Identification of hidrological regimes in karst with conceptual and parametric models : doctoral thesis

Karakteristike vodne bilance krškog vodonosnika čine različiti oblici tečenja vode na koju osim količine padalina utječu kompleksni heterogeni hidrogeološki procesi koji su najčešće direktno ne mjerljivi. Osim problema mjerenja, identifikacija hidroloških režima postaje teža ukoliko su i postojeća mjerenja oskudna i ne kontinuirana. Unatoč konstantnoj nesigurnosti u predviđanju prirodnih pojava, matematički je moguće modelirati procjenitelje koji analiziraju postojeće stanje sustava te dati naznaku trenda njihovih glavnih obilježja. Studije odnosa padalina i oborina tzv. rainfall-runoff (RR) modeli dolaze sve više do značaja zbog boljih mogućnosti implementacije postojećih podataka. RR modeli čine skup različitih matematičkih principa koji u sumi pokušavaju opisati karakteristike riječnog bazena sa određenim pretpostavkama temeljenima na procesnim parametrima kao što su oblik krivulje recesije, površina otjecanja, odnos brzog i sporog otjecanja, količina vode u tlu i slično. Ukoliko se parametri uspješno kalibriraju i testiraju mogu dobiti traženi smisao u vidu opisivanja regionalnih karakteristika područja. Kalibrirani model predstavlja ponašanje hidrološkog sistema pod uvjetima koji su utvrđeni u bazi podataka. Uzimajući ove pretpostavke u obzir, modeliranje kompleksnih krških vodonosnika zahtjeva konceptualni pristup i pristup računalnog učenja. Trenutno dostupna računalna tehnologija postaje sve korisniji alat u analizi procesa za koje je znanje relativno ograničeno jer prije svega značajno smanjuje procesorsko vrijeme računanja te je fleksibilnija i razumljivija krajnjem korisniku. Cilj korištenih modela u ovom radu je pronalaženje ključnih parametara koje određeni model koristiti za uspješno opisivanje promatranih pojava. Iskorištena je mogućnost konceptualnog modela da se jednostavnim transfer funkcijama simuliraju različiti režimi otjecanja u koje je ugrađena informacija o načinu formiranja krivulje recesije kao i stanje količine vode u tlu. S druge strane parametarski model ne daje uvid u načina transformacije podataka, traži sustavan pristup određivanju njegove strukture ali daje veću točnost u usporedbi sa konceptualnim modelima. Implementacija korisnih saznanja o dinamici kretanja vode pomoću oba modela stvorila je bolju sliku dosad hidrološki neistraženog područja u kršu.Water balance characteristic of karst aquifer consist of different water regime flows influenced not only with amount of precipitation but especially with heterogenic and hydrogeological processes which can’t be directly measured. Aside from measurement problems, identification of hydrological regime becomes more difficult if the available data is scarce and discontinuous. Although constant uncertainty is always present in predicting natural phenomena, it is possible to model estimators which can be used to analyse current state of the system and give indication trends of their main features. Relations between rainfall and runoff, the RR model, are becoming more prominent because of their capabilities to implement noisy data. RR model represents an assembly of different mathematical principles trying to describe functioning of river catchment. RR models use certain assumptions about shapes of recession curve, catchment area, base flow-quick flow ratio, soilmoisture content and so on, to determine key parameters of the water circulation process. If the parameters are successfully calibrated and tested, they can be used as new insight to the properties of regional karst. Then, calibrated model represents hydrological behaviour under conditions determined in available database. Simulation of complex karst aquifer requires conceptual and computational learning approach. Current state of computer technology is becoming ever more useful in analysing processes of limited knowledge especially for the fact that computational time is becoming shorter and available software is more flexible and understandable to end user. Aim of proposed models is defining key factors for successful representation of observed runoff. Conceptual model combines transfer function and imbeds these key factors. Parametric model uses transformation which is not transparent but gives better approximation of cost function. Systematic approach to architectural design of parametric model overcomes these problems. Implementation of new findings from both models gives better hydrological understanding of investigated case study in karst