[EN] Water and nitrogen transport in soil simulation models
are useful for understanding the evolution of such processes
and to predict the behaviour of water and nitrogen in the soil
to use such information to make recommendations to
farmers when these models are applied to commercial farms.
A feature of such models is that they have a
large number of parameters associated to the different
processes modelled. Some of these parameters can be obtained
directly from experiments or literature. However,
other parameters have to be estimated by comparing the model predictions
with experimental data measured in the field. This process is known
as model calibration and has to be previously performed to be able to use
this type of models for a certain crop and a holding.
Measures of moisture and nitrogen content of soil nitrogen are difficult
to obtain because either specialized equipment such as
humidity probes is needed, or periodic sampling and analyses
have to be undertaken, which are expensive from the
point of view of the money and time needed. Thus, the number
of data available for the calibration of
water and nitrogen transport models is not very large
therefore the parameter estimation of these models has the
problem known as overparameterization. This means, it is
possible to find different sets of parameter values
for the model in such a way that the model predictions
go through the available experimental data.
To solve this problem, the chosen approach has been
to reduce the number of parameters to be estimated,
setting the the other parameters in a typical value. For that,
is necessary to have a criterion for choosing which parameters
are used in the optimization process associated with calibration
and which ones remain fixed.
In this work, we have evaluated two methods of global sensitivity analysis
for computational models, to determine which are the
most sensitive parameters of LEACHN and EU-Rotate\_N
models, which simulate the behaviour of water and nitrogen in the soil
of two cultivated plots with cauliflower in two consecutive crops,
taking as a variable to examine the error between the model outputs
and experimental measurements.
The methods used were, first,
LH-OAT method based on the calculation of average
Local sensitivity indices evaluated in a set of points of the
parameter space obtained by sampling according to a Latin hypercube.
The other method evaluated has been the FAST method,
which it is based on the decomposition of the total variance of the
model when the parameters space is visited using search
curves in this space.
After determination
of the most important parameters related with the water dynamics
in the soil and the nitrogen cycle, we have proceeded to the
calibration of these models. With the calibrated models
a prediction for the evolution of the moisture and nitrate
content in the soil has been performed for the two
experimental plots.
Once calibrated, both LEACHM and EU-Rotate\_N models
have simulated adequately the evolution of the water content in the
soil, both in the period used for the calibration and in predictions
performed. Parameters related to the nitrogen cycle have presented
more interactions, hindering the choice of the most sensitive
parameters of each model.
After obtaining an optimal configuration
for the value of the parameters related to the
the nitrogen cycle, a reasonable
adjustment for the models has been achieved
providing predictions of the evolution of nitrogen content in the
soils with a higher error margin than the one obtained
for predictions of soil moisture. / [ES] Los modelos de simulación del transporte de agua y nitrógeno en el suelo
son útiles para la comprensión del funcionamiento de estos procesos,
así como para predecir el comportamiento de los mismos, de modo que puedan
utilizarse como herramientas de recomendación para los agricultores cuando
se aplican en explotaciones comerciales. Este tipo de modelos se caracterizan
por contener una gran cantidad de parámetros asociados a los distintos
procesos que modelizan. Algunos de estos parámetros se pueden obtener
directamente de experimentos o de la literatura. No obstante, hay
otros parámetros que se han de estimar comparando las predicciones de los modelos
con datos experimentales que se hayan medido en el campo. Este proceso se conoce
como calibración del modelo y se ha de realizar previamente a poder utilizar
este tipo de modelos para un cierto cultivo y una explotación determinada.
Las medidas de humedad y contenido de nitrógeno en el suelo son difíciles
de realizar, ya que se necesita o bien disponer de equipos especializados, como
las sondas de humedad, o realizar muestreos y análisis
periódicos que son costosos desde el punto de vista económico además
de requerir tiempo para su realización. Así, el número
de datos disponible para la calibración de los modelos de transporte
de agua y nitrógeno no es muy elevado y, por ello, la estimación
de parámetros de estos modelos presenta el
problema conocido como sobreparametrización, esto es se pueden encontrar
distintos conjuntos de parámetros de forma que las predicciones del modelo
pasen por los puntos experimentales disponibles. Para resolver
este problema, se ha optado por reducir el número de parámetros a estimar,
fijando los otros parámetros en un valor típico. Para ello,
es necesario disponer de un criterio de elección de qué parámetros
se utilizan en el proceso de optimización asociado a la calibración.
En este trabajo se han evaluado dos métodos de análisis de
sensibilidad global de modelos, para determinar cuales son los
parámetros más sensibles de los modelos LEACHN y
EU-Rotate\_N, que simulan el comportamiento del agua y nitrógeno en el suelo de
dos parcelas cultivadas con coliflor en dos periodos de cultivo consecutivos,
tomando como variable a analizar el error entre las salidas del modelo
y las medidas experimentales.
Los métodos utilizados han sido, por un lado,
el método LH-OAT, basado en el cálculo del promedio de
índices de sensibilidad local evaluados en un conjunto de puntos del
espacio de parámetros obtenidos por un muestreo según un hipercubo
latino. El otro método evaluado ha sido el método FAST,
que se basa en la descomposición de la varianza total de la
salida del modelo al utilizar unas curvas de búsqueda en
el espacio de parámetros.
Tras la determinación
de los parámetros más importantes para la dinámica del agua y el ciclo del nitrógeno
en el suelo, se ha procedido a la calibración de estos modelos. Con los modelos
calibrados se ha realizado la predicción de la evolución de la humedad y
del contenido de nitrato en el suelo.
Tanto el modelo LEACHM como el modelo EU-Rotate\_N, una vez calibrados
han simulado bien la evolución del contenido de agua en el
suelo, tanto en el periodo utilizado para la calibración, como en las predicciones
realizadas. Los parámetros relacionados con el ciclo del nitrógeno
han presentado mayor grado de interacción,
dificultando la elección de los parámetros más sensibles de cada modelo.
Una vez obtenida una configuración óptima
para el valor de los parámetros relacionados con el
ciclo del nitrógeno se ha conseguido un ajuste razonable para el modelo, que permite predicciones de la evolución del nitrógeno con un margen
de error superior que el que se ha conseguido
para las predicciones de humedad del suelo. / [CA] Els models de simulació del transport d'aigua i nitrogen en el sòl
són útils per a la comprensió del funcionament d'aquests processos
a mes de predir el comportament dels mateixos de manera que puguen
utilitzar-se com a eines de recomanació per als agricultors quan
s'apliquen en explotacions comercials. Aquest tipus de models es caracteritzen
per contenir una gran quantitat de paràmetres associats als diferents
processos que modelitzen. Alguns d'aquests paràmetres es poden obtenir
directament d'experiments o de la literatura. No obstant açò, hi ha
altres paràmetres que s'han d'estimar comparant les prediccions dels models
amb dades experimentals que s'hagen mesurat en el camp. Aquest procés es coneix
com a calibratge del model i s'ha de realitzar prèviament a poder utilitzar
aquest tipus de models per a un cert cultiu i una explotació determinada.
Les mesures d'humitat i contingut de nitrogen en el sòl són difícils
de realitzar ja que es necessita disposar d'equips especialitzats, com
les sondes d'humitat, o bé realitzar mostrejos i anàlisis
periòdiques que són costosos des del punt de vista econòmic, i a més
requereixen temps per a la seua realització. Així, el nombre
de dades disponible per al calibratge dels models de transport
d'aigua i nitrogen no és molt elevat i, per açò, l'estimació
de paràmetres d'aquests models presenta el
problema conegut com sobreparametrització, açò és, es poden trobar
diferents conjunts de paràmetres de manera que les prediccions del model
passen pels punts experimentals disponibles. Per a resoldre
aquest problema s'ha optat per reduir el nombre de paràmetres a estimar,
fixant els altres paràmetres en un valor típic. Per a açò,
és necessari disposar d'un criteri d'elecció de quins paràmetres
s'utilitzen en el procés d'optimització associat al calibratge.
En aquest treball s'han avaluat dos mètodes d'anàlisis de
sensibilitat global d'un model, per a determinar quins són els
paràmetres més sensibles dels models LEACHN i
EU-Rotate\_N, que simulen el comportament de l'aigua i nitrogen en el sòl de
dues parcel·les conreades amb coliflor en dos períodes de cultiu consecutius,
prenent com a variable a analitzar l'error entre les eixides del model
i les mesures experimentals.
Els mètodes utilitzats han sigut, d'una banda,
el mètode LH-OAT, basat en el càlcul de la mitja d'índexs
de sensibilitat local avaluats en un conjunt de punts de l'espai
de paràmetres obtinguts per un mostreig segons un hipercub
llatí. L'altre mètode avaluat ha sigut el mètode FAST,
que es basa en la descomposició de la variància total de l'eixida
del model en utilitzar unes corbes de cerca en
l'espai de paràmetres.
Després de la determinació
dels paràmetres més importants per a la dinàmica de l'aigua i el cicle del nitrogen
en el sòl, s'ha procedit al calibratge d'aquests models. Amb els models
calibrats s'ha realitzat la predicció de l'evolució de la humitat i del contingut
de nitrat en el sòl.
Tant el model LEACHM com el model EU-Rotate\_N, una vegada calibrats,
han simulat bé l'evolució del contingut d'aigua en
el sòl, tant en el període utilitzat per al calibratge, com en les prediccions
realitzades. Els paràmetres relacionats amb el cicle del nitrogen
han presentat major grau d'interacció,
dificultant l'elecció dels paràmetres més sensibles de cada model.
Una vegada obtinguda una configuració òptima
per al valor dels paràmetres relacionats amb
el cicle del nitrogen s'ha aconseguit un ajust raonable per al model, que permet prediccions de l'evolució del nitrogen amb un marge d'error superior que el que s'ha aconseguit
per a les prediccions d'humitat del sòl. / Sánchez De Oleo, CM. (2016). Estimación de parámetros en modelos de transporte de agua y nitrógeno en el suelo [Tesis doctoral]. Universitat Politècnica de València. https://doi.org/10.4995/Thesis/10251/62589
| Identifer | oai:union.ndltd.org:upv.es/oai:riunet.upv.es:10251/62589 |
| Date | 15 April 2016 |
| Creators | Sánchez de Oleo, Carlos Manuel |
| Contributors | Ginestar Peiro, Damián, Lidón Cerezuela, Antonio Luis, Universitat Politècnica de València. Departamento de Matemática Aplicada - Departament de Matemàtica Aplicada |
| Publisher | Universitat Politècnica de València |
| Source Sets | Universitat Politècnica de València |
| Language | Spanish |
| Detected Language | Spanish |
| Type | info:eu-repo/semantics/doctoralThesis, info:eu-repo/semantics/acceptedVersion |
| Rights | http://rightsstatements.org/vocab/InC/1.0/, info:eu-repo/semantics/openAccess |
Page generated in 0.0039 seconds