Prognostic model of total runoff and its components from a partially urbanized small lowland catchment

• Autorzy: Szymczak T. , Krezalek K.

Warianty tytułu

PL

Model prognostyczny odpływu całkowitego i jego składowych z małej nizinnej zlewni częściowo zurbanizowanej

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

The aim of the work is to present a new hydrological model, developed at the Institute of Technology and Life Sciences (Instytut Technologiczno-Przyrodniczy), which can be used to simulate and study the formation of total runoff and its components from a small lowland agricultural catchment, in various meteorological conditions, taking into account the different initial retention status of the catchment and the impact of urbanized areas on the said runoff. The study involved the necessity of choosing the type of the model, and the manner of describing hydrological processes. Based on studying subject literature, as well as on the results of previous research and observations conducted in the upper Mławka river catchment (left tributary of the Wkra river), it was assumed that the most appropriate tool for prognostic and simulation purposes would be a conceptual model, that – in its structure and description of hydrological processes – would take into account the theory of active areas (variable source areas). It was assumed that a simple model would be developed as far as possible, that would create the possibility of simulating hydrographs of total runoff, surface runoff, subsurface runoff, and ground runoff from a natural catchment, and from catchments which have been urbanized to varying degrees. The work also includes the presentation of proposed principles for the classification of urbanized areas, taking into account their location within the catchment area and the way of draining rainwater, as well as a description of adequate modules of the model that would make it possible to simulate the runoff from the urbanized sub-catchments. The model is described by the state-space representations (differential equations) and output equations. It works with a one-hour time interval. The input is total precipitation and reference evapotranspiration. On the output end, we receive the total runoff hydrograph, and the hydrographs of the components of this runoff. The model includes 10 optimized parameters, occurring in procedures simulating processes in the natural, non-transformed part of the catchment, and 10 measurable parameters used to describe partially urbanized catchments. The article presents the results of identifying the parameters for the model, and of its verification. For this purpose, 5 hydrographs of total runoff were used, between 192 and 432 hours long, including storm surges. They were recorded in the catchment of the upper-course Mławka river. The obtained values of the criterion functions lead us to conclude that the quality of the model is very good. The model has been used for simulation studies of the impact of urbanization of the agricultural catchment on the parameters of river runoff (Krężałek 2018).

PL

Celem pracy jest przedstawienie nowego modelu hydrologicznego (opracowanego w Instytucie Technologiczno-Przyrodniczym), który może być stosowany do badań symulacyjnych kształtowania się odpływu całkowitego i jego składowych z małej nizinnej zlewni rolniczej w różnych warunkach meteorologicznych, z uwzględnieniem różnych początkowego stanu retencji zlewni i oddziaływania na ten odpływ obszarów zurbanizowanych. Opracowanie wiązało się z koniecznością dokonania wyboru rodzaju modelu i sposobu opisu procesów hydrologicznych. Na podstawie studiów literaturowych i wyników wcześniejszych badań oraz obserwacji prowadzonych w zlewni górnej Mławki (lewy dopływ Wkry) przyjęto, że najodpowiedniejszym narzędziem do celów prognostycznych i badań symulacyjnych będzie model konceptualny, uwzględniający w swej strukturze i opisie procesów hydrologicznych teorię obszarów czynnych. Założono, że opracowany zostanie możliwie prosty model, który stwarzałby możliwość symulowania hydrogramów odpływu całkowitego, powierzchniowego, podpowierzchniowego i gruntowego ze zlewni naturalnej oraz zlewni w różnym stopniu zurbanizowanej. Praca obejmuje także przedstawienie propozycji zasad klasyfikacji obszarów zurbanizowanych, uwzględniającej ich lokalizację na terenie zlewni i sposób odprowadzania ścieków opadowych oraz opis odpowiednich modułów modelu służących do symulacji odpływu z cząstkowych zlewni zurbanizowanych. Model opisany jest równaniami stanu i równaniami wyjść. Pracuje z krokiem czasowym równym jednej godzinie. Wejście stanowi opad całkowity i parowanie wskaźnikowe. Na wyjściu otrzymujemy hydrogram odpływu całkowitego oraz hydrogramy składowych tego odpływu. Model ma 10 optymalizowanych parametrów występujących w procedurach symulujących procesy w naturalnej – nieprzekształconej części zlewni oraz 10 mierzalnych parametrów służących do opisu cząstkowych zlewni zurbanizowanych. W artykule przedstawiono wyniki identyfikacji parametrów modelu oraz jego weryfikacji. Do tego celu wykorzystano 5 hydrogramów odpływu całkowitego o długości od 192 do 432 godzin obejmujących wezbrania opadowe. Były one zarejestrowane w zlewni badawczej górnej Mławki. Otrzymane wartości funkcji kryterialnych pozwalają przyjąć, że jakość modelu jest bardzo dobra. Model został wykorzystany do badań symulacyjnych wpływu urbanizacji zlewni rolniczej na parametry odpływu rzecznego (Krężałek 2018).

Słowa kluczowe

EN

Mlawka River; catchment; small catchment; lowland catchment; outflow; total outflow

• Wydawca: -
• Czasopismo: Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus
• Rocznik: 2018
• Tom: 17
• Numer: 3
• Opis fizyczny: p.185-203,fig.,ref.

Twórcy

autor

Szymczak T.

• Department of Water Engineering and Management, Institute of Technology and Life Sciences, Falenty, Al.Hrabska 3, 05-090 Raszyn

autor

Krezalek K.

• Department of Water Engineering and Management, Institute of Technology and Life Sciences, Falenty, Al.Hrabska 3, 05-090 Raszyn

Bibliografia

• Allen R.G., Pereira L.S, Raes D., Smith M. (1998). Crop evapotranspiration. Guidelines for computing crop water requirements. Rome: FAO.
• Allred B., Haan C.T. (1991). Variability of optimized parameters estimates based on observed record length. Americ. Soc. of Agric. Engin., 34(6), 2421–2426.
• Andersen J., Refsgaard J., Jensen K.H. (2001). Distributed hydrological modeling of the senegal river catchment model construction and validation. Journal of Hydrology, 247, 200–214.
• Banasik K. (2009). Wyznaczanie wezbrań powodziowych w małych zlewniach zurbanizowanych. Warszawa: Wydaw. SGGW.
• Betson R.P. (1964). What is watershed runoff? Journal of Geophysical Research, 69,1541–1552.
• Cappus P. (1960). Bassin expérimental d’Alrance. Étude des lois de l’écoulement. Application au calcul et à la prévision des débits. La Houille Blanche, A, 493–520.
• Dunne T., Black R.D. (1970a). An experiment investigation of runoff production in permeable soils. Water Resources Research 6(2), 478–490.
• Dunne T., Black R.D. (1970b). Partial area contributions to storm runoff in a small New England watershed. Water Resources Research, 6(5), 1296–1311.
• Hewlett J.D., Hibbert A.R. (1967). Factors affecting the response of small watersheds to precipitation in humid areas. W: W.E. Sopper, H.W. Lull. (eds.), Forest Hydrology. New York: Pergamon Press, 275–290.
• Hooke R, Jeeves T. A. (1961). Direct Search solution of numerical and statistical problems. Journal of the Association for Computing Machinery, 8(2), 212–229.
• Horton R.E. (1933). The role of infiltration in the hydrologic cycle. Hydro. Publ., 51, 546–557.
• Krężałek. K. (2017).Wpływ urbanizacji zlewni rolniczej na kształtowanie wezbrań opadowych na przykładzie górnej Mławki. Rozprawa doktorska. Falenty: Instytut Technologiczno – Przyrodniczy.
• Krężałek K. (2018). Prognoza kształtowania się wezbrań opadowych w małej zlewni nizinnej dla różnych wariantów jej urbanizacji. Acta Scientiarum Polonorum seria Formatio Circumiectus … (nadesłany referat na Kongres).
• Łabędzki L., Kanecka-Geszke E., Bąk B., Słowińska S. (2011). Estimating reference evapotranspiration using the FAO Penman-Monteith method for climatic condition. W: Łabędzki L. (ed.) Evapotranspiration. Rijeka: INTECH Open Access Publisher.
• Nash J.E., Sutcliffe J.V. (1970). River flow forecasting through conceptual models. Part I – a discussion of principles. Journal of Hydrology, 10(3), 282–290.
• Neitsch S.L., Arnold J.G., Kiniry J.R., Williams J.R. (2011). Soil and Water Assessment Tool Theoretical Documentation: Version 2009. U.S. Department of Agriculture – Agricultural Research Service, Grassland, Soil and Water Research Laboratory, Temple, TX and Blackland Research and Extension Center, Texas AgriLife Research, Temple, TX. Texas Water Resources Institute Technical Report, 406.
• Rossman L.A., Huber W.C. (2016). Storm Water Management Model Version 5.0. Reference Manual. National Risk Management Research Laboratory. United States Environmental Protection Agency, EPA/600/R15/162A, Cincinnati, Ohio.
• Sarma P.B.S., Delleur J.W., Rao A.R. (1973). Comparison of rainfall runoff models for urban areas. Journal of Hydrology, 18, 329–347.
• Szeląg B., Kiczko A., Dąbek L. (2016). Analiza wrażliwości i niepewności modelu hydrodynamicznego (SWMM) do prognozowania odpływu wód opadowych ze zlewni zurbanizowanej – studium przypadku. Ochrona Środowiska, 38, 3, 15–22.
• Szymczak T. (1996). Zastosowanie systemu SYSMOR do symulacji odpływu rzecznego z małej zlewni nizinnej. W: Publikowane referaty Seminarium Naukowego pn. „Modelowanie matematyczne w hydrologii”. Kraków, 8–10 maja. Kraków: Politechnika Krakowska, 83–92.
• Szymczak T. (2003). Flood forecasting model for Nysa Klodzka River. W: J. Napiórkowski (ed.) Modelling and controlling of floods. Monographic. Publications of the Institute of Geophysics Polish Academy of Sciences. E-3, (365), 49–69.
• Szymczak T., Szelenbaum C. (2003). Badania odpływu podpowierzchniowego w zlewni górnej Mławki. Informator IMUZ. Wiadomości Melioracyjne i Łąkarskie, 46, 2, 89–93.
• Ward R.C. (1984). On the Response to Precipitation of Headwater Streams in Humid Areas. Journal of Hydrology, 74, 171–189.
• Weyman D.R. (1970). Throughflow on hillslopes and its relation to the stream hydrograph. Hydrological Sciences Bulletin,15, 25–33.
• Weyman D.R. (1973). Measurements of downslope flow of water in a soil. Journal of Hydrology, 20, 267–284.

Identyfikatory

DOI

10.15576/ASP.FC/2018.17.3.185