GRASS logo

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

r.sim.water generated depth map
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

Last changed: $Date: 2010-11-28 23:18:09 +0100(dom, 28 nov 2010) $


Main index - raster index - Full index

© 2003-2011 GRASS Development Team