Модель PRZM3

Ознайомлення з моделлю PRZM3

PRZM3 поєднує в собі 2 моделі, PRZM (Pesticide Root Zone Model) та VADOFT (Vadose Zone Flow and Transport Model) для розрахунку пересування та трансформації пестицидів починаючи з руху через коріння рослин, вадозні води і до шару насичення. PRZM3 включає в себе симуляцію температури ґрунту, випаровування та переміщення випарів у ґрунті, симуляцію зрошення і мікробну трансформацію. PRZM одновимірна скінченно-диференційовна модель, яка використовує метод характеристик для усунення чисельної дисперсії. VADOFT - це одновимірний, метод скінченних елементів, який розв'язує рівняння Річардса. Користувач може використати складові зв'язків між тиском, вмістом води і провідністю води для розв'язання рівняння. Модель PRZM3 здатна симулювати розповсюдження декількох різних пестицидів. Також ця модель дає можливість визначення ймовірності концентрації або потоків з або в різні середовища з метою оцінювання впливу. PRZM та VADOFT є з'єднані за допомогою гнучкого механізму виконання, який дозволяє користувачу будувати добре підлаштовані моделі для специфічних ситуацій.

Використання PRZM3

PRZM3 є американською моделюю EPA Environmental Protection Agency [Архівовано 26 квітня 2011 у Wayback Machine.] для передбачення частки пестицидів коренях рослин та в зоні аерації. PRZM3 симулює транспортування пестицидів, які застосовуються в сільському господарстві та враховує вплив сільськогосподарської діяльності людини. Ця модель дає оцінку можливого впливу беручи до уваги мінливість природного середовища і невизначеності в системах властивостей і процесів. Ця програма використовує розширену пам'ять.

PRZM3 має наступні переваги над PRZM:

• Симуляція температури ґрунту
• Випаровування та фази переміщення випарів у ґрунті
• Симуляція зрошення
• Мікробна трансформація
• метод характеристик для усунення чисельної дисперсії

PRZM може симулювати транспортування та трансформацію батьківської суміші та не біліше ніж два дочірні види. VADOFT - це модель, яка розв'язує рівняння рівняння Річардса для потоків через не насичену зону. Користувач може використати взаємозв'язки між тиском, вмістом води та провідністю води для розв'язання рівняння потоків. Також VADOFT може симулювати два батьківські та два дочірні процеси. Коди PRZM та VADOFT є поєднані з допомогою гнучкого процесу виконання, який дає можливість користувачу будувати добре прилаштовані моделі до специфічних ситуацій. Для створення ймовірнісної вибірки, цей код є обладнаний препроцесором та постпроцесором Монте Карло.

Огляд PRZM

Pesticide Root Zone Model (PRZM) - використовується для моделювання транспортування пестицидів у найвищому шарі ґрунту відразу після коренів рослин. Ця модель складається з двох головних складових - гідрології та транспортування хімії. Гідрологічна складова для вираховування стоку та ерозії базується на порядку кривої методу консервації ґрунту (The Soil Conservation Service curve number) та універсальному рівнянні ґрунтових втрат.

Евапотранспірація визначається або просто з даних про випаровування, або за емпіричною формулою. Евапотранспірація — кількість вологи, що переходить в атмосферу у вигляді пари в результаті десукціі і подальшої транспірації (фізіологічне випаровування) і фізичного випаровування з ґрунту і з поверхні рослинності. Евапотранспірація виражається в мм водяного стовпа і корелює з біопродуктивністю екосистем. Рух води симулюється завдяки використанню узагальнених параметрів ґрунту, включаючи площу, точку осідання, насиченість води вмістом різних елементів.

Складова транспортування хімічних речовин - може симулювати вплив пестицидів на ґрунт та листки рослин. З допомогою недавно додної складової: біологічного розпаду, можна розглядати вплив пестицидів на корені рослин. Розчинені, поглинуті, випарувані концентрації пестицидів в ґрунті визначаються одночасним розглядом процесів: поглинання пестицидів рослинами, стоку поверхні, ерозії, розпаду, випаровування, омивання лисків рослин, адвекції, дисперсії та запізнення. Є два варіанти розв'язку транспортного рівняння:

1. Зворотно-диференційована неявна схема, яка може зазнати зазнати негативного впливу через надлишкову чисельну дисперсію.
2. Метод характеристик, який усуває чисельну дисперсію, але трохи збільшує час виконання моделі.

Оскільки, PRZM може моделювати декілька зон, то це дозволяє злити характеристики різних зон в одну єдину симуляцію. Різні зони можуть бути візуалізовані, як різні сегменти поверхні є з'єднані в горизонтальному положенні. Існують три варіанти, які користувач може використати для реалізації симуляції кількох зон:

• • для симуляції гетерогенних PRZM кореневих зон з гомогенними вадозними зонами
  • для симуляції гомогенних кореневих зон з гетерогенними вадозними водами
  • для симуляції кількох гомогенних кореневих зон з кількома гомогенними вадозними зонами

Ще одна додана функція це можливість симулювати максимум 3 хімікати одночасно як окремі елементи або як батьківсько-дочірні взаємозв'язки. Це дає користувачу змогу спостерігати за кількома хімікатами без потреби запускати програму декілька разів чи ввести фактор масової трансформації з батьківського елемента в один чи два дочірні елементи.

Прогнози проводяться щоденно. Вихідні дані можуть бути підсумовані за день, місяць чи рік (в залежності від потреб користувача). Щоденні прогнози різних значень, можуть бути записані в послідовні файли під час виконання програми для подальшого вивчення.

Обмеження PRZM

Гідравлічні і гідрологічні розрахунки досі виконуються у PRZM з денним часовим проміжком, хоча для використання деяких процесів (випаровування, стік, ерозія), потрібні кращі часові проміжки для досягнення вищої точності та більшого реалізму процесу. Для прикладу візьмемо симуляцію візьмемо симуляцію ерозії через стік. Стік буде залежати від найбільшої швидкості стікання, яка в свою чергу залежатиме на часовій основі від графіку гідрографа. Графік буде залежати від даних про щоденні витрати води в місці спостереження за стоком. В PRZM денний часовий проміжок залишається, в основному, завдяки присутності відносної різниці між денними метеорологічними даними та даними за менший період. Це обмеження було пом'якшене завдяки частково покращеним керуванням параметрів.

У старішій версії PRZM гідравліка ґрунту була дуже простою - всі стоки води в ґрунтову ємність поля з'являлися в межах одного дня. (Можливість робити стоки була включеною в цю модель, але не можна впевнено стверджувати, що користувачі моделі використовували як якесь значне розширення). Це впливало на одноденні дослідження, особливо на ті, що проводилися в ґрунтах на більшій глибині і спричиняло хибне моделювання переміщення хімікатів у ґрунті (насправді, переміщення були більшими, ніж очікувалося за моделлю). Поки таке представлення гідравліки ґрунтів залишалося за PRZM, користувач мав можливість поєднати PRZM та VADOFT. За такого використання PRZM застосовується для представлення кореневої зони, тоді як VADOFT з більш строгим представленням ненасичених потоків використовується для показу більш щільної вадозної зони. Для моделювання на невеликій відстані між поверхнею ґрунту та верхнім шаром ґрунтових вод можна використати PRZM без використання VADOFT допоки не буде ніяких шарів, які блокуватимуть стік.

PRZM симулює лише адвективний рух води вниз і не враховує дифузійний рух через градієнт води і ґрунту. Звідси випливає, що PRZM не може симулювати рух води вгору через градієнт спричинений транспортуванням випарів. Цей процес був класифікований, як один з найважливіших процесів для симуляції випаровування. Однак, цей процес не матиме значного впливу на процес транспортування хімікатів під високим тиском випарів. Для хімікатів парова дифузія буде головним процесом для відновлення концентрації хімікатів на поверхні ґрунту.

Останнє обмеження полягає у використанні середнього польового елемента для води і транспортування хімікатів для представлення просторово-гетерогенних ґрунтів. Декілька досліджень показали, що такий підхід продукує час досягнення повільніше ніж спостереження з використанням стохастичного підходу. Ця проблема була вирішена шляхом додавання можливості запуску PRZM3 в рамках Монта-Карло. Таким чином, розподільне, а не усереднене поле, значення якого можуть бути використані як вхідні дані, які будуть виробляти розподільні виходи відповідних змінних (наприклад, потік до столу води).

Огляд VADOFT

VADOFT скінченно-елементним методом моделювання руху вологи і транспорту розчинених речовин в зоні аерації. Це друга частина двокомпонентної моделі PRZM3 для прогнозування руху пестицидів в межах кореневої зони рослин і нижче та оцінки подальшого забруднення підземних вод. VADOFT імітує одновимірну, однофазну вологість і транспортування розчинених речовин в необмежених, змінно-насичених пористих середовищах. Транспортні процеси включають гідродинамічну дисперсію, адвекцію, лінійну рівноважну сорбцію і розпад першого порядку. Модель передбачає масовий потік інфільтрації або швидкість перезарядки і розчиненої речовини, що надходить в зону насичення.

Модель, яка використовує метод скінченних елементів Гальоркіна для апроксимації основних рівнянь для потоку і транспорту, допускає широкий діапазон нелінійних умов потоку. Граничні умови змінно-насичених проблем потоку можуть бути визначені в термінах запропонованого напору або запропонованого об'ємного потоку води на одиницю площі. Граничні умови задачі розчиненої речовини транспорту може бути визначено в термінах заданої концентрації або запропонованого потоку маси розчиненої речовини на одиницю площі. Всі граничні умови можуть залежати від часу. Важливою особливістю алгоритму є використання конститутивних співвідношень для ґрунтових вод характеристичних кривих, заснованих на текстуру ґрунту.

Обмеження VADOFT

Основні припущення моделі течії в тому, що потік рідкої фази одновимірно, ізотермічний і регулюється законом Дарсі, і що рідина трішки схильна до стискання і однорідності. Ефект гістерезису в конститутивних співвідношеннях відносної проникності проти водонасиченості, а також водонасиченості в порівнянні з головкою капілярного тиску, як передбачається, буде незначним.

Основні допущення розчиненої речовини транспортної моделі є те, що адвекції і дисперсії є одновимірними і що властивості рідини не залежить від концентрації забруднювальних речовин. Дифузне / дисперсійне перенесення в пористому середовищі системи визначається законом Фіка. Гідродинамічний коефіцієнт дисперсії визначається як сума коефіцієнтів механічної дисперсії і молекулярної дифузії. Адсорбція і розпад розчиненої речовини описується лінійною рівноважною ізотермою і зосередженими константи розпаду першого порядку. Батьківсько-дочірні хімічні відносини можуть бути змодельовані.

Модель обробляє тільки однофазовий потік (для прикладу води) і ігнорує присутність другої фази, для прикладу, повітря. Модель не враховує сорбційну нелінійність або кінетичні ефекти сорбції, що в деяких випадках може мати важливе значення. Модель враховує тільки одну пористість (гранульовану) ґрунту. Це не моделює потік або перенесення в тріщинуватих пористих середовищах або структурованих ґрунтах.

Огляд Монте-Карло

Монте-Карло виконує всі функції, необхідні для виконання моделювання методом Монте-Карло. Він зчитує спеціальні дані для параметрів, щоб можна було варіювати (наприклад, типи розподілу і моментів) і вихідні змінні, які ми спостерігатимемо; генерує випадкові числа, корелює їх і виконує перетворення; міняє ці згенеровані значення для параметрів PRZM3; виконує статистичний аналіз на вихідних змінних; і виписує статистичні зведення для вихідних змінних.

Модуль MCARLO використовує файл введення і виведення. Багато з параметрів, введених у вхідному файлі MCARLO один раз призначені як константи будуть використовуватися замість того ж значення параметра, введеним в стандартному вхідному файлі.

Невелике число вхідних змінних може бути змінене у випадковому порядку шляхом виклику підпрограми Монте-Карло. Однак, додати додаткові змінні - не складно.

PRZM3 може працювати в режимі Монте-Карло, так що ймовірнісні оцінки навантажень пестицидів в насиченій зоні з вихідної області можуть бути зроблені. Введення препроцесора дозволяє користувачеві вибрати для розподілу ключових параметрів з різних розподілів:

• Сім'ї Джонсона (який включає в себе нормальний і логнормального)
• однаковий
• експонентний
• емпіричний

Якщо користувач вибирає розподіл з сімейства Джонсона, він може визначити кореляції між вхідними параметрами. Процесор Монте-Карло зчитує стандартні детерміновані набори вхідних даних для кожної моделі і читає вхідний файл Монте-Карло, який визначає, які параметри повинні бути дозволені для зміни, їх розподілу, параметри розподілу, і кореляційної матриці. Модель потім виконує заздалегідь визначену кількість запусків.

Вихідний процесор здатний підготувати статистику для зазначених вихідних змінних, включаючи середні, максимальні значення і квантилі розподілу вихідного сигналу. Вихідний процесор може також звести до таблиці кумулятивні частотні гістограми вихідних змінних і відправити їх на принтер для креслення.

PRZM3 включає в себе вихідний код, виконувані версії, інструкції для користувача, а також технічну підтримку.

Примітки

 Кухарський, В. М. (2008). Комп’ютерне моделювання засобами FEMLAB. Навчальний посібник (Українська). Львів: Видавничий центр ЛНУ імені Івана Франка. с. 144.