ВОДНЫЕ РЕСУРСЫ, 2007, том 34, № 2, с. 181-189
_ ГИДРОФИЗИЧЕСКИЕ ПРОЦЕССЫ
УДК 556.18
ЛАНДШАФТНАЯ МОДЕЛЬ ВОДОСБОРА Р. ПАТУКСЕНТ.
__w -t
1. РАЗРАБОТКА ГИДРОЛОГИЧЕСКОИ МОДЕЛИ1
© 2007 г. А. Воинов, Р. Костанца, К. Фитц, Т. Максвелл
Институт экологической экономики Ганда, Университет Вермонта 05405-0088 Берлингтон, Майн стрит, 590 Поступила в редакцию 25.03.2004 г.
Разработана пространственная модель для изучения процессов на водосборе р. Патуксент (2352 км2, штат Мериленд) и его частных водосборах для обобщения комплексной пространственно-временной информации, а также для управления регионами. Модель разработана с использованием библиотеки гидроэкологических модулей (Library of Hydro-Ecological Modules (LHEM) http://giee.uvm.edu/LHEM), предназначенной для создания структур универсальной ландшафтной модели, которые могут быть легко модифицированы и детализированы в соответствии с задачами и объектами исследований. Библиотека LHEM содержит модули, которые имитируют различные аспекты динамики экосистем. В этой статье рассматриваются модули, которые представляют физические характеристики окружающей среды (климатические факторы, геоморфологию) и гидрологические процессы (локально и в пространстве). По возможности модули представлены в виде моделей SteUa(K), а процессы переноса -программами на языке C++.
Модульный подход учитывает преимущества пространственного моделирования среды обитания [1], позволяющего объединять различные модели Stella и программы на языке C++, а также включать локальные имитационные модели в контекст пространства. Локальная динамика экосистем воспроизводится сеткой ячеек, которые представляют собой растровый ландшафт. Разные природные компоненты и типы землепользования транслированы в различные модули и наборы параметров. Пространственные гидрологические модули связывают участки водосбора. Они также составляют часть LHEM и определяют горизонтальные потоки вещества и информации.
Общая модель экосистемы General Ecosystem Model (GEM) [2] предназначена для имитации разнообразия типов экосистем с помощью фиксируемой структуры модели. Однако GEM-подход оказался недостаточным для описания всего возможного разнообразия процессов и свойств экосистем, которые начинают действовать при переходе от одного типа экосистем к другому и при разных масштабах. Моделирование - процесс целевого управления, и в большинстве случаев для разных целей требуются разные модели. Экологическое разнообразие слишком велико, чтобы его адекватно представить в рамках одной общей модели. Что-то важное можно упустить, или мо-
1 Исследование выполнено при финансовой поддержке программы EPA STAR (Наука добиваться результатов) и Национального центра исследования окружающей среды и обеспечения качества при Организации по исследованию и
развитию.
дель оказывается слишком перегруженной для эффективного использования, особенно в рамках больших пространственных моделей. В зависимости от масштаба и разрешения важную роль играют разные переменные и процессы. Некоторые процессы, которые могли бы рассматриваться как равновесные при масштабе времени в неделю, должны быть детализированы и рассмотрены при часовом масштабе времени. Например, подпор поверхностных вод после дождя - важный процесс при высоком временном разрешении, но он лишний при достаточно большом шаге по времени, когда внутри этого шага вся поверхностная вода может быть либо унесена поверхностным стоком или израсходована на инфильтрацию. Флуктуации ежедневной чистой первичной продукции, которые важны в модели роста сельскохозяйственных культур, могут быть менее важными в модели леса, реализованной для периода нескольких десятилетий по имеющимся средне годовым климатическим данным. Общий подход, таким образом, может привести либо к недостаточным, либо к чрезмерно подробным результатам.
Модульный подход - логическая детализация общего подхода. В этом случае вместо создания модели достаточно общего представления всего разнообразия экологических систем в различных условиях окружающей среды, на основе чего мы разрабатываем библиотеку модулей, имитирующих различные компоненты экосистем или целые экосистемы с различными допущениями и разрешениями. В этом случае задача состоит в объеди-
Локальная динамика Пространственная динамика
Рис. 1. Главные модули и их взаимодействие. Локальные модули разработаны в виде моделей Stella; пространственные -в виде программ С++ с использованием SME-классов для доступа к пространственно распределенным переменным и параметрам.
нении модулей в соответствии с масштабами сложности описываемых процессов в рамках полной модели. Модульный принцип завоевал сильные позиции в развитии программного обеспечения в связи с широким распространением подхода, ориентированного на объект исследования [3, 4].
Важная особенность среды для пространственного моделирования (SME) [5] - способность использовать отдельные модели Stella [6] в формате модульного принципа. В дополнение к модулям Stella SME может также включать модули прикладных программ, которые важны для описания, например, различных пространственных потоков на водосборе или в пределах ландшафта. Используя SME вместо общей модели, которая должна представлять все разнообразие экосистем, можем разработать общую модульную конструкцию (рис. 1), определяющую набор основных переменных и связей между модулями. Отдельные реализации модулей универсальны и допускают большое разнообразие компонентов, которые должны быть доступны через библиотеки модулей. Они разработаны как автономные модели Stella, которые можно развивать, тестировать и использовать как независимые модули. Однако они могут совместно использовать некоторые переменные, общие для нескольких модулей, руководствуясь определенными правилами, описанными и принятыми в библиотечной таблице спецификаций. Когда модули разрабатываются и используются независимо, переменные определяются в виде констант по графикам и временным рядам, определяемым пользователем. В пределах SME эти переменные обновляются в
других модулях, чтобы обеспечить действительно динамическое взаимодействие.
Например, модули пространственной динамики могут быть представлены в C++. В модулях используются некоторые SME-классы, чтобы получить доступ к пространственным данным, которые затем могут быть введены в драйвер SME и использоваться для обновления локальных переменных, описанных в модулях Stella. В этом случае трудно предложить тот же уровень ясности в изложении программного обеспечения, как для Stella-модулей. Большое значение имеет четкость документации и комментариев к программе. Авторы надеются, что размещения различных модулей LHEM в Интернете с детальным описанием различных модулей и их функций повысит их полезность для повторного использования и дальнейшего совершенствования.
В этой и последующих трех статьях дано краткое описание основных модулей, которые в настоящее время включены в LHEM и были использованы для объединения модели ландшафта р. Патуксент (PLM) - достаточно комплексной пространственной модели водосбора, разработанной для интеграции динамики экологических и социально-экономических процессов на водосборе. В этой статье изложены общие принципы модульного моделирования и дано описание представления физических условия и гидрологических процессов в LHEM.
ОБЩИЕ ПОЛОЖЕНИЯ
В SME локальные модули могут быть описаны в виде секторов в Stella. Каждый модуль - это отдельная модель Stella. Далее назовем переменные состояния, действующие функции и параметры. В пределах сектора переменные будут рассматриваться принадлежащими этому модулю. Все внешние переменные, которые определены вне границ сектора, могут быть определены в других модулях. Чтобы сделать модуль функционирующим самостоятельно, эти внешние переменные должны быть заданы либо константами, либо временными рядами (например, в виде графиков изменения во времени в Stella) или в виде функции некоторых других независимых переменных.
Переменные, используемые в нескольких модулях, должны иметь одинаковое обозначение. Транслятор SME принимает уравнения Stella, сохраняемые в виде текстовых файлов, и транслирует их в промежуточный пакет уравнений, называемый модульным языком разметки Modular Markup Language (MML) [5]. Он будет находить общие имена и объединять их. Создается файл "config", который содержит все переменные из всех модулей. Этот файл в дальнейшем можно будет редактировать, чтобы изменять величины переменных в драйвере. Однако эти изменения не повлияют на величины, установленные для переменных в уравнениях в Stella-модулях. Благодаря ограничениям в Stella, нет обратного пути от MML или Stella-уравнений к Stella-изображениям диаграмм и к моделирующим средствам. Поэтому все изменения, внесенные в уравнения в MML, или непосредственно в драйвер в С++, будут утеряны, если экспортировать и обработать новый файл уравнений в Stella.
Локальная динамика эффективно описывается в рамках моделей Stella, но оказывается трудно, если не невозможно, представить пространственные процессы, используя этот подход. Чтобы соединить локальные модели в пространственную сеть, можно использовать SME, если имеется соответствующая программа. SME позволяет соединить программы С++, описанные в виде программы пользователя "User Code", с локальными обыкновенными дифференциальными (разностными) уравнениями Ож, основанными на уравнениях в Stella. Ряд SME-классов сделан доступным для написания программы потребителя, чтобы обеспечить доступ к пространственным и не пространственным структурам данных, управляемым SME.
Поскольку локальная динамика рассматривается в SME в контексте пространственной динамики, она приобретает пространственную изменчивость, которая может быть связана с различными пространственно распределенными параметрами (относящимися, например, к типам почв или к среде
обитания). В этом случае, при перемещении от одного места в пространстве к другому, та же самая система ODEs, генерированная из Stella, должна быть решена с другим набором параметров, замененным SME. В настоящее время SME не имеет свойств какой-либо расширенной базы
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.