Simulace retence vody v přírodě (Netlogo)

Simulace Retence vody v přírodě
Název simulace: Simulace retence vody v přírodě

Autor: Jan Reindl

Modelovací nástroj: NetLogo

Popis modelu: Dnes často diskutovaným tématem je problém neustálého sucha v krajině a konstantní pokles hladiny spodních vod. Cílem tohoto modelu je nasimulovat podle dostupných informací tuto situaci. Prostředí tvoří krajina s různě složitým terénem, na který dopadá určité množství srážek. Část vody se vsákne, ale zbytek teče směrem dolů. V místech, kde protéká hodně vody může docházet k erozi. Půda má dvě "vrstvy" první vrstva je povrchová, s omezenou možností absorbovat vodu. Druhá vrstva je hluboká a má relativně neomezenou kapacitu, voda se do ní ale dostává postupně skrze svrchní vrstvu. V modelu je zachyceno několik kategorií půdy s různou propustností a polní kapacitou. K tomu, aby mohla voda začít prosakovat do podzemních vod, musí být nejdříve naplněna kapacita povrchové vrstvy. Voda, která steče k okraji plochy simulace je brána jako ztracená a její množství je sledováno, je však možné jej ovlivnit. Kromě vsakování také dochází k úbytku vody odpařováním a spotřebou vody rostlinami. Takovému souhrnému jevu se říká evapotranspirace. V modelu je také začleněno několik druhů povrchu půdy podle jejího využití. Každý druh povrchu (různé plodiny nebo stromy) ma jinou odolnost vůči erozi a jinou rychlost evapotranspirace.

=Metoda:= K vytvoření simulace bylo použito nástroje NetLogo, kterž z pravidla slouží k vytváření multiagentních simulací. Jedná se o ideální nástroj pro simulaci přírodních úkazů a dovoloje celkem dobře sledovat vývoj situace. Nicméně tento model je poměrně složitý a náročný, a to i přes to, že se stále jedná o zjednodušenou podobu zkoumané reality.

Agenty
Jediným druhem agentu v této simulaci jsou samotné dlaždice tvořící prostředí simulace, které si mezi sebou předávají informace. Původním záměrem bylo ztvárnit tekoucí vodu pomocí samostatných agentů. Vzhledem k již tak velmi vysoké výpočetní náročnosti, respektive omezené schopnosti nástroje NetLogo využít dostupnou kapacitu by takové počínání takřka nemožné.

Základní metody modelu

 * Nastavení prostředí: pomocí několika metod, které slouží k vytvoření prostředí simulace je vytvořeno prostředí zobrazující krajinu s různou nadmořskou výškou a různými druhy půdy a jejího pokrytí různou vegetací.
 * Srážky: Když dochází ke srážkám, na jednotlivé souřadnice dopadá různé množství vody. Tato voda se dále vsakuje nebo odtéká pryč z místa dopadu respektive ze své současné polohy.
 * Vsakování vody: Pokud se na povrchu jakékoliv "dlaždice" nachází nějaká voda, dochází k jejímu vsakování rychlostí, která se liší podle druhu půdy. Tímto vsakováním se naplňuje retenční kapacita půdy
 * Perkolace: Jestliže dojde k naplnění kapacity svrchní vrstvy půdy, dochází k perkolaci, tedy v podstatě k další fázi vsakování, kdy se voda z vrchní vrstvy půdy dostává do spodních vod a zvyšuje tak její hladinu.
 * Odtok: poté, co se vsákne maximální možné množství vody za daný časový úsek, zbývající voda odtéká, pokud se v bezprostřední blízkosti nachází místo, které je níže položené (a případně je na něm nižší hladina vody)
 * Úpravy prostředí: Operátor simulace má také k dispozici možnost vykopat umělý příkop nebo postavit hráz a zabránit vodě v odtoku nebo naopak umožnit nasměrování vody jinam.
 * Resetování: Uživatel také může nechat vodu, která předtím napršela a sledovat tak stejný scénář vícekrát posobě, nebo porovnávat výsledky před a po zbudování hráze. Bez resetování může simulace naopak běžet dále.
 * Zobrazení: Model dovoluje přepínat mezi zobrazením prostředí podle elevace, druhu půdy nebo druhu pokrytí.

Průběh simulace
Jednotlivé kroky simulace jsou "krokovány" pomocí takzvaných ticků. Tato simulace je nastavena tak, že jeden tick představuje jednu minutu skutečného času a rychlosti vsakování a vypařování jsou nastaveny podle toho. Pokud skončí déšť, uživatel může přejít do následujícího dne, odtok a vsakování vody se podle toho nasimuluje.

Vstupní parametry modelu
Model obsahuje značné množství vstupních prvků, které dovolojí různé nastavení prostředí simulace jako minimální a maximální elevace nebo počáteční vlhkost půdy - tedy z kolika procent je naplněna kapacita půdy. Nejduležitějším parametrem je ale samozřejmě vydatnost a intenzita srážek. Tedy kolik vody dopadne nazem a jak rychle (kolik promile z celku dopadne na zem za jednu minutu)

Shrnutí a výsledky
Tento model je i vzhledem k těžce dostupným informacím dle mého názoru celkem dobře nastaven. Jediným problémem je tvoření simulovaného prostředí náhodným způsobem. Pokud by existovala možnost importu topografické mapy, mohlo by se jednat o mnohem užitečnější nástroj. Největší nevýhodou modelu je však vysoká výpočetní náročnost modelu v kombinací s neschopností nástroje NetLogo řádně využít více jader procesoru činí práci s modelem relativně časově náročnou. Vývoj modelu byl časově velice náročný a potřebné informace nejsou zcela dostupné. Model byl však nastaven podle dostupných hydrologických informací přímo z České republiky a jednotlivé kategorie půdy v modelu odpovídají kategoriím používaným pro Českou republiku.

=Obrázky modelu=

Pohled na celkové uživatelské rozhraní









=Kód=

Zdrojový kód simulace je zde:

=Zdoje=

Primárním zdrojem byly údaje dostupné od Výzkumnéhi ústavu meliorací a ochrany půdy, v.v.i. na stránkách

ALLEN, R. G. Crop evapotranspiration: guidelines for computing crop water requirements. Rome: Food and Agriculture Organization of the United Nations, 1998. ISBN 92-5-104219-5.

|"Soil Infiltration" (PDF). United States Department of Agriculture.

DADKHAH, M., & GIFFORD, G. F. (1980). INFLUENCE OF VEGETATION, ROCK COVER, AND TRAMPLING ON INFILTRATION RATES AND SEDIMENT PRODUCTION. Journal of the American Water Resources Association, 16(6), 979–986. doi:10.1111/j.1752-1688.1980.tb02537.x