< Terug naar vorige pagina
Project
Meten en modelleren van hydrologische connectiviteit
Hydrologische connectiviteit beschrijft de interne verbindingen tussen afstroom geproduceerd in hoger gelegen delen van een bekken en de uiteindelijke uitstroom aan de monding stroomafwaarts. Het wordt gekwantificeerd als de verhouding van de afstroom die het bekken verlaat t.o.v. de totale interne productie en koppelt dusdanig het lokale proces van regenwaterabstractie en afstroomproductie met de uitstroom die daadwerkelijk wordt waargenomen op bekkenschaal. Tijdens de waterverplaatsing van het lokale richting de monding, kan er substantiële herverdeling plaatsvinden:afstroom komende uit brongebieden wordt opnieuw opgenomen in afnamegebieden zodat geïsoleerde actieve delen stroomopwaarts effectief afgesneden worden van de monding en dusdanig niets bijdragen aan de uitstroom.Deze interactie tussen bron- en afnamepatronen en het hydrologische proces is een belangrijke reden waarom hydrologische observaties op laboratoriumschaal maar moeilijk de fenomenen waargenomen op veldschaal kunnen verklaren. Het vormt dusdanig ook een reden waarom hydrologische connectiviteit gedurende het voorbije decennium een sleutelbegrip in hydrologieis geworden, meer bepaald in semi-aride omgevingen. Dit manuscript bekijkt welke elementen de connectiviteit van een bekken bepalen en bespreekt wat voor gevolgen dit kan hebben voor datacollectie en modellering.
Waar traditionele hydrologie vaak waarneming behandelt op één locatie variërend in de tijd, benadrukt connectiviteit het belang van de ruimte. Het is de heterogeniteit van infiltratiecapaciteit en neerslagintensiteit in tijd én ruimte die de connectiviteit bepaalt. Het afstroomproces wordt geregeld door complexe overgangen van inactief naar actief en van actief naar contribuerend alsook door veranderingen inde dominante processen die wateropslag, -herverdeling en connectiviteitreguleren. Nadat wordt bevestigd dat het ruimtelijke patronen in heterogeniteit zijn die de connectiviteit bepalen, en niet enkel de statistische verdeling van die heterogeniteit, vragen we ons af welke patrooneigenschappen bepalend zijn en welke verwaarloosbaar. Een aantal hypotheses worden getest door landschapsmaten te correleren met het gemodelleerde hydrogram van een virtueel bekken. Elke maat kwantificeert een ander aspect van het landschapspatroon en hun verschillende graad van correlatie verschaft dusdanig een objectief criterium voor de significantie van dat aspect. De grootte van brongebieden in interactie met hun afstand tot de monding domineert de connectiviteit indien de neerslagintensiteit en infiltratiecapaciteiten in de zelfde grootte orde liggen en dusdanig een mozaïek van bron- en afnamegebieden bewerkstelligen. Wanneer het bekken meer homogeen reageert, verdwijnen patronen en is het het stroomnetwerk ende daaruit volgende reistijden die bepalend zijn. Ondanks het feit dat de landschapsmaten maar gedeeltelijk de connectiviteit kunnen voorspellen, vormen ze desalniettemin inzichtelijke maten om hypotheses te testen en kunnen dienen in bekkenclassificatie en ter identificatie van dominante processen. Indien we een verband vinden tussen bepaalde maten en bepaalde bekkenprocessen, kunnen we ook waarden van die maten vastleggen waaraan het heterogeniteitspatroon moet voldoen om tot een bepaalde klasse te behoren.
We stellen de ruimtelijke willekeurigheid van het patroon voor als een belangrijk kenmerk van de heterogeniteit om tweesystemen te onderscheiden: indien het patroon volledig willekeurig verdeeld is dan doet de ruimtelijk configuratie er niet toe en is uitsluitend de statistische verdeling van belang. Indien, anderzijds, de heterogeniteit een trend of onwillekeurig patroon vertoont, dan moet de specifieke ruimtelijke configuratie in rekening gebracht worden. Als de ruimte geen invloed heeft op de uitkomst, hoeft het ook niet expliciet gemodelleerd te worden. De vrijheidsgraden van het model kunnen dan beperkt wordentot de parameters die de statistische verdeling vastleggen, i.p.v. elk ruimtelijk element een ongecorreleerde waarde te geven, wat duidelijk zou leiden tot een veelvoud aan gelijkwaardige parameterwaarden die allen een aanvaardbare oplossing vooropstellen. Indien we enkel die ruimtelijke aspecten parameteriseren die er ook echt toe doen, verlagen we de overparameterisatie waaraan moderne distributed modellering lijdt. Wat datacollectie betreft: sinds de specifieke ruimtelijk configuratie van willekeurige patronen er niet toe doet, volstaat een steekproef die de statistische verdeling van de heterogeniteit opmeet; bij onwillekeurige patronen is het echter van belang om deze ruimtelijke patronen ook in de datacollectie op te nemen.
Indien we een beter inzicht willen verwerven in processen, moeten we modellen opstellen die hypotheses kunnen testen en moeten we data collecteren die deze hypotheses kunnen weerleggen. Zowel het belang van ruimte naast tijd als belangrijke dimensie en de vaststelling dat onwillekeurige patronen bepalend zijn, benadrukt dat,in connectiviteit gerelateerde problematiek, er een nood is aan data die hydrologische variabelen en processen ruimtelijk opmeten. Wij bestuderen een combinatie van Elektrische Resistiviteitstomografie (ERT) en TimeDomain Reflectometry (TDR): ERT meet ruimtelijk gemiddelde waarden en kan worden omgezet in een drie dimensioneel tomogram. TDR, anderzijds, iseen kleinschalige meetmethode en wordt gebruikt om een transformatie vast te leggen tussen resistiviteit en watergehalte, de zo gehete pedofysische functie. We schatten de totale infiltratie tijdens een geconcentreerd afstroom experiment in een semi-aride geul door de 3D verdeling vanhet bodemvochtgehalte op te meten met ERT en TDR voor het experiment als ook na de afloop ervan en dan het verschil te nemen. De voor de hand liggende aanpak (ERT inversie, omzetting van de resistiviteitsbeelden naar watergehalte en het verschil nemen) leidt echter tot onrealistische waarden. Om de uitkomst te verbeteren, ontwikkelen we een alternatieve inversie waarbij beperkingen worden opgelegd die de inversie moeten doen overeenkomen met onze kennis van het experiment en die gelijktijdig gebruikmaakt vande ERT en TDR data en terzelfder tijd de pedofysische functie optimaliseert. Alhoewel deze aanpassingen resulteren in significante verbeteringen, verhinderen de signal-to-noise ratio in de data en de povereresolutie een betrouwbare, kwantitatieve interpretatie van het bekomen infiltratiebeeld. Het was daarom onmogelijk om deze verder te gebruiken in hypothese testen en modellering. Desalniettemin geloven wij dat ERT en TDR metingen in combinatie met de voorgestelde inversie potentieel kanvoorzien in inzichtelijke resultaten.
Waar traditionele hydrologie vaak waarneming behandelt op één locatie variërend in de tijd, benadrukt connectiviteit het belang van de ruimte. Het is de heterogeniteit van infiltratiecapaciteit en neerslagintensiteit in tijd én ruimte die de connectiviteit bepaalt. Het afstroomproces wordt geregeld door complexe overgangen van inactief naar actief en van actief naar contribuerend alsook door veranderingen inde dominante processen die wateropslag, -herverdeling en connectiviteitreguleren. Nadat wordt bevestigd dat het ruimtelijke patronen in heterogeniteit zijn die de connectiviteit bepalen, en niet enkel de statistische verdeling van die heterogeniteit, vragen we ons af welke patrooneigenschappen bepalend zijn en welke verwaarloosbaar. Een aantal hypotheses worden getest door landschapsmaten te correleren met het gemodelleerde hydrogram van een virtueel bekken. Elke maat kwantificeert een ander aspect van het landschapspatroon en hun verschillende graad van correlatie verschaft dusdanig een objectief criterium voor de significantie van dat aspect. De grootte van brongebieden in interactie met hun afstand tot de monding domineert de connectiviteit indien de neerslagintensiteit en infiltratiecapaciteiten in de zelfde grootte orde liggen en dusdanig een mozaïek van bron- en afnamegebieden bewerkstelligen. Wanneer het bekken meer homogeen reageert, verdwijnen patronen en is het het stroomnetwerk ende daaruit volgende reistijden die bepalend zijn. Ondanks het feit dat de landschapsmaten maar gedeeltelijk de connectiviteit kunnen voorspellen, vormen ze desalniettemin inzichtelijke maten om hypotheses te testen en kunnen dienen in bekkenclassificatie en ter identificatie van dominante processen. Indien we een verband vinden tussen bepaalde maten en bepaalde bekkenprocessen, kunnen we ook waarden van die maten vastleggen waaraan het heterogeniteitspatroon moet voldoen om tot een bepaalde klasse te behoren.
We stellen de ruimtelijke willekeurigheid van het patroon voor als een belangrijk kenmerk van de heterogeniteit om tweesystemen te onderscheiden: indien het patroon volledig willekeurig verdeeld is dan doet de ruimtelijk configuratie er niet toe en is uitsluitend de statistische verdeling van belang. Indien, anderzijds, de heterogeniteit een trend of onwillekeurig patroon vertoont, dan moet de specifieke ruimtelijke configuratie in rekening gebracht worden. Als de ruimte geen invloed heeft op de uitkomst, hoeft het ook niet expliciet gemodelleerd te worden. De vrijheidsgraden van het model kunnen dan beperkt wordentot de parameters die de statistische verdeling vastleggen, i.p.v. elk ruimtelijk element een ongecorreleerde waarde te geven, wat duidelijk zou leiden tot een veelvoud aan gelijkwaardige parameterwaarden die allen een aanvaardbare oplossing vooropstellen. Indien we enkel die ruimtelijke aspecten parameteriseren die er ook echt toe doen, verlagen we de overparameterisatie waaraan moderne distributed modellering lijdt. Wat datacollectie betreft: sinds de specifieke ruimtelijk configuratie van willekeurige patronen er niet toe doet, volstaat een steekproef die de statistische verdeling van de heterogeniteit opmeet; bij onwillekeurige patronen is het echter van belang om deze ruimtelijke patronen ook in de datacollectie op te nemen.
Indien we een beter inzicht willen verwerven in processen, moeten we modellen opstellen die hypotheses kunnen testen en moeten we data collecteren die deze hypotheses kunnen weerleggen. Zowel het belang van ruimte naast tijd als belangrijke dimensie en de vaststelling dat onwillekeurige patronen bepalend zijn, benadrukt dat,in connectiviteit gerelateerde problematiek, er een nood is aan data die hydrologische variabelen en processen ruimtelijk opmeten. Wij bestuderen een combinatie van Elektrische Resistiviteitstomografie (ERT) en TimeDomain Reflectometry (TDR): ERT meet ruimtelijk gemiddelde waarden en kan worden omgezet in een drie dimensioneel tomogram. TDR, anderzijds, iseen kleinschalige meetmethode en wordt gebruikt om een transformatie vast te leggen tussen resistiviteit en watergehalte, de zo gehete pedofysische functie. We schatten de totale infiltratie tijdens een geconcentreerd afstroom experiment in een semi-aride geul door de 3D verdeling vanhet bodemvochtgehalte op te meten met ERT en TDR voor het experiment als ook na de afloop ervan en dan het verschil te nemen. De voor de hand liggende aanpak (ERT inversie, omzetting van de resistiviteitsbeelden naar watergehalte en het verschil nemen) leidt echter tot onrealistische waarden. Om de uitkomst te verbeteren, ontwikkelen we een alternatieve inversie waarbij beperkingen worden opgelegd die de inversie moeten doen overeenkomen met onze kennis van het experiment en die gelijktijdig gebruikmaakt vande ERT en TDR data en terzelfder tijd de pedofysische functie optimaliseert. Alhoewel deze aanpassingen resulteren in significante verbeteringen, verhinderen de signal-to-noise ratio in de data en de povereresolutie een betrouwbare, kwantitatieve interpretatie van het bekomen infiltratiebeeld. Het was daarom onmogelijk om deze verder te gebruiken in hypothese testen en modellering. Desalniettemin geloven wij dat ERT en TDR metingen in combinatie met de voorgestelde inversie potentieel kanvoorzien in inzichtelijke resultaten.
Datum:1 okt 2008 → 9 nov 2012
Trefwoorden:Connectivity, Land use, Hydrological
Disciplines:Bodemwetenschappen, uitdagingen en vervuiling, Landbouw, land- en landbouwbedrijfsbeheer, Fysische geografie en omgevingsgeowetenschappen
Project type:PhD project