROWTH_P);
fprintf('RESPIRATION
fprintf('MINERALIZATION_O2
fprintf('SETTLING_O2;
: %f\n', RESPIRATION);
: %f\n', MINERALIZATION_O2);
: %f\n', SETTLING_O2);
fprintf('REAERATION
fprintf('MINERALIZATION_O2
fprintf('SOD
fprintf('GROWTH_O2
fprintf('RESPIRATION_O2
fprintf('NITRIFICATION_1_O2
fprintf('NITRIFICATION_2_O2
:
:
:
:
:
:
:
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
REAERATION);
MINERALIZATION_O2);
SOD);
GROWTH_O2);
RESPIRATION_O2);
NITRIFICATION_1_O2);
NITRIFICATION_2_O2);
fprintf('NET_SOLAR_RAD
fprintf('ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD
fprintf('WATER_LONG_WAVE_RAD
fprintf('CONDUCTION
fprintf('EVAPORATION
:
:
:
:
:
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
%f\n',
NET_SOLAR_RAD);
ATMOSPHERIC_LONG_WAVE_RAD);
WATER_LONG_WAVE_RAD);
CONDUCTION);
EVAPORATION);
fprintf('\n');
fprintf('OPITONS
: %d\n', OPTIONS);
error('One or more of the kinetic derivatives is not a number\n');
end
end
SWAT Modeli
SWAT Nedir?
• SWAT: Soil and Water Assessment Tool
• Hidrolojik model
• Akarsu ve gölleri basit olarak ele alabilen
bir su kalitesi modeli
• Geliştiricileri ziraat mühendisleri
• Geliştirilme süreci 30 yıl
Gelişim Süreci
Pestisit
bileşeni
10.10.2013
08:46
Akarsu su
kalitesi kinetiği
Yağış ve
hidroloji
bileşeni
Tarımsal ürün
yetişmesi
modeli
Ürün
rotasyonu
SWAT Modelinin Birimleri
• Drenaj alanı (Subwatershed)
Akarsu ağının bilinen bir parçasına kendi boyunca
drene olan alan. Aşağı yukarı mikro-havzalara karşı
gelmektedir.
• Akarsu parçası (reach)
Kaynaktan kavşağa ya da iki kavşak arasında
tanımlanan nispeten düz şekilli akarsu kısmı (tek
başına ya da birden çoğu bir su kütlesine karşı
gelmektedir) Her akarsu parçası, kendi drenaj alanı ile
ilişkilendirilmiştir. Bir ya da birden çok akarsu parçası,
bir su kütlesini oluşturmaktadır.
• Hidrolojik işlem birimi (Hydrological response unit). Bir
drenaj alanı içinde, doğal ve fiziksel özellikleri açısından
homojen olduğu varsayılan alan
Modelin Birimleri
Drenaj
alanı 1
Drenaj
alanı 2
Drenaj
alanı 4
Akarsu
parçası 2
Akarsu
parçası 4
Akarsu
parçası 5
Akarsu
parçası 3
Su kütlesi 1
Su kütlesi 2
Su kütlesi 3
Modelin Birimleri
Drenaj
alanı 1
Mera
Hidrolojik
işlem birimi 1
Hidrolojik
işlem birimi 4
Kırsal
yerleşim
Hidrolojik
işlem birimi 2
Sulamalı
tarım
Akarsu
parçası
Hidrolojik
işlem birimi 3
Orman
İşlem Sırası
• Her hidrolojik işlem biriminde, hidrolojik ve karasal
besin elementi-kirletici hareketleri ile ilgili hesaplar
yapılır…
• Hidrolojik işlem birimlerinden elde edilen sonuçlar
kullanılarak alt havzalar üzerinden su ve besin
elementi-kirletici bütçeleri belirlenir. Bu sırada
akarsu bölümüne gelen yayılı yük hesaplanır.
• Her akarsu parçasında kendi alt havzasından
gelen yayılı yük, membasından gelen besin
elementi-kirletici miktarı ve ayrıca tanımlanan
noktasal yük verileri ve su kalitesi kinetiği
kullanılarak, besin elementi-ilgili kirleticiler için su
kalitesi hesapları yapılır.
SWAT Modelinde Su Hareketleri
SWAT Modelinde Topraktaki Besin Elementi
Döngüleri - Azot
SWAT Modelinde Topraktaki Besin Elementi
Döngüleri - Fosfor
SWAT Modelinde Besin Elementlerinin
Hidrolojik Süreçlerle Taşınmaları
VERİ İHTİYAÇLARI
Gerekli Meteorolojik Veriler
• Maksimum ve Minimum sıcaklık
(günlük)
• Yağış (günlük)*
• Güneş radyasyonu (günlük)**
• Rüzgar hızı (günlük)
• Nispi nem (günlük)
* Eğer taşkın hesabı da yapılacaksa saatlik veri gerekebilir.
** Bazı modellerde, güneş radyasyonu doğrudan gerekmez, onun yerine
bulutluluk kullanılarak güneş radyasyonu hesaplanabilir.
Meteorolojik Veriler Yoksa…
• Eğer daha önceki yıllarda gerekli
meteorolojik günlük zaman serileri
mevcutsa
- WGEN (Weather generator) algoritması/yazılımı
• Aylık meteorolojik zaman serileri varsa
- dGen algoritması
kullanılarak bu veriler türetilebilir. Bu
algoritmaların kullanılması hem
hidrolojide, hem de bilgisayar konusunda
uzmanlık gerektirir.
Arazi Kullanımı ve Özellikleri
Haritaları
• Arazi kullanımı
• Ürün deseni
• Toprak ile ilgili parametreler
- Bünye
- Organik madde içeriği
- Derinlik, maksimum kök derinliği
- Drenaj durumu
- Erozyon
- Tarla kapasitesi, solma noktası, hidrolik iletkenlik
Arazi Kullanımı ve Özellikleri
Haritaları Yoksa
• Arazi kullanımı ve ürün deseni, FAO ve
CORINE global veri setlerinden tahmin
edilebilir.
• Toprak ile ilgili parametreler ya FAO’nun
global veri setlerinden alınabilir.
• Eğer; bünye, organik madde içeriği ve
derinlik biliniyorsa, pedotransfer
fonksiyonları ile diğer büyüklüklerin çoğu
türetilebilir.
Ayrıntılı bilgi: www.waterbase.org, www.pedotransfer.org
Pedotransfer fonksiyonları ile ilgili
kaynak…
Pedotransfer fonksiyonları ile ilgili
kaynak…
Pedotransfer Fonksiyonlarına Örnekler…
Pedotransfer fonksiyonlarını kullanan bir
programın arayüzü …
Toprak ile ilgili diğer yardımcı bilgiler*
Toprağın derinliği; ağaç köklerinin gelişebilecekleri
toprak hacmini, bu toprakta tutulan su ve bitki besin
maddesi kapasitesini etkilediği için önemli bir
fiziksel toprak özelliğidir.
* Bu tablolar,değişik toprak ilmi ders
notlarından derlenmiştir.
Diğer Veriler
•
•
•
•
•
Hayvancılık (hayvan sayısı ve türleri)
Gübre uygulamaları
Pestisit uygulamaları
Sulama
Zirai operasyonlar (toprağın işlenmesi,
drenaj, ekim dikim, hasat)
• Ürün ile ilgili veriler (büyüme hızı, topraktan
besin elementi ve su alımı)
• Merkezi olmayan atık su uzaklaştırma
sistemleri (örneğin fosseptikler) ve vahşi çöp
döküm alanları
• Jeolojik, hidrojeolojik durum
Diğer Veriler yoksa…
• Bazı modellerde, ürüne göre otomatik
olarak gübre ve sulama ihtiyacı
belirlenip uygulaması yapılabilmekte.
• Ancak bu durumun, Türkiye’deki
gerçeği ne kadar yansıttığı tartışılır.
• Bu durumda, gerçek ürün verimlerinden
yola çıkıp, ters hesapla kullanılmış olan
gübre ve suyu tahmin edip yayılı yük
hesaplarını yapan modellerin seçilmesi
daha uygun olur.
Diğer Veriler yoksa…
• Zirai operasyonlar ile ilgili eksik veriler,
uzman yardımı ile türetilebilir.
• Ürünler ile ilgili veriler, değişik
veritabanlarından derlenebilir, ancak bu
veritabanlarındaki verilerin Türkiye
koşullarına uygunluğu için yerel
uzmanların görüşlerine başvurulması
önemlidir.
• Jeolojik ve hidrojeolojik verilerle ilgili
eksiklikler, yerel uzmanların yardımı ile
tamamlanabilir.
SWAT Model Yapılandırma
Süreçleri
• Drenaj alanlarının oluşturulması
• Hidrolojik işlem birimlerinin oluşturulması
• Arazi kullanımı ile ilgili parametrelerin
düzenlenmesi
• Meteorolojik verilerin girilmesi
• Arazi kullanımı ile ilgili operasyonların
girilmesi
Süreçlerinde Kullanılabilecek
Yardımcı Yazılımlar
• MWSWAT: Temel model oluşturma
• ArcSWAT : Temel model oluşturma
• SWAT-LUC : Arazi kullanımı modüllerini
aktive etme
• Baseflow filter: Çekilme eğrisi
parametreleri oluşturma
• SWAT-Plot: Model çıktılarını
görselleştirme
• SWAT-Graph : Model çıktılarını
görselleştirme.
• VizSWAT : Model çıktılarını görselleştirme
ve haritalama (Dikkat ücretli)
• SWAT-CUP: Otomatik model kalibrasyonu
• SWAT-R : Genel yardımcı programlar
grubu
SWAT Modeli ile Örnek
Uygulama – Darlık Havzası
Darlık Havzası
• Darlık Havzası 41°08' ile 40°50'
kuzey enlemleri ile 29°30' ile 29°42'
doğu boylamları arasında kalan bölge
içerisinde yer almaktadır.
• Darlık Barajı Şile’nin 7 km güneyinde
bulunmaktadır.
• Havza alanı 209 km2’dir.
• Havza İstanbul ve Kocaeli
ili sınırları içerisinde yer
almaktadır.
Darlık Havzası
• Havza içerisinde 7 adet
köy bulunmaktadır.
• Bölgede yıllar içinde nüfus
artışı görülmemiştir.
• Bölgede başlıca geçim
kaynağı ormancılıktır.
Bunun yanında hayvancılık
ve tarım da yapılmaktadır.
1990 Yılları Öncesi
Darlı Yağcıla Kargal
Köy Adı
k
r
ı
1965
228
198
396
1970
199
222
391
1975
163
206
390
1980
234
178
426
Köy adı
1990 2000
2010
Yağcılar
166
102
184
Kargalı
450
503
481
Ahatlı
-
121
131
Değirmençayırı
714
488
465
Hasanlı
285
288
257
Darlık
145
281
120
Ulupelit
114
234
175
Toplam
1874 2017
1813
TUİK, 2012
Darlık Havzası
200
180
1968-1985 DSİ Akım Rasatı
Debi m3/s
160
140
120
100
80
60
40
20
0
Akım rasatlarına göre Darlık Dere’sine ait uzun yıllar ortalaması 3,32 m3/s’dir.
Araçlar ve Yöntemler
• WEAP Modeli
• Stockholm Environment
Institute
• Lisanslı, (Eğitim amaçlı
ücretsiz!)
• Türkiye de henüz yeni
uygulamanmaya başlanmış
(Gediz Havzası)
• Dünya çapında çok sayıda
yayın
• Özellikler
– Su bütçesi,
– Su dağıtımı,
– Rezervuar operasyonları
– Enerji ihtiyaçları ve maliyet
– Kullanıcı dostu arayüz
 SWAT Modeli
 USDA-ARS
 Ücretsiz kullanıcı!
 Türkiye de henüz yeni
uygulanmaya başlamış
(Köyceğiz, Porsuk
havzası)
 Dünya çapında çok sayıda
yayın
 Özellikler
Su bütçesi,
Tarımsal operasyonlar,
Farklı arayüz seçenekleri,
Küresel veri kullanım
imkanı
 Çok sayıda yardımcı
program
 HRU bazında
değerlendirme




Meteoroloji
Verileri
Rüzgar
Sıcaklık
Yağış
Bağıl Nem
Bulutluluk
Havza
WEAP
Altında
Çalışan
Model Çıktı
Analiz
Uygulaması
WEAP
Altında
Çalışan
Model Girdi
Uygulaması
WEAP
MODELİ
Althavzalar
Alanlar
Akarsu Kolları
Arazi Verileri
Akım
Rasatları
Yüzeysel Akış
Taban Akışı
Su Bütçesi
Bileşenleri
İşlenmiş Veri
Üretilmiş Veri
Model Çıktısı
Model Alt Prog.
Sızma
Evapotranspirasyon
Yüzeysel akış
Yüzeyaltı akış
Yeraltı suyu akışı
Derine Sızma
Kar Erimesi
Meteoroloji
Verileri
Rüzgar
Mak. Min. Sıcaklık
Yağış
Bağıl Nem
Güneş ışıması
Sayısal Yükseklik
Modeli
SWATCup
Otomatik
kalibrasyon
SWAT
MODELİ
Toprak haritası
Ham Veri
Arazi
Kullanımı
İşlenmiş Veri
Üretilmiş Veri
Model Çıktısı
Model Alt Prog.
SWATPlotGraph
Su Bütçesi
Bileşenleri
Sızma
Evapotranspirasyon
Yüzeysel akış
Yüzeyaltı akış
Yeraltı suyu akışı
Derine Sızma
Kar Erimesi
Meteorolojik verilerin alt havza bazında
girilmesi ve Thiessen Yöntemi’nin Darlık
Havzası için uygulanışı
DMİ Sarıyer
DMİ Şile
DMİ Göztepe
DMİ Kartal
DMİ Kocaeli
Model Kapsamında
Gerçekleştirilen Kabuller
• Yağış her althavza için uniform
• Her bir alt havza için yüzeysel akışa
direnç katsayısı sabit
• Araziye ait parametreler her
althavza için sabit
0
1 km
2,5 km
5 km
Kalibrasyon, Validasyon ve
Değerlendirme
Performans
NSE
RSR
Çok iyi
0.75 < NSE ≤ 1.00
0.00 ≤ RSR ≤ 0.50
İyi
0.65 < NSE ≤ 0.75
0.50 < RSR ≤ 0.60
Kabul edilebilir
0.50 < NSE ≤ 0.65
0.60 < RSR ≤ 0.70
Kabul edilemez
NSE ≤ 50
RSR > 0.70
SWAT ve WEAP modellerinin
performanslarının karşılaştırılması*
Model
NSE
(Başarı
derecesi)
RSR
(Başarı
derecesi)
R2
Kalibrasyon
0.73
0.52
0.78
Doğrulama
0.53
0.68
0.66
SWAT
Model
WEAP
Kalibrasyo
n
Doğrulama
NSE
(Başarı
derecesi)
RSR
(Başarı
derecesi)
R2
-1.75
1.66
0.57
0.46
0.74
0.74
* İki çalışmada da birbirlerine yakın adam saat kullanılmıştır.
Uygulama – Susurluk Havzası
Akarsu Ağı ve Drenaj Alanları
Arazi Kullanımı
Toprak Yapısı
Drenaj
alanları
Hidrolojik İşlem Birimleri
Arazi
kullanımı
Toprak
özellikleri
Hidrolojik
işlem
birimleri
Yıllık Sonuçlar
Zamansal Uyum
35000
Nitrat Azotu Yükü Zaman Serisi
Ortalama Nitrat Azotu Yükü
Nitrat Azotu Yükü (kg/gün)
30000
25000
20000
15000
10000
5000
0
0
1000
2000
3000
4000
Zaman (gün)
5000
6000
7000
8000
Uygulama – Büyük Menderes
Uygulama – Türkiye
Arazi Kullanımı
Toprak Yapısı
İdari Birimler
Su kütlelerinin drenaj alanları
• 2000’den fazla su kütlesi
• 19500 hidrolojik işlem birimi
Arazi kullanımı
Toprak özellikleri
İdari birimler
Bu durumda her hidrolojik
hesap biriminin
•
•
•
•
Hangi su kütlesine drene olduğu
Arazi kullanımı
Toprak yapısı
Hangi ilde olduğu
bilinmekte …
SWAT Modelinde Su Hareketleri
Hidrolojik Modelin Performansı …
• Hidrolojik model, 12 yıllık bir ısınma
sürecinden sonra, hemen hemen
günümüze kadar ulaşan son 12 yıl için
çalıştırıldı …
• Hidrolojik model ile tahmin edilen Türkiye
su bütçesi bileşenleri, Devlet Su İşleri
Genel Müdürlüğü tarafından yayınlanan su
bütçesi ile karşılaştırıldı …
m
m
)
3
Y
50 AĞ
(6 1
39 k IŞ
m
EVAPOTRANSPİRASYON
274 km3
YÜZEYSEL AKIŞ
158 km3
(349 mm)
(202 mm)
TOPLAM SU POTANSİYELİ
158+28+7= 193 km3
(246 mm)
KOMŞU
ÜLKELER
7 km3
(9 mm)
NET WATER POTENTIAL
112 km3 (143 mm)
AKİFERLERE
BESLENME
69 km3
(88 mm)
YAS
POMPALANMASI
14 km3
(18 mm)
AKİFERLER
TABAN AKIŞI
28 km3
(36 mm)
5
YA
(6 01 ĞIŞ
39 k
m m3
m
)
EVAPOTRANSPİRASYON
274 km3
YÜZEYSEL AKIŞ
158 km3
(349 mm)
(202 mm)
TOPLAM SU POTANSİYELİ
158+28+7= 193 km3
(246 mm)
KOMŞU
ÜLKELER
7 km3
(9 mm)
NET WATER POTENTIAL
112 km3 (143 mm)
AKİFERLERE
BESLENME
69 km3
(88 mm)
YAS
POMPALANMASI
14 km3
(18 mm)
AKİFERLER
TABAN AKIŞI
28 km3
(36 mm)
Yayılı Yük Modelinin Sonuçları
Yayılı Yük Modelinin Sonuçları

YÜZEYSEL SU KALİTESİ MODELLEME TEKNİKLERİ ve SWAT

Transkript

Benzer belgeler

yeni başlayanlar için az ve öz matlab materyali pdf formatında indir

Metin - WordPress.com

Katalog

İLERİ YAŞ DEPRESYONLARDA tTMU ve QEEG - e

Ac ServO Sürücüler SiGMA-5 SEriSi - Yaskawa

Texas Ins. MSP430 Programlama

VERİ YAPILARI Asst.Prof.Dr. HAKAN KUTUCU

Kurtarma kılavuzu

S8 AutoSet Spirit™ II Sistemi

uygun antibiyotik kullanım rehberi