Hidrológiai Közlöny 2001 (81. évfolyam)

4. szám - Józsa János: Felszíni vizek áramlási és transzport folyamatainak numerikus modellezése

Millenniumi konferencia, 2000. december 11-12 265 rendelkezésre álló ismeretek és adatok akkori megbízhatósági szintjén végül ésszerű kompromisszumként az egyés kétdimenziós modelleredmények kerültek érdemi felhasználásra (Somlyódy & van Straiten, 1986) A nyolcvanas évek közepétől jelentős modellfejlesztés és numerikus módszertani kutatás indult meg Bakonyi Péter irányításával a VITUKI újonnan alakult Numerikus Hidraulika Osztályán, kihasználva az akkor megjelenő személyi számítógépek adta igen rugalmas fejlesztő környezetet. A kidolgozott áramlási- és transzport-modelleket számos tavi és folyami kutatásban alkalmazták, egyre nagyobb mértékben támaszkodva a számítógépes grafika adta lehetőségekre. A hagyományos numerikus módszerek mellett ígéretesen előre haladtak az egyenletesen, illetve lokálisan finom térfelbontású, hatékony eljárások (Gáspár et al„ 1994a, 1994b, 1995a, 1995b), továbbá az ú.n. Lagrange-rendszerű szimulációs technikák (Józsa 1988, Gáspár et ai, 1995b) fejlesztésében is. Ezzel egyidőben a BME Vízépítési Tanszékén is folytak modellfejlesztési és alkalmazási munkák (Rátky, 1986), és a kilencvenes évek elejére már több hazai modell is létezett felszíni vizek permanens és nem-permanens folyamatainak kétdimenziós leírására. Napjainkra a hazai fejlesztésű többdimenziós modellek alkalmazási köre tovább bővült. Többek között képesek vagyunk tavi és folyami áramlások két- és kvázi-háromdimenziós modellezésére, az üledéktranszport több szemcsefrakciós kezelésére. Az utóbbi idők árvízi eseményei kapcsán jelentősen előtérbe került a száraz terepre futó árhullám terjedésének számítására, folyó-töltésszakadásártér egyesített rendszerben való leírására (Bakonyi et al, 1999; Józsa et al., 1999). Vannak modellek különféle vízinövényzet hatásának figyelembe vételére, összetett vízterekben a jellemző tartózkodási idők számítására, vízminőségi folyamatok hidrodinamikai hátterének megteremtésére. A nemzetközi tendenciákkal összhangban, a hagyományos területeken túlmenően erősödik tehát a tevékenység interdiszciplináris jellege. Vannak már felhasználó-barát környezetbe helyezett, számítógépes grafikával jelentősen támogatott modellek. Esetenként a modellek fejlesztése és alkalmazása - kölcsönös előnyök reményében - két- vagy többoldalú nemzetközi együttműködésben valósul meg. 4. Helyzetkép, a fejlődés jelenlegi irányvonalai Nemzetközi kitekintésben elmondható, hogy a világon ma már szinte mindegyik jelentősebb egyetem illetve kutatóintézet rendelkezik saját fejlesztésű modellel vagy modellrendszerrel, amelyeknek az ú.n. piaci szoftverekhez képest nagy előnye, hogy forráskódja speciális feladatok megoldásához szükség szerint módosítható. Emellett mindazonáltal egyre inkább terjed a mások által fejlesztett, piaci modellek fúttatható verziójának használata is, amelyek azonban speciális igények kielégítésére nem módosíthatók, alkalmazhatóságuk így csak a beépített opciók körére terjedhet ki. Jó személyes, vagy intézményi kapcsolatokon keresztül kutatási-oktatási célokra mérsékelt díj ellenében mindazonáltal ma már akár a lefejlettebb modellrendszerek is kipróbálhatók és használhatók. Ez egyrészt referenciát jelent a modellkészítőknek, egyúttal egy sor különféle feladaton való részletes tesztelését a modellnek, másrészt az összegyűlt tapasztalatok azután visszaforgathatok a modellfejlesztésbe. Mára már nem is annyira az újabbnál-újabb numerikus közelítő sémák kidolgozása, hanem a modell adott feladatra adaptálása, megbízható adat-előkészítése, a modellparaméterek kalibrálása és a modell igazolása a fő feladat. Utóbbi feladatrészek egyre inkább felértékelik a jól megtervezett, korszerű mérő-adatgyűjtő műszerekkel végrehajtott terepi méréseket, és a mért adatok célirányos számítógépi feldolgozását. Jól megtervezett mérésekre van tehát szükség, amelyek a modellezendő folyamatok szempontjából reprezentatív időszakot és térséget ölelnek fel Nemzetközi és hazai tapasztalatok szerint a numerikus modellezés és a terepi mérések váltakozó, a vizsgált folyamat feltárásában való egyfajta iteratív alkalmazása bizonyult eddig a legcélravezetőbbnek: előzetes ismerek birtokában numerikus elő-modellezést végzünk, melynek alapján karakterisztikusnak mutatkozó részterületeket jelölünk ki helyszíni mérésekre A mérési adatok birtokában aztán a numerikus modellt pontosítjuk, egyúttal körülhatároljuk a modellel még mindig bizonytalanul reprodukált területeket, és szükség esetén ott pótlólagos helyszíni feltáró méréseket végzünk, és így tovább. Egyes modellparaméterek pontosításában természetesen laboratóriumi vizsgálatok is fontos szerepet kaphatnak A nemzetközi szakmai körökben forgó modellrendszereket a teljesség igényével áttekinteni napjainkban szinte már lehetetlen, éppen ezért csak három reprezentatív példa kiemelésére szorítkozunk. Számos modellrendszer ismert például Észak-Amerikában, mind egyetemi, mind kormány-intézményi vagy magánvállalati fejlesztésben. Ezek közül a gyakorlatban legelterjedtebbek egyike a U. S. Army Corps of Engineers által kifejlesztett, véges elem alapokon nyugvó kétdimenziós RMA-modellrendszer, amelyet ma már több cég is forgalmaz (Scientific Software Group, 2000), egy átfogó, SMS-nek nevezett adat-előkészítő, hálógeneráló, modellező és megjelenítő környezetbe ágyazva. A modellrendszert számos európai országban is sikerrel alkalmazzák. Hivatalos nemzetközi felmérések ugyan nem állnak rendelkezésre, de szinte bizonyos, hogy az EDF Chatou-i Hidraulikai laboratóriuma vezetésével, több francia hidraulikai kutatóintézet közös fejlesztéseként létrehozott TELEMAC modellrendszer rendelkezik - legalábbis európai körökben - a legnagyobb szakmai elismertséggel (Hervouet & Bates, 2000). A véges elem alapú modell az áramlási- és transzport-folyamatok két- és háromdimenziós közelítő számításának több, nagy pontosságú változatát kínálja, alkalmazási köre a lassú áramlásoktól (beleértve a fellazult fenékiszap kúszó mozgását is) a turbulencián keresztül a gátszakadási árhullámokig teijed. Felhasználói felülete mind UNIX mind Windows rendszerre kidolgozásra került, az alkalmazott numerikus megoldó algoritmus módosításával pedig elérték a számítások nagyfokú párhuzamosíthatóságát is. Utóbbi lehetővé teszi mind a szuperszámítógépek, mind az osztott elrendezésű, ú.n. fürt (clusler) géphálózatok hatékonyságának a kihasználását. Ilyen modellek segítségével a mérnöki gyakorlat számára a nagy tér- és időfelbontású háromdimenziós modellezés is belátható időn belül elérhető közelség-