КАЛИБРОВКА И ПРОВЕРКА ПРОГНОЗА ГЛУБИН ЗЕРКАЛА ГРУНТОВЫХ ВОД С ПОМОЩЬЮ МОДЕЛИ DRAINMOD В СИРИИ Текст научной статьи по специальности «Науки о Земле и смежные экологические науки»

Калибровка и проверка прогноза глубин зеркала грунтовых вод с помощью модели DRAINMOD в Сирии

Хадж Кхамис Рафа Акрамовна

аспирантка кафедры гидравлики и гидротехнического строительства Национального исследовательского Московского государственного строительного университета, [email protected].

В данной статьи использована модель DRAINMOD для прогнозирования глубин зеркала грунтовых вод на научно-исследовательской станцией ирригации и водопользования на равнине Аккар (Захид) в Сирии. Для исследования выбрана секция (А-1), где расстояние между дренами составил 25 м. и глубин заложения дрен 137 см за период с 1998 - 2004. Данные наблюдений за первые три года использовались для калибровки, а оставшиеся четыре года использовались для проверки модели. Результаты сравнения прогнозируемых и фактических глубин зеркала грунтовых вод в периоде калибровки и проверки являются хорошими. В периоде калибровки общие значения показателей: среднеквадратичной ошибки (СО=11,91), коэффициента остаточной массы (КОМ=0,03), индекса согласия (ИС=0,90) и эффективности модели (ЭМ=0,62). В периоде проверки общие значения показателей: (С0=10,24), (кОм= -0,03), (ИС=0,92) и (ЭМ=0,58), что подтверждает эффективности модели DRAINMOD в прогнозирования глубин зеркала грунтовых вод на научно-исследовательской станцией ирригации и водопользования на равнении Аккар в Сирии. Ключевые слова: DRAINMOD, глубина зеркала грунтовых вод, подземный дренаж.

Введение

РРА^МОй был разработан как модель в масштабе поля для описания гидрологии плохо или искусственно осушаемых земель [1]. В дополнение к дренажным и связанным системам управления дренажными водами. Это распределенная модель, основанная на процессах, которая позволяет проводить водные балансы в почасовом и дневном масштабе [2]. Прогнозируются гидрологические переменные (инфильтрация, подземный дренаж, поверхностный сток, эвапотранспирация, вертикальная и боковая фильтрация, глубина зеркала грунтовых вод и осушенное или безводное поровое пространство в профиле почвы), а итоговые результаты доступны ежедневно, ежемесячно, ежегодно, и ранжированные базы по выбору пользователя [5].

Модель также использовалась для моделирования характера колебаний уровня грунтовых вод с хорошей степенью точности [4].

Целью исследования является моделирования глубин зеркала грунтовых вод на научно-исследовательской станцией ирригации и водопользования на равнине Аккар (Захид) в Сирии.

Методы и инструменты исследования

Для проверки качества и надежности построенных модели РРА^МОй, можно использовать статистические показатели для количественной оценки различий между наблюдаемыми и прогнозируемыми данными. Эффективность РРА^МОР для прогнозирования глубины грунтовых вод оценивалась с использованием четырех показателей: среднеквадратичной ошибки (СО), коэффициента остаточной массы (КОМ), индекса согласия (ИС) (Уиллмотт, 1982) и эффективности модели (ЭМ) (Нэш и Сатчлифф, 1970). Формулы вышеуказанных показателей представлены ниже.

со =

N

ком =

ис = 1 -

п

£Г=1(К -Уд2

эм =

Где:

п - количество наблюдений;

Уг наблюдаемое значение во время ^ - прогнозируемое значение во время ^

7- среднее значение наблюдаемых значений.

Объект исследования

Эксперимент проведен на научно-исследовательской станции ирригации и водопользования, расположенная недалеко от деревни Захид на западе равнении Аккар в Сирии на расстоянии 25 км. к югу от города Тартус. Станция находится на 34,38 северной широты и 35,36 восточной долготы и возвышается на 12 м. над уровнем моря (рис. 1).

Рис. 1. Научно-исследовательская станция ирригации и водопользования на равнине Аккар (Захид)

Таблица 1

Поля станции по площади, типу возделывания

Сектор А-1 К-2 С-3 С-4 С-5 С-6 СК-7 СК-8 СК-9

Площадь, Гектар 0.225 0.270 0.400 0.420 0.460 0.620 1.860 1.200 2.050

Авокадо Киви Гибриды мандарин (Кле-мен-тина) Лимон (Майер ) Лимон Интер-до-нато апельсин и грейпфр ут севообороты плановым экспериментам

Станция разделена на 9 секций (Секция — это поле, участок, сад, где выращиваем с/х культуры и выполняем севообороты) согласно таблице 1 и рис. 2.

В данной статьи проведено моделирование на участке (А-1), где расстояние между дренами 1 и 2 составило 24,5 м. и глубина дрены 137 см. (рис. 2).

коллектор 200 ММ

ТС

24,65

6,00 ф 6,85 9

-в

5

О

4

О

3

О

2

И

Дрен 2

№

1

14

Дрен № 1

Растение ( Авокадо )

|§] колод цы

© начала дренажной трубы

© Разведочная скважина

© Поперечный разрез в дрене

Рис. 2. Закрытая дренажная сеть на секции А-1 (Авокадо) и распределение разведочных скважин для наблюдения уровня грунтовых вод.

В ходе исследования применена гидрологическая модель DRAINMOD Версия: 6.1 (Сборка 105). Для моделирования использованы климатические данные за период 1998-2004 гг.

Анализ результатов калибровки и проверки

Данные наблюдений за первые три года использовались для калибровки, а оставшиеся четыре года использовались для проверки модели. Это выполняется путем сравнения значений переменных, таких как глубина, с уровнем грунтовых вод, который наблюдается в полевых условиях, а также прогнозируется моделью. В данной ситуации модель была откалибрована с использованием набора данных наблюдений за период с 1998 по 2000 год. Коэффициент дренирования и глубина непроницаемого слоя рассматривались как параметры калибровки с определенным диапазоном. Модель запускалась несколько раз с корректировкой значений рассмотренных выше параметров и фиксировала значения с минимальными ошибками. Статистический анализ также проводился с помощью набора данных наблюдений и прогнозов.

Среднеквадратичная ошибка (СО) часто используется для измерения разницы между наблюдаемыми и прогнозируемыми значениями, поскольку это эффективная мера точности [3].

I I

О

ГО

>

п.

I

го гп

о

м о м

5,35

5,65

6

7

5,95

5,6

6,00

24,55

о сч

OI

Z

!Й

О ш Ш X

<

ш

о

X X

Однако ОС зависит от масштаба и не дает информации об относительном размере и характере ошибки. Значение СО составляет 10,44 см в 1998 г., 10,85 см в 1999 г. и 14,43 см в 2000 г. Общее значение СО в период калибровки составляет 11,91 см.

Коэффициент остаточной массы (КОМ) показывает тенденцию модели к завышению и занижению прогноза. Положительное значение указывает на завышение прогноза, а отрицательное значение - на занижение. Значение КОМ в 1998 г. - 0,02, в 1999 г. - 0,00 и в 2000 г. - 0,08. Общее значение КОМ составляет 0,03 за период калибровки. модель йРА^МОй демонстрирует систематическое завышение прогнозов. Индекс согласия (ИС), разработанный Уиллмотт (1981), измеряет степень ошибки прогноза модели и варьируется от 0 до 1. Когда модель хорошо предсказывает глубину до уровня грунтовых вод, ИС ближе к 1,00. В 1998 и

1999 годах йРА^МОй имел значение 0,91, а в

2000 году немного меньше - 0,88. Общее значение 0,90 для ИС в период калибровки. Модель йРА^МОй показывает, что аддитивные и пропорциональные различия наблюдаемых и смоделированных значений глубины до уровня грунтовых вод и отклонений приемлемы; однако экстремальные значения из-за квадратов разностей в формуле делают ИС слишком чувствительным показателем. Эффективность модели (ЭМ) (Нэш и Сатчлифф, 1980) оценивает ошибку относительно естественного изменения наблюдаемых значений. Значения могут варьироваться от -« до 1,00; значения 0,50 <ЭМ <1,00 считаются приемлемыми (Хельвейг и др., 2002; Ван и др., 2006). Общее значение ЭМ составляет 0,62 за период калибровки. Используя эти четыре метрики для калибровки моделей, йРА^МОй показывает хорошее соответствие между прогнозируемой и смоделированной суточной глубиной до уровня грунтовых вод, и эти значения представлены в таблице 1.

Таблица 1

Статистические характеристики ОЯА1ЫМОй 6.1 для прогнозирования глубины уровня грунтовых вод в период калибровки.

год Количество наблюдений СО КОМ ИС ЭМ

1998 6 10,44 0,02 0,91 0,59

1999 16 10,85 0,00 0,91 0,57

2000 8 14,43 0,08 0,88 0,69

Среднее 30 11,91 0,03 0,90 0,62

значение

Рис. 1 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время калибровки в 1998 г.

1999 г.

•Л i>> v

л, о, te SS "¡P fe O << "¡P

Л4' .»v «S4 .ev .i- jS- _<?-• <J-' ^

0 20 40 60 80 100 120

■ прогнозируемая глубина зеркала грунтовых вол

■ наблюдаемая глубина зеркала грунтовых вод

Рис. 2 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время калибровки в 1999 г.

2000

v> г> fc4 Ф Ф

,1>

^

/ ^

Кроме того, прогнозируемые и наблюдаемые суточные значения глубины грунтовых вод в 1998, 1999 и 2000 годах нанесены на график и подтверждают успешную калибровку (рис. 1, 2 и 3).

о 20 40 60 80 100 120

■ прогнозируемая глубина зеркала грунтовых вол 9 наблюдаемая глубина зеркала грунтовых вод

Рис. 3 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время калибровки в 2000 г.

Таким образом, ожидается, что модель DRAINMOD будет хорошо работать в годы калибровки, поскольку входные параметры были изменены для получения минимальных различий между наблюдаемой и прогнозируемой глубиной до уровня грунтовых вод.

Те же показатели использовались для проверки общей производительности DRAINMOD в периоды калибровки и проверки. Общие значения СО, КОМ, ИС и ЭМ в период проверки составляют 10,24, -0,03, 0,92 и 0,58 соответственно (таблица 2). Графики наблюдаемых и прогнозируемых значений в 2001, 2002, 2003 и 2004 годах также представлены ниже (Рисунки 4, 5, 6 и 7).

В дополнение к этим показателям, рисунки могут визуально сравнивать значения глубины с уровнем грунтовых вод.

Таблица 2

Статистические характеристики йНА1ЫМОй 6.1 для прогнозирования глубины уровня грунтовых вод в период проверки.

год Количество наблюдений СО КОМ ИС ЭМ

2001 11 4,39 0,02 0,88 0,50

2002 17 8,84 -0,07 0,91 0,52

2003 13 12,74 -0,06 0,94 0,75

2004 18 14,97 0,00 0,93 0,56

Среднее значение 59 10,24 -0,03 0,92 0,58

Рис. 4 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время проверки в 2001 г.

2002

„#' „^ „#г Ж Ж „<

'jS1'.Ф'

?>' 5?1 íK «К чу" ' ^

о 20 40 60 SO 100 120 140

• прогнозируемая глубина зеркала грунтовых вод

* наблюдаемая глубина зеркала грунтовых вод

Рис. 5 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время проверки в 2002 г.

2003

J>y Jp J-

о 20 40 60 S0 100 120

• прогнозируемая глубина юркала грунтовых вод

• наблюдаемая глубина зеркала груетовых зол

Рис. 6 - Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время проверки в 2003 г.

Рис.7. Сравнение прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см во время проверки в 2004 г.

Средние значения наблюдаемы и прогнозируемых в DRAINMOD глобин грунтовых вод представлены в таблице 3.

Таблица 3

Средние значения наблюдаемы и прогнозируемых в

Год Средние значения наблюдаемы глобин грунтовых вод Средние значения прогнозируемых глобин грунтовых вод РРА^МОй

1998 83,33 84,91

1999 85,71 85,97

2000 80,98 87,53

2001 92,55 94,23

2002 93,11 86,80

2003 72,96 68,39

2004 88,30 88,00

Из таблицы видно, что средние значения наблюдаемых и прогнозируемых в DRAINMOD глубин зеркала грунтовых вод на притяжение периода исследования почти идентичные, что подтверждает эффективности модели DRAINMOD в прогнозирования глубин грунтовых вод на научно-исследовательской станции ирригации и водопользования на равнине Аккар (Захид). Также можно отметить, что средние значения глубин зеркала грунтовых вод было ниже 80 см. на протяжении периода исследования, кроме в 2003 ниже 60 см., так как в 2003 г. количество осадков было огромным (около 1500 мм) (Рис. 8).

Рис. 8 - Сравнение средних значений прогнозируемого и наблюдаемого уровня грунтовых вод на расстоянии 25 м между дренами при глубине дрен 137 см в период 1998-2004 гг.

О

ГО

>

.с

го m

о

ю о

К)

сч о сч

о ш Ш X

Заключение

По результатам исследования подвержено эффективности модели DRAINMOD для прогнозирования глубин зеркала грунтовых вод на секции (А-1), где расстояние между дренами 25 м. и при глубине дрен 137 см. на научно-исследовательской станции ирригации и водопользования на равнине Аккар (Захид) в Сирии в период с 1998-2004 гг.

Таким образом, можно использовать модель DRAINMOD для прогнозирования глубин зеркала грунтовых вод на других затопленных территориях на равнине Аккар и в Сирии в общем и также для прогнозирования других показателей, таких как коэффициент дренажа, оптимальные параметры дренажа (расстояние между дренами и глубин дрен).

Литература

1. Dayyani S. et al. Field evaluation of DRAINMOD 5.1 under a cold climate: simulation of daily midspan water table depths and drain outflows 1 //JAWRA Journal of the American Water Resources Association. - 2009. - Т. 45. - №. 3. - С. 779-792.

2. He X. et al. Adapting a drainage model to simulate water table levels in coastal plain soils //Soil Science Society of America Journal. - 2002. - Т. 66.

- №. 5. - С. 1722-1731.

3. Saadat S. et al. Estimating drain flow from measured water table depth in layered soils under free and controlled drainage //Journal of Hydrology. -2018. - Т. 556. - С. 339-348.

4. Skaggs R. W., Youssef M. A., Chescheir G. M. DRAINMOD: Model use, calibration, and validation //Transactions of the ASABE. - 2012. - Т. 55. - №. 4.

- С. 1509-1522.

5. Wang X., Frankenberger J. R., Kladivko E. J. Uncertainties in DRAINMOD predictions of subsurface drain flow for an Indiana silt loam using the GLUE methodology //Hydrological Processes: An International Journal. - 2006. - Т. 20. - №. 14. - С. 3069-3084.

Calibration and verification of groundwater mirror depth predictions

using DRAINMOD model in Syria Haj Khamis R.A.

National Research Moscow State University of Civil Engineering JEL classification: L61, L74, R53

In this article, the DRAINMOD model is used to predict the depths of the water table at the irrigation and water management research station in the Akkar (Zahid) plain in Syria. Section (A-1) was selected for the study, where the distance between the drains was 25 m and the depth of the drains was 137 cm for the period from 1998 to 2004. The observational data from the first three years were used for calibration, and the remaining four years were used to validate the model. Comparison of the predicted and actual water table depths during the calibration and verification period is good. During the calibration period, the general values of the indicators: the root-mean-square error (SD = 11.91), the residual mass coefficient (COM = 0.03), the index of agreement (IS = 0.90) and the efficiency of the model (EM = 0.62). During the verification period, the general values of the indicators: (CO = 10.24), (COM = -0.03), (IS = 0.92) and (EM = 0.58), which confirms the effectiveness of the DRAINMOD model in predicting the depths of the soil surface waters at the research station for irrigation and water use on the equals of Akkar in Syria.

Keywords: DRAINMOD, depth of groundwater table, underground drainage. References

1. Dayyani S. et al. Field evaluation of DRAINMOD 5.1 under a cold climate:

simulation of daily midspan water table depths and drain outflows 1 // JAWRA Journal of the American Water Resources Association. - 2009.

- T. 45. - No. 3. - S. 779-792.

2. He X. et al. Adapting a drainage model to simulate water table levels in

coastal plain soils // Soil Science Society of America Journal. - 2002. - T. 66. - No. 5. - S. 1722-1731.

3. Saadat S. et al. Estimating drain flow from measured water table depth in

layered soils under free and controlled drainage // Journal of Hydrology.

- 2018 .-- T. 556 .-- S. 339-348.

4. Skaggs R. W., Youssef M. A., Chescheir G. M. DRAINMOD: Model use,

calibration, and validation // Transactions of the ASABE. - 2012. - T. 55.

- No. 4. - S. 1509-1522.

5. Wang X., Frankenberger J. R., Kladivko E. J. Uncertainties in DRAINMOD

predictions of subsurface drain flow for an Indian silt loam using the GLUE methodology // Hydrological Processes: An International Journal.

- 2006. - T. 20. - No. 14. - S. 3069-3084.

J

<

m о x

X