Advancing computational methods for calibration of the Soil and Water Assessment Tool (SWAT): Application for modeling climate change impacts on water resources in the Upper Neuse Watershed of North Carolina
Toprak ve Su Değerlendirme Aracının (SWAT) kalibrasyonu için hesaplama yöntemlerinin geliştirilmesi: Kuzey Karolina'nın Yukarı Neuse Havzası'nda iklim değişikliğinin su kaynakları üzerindeki etkilerinin modellenmesi için uygulama
- Tez No: 910462
- Danışmanlar: PROF. DR. JONATHAN L. GOODALL
- Tez Türü: Doktora
- Konular: İnşaat Mühendisliği, Civil Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2015
- Dil: İngilizce
- Üniversite: University of South Caroline
- Enstitü: Yurtdışı Enstitü
- Ana Bilim Dalı: İnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Hidrolik–Hidroloji ve Su Kaynakları Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 126
Özet
Havza ölçeğinde hidrolojik modeller, taşkın tahmininden kuraklık analizine ve su kalitesi değerlendirmelerine kadar çeşitli uygulamalar için kullanılmaktadır. Bu modellerin uygulanmasında karşılaşılan özel bir zorluk, birçoğunun havza ölçeğinde ölçülmesi zor olan model parametrelerinin kalibrasyonudur. Bu tezin birincil amacı, havza ölçeğindeki hidrolojik modellerin ve özellikle Toprak ve Su Değerlendirme Aracı (SWAT) modelinin kalibrasyonu için yeni hesaplama yöntemleri ve araçlarına katkıda bulunmaktır. SWAT, arazi yönetimi uygulamalarının su kalitesi ve miktarı üzerindeki etkisini tahmin etmek için geliştirilmiş, fiziksel tabanlı, havza ölçeğinde bir hidrolojik modeldir. Tez, üç ayrı ancak birbiriyle ilişkili araştırma çalışmasından oluştuğu anlamına gelen bir makale formatını takip etmektedir. İlk iki araştırma çalışması SWAT modelinin kalibrasyonuna odaklanırken, üçüncü araştırma çalışması SWAT kullanarak Kuzey Carolina'nın Yukarı Neuse Havzası'ndaki su kaynakları üzerindeki iklim değişikliği etkilerini incelemek için yeni kalibrasyon yöntemlerinin ve araçlarının bir uygulamasını sunmaktadır. İlk iki çalışmanın amacı, SWAT modellerinin kalibrasyonu ile ilgili hesaplama zorluklarının üstesinden gelmektir. İlk çalışma, Windows Azure bulut ortamı kullanılarak oluşturulan paralel bir SWAT kalibrasyon aracını ve Azure'da çalışmak üzere değiştirilen Dinamik Boyutlandırılmış Arama (DDS) kalibrasyon yönteminin paralel bir versiyonunu değerlendirmektedir. Kalibrasyon aracı, hem 2 yıllık hem de 10 yıllık simülasyon süresi için artan büyüklükteki üç su havzası (Eno, Yukarı Neuse ve Neuse) kullanılarak oluşturulan altı model senaryosu için test edilmiştir. Bulutun isteğe bağlı bir bilgi işlem kaynağı olarak kullanılması, kalibrasyon süresinin önemli ölçüde kısalmasını sağlamıştır; öyle ki Neuse havzasının kalibrasyonu kişisel bir bilgisayarda 207 saat sürerken, Azure bulutunda 256 çekirdek kullanılarak yalnızca 3,4 saat sürmüştür. İkinci çalışma, Baskın Olmayan Sıralama Genetik Algoritması II (NSGA-II) kullanarak açık kaynaklı, çok amaçlı bir kalibrasyon aracı oluşturarak SWAT model kalibrasyon verimliliğini artırmayı amaçlamaktadır. Bu araç, Kuzey Carolina, ABD'deki Yukarı Neuse Su Havzası için bir uygulama ile gösterilmiştir. Kalibrasyon için kullanılan amaç fonksiyonları Nash-Sutcliffe (E) ve Yüzde Yanlılık (PB), amaç sahaları ise Flat, Little ve Eno havza çıkışlarıdır. Sonuçlar, SWAT kalibrasyonu için çok amaçlı kalibrasyon algoritmalarının kullanılmasının, tek amaçlı model kalibrasyonuna kıyasla özellikle PB'yi en aza indirme açısından model performansını iyileştirdiğini göstermektedir. Üçüncü çalışma, Yukarı Neuse havzası üzerinde gelecekteki iklim etkilerini incelemek için yeni kalibrasyon yöntemleri ve araçlarından yararlanarak ilk iki çalışmayı temel almaktadır. Sekiz Küresel İklim Modelinden (GCM) istatistiksel olarak küçültülmüş çıktılar, Yukarı Neuse havzasının iyi kalibre edilmiş bir SWAT modelini yönlendirmek için hem düşük hem de yüksek emisyon senaryoları için kullanılmıştır. Çalışmanın amacı, Kuzey Carolina'nın büyüyen Research Triangle Park bölgesi için bir kamu su kaynağı olarak hizmet veren havzanın öngörülen iklim değişikliği senaryoları altındaki potansiyel hidrolojik tepkisini anlamaktı. Gelecekteki iklim değişikliği senaryoları, genel olarak, önümüzdeki yıllarda havza için yağış ve sıcaklıkta bir artışa işaret etmektedir. Gelecekteki iklim senaryolarını kullanan SWAT simülasyonları, genel olarak, Yukarı Neuse havzasında toprak suyunda ve su veriminde bir artış ve evapotranspirasyonda bir azalma olduğunu göstermektedir. Özetle, bu tez (i) hesaplama gerektiren model kalibrasyonu görevi için bulut bilişimi uygulayan ilk çalışmalardan bazılarını sunarak ; (ii) SWAT modelleyicileri tarafından modellerinin çok amaçlı kalibrasyonunu gerçekleştirmek için kullanılabilecek yeni, açık kaynaklı bir kütüphane sağlayarak ve (iii) Kuzey Carolina'nın Research Triangle Park bölgesindeki önemli bir su havzası için iklim değişikliğinin su kaynakları üzerindeki etkilerinin anlaşılmasını geliştirerek havza ölçeğinde hidrolojik modelleme alanını ilerletmektedir. Üçüncü çalışma, ilk iki çalışmada sunulan metodolojik ilerlemelerden yararlanmıştır. Bu nedenle tez, havza ölçeğinde hidrolojik modelleme ve analiz alanını toplu olarak ilerleten üç bağımsız ve birbiriyle ilişkili çalışmayı içermektedir.
Özet (Çeviri)
Watershed-scale hydrologic models are used for a variety of applications from flood prediction, to drought analysis, to water quality assessments. A particular challenge in applying these models is calibration of the model parameters, many of which are difficult to measure at the watershed-scale. A primary goal of this dissertation is to contribute new computational methods and tools for calibration of watershedscale hydrologic models and the Soil and Water Assessment Tool (SWAT) model, in particular. SWAT is a physically-based, watershed-scale hydrologic model developed to predict the impact of land management practices on water quality and quantity. The dissertation follows a manuscript format meaning it is comprised of three separate but interrelated research studies. The first two research studies focus on SWAT model calibration, and the third research study presents an application of the new calibration methods and tools to study climate change impacts on water resources in the Upper Neuse Watershed of North Carolina using SWAT. The objective of the first two studies is to overcome computational challenges associated with calibration of SWAT models. The first study evaluates a parallel SWAT calibration tool built using the Windows Azure cloud environment and a parallel version of the Dynamically Dimensioned Search (DDS) calibration method modified to run in Azure. The calibration tool was tested for six model scenarios constructed using three watersheds of increasing size (the Eno, Upper Neuse, and Neuse) for both a 2 year and 10 year simulation duration. Leveraging the cloud as an on demand computing resource allowed for a significantly reduced calibration time such that calibration of the Neuse watershed went from taking 207 hours on a personal computer to only 3.4 hours using 256 cores in the Azure cloud. The second study aims at increasing SWAT model calibration efficiency by creating an open source, multi-objective calibration tool using the Non-Dominated Sorting Genetic Algorithm II (NSGA-II). This tool was demonstrated through an application for the Upper NeuseWatershed in North Carolina, USA. The objective functions used for the calibration were Nash-Sutcliffe (E) and Percent Bias (PB), and the objective sites were the Flat, Little, and Eno watershed outlets. The results show that the use of multi-objective calibration algorithms for SWAT calibration improved model performance especially in terms of minimizing PB compared to the single objective model calibration. The third study builds upon the first two studies by leveraging the new calibration methods and tools to study future climate impacts on the Upper Neuse watershed. Statistically downscaled outputs from eight Global Circulation Models (GCMs) were used for both low and high emission scenarios to drive a well calibrated SWAT model of the Upper Neuse watershed. The objective of the study was to understand the potential hydrologic response of the watershed, which serves as a public water supply for the growing Research Triangle Park region of North Carolina, under projected climate change scenarios. The future climate change scenarios, in general, indicate an increase in precipitation and temperature for the watershed in coming decades. The SWAT simulations using the future climate scenarios, in general, suggest an increase in soil water and water yield, and a decrease in evapotranspiration within the Upper Neuse watershed. In summary, this dissertation advances the field of watershed-scale hydrologic modeling by (i) providing some of the first work to apply cloud computing for the computationally-demanding task of model calibration; (ii) providing a new, open source library that can be used by SWAT modelers to perform multi-objective calibration of their models; and (iii) advancing understanding of climate change impacts on water resources for an important watershed in the Research Triangle Park region of North Carolina. The third study leveraged the methodological advances presented in the first two studies. Therefore, the dissertation contains three independent by interrelated studies that collectively advance the field of watershed-scale hydrologic modeling and analysis.
Benzer Tezler
- Performance of laminated glass subjected to blast and impact loading
Patlama ve darbe yüklemesine maruz kalan lamine camın yapısal performansı
MOHELDEEN HEJAZI
Doktora
İngilizce
2024
Makine Mühendisliğiİstanbul Teknik Üniversitesiİnşaat Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. ALİ SARI
- Mühendislik uygulamalarında karmaşık akışlar için çözüm-uyarlı ağsız had yöntemi
Solution-adaptive meshless cfd methods for complex flows in engineering applications
ÇİNAR LALOĞLU
Doktora
İngilizce
2024
Makine MühendisliğiMarmara ÜniversitesiMakine Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. EMRE ALPMAN
- An investigation of drag for low earth orbit satellites
Alçak yörünge uydularında sürüklemenin incelenmesi
MUSTAFA KORKUT ÖZARSLAN
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık ve Uzay Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MELİKE NİKBAY
- Investigation of bluff-body stabilized premixed flame dynamics using an in-house flow solver lestr3d
Küt cisim ile stabiılize edilmiş ön karışımlı alev dinamiklerinin özgün akış çözücüsü lestr3d ile incelenmesi
BURAKHAN ŞÜKÜROĞLU
Yüksek Lisans
İngilizce
2023
Havacılık Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. AYŞE GÜL GÜNGÖR
- Visualization based analysis of gene networks using high dimensional model representation
Yüksek boyutlu model gösterilim kullanılarak gen ağlarının görselleştirme tabanlı analizi
PINAR GÜLER
Yüksek Lisans
İngilizce
2024
Bilgisayar Mühendisliği Bilimleri-Bilgisayar ve Kontrolİstanbul Teknik ÜniversitesiHesaplamalı Bilimler ve Mühendislik Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ SÜHA TUNA