
NOME
r.sim.water - Simulazione del ruscellamento superficiale usando il metodo path sampling (SIMWE)
PAROLE CHIAVE
raster, flusso, idrologia
SINOSSI
r.sim.water
r.sim.water help
r.sim.water [-t] elevin=nome dxin=nome dyin=nome [rain=nome] [rain_val=float] [infil=nome] [infil_val=float] [manin=nome] [manin_val=float] [traps=nome] [depth=nome] [disch=nome] [err=nome] [nwalk=integer] [niter=integer] [outiter=integer] [diffc=float] [hmax=float] [halpha=float] [hbeta=float] [--overwrite] [--verbose] [--quiet]
Flag:
- -t
- Output delle serie temporali
- --overwrite
- Sovrascrive i file esistenti
- --verbose
- Output verboso del modulo
- --quiet
- Output quieto del modulo
Parametri:
- elevin=nome
- Nome della mappa raster di elevazione [m]
- dxin=nome
- Nome della mappa raster delle derivate rispetto a x [m/m]
- dyin=nome
- Nome della mappa raster delle derivate rispetto a y [m/m]
- rain=nome
- Nome della mappa raster del tasso di pioggia eccedente (intensità di pioggia - velocità di infiltrazione) [mm/h]
- rain_val=float
- Un singolo valore del tasso di pioggia eccedente [mm/h]
- Predefinito: 50
- infil=nome
- Nome della mappa raster della velocità di infiltrazione del deflusso superficiale [mm/h]
- infil_val=float
- Un singolo valore della velocità di infiltrazione del deflusso superficiale [mm/h]
- Predefinito: 0.0
- manin=nome
- Nome della mappa raster dei coefficienti n di Manning
- manin_val=float
- Un singolo valore del coefficiente n di Manning
- Predefinito: 0.1
- traps=nome
- Nome della mappa raster delle strutture per il controllo del flusso (coeff. di permeabilità 0-1)
- depth=nome
- Mappa raster di output delle altezze d'acqua
- disch=nome
- Mappa raster di output delle portate [m3/s]
- err=nome
- Mappa raster di output degli errori di simulazione [m]
- nwalk=integer
- Numero di walker, il predefinito è due volte il num. delle celle
- niter=integer
- Tempo usato per le iterazioni [minuti]
- Predefinito: 10
- outiter=integer
- Intervallo di tempo per la creazione delle mappe di output [minuti]
- Predefinito: 2
- diffc=float
- Costante di diffusione dell'acqua
- Predefinito: 0.8
- hmax=float
- Altezza d'acqua di soglia [m] (la diffusione aumenta una volta raggiuntaquesta altezza)
- Predefinito: 0.3
- halpha=float
- Costante di incremento della diffusione
- Predefinito: 4.0
- hbeta=float
- Fattore di pesatura per il vettore della velocità di flusso
- Predefinito: 0.5
DESCRIZIONE
r.sim.water è un modello di simulazione a scala di paesaggio del
ruscellamento superficiale, disegnato per condizioni di terreno, suolo, copertura
e pioggia eccedente variabili nello spazio. Attraverso la forma bivariata delle
equazioni di Saint Venant viene descritto un modello bidimenisonale delle acque
basse. La soluzione numerica è basata sul concetto di dualismo tra la
rappresentazione per campi e per particelle della quantità modellata. Il
metodo Monte Carlo con funzioni di Green, usato per risolvere l'equazione,
fornisce la necessaria affidabilità per condizioni di variabilità spaziale e
alte risoluzioni (Mitas and Mitasova 1998). I dati richiesti dal modello
includono l'altimetria (il raster elevin), il vettore del gradiente di
flusso dato dalle derivate parziali di primo ordine del campo elevazione (i raster
dxin e dyin), il tasso di pioggia eccedente (il raster rain
o il valore rain_val) e un coefficiente di scabrezza della superficie dato
dal coefficiente n di Manning (il raster manin o il valore
manin_val). I raster delle derivate parziali possono essere ottenuti
utilizzando l'opzione -d nel modulo v.surf.rst, che calcola le derivate parziali assieme all'interpolazione di un DEM. Se viene
già fornito il raster altimetrico, le derivate parziali possono essere calcolate utilizzando il modulo r.slope.aspect.
Le derivate parziali sono usate per determinare la direzione e la velocità
del moto dell'acqua. Per includere una direzione di flusso predefinita, può
essere utilizzata la map algebra per sostituire in determinate celle, come canali
artificiali, cunette o canali sotterranei, le derivate parziali ricavate dal
terreno con derivate parziali predefinite. Per calcolare le derivate parziali
del flusso predefinito si possono usare le equazioni (2) e (3) da
questa comunicazione
utilizzando la sua direzione data da esposizione e pendenza.
Il modulo converte automaticamente le distanze orizzontali espresse in piedi
nel sistema metrico usando l'informazione database/proiezione. La
pioggia eccedente è definita come intensità di pioggia -
velocità di infiltrazione e dovrebbe essere espressa in [mm/h].
Le intesità delle precipitazioni sono normalmente disponibili dalle
stazioni meteorologiche. La velocità di infiltrazione dipende dalle
proprietà del suolo e dalla copertura del terreno. Varia nello spazio e
nel tempo. Per suoli saturi e in condizioni di flusso stazionario [moto
permanente] può essere stimato usando i tassi di conducibilità
idraulica satura basati su misurazioni in campo o utilizzando i valori
riportati in letteratura. Opzionalmente, l'utente può fornire un
raster infil o un valore infil_val della velocità di
infiltrazione del deflusso superficiale in [mm/hr] che controlla [verifica] la
velocità di infiltrazione per l'acqua ancora in fase di scorrimento,
riducendo in modo efficace [sensibilmente] la profondità e la portata
della corrente. Il deflusso superficiale può essere inoltre controllato da
briglie permeabili o strutture simili; l'utente può definire nel parametro
traps una mappa di queste strutture e il loro coefficiente di permeabilità
che definisce la probabilità che le particelle passino attraverso la
struttura (il valore sarà 0-1).
L'output comprende un raster delle altezze [della lama d'acqua] depth
in [m], e un raster delle portate disch in [m3/s]. È possibile
analizzare l'errore della soluzione numerica utilizzando il raster err
(l'altezza risultante è una media, e err è il suo RMSE).
La mappa di punti vettoriale di output outwalk può essere
usata per analizzare e visualizzare la distribuzione spaziale dei walker in
diversi momenti di simulazione (si noti che l'altezza d'acqua risultante
è basata sulla densità di questi walker). Il numero dei walker
di output è controllato dal parametro density, che controlla il
numero dei walker usati nella simulazione che devono essere scritti
nell'output.
La durata della simulazione è controllata dal parametro niter.
Il valore predefinito è 10 minuti; raggiungere lo stato stazionario
può richiedere un tempo molto più lungo, che dipende dalla
durata di ogni frazione di simulazione salvata, dalla complessità del
terreno, dalla copertura del suolo e dall'ampiezza dell'area. Le mappe di
output dell'altezze d'acqua e della portata possono essere salvate durante la
simulazione usando le serie temporali date dal flag -t e dal parametro
outiter, che definiscono la cadenza temporale in minuti con cui vengono
scritti i file di output.
I file sono salvati con un suffisso che rappresenta il tempo trascorso
dall'inizio della simulazione in secondi (e.g. wdepth.500, wdepth.1000).
Il deflusso superficiale è convogliato sulla base delle derivate
parziali del campo elevazione o di altri elementi del paesaggio che
influiscono sul deflusso. Le equazioni di simulazione comprendono un termine
di diffusione (parametro diffc) che permette al deflusso idrico di
superare le depressioni o gli ostacoli quando l'altezza dell'acqua eccede un
valore di soglia (hmax), dato in [m]. Quando questo viene raggiunto,
il termine di diffusione aumenta come dato da [secondo il parametro]
halpha e il termine di advezione (direzione del flusso) è
determinato come direzione "prevalente" di flusso calcolata come media delle
direzioni di flusso dal precedente numero di celle [grid] hbeta.
NOTE
Attraverso la forma bivariata delle equazioni di Saint Venant viene descritto
un modello bidimensionale delle acque basse (e.g., Julien et al., 1995).
La continuità della relazione del defllusso è combinata con
l'equazione della conservazione del momento e, per un defllusso superficiale in
acque basse, il raggio idraulico è dato approssimativamente
dall'altezza d'acqua del defllusso normale.
Il sistema di equazioni è chiuso utilizzando la relazione di Manning.
Il modello assume che il flusso sia simile all'approssimazione dell'onda
cinematica, però nel modello viene incluso un termine simile alla
diffusione per incorporare l'impatto degli effetti di diffusione dell'onda.
L'incorporazione delle diffusione nella simulazione del deflusso non è
nuova e un termine simile è stato ottenuto nella derivazione di
equazioni di diffusione-advezione per il deflusso superficiale, p.es. da
Lettenmeier e Wood, (1992).
In questa riformulazione, il coefficiente di diffusione viene
semplificato in una costante e viene usato un termine di diffusione modificato.
La costante di diffusione utilizzata è piuttosto piccola
(approssimativamente un ordine di grandezza più piccola del reciproco
del coefficiente di Manning) e quindi il flusso risultante è vicino al
regime cinematico. Comunque, il termine di diffusione migliora la soluzione
cinematica, superando piccole depressioni poco profonde comuni nei modelli
digitali del terreno (DEM) e livellando il flusso sulle
discontinuità del pendio o in concomitanza di brusche variazioni del
coefficiente di Manning (ad esempio a causa di una strada o di altre
modificazioni antropogeniche dell'altimetria o della copertura).
Il metodo di soluzione stocastico con funzioni di Green.
Le equazioni di Saint Venant vengono risolte con un metodo stocastico
chiamato Monte Carlo (molto simile ai metodi Monte Carlo della dinamica dei
fluidi computazionale o agli approcci quantum Monte Carlo per la soluzione
dell'equazione di Schrodinger [Schmidt and Ceperley, 1992, Hammond et al.,
1994; Mitas, 1996]).
Si assume che queste equazioni siano una rappresentazione di processi
stocastici con componenti di diffusione e di drift (equazioni di Fokker-Planck).
La tecnica Monte Carlo ha divese caratteristiche distintive che lo rendono
superiore ad altri metodi, rese sempre più apprezzabili dalla crescente
evoluzione della tecnologia informatica. Forse una delle proprietà
più significative della tecnica Monte Carlo è la notevole
efficienza del metodo, che permette di risolvere equazioni per casi complessi,
come discontinuità nei coefficienti di operatori differenziali (nel
nostro caso, brusche variazioni di pendenza o di copertura, etc). Inoltre,
soluzioni approssimate possono essere trovate piuttosto velocemente, il che
permette di eseguire studi quantitativi preliminari o di estrarre rapidamente
indicazioni qualitative dall'esame dei parametri. Oltre a ciò, i metodi
stocastici ben si adattano alla nuova generazione di calcolatori, poiché
forniscono scalabilità da una singola stazione di lavoro fino a grandi
macchine parallele a causa dell'indipendenza di punti di campionamento.
Perciò, i metodi sono utili sia per il lavoro abituale di indagine
speditiva con un computer desktop che per grandi applicazioni all'avanguardia
usando strumenti di calcolo con elevate prestazioni.
ESEMPIO
Spearfish region:
g.region rast=elevation.10m -p
r.slope.aspect elevation=elevation.10m dx=elev_dx dy=elev_dy
# synthetic maps
r.mapcalc "rain = if(elevation.10m, 5.0, null())"
r.mapcalc "manning = if(elevation.10m, 0.05, null())"
r.mapcalc "infilt = if(elevation.10m, 0.0, null())"
# simulate
r.sim.water elevin=elevation.10m dxin=elev_dx dyin=elev_dy \
rain=rain manin=manning infil=infilt \
nwalk=5000000 depth=depth
# visualize
r.shaded.relief elevation.10m
d.mon x0
d.font Vera
d.rast.leg depth pos=85
d.his i=elevation.10m.shade h=depth
d.barscale at=4,92 bcolor=none tcolor=black -t

Water depth map in the Spearfish (SD) area
MESSAGGI DI ERRORE
Se il modulo produce l'errore
ERROR: nwalk (7000001) > maxw (7000000)!
si deve selezionare un valore del parametro nwalk più basso.
VEDERE ANCHE
v.surf.rst,
r.slope.aspect,
r.sim.sediment
AUTORI
Helena Mitasova, Lubos Mitas
North Carolina State University
hmitaso@unity.ncsu.edu
Jaroslav Hofierka
GeoModel, s.r.o. Bratislava, Slovakia
hofierka@geomodel.sk
Chris Thaxton
North Carolina State University
csthaxto@unity.ncsu.edu
RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
- Mitasova, H., Thaxton, C., Hofierka, J., McLaughlin, R., Moore, A., Mitas L., 2004,
Path sampling method for modeling overland water flow, sediment transport
and short term terrain evolution in Open Source GIS.
In: C.T. Miller, M.W. Farthing, V.G. Gray, G.F. Pinder eds.,
Proceedings of the XVth International Conference on Computational Methods in Water
Resources (CMWR XV), June 13-17 2004, Chapel Hill, NC, USA, Elsevier, pp. 1479-1490.
- Mitasova H, Mitas, L., 2000,
Modeling spatial
processes in multiscale framework: exploring duality between particles and fields,
plenary talk at GIScience2000 conference, Savannah, GA.
- Mitas, L., and Mitasova, H., 1998, Distributed soil erosion simulation
for effective erosion prevention. Water Resources Research, 34(3), 505-516.
- Mitasova, H., Mitas, L., 2001,
Multiscale soil erosion simulations for land use management,
In: Landscape erosion and landscape evolution modeling, Harmon R. and Doe W. eds.,
Kluwer Academic/Plenum Publishers, pp. 321-347.
- Neteler, M. and Mitasova, H., 2008,
Open Source GIS: A GRASS GIS Approach. Third Edition.
The International Series in Engineering and Computer Science: Volume 773. Springer New York Inc, p. 406.
Last changed: $Date: 2010-11-28 23:18:09 +0100(dom, 28 nov 2010) $
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