Hydrologiske simuleringsmodeller, der informerer om politiske beslutninger, er vanskelige at fortolke

Hydrologiske modeller, der simulerer og forudsiger vandstrømning, bruges til at estimere, hvordan naturlige systemer reagerer på forskellige scenarier såsom ændringer i klimaet, arealanvendelse, og jordforvaltning. Outputtet fra disse modeller kan danne grundlag for politiske og lovgivningsmæssige beslutninger vedrørende vand- og jordforvaltningspraksis.

Numeriske modeller er blevet mere og mere nemme at anvende med fremskridt inden for computerteknologi og software med grafisk brugergrænseflade (GUI). Mens disse teknologier gør modellerne mere tilgængelige, problemer kan opstå, hvis de bruges af uerfarne modelbyggere, siger Juan Sebastian Acero Triana, en ph.d.-studerende i Department of Agricultural and Biological Engineering ved University of Illinois.

Acero Triana er hovedforfatter på en undersøgelse, der evaluerer nøjagtigheden af ​​en almindeligt anvendt numerisk model inden for hydrologi.

Resultater fra forskningen viser, at selv når modellen ser ud til at være korrekt kalibreret, dens resultater kan være svære at fortolke korrekt. Studiet, offentliggjort i Journal of Hydrologi , giver anbefalinger til, hvordan man kan finjustere processen og opnå mere præcise resultater.

Modelnøjagtighed er vigtig for at sikre, at politiske beslutninger er baseret på realistiske scenarier, siger Maria Chu, medforfatter til undersøgelsen. Chu er assisterende professor i landbrugs- og biologisk teknik ved College of Agricultural, Consumer and Environmental Sciences og Grainger College of Engineering ved U of I.

"For eksempel, du vil måske estimere virkningerne af fremtidens klima på vandtilgængeligheden over de næste 100 år. Hvis modellen ikke repræsenterer virkeligheden, du kommer til at drage de forkerte konklusioner. Og forkerte konklusioner vil føre til forkerte politikker, som i høj grad kan påvirke samfund, der er afhængige af vandforsyningen, " siger Chu.

Undersøgelsen fokuserer på Soil and Water Assessment Model (SWAT), som simulerer vandcirkulation ved at indarbejde data om arealanvendelse, jord, topografi, og klima. Det er en populær model, der bruges til at evaluere virkningerne af klima- og jordforvaltningspraksis på vandressourcer og bevægelse af forurenende stoffer.

Forskerne gennemførte et casestudie ved Fort Cobb Reservoir Experimental Watershed (FCREW) i Oklahoma for at vurdere modellens nøjagtighed. FCREW fungerer som et teststed for United States Department of Agriculture-Agricultural Research Service (USDA-ARS) og United States Geological Survey (USGS); dermed, detaljerede data er allerede tilgængelige om stream flow, reservoir, grundvand, og topografi.

Undersøgelsen koblede SWAT-modellen med en anden model kaldet MODFLOW, eller den modulære endelige forskelsflowmodel, som omfatter mere detaljerede oplysninger om grundvandsniveauer og flux.

"Vores formål var at afgøre, om SWAT-modellen i sig selv passende kan repræsentere det hydrologiske system, " siger Acero Triana. "Vi opdagede, at det ikke var tilfældet. Det kan ikke rigtig repræsentere hele det hydrologiske system."

Faktisk, SWAT-modellen gav 12 gentagelser af vandbevægelser, som alle syntes at være acceptable. Imidlertid, ved kombination med MODFLOW blev det klart, at kun nogle af disse resultater korrekt redegjorde for grundvandsstrømmen. Forskerne sammenlignede de 12 resultater fra SWAT med 103 forskellige grundvandsiterationer fra MODFLOW for at finde en realistisk repræsentation af vandstrømmene i vandskellet.

At give flere forskellige resultater, som alle synes lige sandsynligt at være korrekte, kaldes "equifinality". Omhyggelig kalibrering af modellen kan reducere equifinality, Acero Triana forklarer. Kalibrering skal også kunne tage højde for iboende begrænsninger i den måde, modellen er designet på, og hvordan parametre defineres. I tekniske termer, det skal tage højde for model- og begrænsningsmangel.

Imidlertid, uerfarne modelbyggere forstår måske ikke fuldt ud kalibreringens forviklinger. Og på grund af de iboende begrænsninger af både SWAT og MODFLOW, Brug af metrics fra kun én model giver muligvis ikke nøjagtige resultater.

Forskerne anbefaler at bruge en kombinationsmodel kaldet SWATmf, som integrerer SWAT- og MODFLOW-processerne.

"Dette papir præsenterer et casestudie, der giver generelle retningslinjer for, hvordan man bruger hydrologiske modeller, " siger Acero Triana. "Vi viser, at for virkelig at repræsentere et hydrologisk system, har du brug for to domænemodeller. Du skal repræsentere både overfladen og de underjordiske processer, der finder sted."

Forskellene i resultater kan være små, men over tid kan effekten være betydelig, slutter han.

Artiklen, "Beyond model metrics:the perils of calibration hydrologic models" er udgivet i Journal of Hydrologi .