MODELL ÖSSZEHASONLÍTÁSA ALAPJÁN
KAJÁRI Balázs – BOZÁN Csaba
Nemzeti Agrárkutatási és Innovációs Központ (NAIK) Öntözési és Vízgazdálkodási Kutatóintézet (ÖVKI) 5540 Szarvas, Anna-liget u. 35. , email: kajari.balazs@ovki.naik.hu
Bevezetés
A modell a valóság egy speciális vetülete, annak idealizált képe. Definícióját tekintve egy modell bonyolult, részleteiben nem ismert fizikai, kémiai, biológiai, környezeti stb.
rendszerek működésének megismerésére készített sematikus elképzelés, amelyből új összefüggésekre lehet következtetni, vagy amely alkalmas arra, hogy a rendszer jelenségei matematikailag leírhatók legyenek (Horváth, 1988). A víz körforgását, vagy más néven a hidrológiai ciklust számtalan környezeti paraméter befolyásolja, melynek modellezése rendkívül összetett folyamat. A hidrológiai modellek funkcionalitása attól függ, mire szeretnénk használni, illetve a modell felépítéséhez milyen adatok állnak rendelkezésünkre. A hazai vízgazdálkodás egyik legnagyobb kihívása a belvíz modellezése (veszélyeztetettségi és kockázati térképezés), melynek összetettségét a belvíz kialakulását befolyásoló tényezők sokrétűsége, illetve bonyolult ok-okozati összefüggés-rendszere határoz meg. Dolgozatunk elsősorban a jelenleg elérhető szimulációs modellek közül a WateRisk, HEC-HMS, SWOT, és a Mike-SHE funkcionalitását hasonlítja össze a belvízelöntések tartósságának jellemzésére.
Irodalmi áttekintés
A hidrológia kezdetben egyszerű statisztikai alapon jött létre, idősorok részletes elemzését tartalmazta. A csapadék adatokból a folyók vízhozam-, vízállás adatait felhasználva tudtak különböző vizsgálati módszereket alkalmazni (valószínűségi számítások, sűrűségfüggvény, eloszlásfüggvény), (Koris, 1993). A hidraulikai és mérnöki hidrológia fejlődésével a differenciálegyenletek és az azokat közelítő matematikai megoldások (Euler-egyenletek, Darcy-törvény Bernoulli-törvénye, Chezy-képlet, Saint-Venant-egyenlet) igen időigényesek voltak, ezáltal nagyon sokáig ezek a számítások és modellek csak elméleti alapon működtek (Kozák, 1977). Az 1960-as 1970-es években a hidrológiai és csapadék-lefolyás modellek megjelenésével reprodukálhatók lettek korábbi hidrológiai események, ezzel szabad utat adva a modellek széles körű elterjedésének. A hidrológiai modellek sokszínűséget az is mutatja, hogy ahány kutató foglalkozik/foglalkozott vele, annyi modell létezik. A hidrológiai ciklus modellezésével kapcsolatosan kijelenthető, hogy alapjait tekintve mindegyik modell azonos. A különbséget az adja, hogy milyen adatsorok állnak rendelkezésre, és környezet-specifikusan milyen területen használjuk. Rendkívül részletes, sűrű hálózatú és hosszú idősorok állnak rendelkezésre, amelyekből lehet építkezni (csapadék, hőmérséklet, szél/szélirány, talajnedvesség, párolgás, stb.). A vizsgált terület alapján sok különbség lehet két modell között: más egy hegyvidéki, vagy egy síkvidéki vízgyűjtő terület modellezése, vagy felbontás alapján más egy lokális (nagy felbontású, részletes) és egy globális modell. Sokszor a világ egyik részén
92
nagy sikerrel működő modell nem biztos, hogy működni fog más területen. Ebből kifolyólag a kutatók sokszor csak részleteiben adaptáljak a modelleket, ezért is érhető ma el a piacon nagyon sok modell, és azokat működtető szoftverek (Singh, 2017).
Magyarországon az első kísérletek a belvíz-veszélyeztetettség térképezésére az 1980-as évek elejére nyúlnak vissza. A nemzeti és regionális áttekintő térképeket elsősorban az elöntési események előfordulási gyakorisága alapján állították össze (Pálfai, 1982). A nyilvánosan elérhető távérzékelési adatok megjelenésével és a képfeldolgozási technikák fejlődésével az „in situ” megfigyelések kiegészültek, és így a belvízelöntéseket hatékonyabban azonosították és osztályozták. A térinformatika lehetővé teszi a befolyásoló tényezők térbeli eloszlásának és a belvízelöntések mennyiségi meghatározásának pontos értékelését, különböző hidrometeorológiai körülmények között (Bozán et al., 2017). Napjainkra az integrált hidrológiai modellek váltak leginkább alkalmassá a belvíz térbeli-időbeli változásának leírására. Az alkalmazott modellek algoritmikusan összekapcsolják a 3D területi dinamikus szimulációját (csapadék, evapotranszspiráció, lefolyás és felszín alatti vízmozgás a telítetlen és telített zónában) és az 1D lefolyás modelleket (Koncsos, 2011).
Módszertani szempontból két fő ágra oszthatjuk a belvíz, mint jelenség térképezési lehetőségeit (Kozma, 2016):
-Öblözet-szintű hidrológiai elemzések: A jelenséget különböző, általában térben és időben aggregált mutatók és hidrológiai változók kapcsolatának elemzése.
Ilyenek a lefolyás becslő összefüggései, a lefolyási jelleggörbe, a várható elöntés súlyosságát jellemző belvíz index, valamint az elöntés, a tartósság és a lefolyás előfordulási valószínűségeire levezetett függvények (Pálfai, 2004;
Koncsos és Balogh, 2009).
-Térképezési eljárások: Tomor (2007) és van Leeuwen (2012) is rámutat, hogy a belvíztérképezés és a veszélyeztetettség vizsgálata további két csoportba sorolható:
-Tisztán tapasztalati alapú, az elöntések terepi bejárására vagy távérzékelésre (légi fotó, műholdkép) alapuló „direkt” térképezése (Thyll és Bíró, 1999; Tomor, 2007);
-A statikus és dinamikus hatótényező, valamint esetleg az elöntési adatok segítségével, regressziós elemzések útján előállított szintetikus térképek (Pálfai et al., 2004; Bozán et al., 2017).
Anyag és módszer
A modellalkotás lépéseivel juthatunk el a szimulációig. A rendelkezésre álló adatok alapján határozhatjuk meg és építhetjük fel a modellünket. A szoftver kiválasztásánál figyelnünk kell, hogy a kitűzött célnak megfeleljen (dimenziók száma) és lehetőség legyen elő- és utófeldolgozásra, annak érdekében, hogy a problémák kiszűrhetők legyenek. A modellek értékelése során az alábbi feltételeket figyelembe vétele indokolt:
-A verifikáció során arról kell meggyőződnünk, hogy egyszerű, általában analitikusan is megoldható esetekben a modell kielégítő megoldást szolgáltat-e.
-Számítási háló meghatározása (a méretarány meghatározása) kiemelt jelentőségű az elérhető pontosság és a futtatási idő tekintetében.
93
-A paraméterek megadása modelltől függően vagy kötelező minden paraméter esetén, vagy egyeseket akár el is hagyhatunk. Értéküket gyakran csak
-Szimuláció: a kalibrált és validált modell alkalmas arra, hogy bizonyos tényezők hatását a többitől függetlenül vizsgáljuk, valamint eddig még be nem következett szituációk eredményeit elemezhetjük.
A hidrológiai modell felépítése egy síkvidéki vízgyűjtő területen, ahol a felhasznált részmodellek a következők:
-A lefolyás modell: A talajba be nem szivárgott csapadékból lefolyás alakulhat ki, amely a terep mélyedései irányába mutató áramlást idéz elő.
-Az intercepció, evapotranszspiráció és talajpárolgás modellje: Intercepció a modellekben egy speciális tározóhatásként jelenik meg. Evapotranszspiráció a felszín fedettségi/területhasználati adatbázisa alapján számítható. A relatív nedvességtartalom és a hőmérséklet függvényében becsüljük a szabad vízfelszín párolgását, majd figyelembe vesszük a növényzet párologtató felületének és a talaj kiszáradásának párolgást korlátozó hatását.
-Beszivárgási és talajvízmodell modell: A víz vertikális áramlásának köszönhetően eljuthat a talajvízig (annak a szintjét emelve), illetve a felső vízzáró rétegen átjutva táplálhatja a rétegvizet, vagy horizontális áramlásának köszönhetően a befogadóba (vízfolyásokba) való átbukásával távozik a rendszerből.
-Mederbeli lefolyás modell: A csomópontok és az ezeket összekötő szakaszok segítségével írható le egy folyó vagy csatorna hálózat. A peremfeltételeket a vízhozamot, és a vízmélységet a csomópontokban adjuk meg.
A felsorolt részmodellekre vonatkozóan elmondható, hogy ezek csak az alapadatok, ami modellenként eltérhet. A címben jelzett céljaink eléréséhez az általunk kiválasztott hidrológiai modellek összehasonlító elemzését végeztük el.
Eredmények és értékelésük
A belvíz tartósság-elöntés kapcsolat valószínűségi jellemzése igen bonyolult folyamat, amelyet alapvetően két irányból közelíthetünk meg. Egyrészt az adott valószínűségű elöntések vizsgálatával, másrészt pedig a különböző méretű és tartósságú belvizek előfordulási valószínűségének meghatározásával. Az első egy egyszeri szűrés a leválogatási küszöbérték kívánt valószínűséghez tartozó értékei, míg a második egy két lépcsős leválogatásból áll az első lépéshez hasonlóan a küszöbérték feletti események kiszűrése, és a meghatározott napot kitevő adatok az alap idősor alapján azokra a területekre, ahol az összefüggő napok száma meghaladja a kiválasztott kiterjedést. Az általunk vizsgált négy hidrológiai modell közül a WateRisk (Koncsos et al., 2011) felépítését tekintve hasonlóan működik, mint a nemzetközi hidrológiai modellek (Modflow, DIWA, DWSM, QGIS, SAGA GIS, SWAT, MIKE-SHE, HEC-HMS). Az elöntési folyamatok hidrológiai és valószínűségi értékeléséhez szükséges a modell által
94
számolt eredmények utófeldolgozása. Először a belvizes időszakokat kell a szimulációs idősorból kiszűrni, ami az algoritmus leválogatást adó feltételrendszer kialakításával kell kezdeni. A térben és időben változó, gyakorlati szempontból tetszőleges pontosságú folytonos mennyiségekre küszöbértéket megadni igen bonyolult feladat. A tartósságot tekintve a modell kizárja a léghőmérsékleti adatok alapján a fagypont alatti időszakokat.
A küszöbérték ezáltal a következőképpen alakult: 2ha/10nap/0 °C felett. Az algoritmus alapú leválogatás eredményei jók erős kiindulási alapnak, de azért érdemes manuálisan korrigálnunk. A kapott elöntési idősorban a tartósság, a fajlagos elöntés, valamint a léghőmérséklet egyidejű ingadozása miatt szakadékok, ”tüskék” maradnak. A következő vizsgált két modell (HEC-HMS, SWAT) számba veszi a párolgást, a hóolvadást, a lefolyást és a hosszabb idejű szimulációs feladatokhoz megfelelő beszivárgási modellt. Számos matematikai modell közül lehet választani, melyek különböző környezetekben, eltérő feltételekkel is alkalmazhatóak (Bor, 2012; Szatmári, 2013), így a tartósság is jellemezhető a talajvízadatok és a beszivárgás részletes elemzésével. A Soil & Water Assessment Tool (SWAT) modell teljes mértékben lefedi a hidrológiai ciklus folyamatait, azonban elsősorban a lefolyás modellezésére fókuszál, így az általunk vizsgált tartósság kérdéskörére csak korlátozottan alkalmas. Az európai viszonylatban nagy múltra és széles körben történő felhasználása miatt vizsgáltuk meg a Mike-SHE modellt, melyben van lehetőség elő- és utófeldolgozásra. A modell kifinomultságát tekintve itt már olyan beépülő moduloknak is van helye, mint az agrotechnika (pl. öntözés, vízelvezetés, tápanyag és növényvédőszer használat, stb.) hatásainak vizsgálata (Golmar et al., 2014), mely a tartósság szempontjából meghatározó jelentőségű. A hidrológiai modellek alkalmazhatóságának legfőbb jellemzőit a lefolyás modellezésére és a belvíz tartósság kimutatására egy összehasonlító táblázaton keresztül szemléltetjük (1. táblázat).
95
1. táblázat. Hidrológiai modellek összehasonlító elemzése
WateRisk HEC- HMS SWAT Mike-SHE
Fejlesztő BMGE Vízi Közmű és HU (2009) Környezetmérnöki Tanszék
Table 1. Comparative analysis of hydrological models Következtetések
Az általam megvizsgált hidrológiai modellek több éves (20-30 év) fejlesztői munkának köszönhetően nagyon kifinomultak és feladat specifikusak lettek. Sokféle vízgyűjtő típust különböztetnek meg, többféle számítási algoritmus áll rendelkezésre, ami azt jelenti, hogy a részmodelleket többféle módon származtathatjuk akár egy programon belül is. Ezzel lehetőséget kap a felhasználó, hogy az adott fizikai törvényszerűség (Manning-féle érdességi tényező, Horton-képlet, Darcy-egyenlet, stb.) milyen általánosságban elfogadott módozatát használja. A modellek összetettsége miatt fontos megjegyezni, hogy a számítási háló (méretarány) megválasztása nagyon fontos, mivel a cellánkénti számítások a méretarány növekedésének köszönhetően hatványozottan megnövelheti a számítási időt. Sokszor egy adott modell több paraméter megadásának a lehetőségét kínálja fel, mint amivel rendelkezünk. Ezért ezek a túl részletes modellek sokszor nem működnek megfelelően, nem adnak pontos eredményt „túlparametrizálttá”
válnak. Viszont lehetőség van azokat egyszerűsíteni (kihagyni a modellből), illetve az elő- és utófeldolgozási lehetőséggel mi magunk is szűrhetjük/finomíthatjuk a modellünket, amivel a saját mintaterületünkre formálva iterálhatjuk.
96 Összefoglalás
A modellek felhasználásuk szerint lehetnek egyszerűek és összetettek. Az egyszerű modellek csak általánosságban közelítik a természetes folyamatokat, többnyire csak tájékoztató jellegűek, a belvízelöntések tartósságára nem lehet következtetni, azonban jól leírják egy-egy területen a vizsgált hidrológiai folyamatokat. Általában a kutatásokhoz referenciaként szokták alkalmazni. Az összetett modellek, melyek nagyon jól közelítik a valós eseményeket – a belvízelöntések tartósságára is következtethetünk –, ezáltal a természetes folyamatok jobb megértését teszik lehetővé, reprodukálhatóvá válhatnak régebbi idősorok, és adott esetben a jövőre vonatkozó perdikciókat is lehet tenni (szcenárió-analízis), pl. területhasználat, vízgazdálkodási beavatkozások és az éghajlat változása tekintetében.
Kulcsszavak: hidrológiai modell, belvízelöntés modellezés, belvíz tartósság Köszönetnyilvánítás
A kutatás a „Mezőgazdasági vízgazdálkodás fejlesztését (öntözéses gazdálkodás, belvízgazdálkodás, földhasználat racionalizálás) célzó kutatások” c. Agrárminisztérium által finanszírozott O14230 sz. projekt támogatásával készült.
Irodalom
Bor A.: 2012. Mérnöki gyakorlatban alkalmazott hidrológiai modellek összehasonlító vizsgálata TDK Dolgozat. pp 20-33.
Bozán Cs. – Körösparti J. – Andrási G. – Túri N. – Pásztor L.: 2017. Inland excess water hazard on the flat lands in Hungary Columella: Journal of Agricultural and Environmental Sciences, 4/1 (suppl.) (2017), 11-14 DOI: 10.18380/SZIE.COLUM.2017.4.1.suppl.
Golmar G. – Shiv P. – Ali M. – Ramesh R.: 2014. Evaluating Three Hydrological Distributed Watershed Models: MIKE-SHE, APEX, SWAT Hydrology 2014, 1(1), 20-39; doi:10.3390/hydrology1010020 . Horváth L.: 1988. Modellezés és szimuláció Modellezés és szimuláció. Bp. ELTE. p. 117.
Koncsos L. – Balogh E.: 2009. Belvízkockázatok számítása korszerű hidroinformatikai eszközökkel. MHT 27. Országos Vándorgyűlés, Baja. ISBN 978-963-8172-23-5.
Koncsos L. (Ed.): 2011. Jövőképtől a vízkészlet kockázatig. BMGE, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék.
Koris K.: 1993. Hidrológiai számítások. Akadémiai Kiadó, Budapest. ISBN 963-05-6502-1.
Kozák M.: 1977. A szabad felszínű nempermanens vízmozgások számítása digitális számítógépek felhasználásával, Akadémiai Nyomda, Budapest.
Kozma Zs. – Muzelák B. – Koncsos L.: 2013. A belvízi jelenségek integrált hidrológiai modellezése – Tapasztalatok a Szamos-Kraszna közi mintaterülete. MHT 31. Országos Vándorgyűlése, Gödöllő, 2013. ISBN 978-963-8172-31-0.
Pálfai I.: 1982. A belvízi veszélyeztetettség területi mutatója. In: MHT III. Országos Vándorgyűlés. MHT, Debrecen, pp. 385-390.
Pálfai I. – Bozán Cs. – Herceg Á. – Kozák P. – Körösparti J. – Kuti L. – Pásztor L.: 2004. Komplex Belvíz-veszélyeztetettségi Mutató (KBM) és Csongrád megye ez alapján szerkesztett belvíz-Belvíz-veszélyeztetettségi térképe. II. Magyar Földrajzi Konferencia: A magyar földrajz kurrens eredményei, Szeged 2004. ISBN 963-482-687-3.
Pálfai I.: 2004. Belvizek és Aszályok Magyarországon. Hidrológiai tanulmányok. VITUKI, Budapest.
Szatmári J.: 2013. Modellek a geoinformatikában. Szegedi Tudományegyetem, Debreceni Egyetem, Pécsi Tudományegyetem. TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1 MSc Tananyagfejlesztés. pp. 1-12.
Szatmári J.: 2013. Modellek a geoinformatikában. Szegedi Tudományegyetem, Debreceni Egyetem, Pécsi Tudományegyetem. TÁMOP-4.1.2.A/1-11/1 MSc Tananyagfejlesztés. pp.48
Thyll Sz. – Bíró T.: 1999. A belvíz-veszélyeztetettség térképezése. Vízügyi Közlemények 81(4): 709-718.
97
Tomor T.: 2007. Térinformatikai módszerek alkalmazása a környezeti konfliktusok kezelésében. Doktori disszertáció, 151p.
van Leeuwen B.: 2012. Artificial neural networks and geographic information systems for inland excess water classification. PhD disszertáció, Szegedi Tudományegyetem.
Singh, V.P.: 2017. Hydrologic modeling: progress and future directions. Geoscience Letters, Official Journal of the Asia Oceania Geosciences Society (AOGS), 5:15 https://doi.org/10.1186/s40562-018-0113-z, 18.
p.