5. MODELARE HIDROLOGICĂ ÎN PROGRAMUL HEC-HMS ȘI UTILIZAREA TEHNICILOR MODERNE DE OBȚINERE A DATELOR DE INTRARE CU AJUTORUL EXTENSIEI HEC-GeoHMS. 5.1… [304044]

5. [anonimizat] A [anonimizat].

5.1 [anonimizat], s-au realizat sinteze și modele de determinare a debitelor maxime și de cercetare privind analiza cantitativă a [anonimizat]: [anonimizat] a fenomenelor negative produse de inundații. Odată cu apariția tehnicilor de analiza cantitativă efectuate prin mediul G.I.S., modelele de analiză spațială a elementelor care influențează și condiționează propagarea undei de viitură s-au dezvoltat cu o rapiditate foarte mare datorită modalităților simple și rapide de manipulare și analiză a [anonimizat], [anonimizat].

Utilizarea tehnicilor moderne ajută la realizarea unei lucrări metodologice care să pună la dispoziția utilizatorilor de programe informaționale geografice metode și modele de extragere automată a [anonimizat] a viiturilor.

Modelarea, simularea și calculul debitelor în analiza cantitativă se realiza prin metode clasice de determinare a [anonimizat] a caracteristicilor ploilor maxime. Odată cu apariția G.I.S., procesul analiză a debitelor în râuri începe să fie automatizat.

Una dintre principalele elemente ale procesului de automatizare este complexa bază de date gestionată și analizată de către softurile geoinformaționale.

Baza de date G.I.S. se structurează sub forma layerelor (stratelor) [anonimizat], [anonimizat], vegetației, intravilanelor, layere de tip grid pentru DEM și baza de date derivate din analiza spațială a acestuia etc. Principala proprietate a bazei de date G.I.S. [anonimizat] a [anonimizat]-o structură de tip model.

[anonimizat] a versantului, suprafața, [anonimizat], panta medie a [anonimizat], timpi de concentrare sunt date de intrare pentru calculul debitelor existente sau simulate.

Scopul principal de realizare a modelelor, G.I.S. hidrologice, de analiză cantitativă este acela de a emite avertizări hidrologice pentru o mai bună gestionare a [anonimizat] a componentei umane și luare de măsuri de prevenire și estompare a daunelor produse de viituri.

Analiza cantitativă a [anonimizat] o foarte buna cunoaștere a zonei pe care se face această analiză, a [anonimizat], temperaturilor și problemele existente la acel nivel etc. [anonimizat], și analiza trebuie făcută având siguranța corectitudinii datelor de intrare.

5.2 Aplicația software HEC-HMS

Sistemul de modelare hidrologică (HEC-HMS) este conceput pentru a simula procesele de ploaie-scurgere a sistemelor de apă. Acest sistem înlocuiește HEC-1 și oferă o varietate similară de opțiuni, dar reprezintă un progres semnificativ atât în domeniul informaticii, cât și al ingineriei hidrologice și hidrotehnice.

HMS- (sistem de modelare hidrologică) este desemnat să simuleze toate procesele hidrologice din sistemul ramificat al bazinului hidrografic. Programul include multe analize hidrologice folosite în mod curent (uzuale), simularea proceselor de infiltrație, hidrograful unitar (hidrograful unitar care rezultă dintr-o precipitație de valoare unitară căzută pe un bazin într-un timp infinit de scurt), direcția de scurgere sau ruta hidrologică. HEC-HMS include de asemenea procedeele necesare pentru simularea continuă ce include evapo – transpirația, dezgheț, și umiditatea din sol.

Programul dispune de un mediu de lucru complet integrat inclusiv o bază de date, date de intrare, motor de calcul, precum și rezultatele instrumentelor de raportare. O interfață grafică de utilizator permite utilizatorului mișcarea între diferitele părți ale software-ului.

Pentru realizarea calculelor referitoare la scurgerea maximă pe râurile cu bazin mic de recepție, trebuie să dispunem de o serie de date referitoare la regimul hidric al acestor râuri. Deoarece râurile mici sunt foarte puțin studiate se pot întâmpina greutăți în procesul de prelevare a acestor date.

5.3 Descrierea modelului hidrologic

Pentru efectuarea modelului hidrologic s-au efectuat o serie de pași privind obținerea de informații necesare modelării hidrologice cu privire la caracteristicile bazinelor hidrografice studiate, pentru ca rezultatele obținute să fie de o acuratețe foarte mare. Pentru crearea de date pe baza cărora se va face modelarea au fost folosite programe software de specialitate din mediul GIS și de analiză.

Scopul principal al acestei modelări hidrologice, este acela de a analiza din punct de vedere cantitativ debitele și volumele de apă de pe suprafața bazinelor hidrografice, aflate amonte de acumularea Poiana Uzului.

Analiza cantitativă a debitelor afluente din bazinul hidrografic Uz amonte de acumularea Poiana Uzului, este deosebit de importantă deoarece, se pot face mai multe ipoteze de exploatare a barajului în perioade cu debite mari și respectiv se poate vedea aportul debitului afluent total care intră în acumulare, și se pot lua decizii cu privire la debitele defluente, din acumulare.

Pentru obținerea datelor necesare modelării s-a folosit programul ArcGIS – și extensia HecGeoHMS după care toate datele obținute au fost exportate în programul de modelare hidrologică HecHMS.

5.4 Crearea datelor de intrare în modelul hidrologic cu ajutorul extensiei HEC-GeoHMS

Versiunea 1.0 a fost dezvoltată pentru a obține și utiliza informații geospațiale digitale disponibile pentru a construi modele hidrologice mai rapid decât în varianta utilizării metodelor manuale.

Versiunile HEC-GeoHMS 4.2 și 5.0 au fost rezultatul dezvoltării continue de către HEC și ESRI pentru modernizarea caracteristicilor și funcționalității HEC-GeoHMS.

Programul permite utilizatorilor să vizualizeze informațiile spațiale, caracteristicile bazinelor, să efectueze analize spațiale, să delimiteze subbazinele și fluxurile, și să construiască intrări în modelele hidrologice.

Odată cu disponibilitatea precipitațiilor radar și a datelor spațiale, modelarea hidrologică utilizând suprafețe de subbazin mai mici sau un sisteme de rețea se face cu mai multă ușurință.

5.4.1 Prezentare HecGeoHMS –prelucrarea datelor

Figură 82 – Meniu HEC-GeoHMS

După cum se poate observa în imaginea 82 extensia HecGeoHMS conține mai multe submeniuri de procesare a datelor.

Pentru început este necesar să avem la dispoziție DTM-ul creat în format raster cu o precizie foarte mare, de unde se vor extrage informații de tip vector și raster care vor fi prezentate în următoarele etape ale modelării.

Figură 83 – Prelucrarea schmatică a datelor sursa:HEC

Figură 84 – Modelul digital al terenului format raster

Pe baza modelului digital al terenului au fost create lyerele necesare pentru export.

5.4.2 DEM Reconditioning AgreeDEM

Ajută la recondiționarea modelului digital al terenului. DEM Reconditioning permite utilizatorului să micșoreze elevația celulei de flux și oferă, de asemenea, o opțiune de a coborî treptat celulele vecine de-a lungul fluxului. Această metodă creează o tranziție treptată și poate fi utilizată pentru a elimina efectul secundar nedorit al insulelor fictive.

Figură 85 – Recondiționarea modelului

5.4.3 Fill Siks (corectarea depresiunilor mici)

Este reprezentat de corectarea DTM-ului prin umplerea depresiunilor mici acolo unde DTM-ul poate înregistra erori.

Figură 86 – Corectarea celulelor

5.4.4 Flow Direcțion (direcția scurgerii)

Generarea layrului este necesară pentru determinarea direcțiilor de scurgere.

Figură 87 – Direcția de scurgere

5.4.5 Flow acumulation (acumularea scurgerii)

Generarea layerului este necesară pentru determinarea acumulărilor scurgerii

Figură 88 – Acumularea scurgerii

5.4.6 Stream Definițion (definirea pargurilor de acumulare)

Această etapă clasifică toate celulele cu o acumulare de flux mai mare decât pragul definit de utilizator.

Figură 89 – Praguri de acumulare

5.4.7 Stream Segmentation (definirea fluxului de segmante)

Acest pas împarte fluxul în segmente, conectează intersecții succesive, o joncțiune, un drenaj.

Figură 90 – Împărțirea fluxului pe segmente

5.4.8 Catchment Grid Delineation (subdiviziuni pe flux)

Acest pas delimitează o subdiviziune pentru fiecare flux.

Figură 91 – Delimitare subdiviziune

5.4.9 Catchment Polygon Processing (crearea subbazinelor)

Acest pas creează un strat vectorial ale subbazinelor utilizând grila calculată în etapa anterioară.

Figură 92 – Creare strat vectorial

5.4.10 Drainage Line Processing(creare line drenj)

Acest pas creează linia de drenaj

Figură 93 – Crearea liniilor de drenaj

După generarea layerelor caracteristice va fi delimitată zona de studiu.

Figură 94 – Delimitarea zonelor de studiu

Figură 95 – Zonă de studiu model hidrologic

După cum putem observa în figura 95 avem delimitată zona de modelare, pană în dreptul stației hidrometrice Cremenea, acolo unde avem datele necesare pentru calibrarea modelului hidrologic.

În ultimii ani, progresele înregistrate în sistemele informatice geografice (G.I.S) au deschis numeroase oportunități de îmbunătățire a modelării hidrologice a sistemelor de bazin hidrografic.

Abilitatea de a efectua analize spațiale pentru dezvoltarea parametrilor nu numai că economisește timp și efort, ci și îmbunătățește precizia față de metodele tradiționale. Precipitațiile și infiltrațiile pot fi calculate prin celulă, oferind mai multe detalii decât metodele medii tradiționale ale bazinului. Aceste tehnici avansate de modelare au devenit fezabile, deoarece pot fi acum generate eficient folosind operațiunile spațiale într-un G.I.S.

Următoarea etapă constă în crearea modelului hidrologic în mediul G.I.S de unde vor fi extrase datele caracteristice bazinului hidrografic și va fi pregătit pentru exportul HecHMS.

5.4.11 Generarea proiectului

Figură 96 – Generarea proiectului

Figură 97 – Setarea parametrilor proiectului

Figură 98 – Setarea profilului de râu

5.5 Extragerea datelor privind caracteristicile bazinului

5.5.1 Extract river length (lungimea râului)

Figură 99 – Extragerea lungimii automate a râului

5.5.2 Extract river slope (panta râurilor)

Figură 100 – Extragere automată a pantelor râului

Tabel 6 – Atribute

5.5.3 Extract basin slope (panta bazinelor hidrografice)

Figură 101- Extragerea pantei bazinului

5.5.4 Extract basin centroid ( zona de centru a bazinelor)

Figură 102 – Extragerea zonelor de centru

5.5.5 Extract longest flowpath (calea de rulare)

Figură 103 – Extragere cale de rurale

HEC-GeoHMS creează fișiere de hartă de fond, fișiere model de bazin, fișiere de model meteorologic și un fișier parametru de celule de rețea care poate fi utilizat de HEC-HMS pentru a dezvolta un model hidrologic. Fișierul modelului de bazin conține elemente hidrologice și conectivitatea lor hidrologică. Fișierul modelului de bazin include zone de subbasin și alți parametri hidrologici care pot fi estimați folosind date geospațiale. Pentru a ajuta la estimarea parametrilor hidrologici, HEC-GeoHMS poate genera tabele care conțin caracteristicile fizice ale fluxurilor și bazinelor hidrografice.

5.6 Implementarea SCS-CN în mediul G.I.S

Metoda hidrografică a unității SCS este utilizată pentru a transforma precipitațiile în scurgerea de suprafață. Deoarece zona are un debit de bază puțin, modelul de bază nu a fost utilizat. Metoda de transformare necesită o determinare a timpului de întârziere ca intrare. SCS a dezvoltat o relație între timpul de concentrare (Tc) și timpul de întârziere (Tlag). Formula Kirpich este utilizată pentru estimarea timpului de concentrare pe baza caracteristicilor sub-bazinului, inclusiv topografia și lungimea de acoperire.

Ecuație 21

= 0.6Tc Ecuație 22

Unde:

L – reprezintă lungimea albiei (m)

S – reprezintă panta %.

Modelul hidrologic matematic, SCS-CN a fost dezvoltat de Natural Resurces Conservation Service ((NRCS) cunoscut și sub numele de Soil Conservation Service SCS) pentru a pune la dispoziția utilizatorilor proceduri de calcul a debitului și volumului maxim din ploi torențiale, pentru un anumit teritoriu .

Inițial, metoda a fost dezvoltată ca metodologie de transformare a ploilor torențiale dintr-o anumită perioadă de timp în scurgere ținând cont de vegetație și sol, scopul ei fiind acela de a identifica zonele pretabile la amenajări ale terenurilor agricole în SUA. Datorită preciziei mari ale modelului s-a trecut la utilizarea lui pe scară largă, depășind granițele SUA, cu scopul de a modela și simula evenimente hidrologice extreme.

Tabel 7- Informații cu privire la generarea numărului CN

Încă de la apariția modelului, în 1954 și până în prezent s-au realizat foarte multe revizuiri ale modelului (1964, 1965, 1969, 1977, 1985 și 1993), în funcție de necesitatea utilizării acestuia în unul sau altul dintre domeniile de aplicabilitate, metoda bazându-se pe relația de bilanț hidric

Q = P – Is – I – E – n (m3) Ecuație 23

unde:

Q – volumul, P – precipitațiile, Is – capacitatea de infiltrare în sol, I – intercepția, E – evapotranspirația, n – alte rețineri ale precipitațiilor.

Pentru implementarea modelului pe bazinele hidrografice avute în studiu am utilizat extensia ArcCN-Runoff, rulată sub ArcG.I.S..

Extensia realizată de Xiaoyong Zhan și Min-Lang Huang în 2004, realizează calculul debitului și volumului maxim pe baza calculării numărului de curbă pentru fiecare unitate spațială utilizând o bază de date (sol și mod de utilizare al terenurilor) de tip vector pentru a se păstra intacte limitele neregulate ale suprafețelor.

Vectorii reprezentând extensiunea teritorială a categoriilor de sol le-am creat o bază atributară cu informații legate de grupa hidrologică de sol, în funcție de capacitatea de infiltrare a apei în profilului de sol respectiv.

5.6.1 Grupa hidrologică de sol A.

Este caracterizată de soluri cu capacitate mare de infiltrare chiar și atunci când solul este, aproape, complet umed. Din cadrul acestei categorii fac parte soluri cu profil nisipos, aluviosolurile, argilos, pământ luto- nisipos, terenuri cu o drenare bună ca nisipurile și pietrișurile.

5.6.2 Grupa hidrologică de sol B

Se caracterizează printr-o capacitate de infiltrare medie și un ritm moderat de circulare a apei în profilul de sol. Textura predominantă este cea mijlocie caracteristică cambisolurilor.

5.6.3 Grupa hidrologică de sol C

Este caracterizată de solurile cu care facilitează un ritm scăzut de infiltrare a ape, având un profil argilo-nisipos.

5.6.4 Grupa hidrologică D

Soluri cu o capacitate de infiltrare foarte joasă chiar și atunci când sunt complet umede. Profilul caracteristic pentru solurile din această grupă hidrologică este cel argilor și lutos.

Condițiile de umiditate ale solului se conturează într-un factor foarte important în procesul de infiltrare a apei fiind estimat prin intermediul indicelui AMC (Antecedent Moisture Conditions) care este analizat în funcție de cantitățile de precipitații din ultimele 5 zile: AMC I, corespunde solului uscat cu precipitații <12,7 mm în timpul sezonului de vară și precipitații <35,6 mm în sezonul cu precipitații de toamnă și primăvară; AMC II – soluri cu condiții normale de infiltrare specifice precipitațiilor cuprinse între 12,7-28 mm în intervalul cu ploi puține și 35,6-53,4 mm în intervalul de timp cu ploi abundente; AMC III corespunde solului saturat și cu precipitații > de 28 mm atunci când nu se înregistrează ploi abundente și precipitații >35,4 atunci când se înregistrează cantități mari de precipitații

Utilizarea terenurilor reprezintă gradul și tipul de înveliș vegetal a suprafețelor dintr-un bazin colector. Utilizarea terenurilor am derivat-o din baza de date CORINE Land Cover și adaptată pentru cerințele metodei SCS-CN

Tabel 8 – Indicatorul CN (Curve number) derivat pe baza modului de utilizare al terenurilor și soluri în funcție de condițiile hidrologice ale acestora (Man, T., Alexe, M., 2006)

Apelând la metodologia G.I.S., de calcul a scurgerii maxime prin intermediul metodei SCS-CN, am realizat intersectarea stratelor reprezentând solurile și modul de utilizare al terenurilor, care în prealabil a fost decupat după zona de interes, pentru a reprezenta o bază unitară de calcul în care să se poată identifica suprafețele cu caracteristicile celor două entități spațiale, tabelul atribut a acesteia stocând informații despre tipul de utilizare a terenurilor și grupa hidrologică de sol.

Figură 104 – Schemă modelare hidrologică

Analiza spațială am continuat-o cu identificarea automată a numărului de curbă și crearea unei coloane în tabelul atribut cu valoarea specifică fiecărei combinații dintre strate, utilizându-se ca element de intrare tabelul .dbf creat în etapa de realizare a bazei de date.

Curba Number (CN) și alți parametri de pierdere a ratei pierderilor bazate pe diferite baze de date privind solul și terenul. Numărul curbei poate reprezenta o valoare medie pentru un subbazin sau o celulă individuală pentru o parte dintr-un subbazin. În plus, caracteristicile bazinului hidrografic și ale canalului împreună cu un șablon de foi de calcul sunt legate de HEC-GeoHMS pentru a asista utilizatorul la estimarea valorilor inițiale ale timpului de concentrare. De asemenea, caracteristicile bazinului și ale canalului pot fi folosite pentru a calcula parametrii CN Lag și parametrii de rutare simple Muskingum-Cunge prismatic.

5.7 Determinarea numărului C.N. în G.I.S.

Pentru determinarea numărului de curba au fost necesari parcurgerea mai multor pași.

A fost nevoie de teme (layere caracteristice) privind utilizarea terenurilor din bazinul hidrografic al râului Uz și respectiv informații privind solurile existente.

Tabel 9 – Atibute în GIS generare CnN

Cele două teme au fost intersectate în vederea obținerii unei teme în al cărei tabel de atribute să se regăsească atât caracteristicile utilizării terenurilor cât și a tipurilor de sol. Practic în acest moment a fost obținută o hartă în care se regăsesc clasele de utilizare a terenurilor și grupurile hidrologice care reprezintă numărul curbei.

După crearea layerului tematic privind caracteristicile urmează generarea CN în format raster pentru extragerea automată a datelor.

CN (Curve Number) reprezintă un index adimensional, care poate lua valori cuprinse între 0 și 100. CN depinde atât de utilizarea terenului, cât și de grupa hidrologică a solului și reflectă potențialul de scurgere a apei pe diferite terenuri. Valorile C.N variază direct proporțional cu potențialul de scurgere și invers proporțional cu coeficientul de infiltrație, având valori maxime pentru clasa de soluri D sau pentru spațiile urbane, impermeabilizate.

Figură 105 – Hartă de tip vectorial privind CN

Layerul C.N de tip vector este transformat într-un layer de tip grid, ceea ce permite calculul mai ușor al valorilor medii C.N la nivel de bazine hidrografice mici figura 106

Figură 106 – Hartă raster privind C.N pentru extragerea automată a datelor

După cum se poate observa în figura 106 valoarea numărului C.N este cuprinsă între 34 și 95 – unde valoare 95 reprezintă spațiu urban discontinuu iar valoarea 34 reprezintă păduri de conifere.

Verificare corectitudinii și calibrarea datelor pentru determinarea numărului C.N s-a efectuat și cu ajutorul ortofotoplanurilor.

Figură 107 – Calibrare pe baza imaginilor satelitare

Următorul pas este de extragere automată de pe rasterul nou creat a valorilor C.N, fiind exportate din mediul G.I.S în programul de modelare hidrologică HEC-HMS.

5.8 Extragerea C.N și a altor parametrii opționali (Subbasin parameters from raster)

Figură 108 – Extragere automată număr CN

Setarea unității de măsură pentru export în HEC-HMS (map to HMS Units)

Verificarea corectitudinii modelului – raport HEC-GeoHMS

5.9 Aplicarea modelului hidrologic cu ajutorul aplicației software HEC-HMS

HEC-GeoHMS produce un număr de intrări hidrologice care sunt utilizate direct în HEC-HMS. În plus, programul sprijină estimarea parametrilor hidrologici prin furnizarea de tabele de caracteristici fizice pentru râuri și subbazine.

Etapele următoare ale modelării hidrologice constau în importul datelor din ArcGis-HEC-GeoHMS – în programul de modelare HEC-HMS.

5.10 Interfață HEC-HMS

Modeluul …..

5.10 Calibrarea și rularea modelului hidrologic

Calibrarea modelului constă în rulări repetate ale programului cu cantități de precipitații cunoscute, și având la dispoziție hidrograful debitelor de la stația hidrometrică Cremenea.

Gradul de permeabilitate a solului, utilizarea terenului etc. toate aceste informații, programul de modelare le are introduse automat din rasterul CN, raster calibrat la utilizările actuale ale terenului.

Figură 115 – Calibrare subbazin W790

5.10.1 Hietograma ploii de calcul

Precipitațiile au fost înregistrate la postul pluviometric Cremenea în perioada 01-31.05.2016, care au fost introduse în modelul hidrologic.

Figură 116 – Hietograma ploii

5.10.2 HEC-HMS – Hietograma ploii afișare grafică

Figură 117 – Hietograma ploii afisare în HMS

5.10.3 Rularea modelului hidrologic

Pe baza precipitațiilor introduse și a celorlalți parametrii s-a efectuat rularea programului pentru intervalul 30.04.2019-31.04.2019, simulare a precipitațiilor introduse s-a efectuat în mai multe etape și fiecare subbazin hidrografic a fost analizat cu o atenție deosebită.

Rularea modelului pasul 1/s

Figură 118 – Rularea modelului hidrologic 1/4

Rularea modelului pasul 2/4 – includerea modelului de bazin

Figură 119 – rularea modelului hidrologic 2/4

Rularea modelului pasul 3/4 – includerea modelului meteorologic

Figură 120 – Rularea modelului hidrologic 3/4

Rularea modelului pasul 4/4 – setarea controlului de timp

Figură 121 – Rularea modelului hidrologic 4/4

Figură 122 – Subbazine hidrografice în HMS

Figură 123 – Simulare model

5.11 Rezultatele modelării hidrologice amonte de lacul de acumulare Poiana Uzului

Rezultatele simulării sunt stocate și în HEC-DSS (Data Storage System) și pot fi folosite împreună cu alte software-uri pentru studii, din mediul HEC-DSS datele modelării pot fi vizualizate grafic, pentru fiecare bazin în parte și pot fi exportate în diverse formate (.jpeg, .exl) etc.

Figură 124 -HECDSS

Figură 125 – Hidrograful rezultat în urma simulării în HMS

Verificarea corectitudinii rezultatelor modelării hidrologice s-a efectuat cu ajutorul precipitațiilor și a debitelor înregistrate la stația hidrometrică Cremenea. După setarea tuturor parametrilor și după mai multe rulări ale programului, modelul hidrologic a fost calibrat, astfel că la introducerea unor date privind cantitatea de precipitații căzute într-un interval de timp, rezultă un volum de apă scurs care se închide în punctul stației hidrometrice Cremenea, acolo unde avem înregistrate hidrografele undelor de viitură.

Figură 126 – Hidrograf simulat în comparațiile cu hidrograf real

Având în vedere rezultatele modelării hidrologice considerăm o comportare bună a modelului hidrologic, având în vedere ca simularea s-a efectuat pe o perioadă relativ lungă de timp, după cum putem observa simularea urmărește fidel hidrograful viiturii real cu un mic timp de întârziere care la perioade lungi de timp poate fi acceptabil și în parametrii normali, la o analiza cantitativă a debitelor de apă.

Având în vedere analiza cantitativă a volumelor existente comparativ cu volumele simulate putem constata că modelul calibrat corespunde așteptărilor astfel că la introducerea în program a diferitelor cantități de precipitații va rezulta un debit care se va găsi în realitate, și astfel se va cunoaște volumul de apă care va intra în acumularea Poiana Uzului prin secțiunea stației hidrometrice Cremenea.