Studiul Procesului Precipitatie Scurgere. Utilizarea Datelor Gis In Modelarea Hidrologica

INTRODUCERE

Importanța temei

Pericolul conținut de sistemele geomorfologice de albie și versant pentru comunitățile umane, cu precădere în areale cu fragmentare mare, se înscrie ca o prioritate în cercetarea geomorfologică după 1990, o dată cu declararea deceniului ‘90 ca deceniu de luptă împotriva dezastrelor naturale (IDNDR) și cu adoptarea rezoluției E/1999/L44 de către Consiliul Economic și Social al ONU, privind continuarea activităților legate de reducerea efectelor dezastrelor naturale, pe perioada 2000-2010 (UNISDR). Unul dintre obiectivele de bază ale acestui comitet îl reprezintă elaborarea strategiei și metodologiilor de inventariere, prognoza, analiza, precum și de prevenire prin monitorizare a suprafețelor instabile.

Surprinderea elementelor de instabilitate potențială la nivelul de reacție a sistemului morfologic, prin intermediul cuplului albie-versant, ca răspuns la transformări naturale sau antropice de mediu, reprezintă o prioritate în contextul schimbărilor globale, în acord cu cerințele dezvoltării durabile. Senzitivitatea sistemelor morfologice este dată de măsura în care schimbările de mediu introduc modificări în atributele acestora. Cu cât sistemul prezintă o inerție mai mare în reacție, acumulând tensiuni, cu atât eliberarea, de multe ori în cascadă a acestor blocaje, conduce la o dinamică neliniară, percepută ca haotică și cu un mare potențial de risc pentru comunitatea umană. Sistemele teritoriale cu fragmentare mare reprezintă areale cu instabilitate potențială maximă, prin faptul că predomină suprafețele de versant. Vulnerabilitatea sistemelor morfologice de albie și versant, ca măsură în care acestea pot fi afectate de un hazard, depinde de relația dintre senzitivitatea și capacitatea lor de adaptare. În lipsa capacității de adaptare, vulnerabilitatea unui sistem depinde în totalitate de senzitivitatea sa la schimbări de mediu.

Tema propusă are o deosebită relevanță în contextul evoluțiilor către noua societate bazată pe cunoaștere în zona europeană a Cercetării, încadrându-se în direcțiile tematice prioritare nr.6 prevăzute în Programul Cadru VI al UE, referitoare la impactul modificărilor globale ale mediului pentru dezvoltarea durabilă (1.1.6.3. Global Change and Ecosystems) și al VII-lea Program CDT cadru al Uniunii Europene pe perioada 2007 – 2013, (Mediul ambiant, inclusiv schimbări climatice).

Scenariul încălzirii climatice are efecte întârziate la nivelul de reacție al suprafeței topografice, cu inerție și rezistență mare la schimbare, dar cu reorganizări pe termen lung și foarte lung, cu un potențial mare de pericol pentru comunitățile umane. Riscul geomorfologic și hidrologic este indisolubil legat de prezența elementului antropic în teritoriu (presupunând probabilitatea de producere a fenomenului natural și pagube pentru comunitățile umane potențial afectate), ceea ce implică un proces educațional în paralel cu implementarea unui pachet de măsuri adecvate (unul din dezideratele prioritare ale DOMODIS).

În tendințele de cercetare pe plan mondial a hazardului și riscurilor generate de instabilitatea sistemelor geomorfologice se acordă o atenție prioritară dezvoltării de metodologii noi de evaluare a senzitivității și vulnerabilității complexelor de albie și versant, din perspectiva inter și multidisciplinară, cu scopul realizării unei baze comune și comparabile de date (IV International Conference on Geomorphology, Bologna, 1997, Third International Workshop Domodis, București, 1999, V International Conference on Geomorphology, Tokyo 2001: 30th Congress of the IGU – One Earth, Many Worlds, a Joint International Geomorphology Conference on Geomorphology and Sustainability, 2004 Glasgow; European Geosciences Union, General Assembly: Natural Hazards, 2005, Viena; VI International Conference on Geomorphology, 2005, Zaragosa). De asemenea, un aspect major îl constituie studiile de geomorfologie aplicate la sisteme urbane și rurale (Alexander, 1991; Laurini, 2001).

În contextul schimbărilor globale de o reală importanță, se dovedesc a fi informațiile stocate în baze de date. Corelarea informațiilor cu aspectele geografice impune utilizarea sistemelor informatice de tip GIS (Geographical Information System): Pyykonen, 2001, Zerger, 2002, Lillesand, Kiefer, Chipman, 2004 etc.

Preocupările cele mai recente sunt orientate spre sisteme de gestiune capabile să stocheze, să regăsească rapid și să prelucreze date spațiale: ArcGIS, InterGraph, MapInfo, Surface etc. Ele permit digitizarea informației geografice și punerea ei în corelație cu informații cantitative și calitative disponibile ca urmare a măsurătorilor din ultimele decenii (Rigaux, Scholl, Voisnard, 2002; Shekhar, Chawla, 2002). Aducerea informației la un sistem unitar permite apoi prelucrarea ei atât prin modele spațiale cât și prin modele matematice. Aplicarea unor astfel de modele permite studiul senzitivității sistemelor de albie și versant la schimbările globale produse în contextul hidrologic, climatic și al biosferei. De o reală importanță este și cuantificarea impactului economico-social al acestor schimbări reflectat în costuri de investiții, de operare și întreținere. Informațiile observate și cele calculate vor constitui elemente de bază pentru fundamentarea deciziilor în situații de risc real.

Abordarea se înscrie în contextul metodologic de cercetare a hazardului natural după 1995, o dată cu perfecționarea mijloacelor SIG, care pot analiza volume mari de date raster, de la prelucrări și corecții, până la analize de matematică spectrală. Acumularea de informații satelitare de la senzori optici (LANDSAT, SPOT, IRS, IKONOS, QuickBird) și radar (RADARSAT, JERS, ERS etc) a avut loc pe fondul creșterii necesităților de a investiga schimbările globale în perspectiva dezvoltării durabile. Aceste instrumente nu au eliminat latura cercetării terenului, ci dimpotrivă au acordat acesteia noi semnificații, o serie de probleme globale putând fi explicate la scară regională: defrișările (Sader, 2003), poluarea pădurilor boreale (Toutoubalina, Rees, 1999, 2001, Rigina et al., 1999), suprapășunatul în tundră (Rees et al., 2003), efectele defrișărilor din zona boreală (Fitzsimmons, 2003), studiul dinamicii ecosistemelor din preerie (Keetle et al., 2000), dinamica deltelor fluviale (Yue et al., 2002), evoluția grupărilor urbane și hazard urban (Laurini, 2001; Edbrooke, Mazengarb, Stephenson, 2003) și altele. Legendele geomorfologice au fost implementate cu succes în mediul de analiză SIG (Schoeneich et al. 1998, Gentizon et al. 2001), totuși, procesarea integrată a datelor complexe privind impactul environmental corelat cu dinamica actuală, în contextul dezvoltării durabile, a rămas un aspect mai puțin dezvoltat până în prezent (Hewitt, 1999 sau Berke, 1995, Gornitz, Couch, Hartig, 2002 etc.).

Analiza diacronică a imaginilor din satelit (Haynes-Young, 2002) are avantajul utilizării acestor surse de informații cu rezoluție temporală, spațială și spectrală, de cuprindere spațială a scenelor utilizate (LANDSAT, SPOT, IKONOS) ce variază de la 185/185 km la 60/60km și 10,5/10,5 km. Posibilitățile extragerii de date geocodate, imposibil de obținut prin măsurători de teren, au crescut prin prelucrări digitale și calcularea de indici ca cei normalizați ai vegetației-NDVI, ori cei din grupa tasseled cap ce arată starea vegetației, de identificare a hazardului montan (Kaeaeb, 2001).

La nivelul sistemului de analiză pilot, evenimentele de hazard, ca reacție la schimbări de mediu, se referă, în principal, la alunecări de teren și viituri/inundații.

În analiza instabilității suprafețelor de versant, literatura străină reflectă în principal două direcții: tratarea aspectelor inginerești (lucrări mai recente: Hoek, Bary, 1997, Kilburn, Voight, 1998, Petley, 1999 etc.) și aplicarea principiilor fizice în modelarea dinamicii de versant (cu o bibliografie foarte amplă, încă din anii 1970-1980, mai recent: Rautela, Lakhera, 2000, Donati, Turrini, 2002 , Guimaraes, 2003, Carrara, Crosta, Frattini, 2003 etc.). Cartarea hazardului geomorfologic are o largă tradiție în Europa (Demek & Verstappen, 1974, Embleton & Verstappen, 1988, Schoeneich & Reynard, 1993, Besson 1997, Haberling & Hurni 2002) și România (Surdeanu, 1998, Bălteanu, 2000, Branduș, Grozavu, 2001, Grecu, 2002, Voiculescu, 2002, Armaș, 2003, Grigore, Mihai, 2005 etc.).

În cadrul proceselor de versant, alunecările de teren provoacă cel mai mare impact asupra comunităților umane (Schuster, 1995 a, 1995 b; Schuster, ed., 1996; Alexander, 1992, Glade, 1998, Turner, U.S. Geological Survey, 1997 etc.). Interesul pentru cartarea și evaluarea hazardului reprezentat de alunecări de teren a crescut considerabil în ultimul deceniu, având drept obiectiv estimarea probabilității în timp și spațiu de apariție a evenimentelor cu grad mare de periculozitate pentru societatea umană. De multe ori, însă, procurarea de date privind evenimente trecute este dificilă, făcând aproape imposibil procesul integrării temporale. Ca alternativă au fost dezvoltate hărțile de susceptibilitate la anumite procese, ca evaluări ale probabilității spațiale de producere a evenimentelor cu un grad diferit de risc (Dikau, 1996; Corominas,1998). Au fost dezvoltate metode variate de elaborare a hărților de hazard și susceptibilitate (Hutchinson, 1995, Lee, 2002, Sarkar, 2004, Ayalew, 2004, Moon, Blackstock, 2004), dar fără implicarea unor aspecte procedurale de validare a produselor obținute (Carrara, Guzzetti, 1995; Chung, 1999; Irigaray, 1999, Luzi și Pergalani, 1996; Díaz de Terán, 1998; Chung și Fabbri, 1999; Dhakal, 1999; Remondo, 2001, Remondo, 2003).

În ultimii 10 ani, agenții guvernamentale și institute de cercetare (The Joint Technical Committee on Landslides -JTC; The International Consortium on Landslides – ICL; Research Center on Landslides – RCL; International Landslides Research Group – ILRG; Unit for Sustainable Development and Environment – USDE; Landslide Hazard Committee, SCEC, University of Southern California; California Department of Conservation, Division of Mines and Geology; Natural Hazard Centre, University of Colorado; Disaster Research Centre, University of Delaware; The Benfield Hazard Research Center, Londra, cel mai important centru academic multidisciplinar pe probleme de risc și hazard din Europa) au investit considerabile resurse materiale și umane în studii privind susceptibilitatea suprafețelor de versant, realizarea unor sisteme standardizate de clasificare a alunecărilor din punct de vedere geomecanic (IUGS WG/L), inventarierea fenomenului (WP/ World Landslide Inventory — Landslide Report, 2000) și conceperea unor materiale cartografice care să redea zonarea hazardului.

Cercetări recente în domeniul analizei și prognozei în spațiul tri-dimensional al inundațiilor au demonstrat prin studii comparative că precizia acestor predicții depinde în mod decisiv de acuratețea datelor de teren (Werner, 2001; Smith, 1997; Marks și Bates, 2000; Sui și Maggio, 1999) și mai puțin de complexitatea modelului hidraulic folosit (Horritt și Bates, 2002). Dezvoltarea modelelor hidraulice bi-dimensionale, bazate pe integrarea ecuațiilor curgerii mediate pe adâncime (shallow water flow equations) prin metoda elementului finit, pentru analiza de risc a inundațiilor, a fost limitată de dificultatea obținerii sau chiar de lipsa datelor complexe (viteze și cote locale pe toată zona inundată, fotografii aeriene/satelitare, hidrografe cu o rezoluție temporală foarte fină) necesare pentru calibrarea și validarea – în principal a – coeficienților de rugozitate, precum și timpii de calcul foarte mari necesari (Horritt și Bates, 2001). Prin urmare, în ultimii ani, studiile de impact al inundațiilor s-au limitat la modele hidraulice uni-dimensionale, bazate pe integrarea numerică a ecuațiilor Saint-Venant prin metoda diferențelor finite (care necesită doar date hidrologice obișnuite de cote și debite, înregistrate la stațiile hidrometrice și profile transversale și lonn, Blackstock, 2004), dar fără implicarea unor aspecte procedurale de validare a produselor obținute (Carrara, Guzzetti, 1995; Chung, 1999; Irigaray, 1999, Luzi și Pergalani, 1996; Díaz de Terán, 1998; Chung și Fabbri, 1999; Dhakal, 1999; Remondo, 2001, Remondo, 2003).

În ultimii 10 ani, agenții guvernamentale și institute de cercetare (The Joint Technical Committee on Landslides -JTC; The International Consortium on Landslides – ICL; Research Center on Landslides – RCL; International Landslides Research Group – ILRG; Unit for Sustainable Development and Environment – USDE; Landslide Hazard Committee, SCEC, University of Southern California; California Department of Conservation, Division of Mines and Geology; Natural Hazard Centre, University of Colorado; Disaster Research Centre, University of Delaware; The Benfield Hazard Research Center, Londra, cel mai important centru academic multidisciplinar pe probleme de risc și hazard din Europa) au investit considerabile resurse materiale și umane în studii privind susceptibilitatea suprafețelor de versant, realizarea unor sisteme standardizate de clasificare a alunecărilor din punct de vedere geomecanic (IUGS WG/L), inventarierea fenomenului (WP/ World Landslide Inventory — Landslide Report, 2000) și conceperea unor materiale cartografice care să redea zonarea hazardului.

Cercetări recente în domeniul analizei și prognozei în spațiul tri-dimensional al inundațiilor au demonstrat prin studii comparative că precizia acestor predicții depinde în mod decisiv de acuratețea datelor de teren (Werner, 2001; Smith, 1997; Marks și Bates, 2000; Sui și Maggio, 1999) și mai puțin de complexitatea modelului hidraulic folosit (Horritt și Bates, 2002). Dezvoltarea modelelor hidraulice bi-dimensionale, bazate pe integrarea ecuațiilor curgerii mediate pe adâncime (shallow water flow equations) prin metoda elementului finit, pentru analiza de risc a inundațiilor, a fost limitată de dificultatea obținerii sau chiar de lipsa datelor complexe (viteze și cote locale pe toată zona inundată, fotografii aeriene/satelitare, hidrografe cu o rezoluție temporală foarte fină) necesare pentru calibrarea și validarea – în principal a – coeficienților de rugozitate, precum și timpii de calcul foarte mari necesari (Horritt și Bates, 2001). Prin urmare, în ultimii ani, studiile de impact al inundațiilor s-au limitat la modele hidraulice uni-dimensionale, bazate pe integrarea numerică a ecuațiilor Saint-Venant prin metoda diferențelor finite (care necesită doar date hidrologice obișnuite de cote și debite, înregistrate la stațiile hidrometrice și profile transversale și longitudinale drept date geometrice), însă au evoluat foarte mult în direcția dezvoltării de noi și cât mai precise tehnici de achiziție la distanță a datelor de teren (prin teledetecție din satelit sau avion), utile totodată și pentru urmărirea schimbărilor morfologice ale râurilor. În prezent, unul din pachetele de programe cele mai utilizate în studiul și analiza complexă a riscului inundațiilor, care va fi folosit și în cadrul proiectului de față, este produs și pus la dispoziție de către Hydraulic Engineering Center al USACE, toate componentele sale având o bază de date comună (HEC-DSS Data Storage System) și fiind compatibile cu ArcView GIS: HEC-RAS (River Analysis System; program de modelare hidraulică uni-dimensională a curgerii pe râuri) și HEC-GeoRAS (interfață între ArcView și HEC-RAS creată pentru importul datelor geometrice geo-referențiate necesare modelării matematice și totodată pentru exportul în spațiul tri-dimensional al rezultatelor hidraulice); HEC-GeoHMS (Geospațial Hydrologic Modeling System) și HEC-HMS, (program de calcul al aportului lateral datorat scurgerii pe versanții bazinului hidrografic pornind de la datele de precipitații) și HEC-ResSIM (Reservoir Simulation, program de gestiune a debitelor pe râurile amenajate ce prezintă lacuri de acumulare) și HEC-FDA (Flood Damage Reduction Analysis, program de evaluare a riscului și calcul al pagubelor produse de inundații). Numeroase articole recente demonstrează capacitatea acestui pachet de programe în modelarea și prognoza cu acuratețe a inundațiilor: de exemplu, Knebl s.a., 2005; French, 2003.

Cu toate progresele și eforturile susținute pe plan mondial în cuantificarea și dezvoltarea unei metodologii eficiente de evaluare a hazardului legat de procesele de instabilitate ce decurg din reacția sistemelor morfohidrologice la schimbări de mediu, până în prezent nu există o metodologie focalizată pe delimitarea senzitivității sistemelor de albie și versant, ca element determinant în evaluarea vulnerabilității (respectiv a măsurii în care sistemele morfohidrologice pot fi afectate de un anumit eveniment aleator).

Scopul lucrării

Lucrarea are ca scop analiza geomorfologică a bazinului superior a râului Prahova pe baza modelului digital de teren (DEM) cu ajutorul programului HEC-Geospatial Modelig System (HEC-GeoHMS), extensie a programului ArcView GIS 3.2a în vederea obținerii datelor de intrare în programul HEC-HMS (Hidrologic Modeling System) pentru modelarea procesului ploaie-scurgere în arealul mai sus menționat.

În ultimii ani dezvoltarea sistemului GIS(Geografic Information System) a deschis multe posibilități în modelarea hidrologică a bazinelor hidrografice. Integrarea datelor GIS cu modelarea hidrologică reprezintă o alternativă pentru studiul bazinelor hidrografice. Posibilitatea de a realiza o analiză spațială pentru dezvoltarea parametrilor hidrologici concentrați și distribuiți pe lângă faptul că economisește timp și efort, mărește precizia în raport cu metodele tradiționale. Modelarea hidrologică a evoluat prin considerarea precipitațiilor măsurate cu ajutorul radarului și tehnici avansate de modelare a bazinului considerat sub formă de rețea. Ploaia și infiltrația pot fi calculate celulă cu celulă asigurând un detaliu sporit față de metodele tradiționale cu parametrii concentrați. Aceste tehnici de modelare avansate au devenit fezabile deoarece datele pot fi acum generate eficient prin operații spațiale GIS. HEC-GeoHMS a fost creat ca un program de hidrologie Geo Spațială pentru ingineri și hidrologi cu mai puțină experiență în utilizarea datelor GIS. Programul permite vizualizarea informației spațiale, obținerea caracteristicilor bazinului hidrografic, realizarea analizei spațiale, trasarea bazinelor și a rețelei hidrografice și realizarea intrărilor pentru modele hidrologice care pot fi utilizate direct în programul HEC-HMS.

Construirea bazei de date se bazează pe experiența acumulată în cercetări anterioare ale echipei în arealul de interes și monitorizarea de peste 5 ani a dinamicii de versant în sectorul văii Prahova.

Aspectele inovative și originale decurg din însăși tema propusă, care reunește eforturile unui număr mare de specialiști din domenii variate, pe problema senzitivității și a riscului ce decurge din instabilitățile suprafeței topografice și a scurgerilor prin albie. Este prima încercare de acest fel, în care o paletă largă de geografi, geologi, ingineri, chimiști și specialiști în cibernetică vor sta la aceeași masă pentru a găsi un limbaj comun în evaluarea cât mai corectă a senzitivității sistemelor teritoriale la schimbări de mediu, pentru o modelare regională complexă, în vederea diminuării riscurilor geomorfologice și hidrologice și prevenirea dezastrelor naturale.

Studiul procesului precipitație-scurgere

Procesul ploaie-scurgere

Figura 2.1 schematizează procesele fizice care au loc în SHL. Precipitațiile pot cădea pe vegetație, direct pe suprafața solului și pe corpurile de apă (ape curgătoare, lacuri). O parte din apa care cade sub formă de precipitații se reîntoarce în atmosferă prin evaporație (E) și prin transpirația plantelor (T). O parte din apa aflată pe coronamentul vegetal cade pe pământ – printre frunze sau se prelinge pe tulpini, ramuri și trunchiurile copacilor – unde se unește cu precipitația căzută direct pe sol; o parte din apa care băltește pe sol se infiltrează, în funcție de tipul de sol, tipul de acoperire a solului, umiditatea anterioară și proprietățile bazinului hidrografic. Apa infiltrată este acumulată temporar în primele straturi ale solului, în zona numită nesaturată (aerată); de aici, o parte din apă se ridică la suprafața solului, prin ascensiune capilară, proces numit exfiltrație și o altă parte pătrunde vertical în pământ, prin percolație, până la acviferul de apă subterană. Apa ajunsă aproape de suprafața solului se mișcă orizontal dând naștere scurgerii subsuperficiale numită și scurgere hipodermică (SH), ajungând în cele din urmă în albia unui râu. O parte din apa subterană se reîntoarce în albia râului sub forma scurgerii subterane – o scurgere foarte lentă – numită și scurgere de bază (SB). Apa care nici nu băltește pe sol și nici nu se infiltrează se scurge către albia râului formând scurgerea de suprafață numită și scurgere directă sau rapidă (SR). Albia râului reprezintă punctul de întâlnire al scurgerilor de suprafață, hipodermică și subterană și a precipitației care cade direct pe suprafața de apă. Prin urmare, debitul rezultant al râului reprezintă debitul de ieșire din bazin hidrografic.

Figura 2-1Reprezentarea procesului de scurgere dintr-un bazin hidrografic

Modelarea procesului ploaie-scurgere

Modelarea procesului ploaie-scurgere este necesară datorită limitărilor metodelor de măsurare în hidrologie .Există un număr limitat de tehnici de măsurare și un domeniu limitat de măsurători în spațiu și timp. Prin urmare este nevoie de un mijloc de extrapolare pornind de la măsurătorile disponibile în spațiu și timp în special pentru bazinele hidrografice din care lipsesc stațiile hidrometrice (efectuarea măsurătorilor nu este posibilă) și pentru evenimente viitoare, pentru a permite evaluarea impactului unei schimbări hidrologice viitoare. Diferite tipuri de modele furnizează o modalitate de extrapolare cantitativă sau de predicție care vor fi utile în activitatea de luare a deciziilor.

Figura 2-2Rezumatul schematic al pașilor în procesul de modelare

Modele utilizate de programul HEC HMS

HEC HMS folosește un model separat pentru a reprezenta fiecare componentă a procesului de scurgere incluzând:

Modelul care calculează volumul scurs;

Modelul scurgerii directe (scurgerea hipodermică și de suprafață);

Modelul scurgerii de bază;

Modelul de propagare în albii.

Modelul HEC HMS care calculează volumul de scurgere este prezentat în tabelul 2-1.

Aceste modele ridică următoarele întrebări în legătură cu volumul de precipitații care cade pe bazin: Cât s-a infiltrat pe suprafața permeabilă? Cât se scurge pe suprafața impermeabilă? Când se scurge?

Modelul HEC HMS al scurgerii directe descrie ce se întâmplă cu apa care nu se infiltrează sau care este stocată în depresiunile terenului bazinului. Modelele HEC HMS ale scurgerii de bază simulează drenajul mai lent subsuperficial de la sistem la albiile râurilor.

Tabelul 2.1Modele pentru calculul volumului de apă scurs

Dintre modelele din tabelul 2-1 se prezintă în continuare următoarele:

Modele bazate pe coeficientul de scurgere

Funcția de producție a bazinului hidrografic transformă ploaia brută în ploaie netă, care reprezintă disponibilul pentru scurgere. Bilanțul hidric este dat de relația :

, ( 2.)

unde P reprezintă ploaia totală (globală), I – intercepția de către învelișul vegetal, ET – evapotranspirația, F – infiltrația, A – acumularea sau retenția în depresiunile terenului, PN – ploaia netă.

Ploaia totală reprezintă cantitatea de ploaie căzută, măsurată în atmosfera liberă, la un nivel situat deasupra învelișului vegetal.

Ploaia brută (PB) reprezintă ploaia totală diminuată de intercepție (ploaia care ajunge la sol): PB = P-I.

Intercepția reprezintă un fenomen complex datorită multitudinii de factori de care depinde: structura învelișului vegetal, mărimea și durata precipitației atmosferice, potențialul evaporant al atmosferei etc.

Acumularea (retenția la suprafața solului) constituie acea parte a precipitației care este reținută în depresiunile izolate ale terenului. Apa care se acumulează nu are posibilitatea de a se scurge, ci se epuizează prin evaporare și/sau pătrundere în sol.

Ploaia netă (efectivă) reprezintă cantitatea de apă rămasă după eliminarea intercepției, retenției în depresiuni, infiltrației și evapotranspirației. Ploaia netă provoacă scurgerea de suprafață sau scurgerea directă, care se măsoară în secțiunea de ieșire a bazinului.

( 2.)

Coeficientul de scurgere poate fi definit ca raport între ploaia netă PN și ploaia brută PB sau ca raport dintre stratul de apă care participă la scurgere, hs și stratul de apă precipitat, hp.

( 2.)

Coeficientul de scurgere definit mai sus este considerat constant în timp și spațiu.

Modelul infiltrației constante cu pierderi inițiale

Modelul se bazează pe faptul că în timpul unui eveniment de producere a precipitației capacitatea de infiltrație fc rămâne constantă. Ploaia netă se definește prin relația:

( 2.4)

Modelul ia în considerare o pierdere inițiala Ia, care reprezintă intercepția de către învelișul vegetal și acumularea în depresiunile terenului, apa acumulată urmând a se infiltra (în timpul producerii viiturii evapotranspirația poate fi neglijată). Scurgerea de suprafață se produce numai după ce apa de pe suprafețele permeabile va depăși volumul pierderii inițiale. Acest model consideră valorile fc și Ia parametrii de intrare care reprezintă proprietățile fizice ale solului și ale acoperirii terenului, respectiv condițiile anterioare producerii precipitației. Dacă solul este saturat Ia =0. În condiții de sol uscat Ia va reprezenta stratul maxim de precipitație care poate cădea pe bazin fără a se produce scurgerea. Ia variază între 10-20% din ploaia totală pentru zone împădurite și între 2,5-5 mm pentru zone urbane [HEC, 2000].

Modelul SCS-CN

Soil Conservation Service SCS (1972) din SUA a elaborat o metodă pentru calculul precipitației nete sau a volumului de apă scurs. În timpul unei ploi, precipitația netă este inferioară sau cel mult egală cu ploaia totală din care s-au extras pierderile inițiale iar volumul de apă infiltrat în sol, Fa, după producerea scurgerii de suprafață este mai mic sau cel mult egal cu o retenție maximă potențială, S:

și ( 2.5)

Ipoteza modelului SCS constă în a considera egalitatea între raportul valorilor reale și raportul valorilor potențiale:

( 2.6)

Precipitația netă rezultă din relația (6.14) ținând cont de ecuația de continuitate:

( 2.7)

( 2.8)

Figura 2-3Reprezentarea variabilelor utilizate în metoda SCS

Din analiza rezultatelor măsurătorilor efectuate pe

mai multe bazine hidrografice s-a obținut o relație empirică pentru calculul pierderii inițiale:

( 2.9)

Rezultă în continuare:

( 2.10)

Prin reprezentarea grafică a perechilor de valori (P, PN) obținute din ploi în cazul mai multor bazine se obțin curbe de tipul celor din figura 2-4. Pentru standardizarea acestor curbe se definește un număr adimensional CN (curve number), . CN = 100 în cazul suprafețelor impermeabile sau a suprafețelor libere de apă. Între CN și S există următoarea relație exprimată în unități SI:

, ( 2.11)

sau , unde S este exprimat în inch.

Figura 2-4Soluția ecuației pentru scurgerea de suprafață prin metoda SCS; P – precipitația cumulată, PN – precipitația netă cumulată (Chow și al., 1988).

Valorile parametrului CN sunt funcție de grupa de sol, tipul de acoperire a solului cu vegetație, condițiile de umiditate anterioare producerii ploii; astfel, pentru sol normal:

, ( 2.12)

iar pentru sol uscat și sol saturat , respectiv se definesc în funcție de CN(II).

Metoda SCS se aplică cu succes pentru bazine hidrografice de pe teritoriul SUA; extinderea metodei la bazine aparținând altor regiuni ale globului poate conduce la rezultate nu întotdeauna în concordanță cu realitatea.

Modele fizice

Modelul Green-Ampt

Green și Ampt (1911) au dezvoltat un model fizic aproximativ al infiltrației, a cărui schema simplificată este prezentată în figura 6.8,

Figura 2-5Schema modelului de infiltrație Green-Ampt

Soluția analitică exactă a modelului este dată de ecuația:

, ( 2.13)

unde ft reprezintă viteza de infiltrație la momentul t, n – porozitatea solului [-], i – conținutul inițial de umiditate [-], – deficitul de umiditate [-], K – conductivitatea hidraulică la saturație, [L/T], Sf – sucțiunea capilară la nivelul frontului umed, [L], Ft – infiltrația cumulată la timpul t [L].

Frontul umed este frontiera care delimitează solul umed aflat deasupra de solul uscat aflat dedesubt. r reprezintă conținutul rezidual de umiditate a solului după ce acesta a fost drenat în totalitate, iar e = n-r reprezintă porozitatea efectivă; z – distanța de la suprafața solului măsurată în adâncime, h0 – stratul inițial de apă de deasupra solului.

Metoda se recomandă în cazul unui sol uscat cu textură grosieră.

Studiul precipitațiilor în vederea modelării hidrologice

În descrierea HEC HMS a bazinului hidrografic, cum este ilustrat în figura 3.2 răspunsul bazinului este determinat de precipitațiile care cad pe bazin și evapotranspirația din bazin. Datele istorice ale precipitațiilor pot fi folosite pentru calibrarea și verificarea parametrilor modelului, pentru prognoza timpului real și pentru evaluarea performanțelor propuse modelării. Datele din a doua și a treia categorie – care se refera la ploaie de calcul (ipotetică) – sunt folosite în cazul în care este necesară testarea performanțelor modelului utilizând evenimente din afara limitei de observație sau dacă riscul de inundație trebuie luat în considerație. Similar datele evapotranspirației sunt folosite pentru a putea observa valorile unei înregistrări istorice, sau pot fi valori ipotetice.

Acest capitol descrie metode pentru specificarea și analizarea precipitațiilor istorice sau ipotetice și a evapotranspirației cu ajutorul programului HEC HMS.

Monitorizarea pe teren a precipitațiilor

Măsurarea precipitațiilor

Măsurarea precipitațiilor se efectuează în rețeaua de posturi pluviometrice și hidrometrice a cărei densitate trebuie să permită evaluarea cât mai precisă a cantității de apă provenită din ploaie sau din topirea zăpezii.

Măsurarea apei din ploi

Măsurarea cantității de apă precipitată se poate exprima sub următoarele moduri:

înălțime de precipitație h (mm),

volumul de apă precipitată pe unitatea de suprafață orizontală (l/m2),

intensitate (i) – definită ca înălțimea de apă precipitată în unitatea de timp (mm/min) sau (mm/h).

( 3.)

Aparatele de măsurare a precipitațiilor recepționează apa de pe o suprafață orizontală standardizată aflată în contact cu atmosfera, într-un vas de stocare. Aparatele convenționale care efectuează măsurători manual sau automat se numesc pluviometre, respectiv pluviografe.

Figura 3-6Aparate pentru măsurarea precipitațiilor : A – pluviometru, B – pluviograf

Pluviometrul

Este alcătuit dintr-un corp cilindric din tablă cu suprafața receptoare de 200 cm2 prevăzut cu o pâlnie pentru captarea apei precipitate, un vas colector și eprubetă pentru măsurarea apei provenite din precipitații, gradată astfel încât diviziunile să reprezinte chiar unitățile în care se exprimă precipitațiile.

Pluviograful

Se folosește pentru înregistrarea continuă a cantității de precipitație, în special în cazul ploilor torențiale. Cuprinde în plus față de pluviometru un dispozitiv de înregistrare automată a cantității de apă acumulată în decurs de 24 ore, care constă din:

Mecanismul de sesizare a volumului de apă (plutitor cu tijă și peniță); când în colector s-a atins nivelul maxim, colectorul se golește automat prin sifonare.

Cilindrul cu mișcare de rotație pe care este înfășurată hârtia de înregistrare. Cilindrul efectuează o rotație completă într-un anumit interval de timp. T, care poate fi: o oră, o zi sau o săptămână. Graficul obținut pe hârtia de înregistrare se numește pluviogramă (Figura 3-7), unde h reprezintă cantitatea de precipitații măsurată în mm înălțime strat de apă.

Pe baza pluviogramei se construiește hietograma – curba de distribuție a cantității de ploaie căzută într-o poziție dată, pe intervale discrete de timp. Hietograma corespunzătoare pluviogramei din Figura 3-7 este prezentată în Figura 3-8.

Hietograma se obține astfel: se divizează pluviograma pe intervale de timp t; pentru fiecare interval de timp se calculează înălțimea ploii căzute și intensitatea exprimată în mm/h.

Elementele importante ale unei hietograme sunt: intervalul de timp t și forma. Se alege cel mai mic interval de timp posibil în funcție de tipul pluviografului. Forma hietogramei este caracteristică tipului de aversă și variază de la un eveniment la altul.

Măsurarea zăpezii și a apei de topire

Măsurarea zăpezii și a volumului de apă conținut în stratul de zăpadă se efectuează în rețeaua de stații nivometrice. Zăpada cedează apa în faze succesive, în funcție de condițiile climatice. Prin urmare, măsurătorile trebuie să se facă periodic. Elementele măsurabile sunt următoarele: Grosimea stratului de zăpadă inițial și cumulat, Greutatea volumetrică a zăpezii, Echivalentul în apă, Răspândirea suprafețelor acoperite cu zăpadă.

Metoda cea mai simplă pentru determinarea grosimii stratului de zăpadă este măsurarea cu ajutorul unei rigle gradate, care se introduce vertical în strat, în mai multe puncte învecinate. La stațiile mai importante se utilizează metoda bazată pe emiterea de radiații de la o sursă aflată la sol.

Figura 3-7 Exemplu de pluviogramă

Figura 3-8 Hietograma ploii

Cantitatea de apă cumulată în timpul ninsorii se măsoară prin nivometre–aparate asemănătoare pluviometrelor, având un dispozitiv de încălzire electrică pentru transformarea rapidă a zăpezii în apă.

Determinarea cantității de apă conținută într-un strat de zăpadă se obține prin topirea unei probe luată din grosimea totală a stratului.

Suprafețele acoperite cu zăpadă se stabilesc prin observații primite de la stațiile nivometrice sau pe baza fotografiilor aeriene.

Erori de măsurare a precipitațiilor

Instrumentele convenționale de măsurare a precipitațiilor determină erori de măsurare de mai multe tipuri și anume:

Erori de captare

Datorate înclinării direcției ploii în raport cu pluviograful; în cazul terenurilor înclinate utilizarea pluviometrelor orizontale poate crea un deficit de precipitație de până la 10% în raport cu cantitatea de apă efectiv căzută la sol.

Datorate acțiunii vântului care deviază o parte din picături în afara suprafeței de captare; deficitul de precipitație poate atinge o valoare medie de până la 17% (eroarea de captare este funcție de viteza vântului). Pentru diminuarea erorii se montează ecrane protectoare în jurul pluviometrului.

Erori de instrument (0,5%) – se datorează abaterii de la forma și dimensiunile ideale ale aparatului;

Erori datorate pierderilor prin aderare (0,5%) – apa și zăpada au tendința de a adera la suprafața interioară a pluviometrului;

Erori datorate evaporării apei din recipient (0,1%); utilizarea unei pâlnii permite reducerea evaporării prin micșorarea orificiului recipientului.

Erorile menționate determină subestimări sistematice ale cantității de precipitații, în special în condiții de iarnă, datorită acumulării zăpezii și gheții pe bordura aparatului sau umplerii complete a cilindrului cu zăpadă.

Noua generație de aparate Vaisala pentru măsurarea precipitațiilor (figura 3.4.a) elimină erorile instrumentelor convenționale prin utilizarea unei tehnologii de ultimă oră, de mare precizie, care include o unitate electronică (figura 3.4.b) și asigură măsurători de înaltă performanță în orice condiții, atât pentru precipitații lichide, cât și solide (Turtiainen, 2006).

Figura 3-9. Aparatul Vaisala pentru măsurarea precipitațiilor cu ecran de protecție împotriva vântului (a), Unitatea electronică (b)

Cerințele de calcul a volumului scurs

Precipitațiile se consideră distribuite uniform pe suprafața bazinului pentru o durată de timp dată. Proprietățile specifice ale ploii uniforme sunt

(1 ) adâncimea totală a precipitațiilor din bazin,

(2) distribuția temporală a precipitațiilor.

Calculul precipitației medii

Adâncimea stratului de precipitație poate fi calculată folosind o formulă de mediere:

(3-2)

unde: PMAP= precipitația totală medie pe bazin (MAP)

pi(t)= adâncimea măsurată la timpul t și stația i;

wi= factorul de pondere , asociat observației i;

Daca stația i nu este prevăzută cu pluviograf (o înregistrare continuă), atunci numai cantitatea, care reprezintă precipitația totală la stația i, va putea fi utilizată în calcul. Metodele uzuale de determinare a ponderii pentru calculul MAP sunt următoarele:

Metodele clasice de determinare a ploii medii pe bazin sunt utile doar atunci când scurgerea se calculează prin metode manuale aproximative, pe baza cantității totale de ploaie căzute.

Metoda mediei aritmetice

, ( 3.3)

Unde h – precipitația medie pe bazin, hi – valorile precipitațiilor la stații, n – numărul stațiilor pluviometrice din interiorul BH.

Metoda integrării pe izohiete

Rețeaua de izohiete se trasează pe baza valorilor disponibile din punctele de înregistrare și a altor stații învecinate. Trasarea izohietelor nu este unică așa cum se procedează în cazul curbelor de nivel. În general trasarea se face prin interpolare liniară între valorile aferente fiecărei stații. După trasarea izohietelor precipitația medie pe bazin se calculează cu relația:

( 3.4)

fi – suprafețele parțiale dintre izohiete,

hi, hi+1 – valorile izohietelor care delimitează suprafața parțială fi,

F – suprafața totală a BH.

Metoda poligoanelor Thiessen

Poligoanele Thiessen se trasează unind stațiile vecine prin segmente de dreaptă. Intersecția mediatoarelor acestor segmente determină vârfurile poligoanelor Thiessen, definind astfel zona de influență a fiecărei stații ).

Fie Fi – suprafața poligonului aferent stației cu precipitația hi. Valoarea precipitației medii pe bazin se calculează cu formula:

. ( 3.5)

Figura 3-10Schema de calcul pentru metoda a) poligoanelor Thiessen si b) metoda integrării pe izohiete

Distribuirea temporală a precipitațiilor

Pentru a calcula un hidrograf, care reprezintă variația debitului cu timpul, sunt necesare informațiile referitoare la MAP. Se definește modelul de mediere temporală ppattern(t) prin relația

(3.6)

în care : pi(t)= precipitațiile măsurate la stația i și la momentul t;

wi(t)= factorul de pondere atribuit stației i la momentul t;

Distribuția temporală a MAP este dată de relația:

(3.7)

în care: pMAP(t)= precipitația medie pe bazin (MAP) la timpul t.

Dacă se utilizează înregistrările de la un singur aparat de înregistrare automată (continuă) în ecuația 4-2, hietograful MAP care rezultă va avea aceiași distribuție relativă ca în hietograful observat.

Pe de altă parte, dacă se consideră două sau mai multe puncte de înregistrare , ppattern(t) va reprezenta media valorilor observate. Prin urmare, dacă distribuția temporală la aceste stații este semnificativ diferită, ca în cazul unei ploi care se deplasează pe bazin ppattern(t) poate omite informații referitoare la precipitația pe bazin. Aceasta este arătată în distribuțiile temporale din figura 3.6, unde se prezintă hietografele ploii la două stații. De exemplu, așa cum rezultă din figură la stația (A) ploaia a căzut cu o intensitate uniformă 10mm/h între orele 00-02 h, iar după ora 02 nu s-a înregistrat nici o precipitație. La stația (B) nu s-a înregistrat precipitație până la orele 02 iar între orele 02-04 s-a înregistrat o ploaie uniformă de aceiași intensitate ca la stația (A) de 10 mm/h. Presupunerea este aceea că ploaia s-a deplasat pe bazin de la stația (A) la stația (B). Dacă datele înregistrate la aceste două stații se utilizează în ecuația 4-2 și 4-3 pentru a determina ppattern(t) cu ponderi egale pentru fiecare stație rezultatul este o ploaie uniformă de 5mm/h între orele 00-04. Acest rezultat nu este reprezentativ pentru modelul de mediere temporală ppattern(t). O posibilitate mai bună ar fi utilizarea uneia din cele două stații ca model pentru media pe bazin.

Intensitatea ploii (mm/h)

Timp (h)

Figura 3-11Ilustrarea riscului care s-ar putea produce prin medierea distribuțiilor temporale ale ploii

Metoda ponderată

Ca o alternativă la definirea separată a precipitației medii pe bazin totale se poate utiliza o metodă care calculează în mod direct hietograful MAP. Această metoda calculează P(t) care reprezintă precipitația pe bazin la momentul t prin aplicarea unei metode de ponderare. Schema se bazează pe utilizarea „nodurilor” care sunt poziționate în interiorul bazinului în așa fel încât îi asigură o rezoluție spațială a precipitațiilor în interiorul bazinului.

Se calculează hietograful ploii pentru fiecare nod utilizând stațiile pluviometrice din apropierea acelui nod. Pentru selectarea acelor stații de măsură se construiesc axe cu direcția nord-sud și est-vest care trec prin fiecare nod și se găsește cea mai apropiată stație în fiecare cadran definit de aceste axe (figura 3.7).

Figura 3-12Ilustrarea metodei ponderate

Ponderile se atribuie stațiilor de măsură invers proporțional cu pătratul distanței de la nod la stație de exemplu în figura 3.7 ponderea stației (C) se calculează prin formula:

(3.8)

în care: wc = ponderea atribuită stației pluviometrice (C);

dc = distanța de la nod la pluviometrul (C);

dD = distanța de la nod la pluviometrul (D) în cadranul sud-est;

dE = distanța de la nod la pluviometrul (E) în cadranul sud-vest;

dF = distanța de la nod la pluviometrul (F) în cadranul nord-vest.

Ponderile atribuite stațiilor pluviometrice (D),(E) și (A) sunt calculate similar.

Ordonata hietografului din nodul respectiv la momentul t se calculează cu relația

Pnode=wApA(t)+ wCpC(t)+ wDpD(t)+ wEpE(t) (3.9)

Acest calcul este repetat pentru fiecare timp t.

Se observă faptul că stația pluviometrică (B), nu este utilizată în acest exemplu deoarece nu este cea mai apropiată de nod în cadranul nord-vest. În cazul în care lipsește valoarea precipitației de la stația (A) se vor utiliza date de la stația (B). În concluzie pentru calculul MAP se va utiliza cea mai apropiată stație pluviometrică la care există date înregistrate.

Odată ce seria pnode(t) este stabilită pentru toate nodurile, seriile MAP sunt calculate cu:

(3.10)

în care: wnode = ponderea atribuită pentru fiecare nod. În exemplu de mai sus un singur nod este localizat în centrul de greutate al bazinului, astfel încât ponderea să fie 1.00. Se pot defini și , noduri suplimentare pentru a asigura o mai bună rezoluție spațială a precipitațiilor. Ponderile pentru aceste noduri se determină utilizând poligoanele Thiessen sau altă schemă alternativă.

Furtunile ipotetice

Concepte bazate pe modele standard

Criteriile standard sunt de obicei folosite pentru planificarea și proiectarea unor noi amenajări hidrologice, pregătirea și răspunsul la inundații și regularizarea cursurilor de apă. Utilizând criteriile standard, se impune o valoare „prag ” sau standard pentru un nivel acceptabil de risc pentru populație și se iau măsuri pentru a satisface acest standard.

Prin impunerea timpului mediu pe termen lung dintre depășirile capacității de drenaj. Această limită se numește probabilitate de depășire anuală. Pentru atingerea standardului este necesară estimarea debitului corespunzător (AEP). În multe situații sunt necesare informații suplimentare despre volumul și timpul scurgerii de suprafață, de exemplu volumul scurgerii trebuie estimat pentru a furniza o informație cu privire la dimensionarea unei acumulări de apă pentru protecția împotriva inundațiilor.

În cazul în care sunt disponibile date suficiente la debitul scurs pentru un anume curs de apă se pot estima debitele de calcul pentru o anumită probabilitate de depășire anuală (AEP) prin utilizarea metodelor de analiză statistică.

Procedura utilizează debitul maxim anual înregistrat pentru calibrarea unui model statistic de tip Pearson tip III și utilizează acest model statistic calibrat pentru a prezice debitele în cazul unui anumit AEP selectat. Proiectarea care se bazează pe probabilitatea de nedepășire a acestui debit va respecta standardul impus. Metoda analizei statistice enunțate mai sus se utilizează în puține cazuri pentru estimarea debitului deoarece:

Foarte puține cursuri de apă au stații hidrometrice iar cele care au nu furnizează date înregistrate pe termen suficient de lung pentru a putea fi utilizate în modelul statistic.

Modificările în utilizarea terenului afectează răspunsul bazinului la precipitație astfel că debitele de viitură ipotetice determinate cu ajutorul datelor obținute pentru condiții naturale sau de vegetație nedezvoltată nu reflectă debitele așteptate în cazul condițiilor de vegetație dezvoltată.

Metoda analizei statistice nu furnizează informații despre volumul scurs și timpul în care se produce scurgerea.

Prin urmare în multe cazuri este necesară o metodă de analiză alternativă. O astfel de metodă utilizată frecvent se bazează pe utilizarea unei precipitații cu o anumită probabilitate de depășire anuală (cunoscută sub denumirea de ploaie de calcul) combinată cu un model matematic al procesului prin care ploaia este transformată în scurgere. Noțiunea este aceea că dacă se utilizează valorile medii ale tuturor parametrilor modelului, probabilitatea de depășire anuală a debitului calculată din ploaia ipotetică ar trebui să egaleze probabilitatea de depășire anuală a precipitațiilor (AEP).

HEC HMS furnizează 3 alternative ale ploii standard:

Ploaie bazată pe frecvență

Ploaia de calcul standard(SPS)

ploaie cu adâncime și distribuție temporală definită de utilizator

Utilizarea datelor GIS în modelarea hidrologică

Acest capitol se concentrează asupra Sistemului Geografic de Informații (GIS) și asupra modului în care sunt obținute datele și procesate pentru analiza bazinului hidrografic.

Sistemul Geografic de Informații (GIS)

Modele Hidrologice

Există o mare varietate de informații necesare inginerilor hidrologi referitoare la controlul profesionist al procesului de eroziune și al materialelor specifice în funcție de obiective și de nivelul de detalii cerut.

Vom începe cu descrierea programului Geographic Information System (GIS), a ceea ce poate face și cu exemple cum poate fi folosită analiza bazinelor

GIS (Geographic Information Systems)

Folosirea GIS și a informațiilor geografice referitoare la resursele de apă și analiza bazinului hidrografic este destul de recentă. GIS este un sistem computerizat care procesează date spațiale brute și înregistrează informația într-un sistem de celule tip grid pentru utilizarea acesteia în alte programe.

Se utilizează la întocmirea hărților și analiza unor factori cum ar fi utilizarea terenului, populație factori demografici, tipuri de sol și precipitații. GIS integrează operații cu baze de date comune cu vizualizarea și analizele geografice oferite de harții. Primul pas în dezvoltarea datelor GIS pentru utilizarea acestora cu modele hidrologice și hidraulice îl reprezintă stabilirea unei harți de bază ca de exemplu hărți scanate, fotografii digitale și modele digitale de teren (DEM-date de teren digitale tridimensionale). Această hartă de bază trebuie să conțină o referință geografică cum ar fi altitudine, longitudine sau un sistem de coordonate național de tip grid (Sistemul Transversal Universal Mercator). Toate celelalte date GIS folosite în analiză trebuie să fie în același sistem de coordonate ca și harta de bază.

În general există cinci structuri de date utilizate în GIS:

punctele x și y (care desemnează nordul și sudul) precum stații hidrometrice sau posturi pluviometrice ,

linii x și y cum ar fi cursurile de apă ,

poligoane în planul x și y care reprezintă suprafețe relativ omogene cum ar fi bazinele hidrografice sau solurile

rețele (grid) care reprezintă straturi geografice împărțite în celule pătrate în planul x-y în care fiecare celulă stochează valori numerice de informație geografică cum ar fi altitudine, adâncimea apei, viteză și concentrația sedimentelor (DEM-urile sunt date de tip grid).

rețele neregulate triunghiulare (TIN) care reprezintă suprafețe ce utilizează triunghiuri care nu se suprapun.

Informații referitoare la bazinele hidrografice sau rețelele hidrografice asociate pot fi calculate în GIS utilizând tipurile de date de mai sus astfel putând fi pregătite fișiere de intrare pentru diferite modele.

Datele digitale devin din ce în ce mai disponibile ceea ce face utilizarea GIS mult mai practică. Informația GEO referențiată în contextul unei analize de bazin geografic se referă la informația digitală procesată de GIS care este reprezentativă pentru o suprafață mică sau celulă a bazinului. Acea suprafață este localizată geospațial ceea ce înseamnă că i se atribuie puncte de coordonate care reprezintă poziția acesteia în cadrul bazinului. Pentru aceiași arie mică a bazinului pot exista diferite unități de informație de exemplu o celulă poate conține două tipuri de date cum ar fi panta medie a suprafeței și un număr care este asociat cu tipul acoperiri terenului (1=pășune, 2=pădure). Asemenea informație se determină pentru fiecare celulă a bazinului suprapunând hărți care conțin informația și prin digitizarea acesteia. Uneori informația poate fi introdusă direct pentru un sistem GIS prin tehnici mai avansate. Fiecare tip de informație se numește (strat) deoarece același tip de date (dar având valori diferite) se aplică tuturor celulelor care formează bazinul. Utilizând elemente GIS se pot defini relații între straturi pentru a crea un alt strat de exemplu se poate face legătura între gradul de acoperire al solului (stratul 1) și tipul de sol (stratul 2) pentru fiecare celulă pentru a crea un nou strat care reprezintă potențialul ploaie-scurgere .

Programul ArcView

ARC / INFO și ArcView GIS create de către Enviromental System Research Institute (ESRI) sunt cele mai utilizate pachete de programe GIS. Alte pachete de programe GIS includ TNTmips (MicroImages Inc., www.microimages.com) și GRASS (creat de US Army Corps of Engineers (ACE) Construction Engeneering Laboratory, www.baylor.edu/-grass/general.html).

Cuverturile ARC/INFO

La adăugarea cuverturilor create în ARC/INFO ce conțin mai mult de o clasă de atribute, trebuie aleasă clasa de atribute care se dorește a fi reprezentată. Se pot adăuga mai multe teme ale aceleași cuverturi într-o fereastră de vizualizare dacă se selectează o cuvertură care conține mai multe atribute fără a specifica pe care dintre ele dorim să o reprezentăm, ArcView va încărca automat pe prima dintre ele.

Privire generală asupra caracteristicilor programului

La lansarea programului, va apărea o fereastră de întâmpinare (Welcome window). Dacă aceasta este anulată (Cancel), va apare fereastra de aplicație ArcView (ArcView Application window), care conține o fereastră-proiect fără titlu (Untitled Project window).

Bara de meniuri a ferestrei aplicației conține:

Meniul File: pentru a deschide, închide sau salva un proiect .

Meniul Project: pentru a vedea sau edita proprietățile unui proiect .

Pentru a vedea rapid capacitățile programului se poate deschide un proiect existent și datele pentru exerciții care-l însoțesc.

Fereastra-proiect își schimbă titlul în qstart.apr și sunt arătate datele disponibile, grupate în vizualizări, tabele grafice, pregătiri pentru imprimare și scripturi.

Ferestrele de vizualizare (Views)

View este de fapt o hartă interactivă care permite afișarea, explorarea, interogarea și analiza datelor geografice. Ea este alcătuită din starturi de informații geografice pentru un loc sau un areal anume, numite teme

Selecționând simbolul View, din chenarul din stânga ferestrei-proiect, conținuturile sunt afișate cadrul din partea dreaptă a acestei ferestre. Dacă selecționăm world și facem un dublu clic; harta aferentă va fi afișată într-o fereastră de vizualizare.

Fereastra de vizualizare expune și o listă de teme accesabile pentru vizualizate, numită Tabelul de conținut (Table of contents). Această listă permite:

Selectarea temelor care vor fi vizualizate în partea dreaptă a ferestrei (map frame), marcând cu caseta;

selectarea ordinii în care vor fi afișate temele, prin selectarea numelui temei și tragerea acesteia în sus sau în jos în cadrul tabelului de conținut.

Temele din partea de sus a listei vor fi afișate deasupra celor din partea de jos!

Alte funcții: zoom, pan, scale, measure

Dacă poziționăm cursorul în interiorul hărții și acționăm butonul drept al mouse – ului este posibil să mărim (zoom in), micșorăm (zoom out) și să centrăm pe poziția cursorului (pan). Toate aceste funcții sunt disponibile și prin folosirea butoanelor din bara corespunzătoare a ferestrei de afișare, plus alte două: afișarea poziției precedente (zoom to the previous location) și afișarea întregii zone a hărții (zoom to full extent of the view).

Caseta pentru scară (scale) permite stabilirea scării hărții. Dacă este goală, trebuie mai întâi să specificăm scara hărții pentru tema respectivă, folosind funcția:

Application window-View-Properties-Map units' list.

Butonul pentru măsurare (measure) este activ după încărcarea unei teme.

Acționăm butonul stâng al mouse – ului pentru a începe o linie; acționăm din nou pentru a adăuga noduri; cu un dublu clic terminăm de trasat linia.

În partea de jos a ferestrei aplicației vom vedea lungimea ultimului segment și lungimea totală a liniei.

Cuverturile tematice

O temă se activează prin selecționarea numelui ei (NU a butonului de vizualizare) din partea stângă a ferestrei; odată activată o temă, se poate interveni asupra atributelor sale.

Pentru a activa mai multe teme, ținem apăsată tasta SHIFT și selecționăm pe rând;

Pentru a activa toate temele deodată Application window-View-Themes on, sau CTRL+clic pe oricare dintre teme;

Pentru a dezactiva toate temele deodată Application window-View-Themes off, sau CTRL+clic pe oricare temă sau. Acest lucru este folositor pentru stoparea desenării unei hărți de mari dimensiuni.

După activarea uneia sau mai multor teme, mai multe butoane ale ferestrei aplicației devin accesibile

Crearea unei hărți noi

În Fereastra proiect (engl. Project window), executăm un clic pe butonul New pentru a crea o Fereastră de vizualizare goală (engl.View window). Apoi:

Application window- View menu – Add theme

pentru a selecta un fișier de tip shape. Se pot face selectări multiple ținând tasta SHIFT apăsată pe durata selectărilor. Dăm OK: fișierul sau fișierele shape se adaugă în cuvertura tematică. Acum putem schimba culorile sau alte proprietăți ale temei înainte de a o activa. Putem, de asemenea, să-i schimbăm poziția în tabela de conținut (din stânga ferestrei).

Observăm că pentru a avea valori corecte pentru scara hărții, trebuie să specificați unitățile hărții:

Application window- View menu – properties

aici puteți specifica și unitățile de distanță pentru vizualizare.

Unitățile de distanță (Distance units): unitățile în care sunt afișate dimensiunile și măsurătorile pe durata de lucru; de exemplu la folosirea instrumentului de măsurare (measure tool

Dacă datele spațiale sunt în grade zecimale, putem alege o anumită proiecție pentru afișarea hărții. Dacă nu alegem o proiecție (Projection = None), coordonatele latitudine/longitudine sunt tratate drept coordonate planare x, y.

Specificarea scării la care o temă este afișată pe hartă

Dacă scara este schimbată frecvent (măriri și micșorări), este bine a fi setate proprietățile de afișare a temei, adică să definim intervalul de scări în care ArcView va desena tema în fereastra de vizualizare. Ori de câte ori scara de vizualizare este în afara acestui interval, tema nu va mai fi afișată, nici imprimată. În acest timp, butonul corespunzător temei în tabela de conținut (stânga ferestrei) va rămâne marcat.

Proprietățile de afișare pot fi setate astfel încât temele cu mai multe amănunte să fie desenate progresiv, pe măsură ce sunt mărite. Activăm tema, apoi:

Application window- Theme menu – properties (sau butonul Theme property). În fereastra de dialog, dăm clic pe butonul Display. Introducem intervalul de scară folosind câmpurile minimum și maximum.

Alipirea unui tabel la tabelul de atribute ale unei teme

După incărcarea datelor tabelare, putem să adăugăm acest tabel la o hartă prin alipirea sa la tabela de atribute ale temei respective, astfel ca toate câmpurile din tabel să fie adăugate tabelei de atribute.

Alipirea se bazează pe valorile unui mp ce poate fi găsit în ambele tabele. Denumirea câmpului poate fi diferită, dar tipul datelor trebuie să fie același: numere cu numere, denumiri cu denumiri, etc. în tabelul conținând datele care urmează a fi alipite tabelului de atribute ale temei, dăm un clic pe denumirea câmpului pe baza căruia se va face alipirea.

Alipirea poate stabili relații de tipul unul-la-unul sau mai-mulți-la-unul.

Relația unul-la unul se stabilește dacă fiecare înregistrare din tabelul de atribute ale temei corespunde unei alte înregistrări din alt tabel;

Relația mai-mulți-la-unul se stabilește, de exemplu, dacă tema conține poligoane și fiecare dintre acestea a fost clasificat după tipul de vegetație. Există un singur cod pentru fiecare poligon, dar unei anumite clase îi corespunde mai mult decât un poligon. Un fișier dBASE separat stochează descrierea claselor. Alipindu-l, mai mult decât un singur poligon va primi aceeași descriere.

Simbolizarea datelor

Simbolizarea permite controarea modului în care fiecare temă este desenată în fereastra de vizualizare.

Afisează toate entitățile cu același simbol și le clasifică;

decide cu ce atribut vor fi clasificate entitățile dintr-o temă, metoda de clasificare, culorile și simbolurile. Editorul de legendă (Legend Editor) este folosit pentru a simboliza o temă pe baza atributelor din tabel. Pentru a deschide Legend Editor,

dublu clic pe numele temei din tabelul de conținut al ferestrei de vizualizare, sau

un clic pe numele temei și apoi Application window – meniul Theme – Edit Legend

Reprezentarea la scară a punctelor și liniilor

Symbols nu se reeprezintă la scară prin mărire/micșorare. Dacă dorim reprezentarea lor la scară, sapecificăm mai întâi unitățile de hartă în fereastra de vizualizare. Apoi afișăm Legend Editor, dăm un clic pe Advanced și marcăm caseta Scale Symbols.

Adăugarea de simboluri suplimentare

Simbolurile suplimentare din ArcView's sunt conținute în fișierele paletă (.avp) din ArcView directory/symbols. Pentru a le accesa, dăm un dublu clic pe un simbol din Legend Editor (sau Application Window – meniul Window – Show Symbol Window).

În fereastra Palette, alegeți butonul Manager, selectăm Load și alegem fișierul palette care conține simbolurile pe care dorim să le adăugăm. Acestea vor fi adăugate la Marker Palette. Butonul Delete permite ștergrea simbolurilor nedorite.

Pentru a crea o altă paletă default, selectăm Make default în Manager Palette. Noua paletă va fi scrisă în directorul gazdă al utilizatorului sau în directorul temp.

Pentru a salva o paletă folosită, intrăm în Manager Palette și selctăm tipul de paletă dorit din lista derulantă Type; apoi dăm un clic pe Save și alegem locația pentru noul fișier.

Pentru a importa un bitmap ca simbol curent, intrăm în Manager Palette și selectăm Marker din lista derulantă Type; dăm un clic pe Import și selectăm locația pentru bitmap.

Simbolurile importate nu pot fi rotite; culoarea de fundal nu poate fi setată și nu se colorează în galben când sunt selectate.

Etichetarea hărților

Adăugarea graficelor folosind paletele derulante. Se pot adăuga puncte, linii drepte sau frânte, casete, cercuri, poligoane.

Cel mai bine adăugăm graficele după ce am specificat proiecția hărții.

Adăugarea de text se face folosind instrumentul Text (T); acesta se poate schimba cu un dublu clic pe el.

Pentru a modifica un poligon, folosim butonul Vertex Edit din bara de instrumente a Ferestrei aplicației.

Pentru a vedea caracteristicile unui grafic, selectăm folosind instrumentul Pointer (). Dăm un dublu clic pe acesta (sau Application Window – meniul Window – Fereastra Show Symbol) pentru a deschide fereastra Palette, apoi operăm modificările pe care le dorim.

Atașarea/detașarea graficelor la o temă

Textul și graficele apar doar atunci când tema este activată. Ele pot fi atașate doar la câte o temă, pe rând.

Application window – meniul Graphics – Attach Graphics/Detach Graphics

Realizarea de grafice

Pentru a expune informații suplimentare despre entitățile din hartă, putem realiza grafice pornind de la datele de care dispunem.

Pentru a crea un grafic: deschidem tabelul în care se află datele. Graficul se poate realiza fie folosind toate datele, fie doar anumite date, caz în care acestea vor trebui selectate.

Dăm un clic pe butonul Create Chart din bara de instrumente a Fereastra aplicației. Selectăm câmpul în care se află datele pe bază cărora se va alcătui graficul și dăm un clic pe butonul Add. Câmpul Groups arată toate datele care pot fi folosite pentru realizarea de grafice.

Alegem câmpul pe care dorim să-l folosim pentru etichetarea seriei de date. Introducem numele graficului și dăm OK.

Tipuri de grafice disponibile: alăturate, cumulative, relative (în procente).

Chart element properties permite schimbarea poziției elementelor pe axe; pentru schimbarea culorilor folosim instrumentul Chart color.

Un grafic este legat în mod automat de tabelul care a stat la baza creării lui. putem:

controla care marcatori de date vor apare în grafic: doar selectînd/deselectînd inregistrări din tabel, sau selectînd entități din temă;

șterge marcatorii de date din grafic: folosind butonul Erase puteți șterge un singur marcator sau desena un poligon în jurul unui grup de marcatori de date pentru a-I șterge pe toți. Ultima posibilitate poate fi folosită pentru a rafina o selecție făcută, de exemplu, pentru o interogare;

identifica un marcator de date în grafic: pentru a afișa toate informațiile despre atribute din înregistrările de date asociate tabelului. Acest caz este folosit pentru a vedea valoarea exactă a datelor reprezentate în grafic.

O serie de date este un set de valori înrudite, folosite pentru a face comparații într-un grafic.

Un grup de date este un set de valor care descriu aceeași variabilă. Pentru a inversa serie seriile și grupurile de date, apăsăm butonul Record/Fields din bara de instrumente a Ferestrei aplicației și dăm un clic pe Series.

Un grafic poate fi imprimat direct ( Application window – meniul File – Print) sau poate fi plasat pe o pagină pe care se află harta și imprimat împreună cu aceasta.

Adăugarea de componente opționale

Grafice

Pentru a adăuga un grafic, acesta trebuie mai întâi deschis.

Pentru a rupe legătura dintre un grafic și chenarul său, selectăm chenarul cu instrumentul Pointer (), apoi

Application window – meniul Chart – Simplify; elementele din interiorul graficului vor deveni independente. Group permite modificarea poziției sau mărimii lor.

Tabelele

Pentru a adăuga tablele, acestea trebuie mai întâi deschise, altfel vor fi incluse doar cu calitatea grafică minimă.

Pentru a rupe legătura dintre un tabel și chenarul său, procedăm la fel ca pentru grafice.

Imagini

Pentru a adăuga imagini, acestea trebuie să fi fost salvate în unul din următoaarele formate: gif, eps, postscript, tiff, bmp.

Text și grafică

Pentru a adăuga text și grafică: ambele elemente pot fi adăugate folosind paleta de plasare accesată cu un clic pe instrumentul Point Tool () și Text Tool (T) din bara de instrumente a Ferestrei aplicației.

Referențierea imaginilor la spațiul geografic

Sursele Vector sunt stocate în sistem de coordonate x, y cu originea în colțul din stănga jos;

Sursele Imagine sunt stocate în linii și coloane cu originea în colțul din stânga sus.

Adăugând o imagine în fereastra de vizualizare, ArcView îi transformă coordonatele în sistemul x, y astfel încât imagine va avea referire la spațiul geografic. Arc View transformă imaginile în coordonate "reale". fără a le roti

Pentru a realiza această transformare, ArcView caută informații de georeferențiere:

în header-ul fișierului imaginii;

în fișiere ASCII separate, numite Word File (un "w" este lipit extensiei fișierului, de examplu .tiffw).

Imaginile sunt afișate așa cum sunt, fără legătură cu proiecția cartografică. Astfel:

dacă proiecția imaginii nu este geografică și:

avem date vectoriale în projecție cu DD, setăm proiecția acestora pentru a se potrivi cu aceea a imaginii; datele vectoriale sunt într-o proiecție cartografică, se vor potrivi cu imaginea doar dacă sunt stocate în aceeași proiecție cu aceasta.

dacă proiecția imaginii este geografică (latitudine/longitudine) și fișierul shape are aceeași proiecție, nu specificăm nici o proiecție pentru vizualizare.

Modele hidrologice

Bazinul hidrografic (BH) reprezintă suprafața care colectează apele într-un curs de apă într-un anumit punct. Precipitația într-un bazin conduce la scurgerea de suprafață și la scurgerea în albii. Scurgerea de suprafață în cele din urmă se concentrează și devine o scurgere într-o albie de râu. Datorită pierderilor hidrologice prin evapotranspirație, evaporație, intercepție și infiltrație, volumul scurgerii de suprafață este mai mic decât volumul de apă precipitat. Mărimea pierderilor de apă este o funcție de caracteristicile bazinului cum ar fi vegetația, tipul de sol, panta și forma etc.

Modelele hidrologice simulează procesele de precipitație-scurgere pentru unul sau mai multe bazine conectate printr-o rețea hidrografică. Aceste modele sunt folosite pentru evaluarea impactului urbanizării, pentru calcularea debitului într-un punct al unui curs de apă unde nu există înregistrări, hidrograful de intrare pentru un model hidraulic nestaționat sau un model de transport de sedimente ,

Pentru simularea procesului ploaie-scurgere precipitația se aplică pe tot bazinul in spațiu și timp. Datele de precipitații pot să provină din:

date înregistrate la stații pluviometrice

din ploi ipotetice cu o anumită frecvență

din date radar.

Fiind date precipitația și caracteristicile bazinului volumul scurs se calculează prin scăderea pierderilor (ex. Infiltrația in sol) din volumul de apă precipitat. Volumul scurs este apoi transformat într-un hidrograf al scurgerii directe. Scurgerea directa dintr-un bazin. Individual poate fi combinată cu scurgerea din alte bazine și care apoi se propagă prin albiile râurilor.

În literatura există câteva modele utilizate pentru simularea proceselor ploaie-scurgere:

HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center, US ACE)

HSPF (USEPA), TR-20 (NRCS)

MIKE 11 și MIKE SHE (DHI Inc.)

HEC HMS simulează procesul ploaie-scurgere cu o interfață grafică definită de utilizator a sistemului Windows. Intrările în modelul HEC HMS se compun din modelul bazinul (Basin Model) și modelul precipitațiilor (Precipitation Model). Basin Model se compune din elemente hidrologice ( bazinul hidrografic, sectoare de râuri, rezervoare de apă și parametrii asociați acestora) și date referitoare la conectivitate (conectare și direcția de curgere între sub-bazine). Pentru a construi un model de bazin e necesară efectuarea delimitării sub-bazinelor și a cursurilor de apă corespunzătoare, și calculul diferiților parametrii caracteristici.

GIS este o tehnică foarte complexă care poate fi utilizată pentru a genera aceste intrări. ArcView GIS cu extensia Spatial Analyst poate fi utilizată pentru delimitarea sub-bazinului din interiorul bazinului pentru a determina direcția de curgere și acumulare dintr-un model digital de teren (DEM).

Prin cooperarea între ESRI și HEC a apărut extensia programului ArcView GIS numită GEO HMS (Geo Spatial Hydrologic Modeling System) care este utilizată pentru elaborarea unui model de bazin HEC HMS (Hydrologic Modeling System).

Date GIS cum ar fi utilizarea terenului și tipuri de sol pot fi utilizate pentru a determina anumiți parametri necesari calculelor pierderilor și a scurgerii directe.

HEC PrePro reprezintă o altă extensia a lui ArcView care extrage și pregătește informații topografice și topologice dintr-un DEM pentru a fi utilizate de programul HEC HMS .

Aplicarea programului HEC-GeoHMS în analiza morfologică a bazinului și rețelei hidrografice. Studiu de caz-sectorul Văii Prahova cuprins între Comarnic și Lunca Prahovei.

Scopul acestui capitol este de a ilustra principalele etape în dezvoltarea unui model hidrologic HMS utilizând GEO-HMS versiunea 1.0. Aria de studiu este reprezentată de sectorul Văii Prahova și Lunca Prahovei. Terenul bazinului hidrografic este reprezentat prin modelul digital de teren corespunzător modelului de teren analizat.

Se obțin opt seturi de date (layer) care descriu împreună modul în care apele sunt drenate în bazinul hidrografic. Primele cinci seturi de date în reprezentare de tip grid sunt:

direcția de curgere;

acumularea;

definirea rețelei;

segmentarea rețelei;

conturarea bazinelor hidrografice.

Următoarele seturi de date sunt reprezentări de tip vector ale subbazinelor și cursurilor de apă și acestea sunt poligoanele subbazinelor și segmente de cursuri de apă. Acestea sunt prezentate

Programul HEC-Geo definește trei module :

Preprocesarea modelului de teren

Procesarea bazinului hidrografic

Construirea unui model HMS având ca intrări rezultatele procesării cu programul HEC-GeoHMS.

Preprocesarea modelului de teren .

Prin aplicarea algoritmului GIS, modelul digital de teren poate fi procesat în două feluri: pas cu pas sau global.

În cazul procesării pas cu pas, seturile de date se obțin după fiecare operație. Astfel se obține un mai mare control asupra rezultatelor, deoarece utilizatorul verifică rezultatele și poate lua deciziile înainte de a efectua pasul următor. Fiecare pas începe cu o listă de intrări care va fi folosită pentru a produce ieșirile tip grid. Dacă acest model este făcut într-o ordine secvențială, programul va putea oferi datele de intrare corecte pentru procesare. Dacă anumiți pași sunt repetați sau făcuți greșit, este important să verificăm dacă datele utilizate sunt corecte.

În procesarea globală toate intrările ca de exemplu pragul ales pentru procesare (acest prag reprezintă un număr care se impune inițial și care generează nivelul de detaliere al bazinului și rețelei hidrografice) sunt introduse la început și apoi programul generează toate seturile de date. Atunci când se utilizează procesarea globală se poate schimba pragul pentru o mai mare flexibilitate în obținerea gradului de detaliere. De exemplu, dacă sunt prea multe secțiuni de ieșire programul se va opri pentru a cere o informație pentru a întreba dacă cursurile de apă corespunzătoare conduc la o ieșire.

Metoda GIS utilizată pentru analiza hidrologică necesită un model de teren „corectat hidrologic”. În analiza hidrologică se utilizează un model de teren fără depresiuni. Metoda GIS analizează acest model de teren prin metoda pas cu pas în care apa curge deasupra suprafeței pământului din celulă în celulă în direcția gradientului maxim de altitudine.

Nivelarea terenului:

Acest pas se realizează prin umplerea depresiunilor sau cavităților prin creșterea altitudinii celulelor corespunzătoare până la nivelul terenului înconjurător în scopul determinării direcțiilor de curgere. Cavitățile sunt considerate de cele mai multe ori ca erori în DEM datorită interpolărilor din rețea. Umplerea depresiunilor permite apei să se scurgă pe suprafața solului , aceasta presupunere este în general valabilă atunci când o ploaie puternică umple micile depresiuni și o cantitate oricât de mică de apă care se scurge în depresiune va disloca aceiași cantitate de apă din acea depresiune.

Figura 5.13Modelul digital de teren (DEM) al Văii Prahova

Rezultatul operației de nivelare a terenului (Fill Sinks) este tema – Fillgrid, așa cum este arătată în figura 5-2.

Figura 5.14Rezultatul operației de nivelare a terenului (Fill Sinks)

.

Determinarea direcției de curgere

Definește linia de cea mai mare pantă pentru fiecare celulă a terenului. Similară unui compas, cele opt puncte specifice algoritmului definesc cele opt posibile direcții. Rezultatul operației este tema -FdirGrid așa cum este arătat în figura 5-3.

Figura 5.15Determinarea direcției de curgere

Determinarea acumulării:

Acest pas determină numărul de celule din amonte care drenează apele către o anumită celulă. Aria de drenaj din amonte la o anumită celulă poate fi calculată înmulțind valoarea acumulării cu aria celulei. Rezultatul operației Flow Accumulation este tema –faccGrid, așa cum este arătat în figura 5-4

a)

b)

Figura 5.16 Determinarea acumulării: a) Rezultatul operației, b) detaliu

Definirea rețelei de curgere (Stream Definition):

Acest pas clasifică toate celulele care au acumularea mai mare decât pragul definit de utilizator ca celule aparținând rețelei hidrografice. În mod caracteristic, celulele cu o acumulare ridicată a scurgerii sunt considerate parte integrantă a rețelei hidrografice. Limita folosită poate fi menționată ca arie în unități de măsură, sau ca un număr de celule. Acumularea scurgerii pentru o celulă particulară trebuie să depășească limita definită pentru o rețea de curgere pentru a fi inițiată. Cu cât numărul limită este mai mic, cu atât numărul de subbazine trasate este mai mare. Rezultatul operației Stream Definition este tema – strgrid așa cum este arătat în figura 5-5.

Figura 5.17Trasarea rețelei hidrografice

Verificarea rețelei hidrografice obținute

Rețeaua hidrografică obținută prin programul Geo-HMS se verifică cu ajutorul hărților topografice digitale corespunzătoare zonei de studiu, astfel:

Se importă hărțile topografice ca teme în programul Geo-HMS și se suprapun peste tema corespunzătoare rețelei hidrografice. Suprapunerea se poate realiza numai cu condiția ca cele două teme să fie realizate în aceeași proiecție (STEREO 70).

Figura 5.18Verificarea rețelei hidrografice cu ajutorul hărților topografice digitale

Figura 5.19Verificarea rețelei hidrografice – detaliu 1

Figura 5.20 Verificarea rețelei hidrografice – detaliu 2

Segmentarea cursului de apă (Stream Segmentation):

Divide rețeaua de curgere în segmente, acestea sunt secțiuni ale rețelei de curgere care conectează două joncțiuni succesive sau o joncțiune și un punct outlet. Operația de segmentare a cursului de apă are ca rezultat tema –strlnkgrid așa cum este arătat în figura 5-9.

a)

b)

Figura 5.21Segmentarea cursului de apă (a) rezultatul obținut, (b) detaliu

Trasarea Bazinului (Watershed Delineation):

Trasează un subbazin sau un bazin pentru fiecare segment din rețeaua de curgere. Rezultatul operației Watershed Delineation este tema – wshedgrid așa cum este arătată în figura 5-10.

Figura 5.22Rezultatul operației Watershed Delineation

Procesarea bazinului sub forma de poligoane(Watershed Polygon Processing):

Transformă subbazinele dintr-o reprezentare tip grid într-o reprezentare tip vector (figura 5-11).

Figura 5.23 Rezultatul operației Watershed Polygon Proccesing

Procesarea segmentelor rețelei (Stream Segment Processing):

Transformă rețeaua de curgere dintr-o reprezentare tip grid într-o reprezentare tip vector figura 5-12.

Figura 5.24 Rezultatul operației Stream Segmentation Proccesing

Însumarea subbazinelor (Watershed Aggregation):

Acest pas însumează subbazinele din amonte la fiecare punct de confluenta de pe cursul principal. Acesta este un pas necesar pentru mărirea performantei de calcul. Rezultatul operației de însumare a subbazinelor este arătat în figura 5-13.

Figura 5.25 Rezultatul operației de însumare a subbazinelor

Extragerea datelor spațiale necesare elaborării modelului hidrologic

În acest pas bazinul hidrografic este definit prin secțiunea sa de ieșire. Se introduc pe rețeaua hidrografică stațiile hidrometrice (Câmpina) astfel: se activează tema “Fdirgrid” si se mărește zona din vecinătatea stației hidrometrice astfel încât sa se poată vedea structura de tip grid a rețelei hidrografice. Stația se introduce în interiorul celulei alese cu ajutorul butonului point în punctul de coordonate x și y cunoscut, care reprezintă latitudinea și longitudinea stației hidrometrice respective (figura 5.14). Coordonatele x și y se obțin prin mișcarea cursorului în interiorul celulei alese până când în partea superioară a ecranului apar coordonatele x și y ale stației.

Figura 5.26Introducere stațiilor hidrometrice pe rețeaua de calcul.

Figura 5.27Rezultatul introducerii stației hidrometrice pe subbazinul Văii Prahova

Crearea proiectului Prahova

Pasul următor este determinarea secțiunii de ieșire din bazinul de studiu (figura 5-16)

Figura 5.28Localizarea secțiunii de ieșire din bazin

Figura 5.29 Aria de lucru extrasa din aria inițiala a bazinului pentru crearea unui model HMS

Proiectul intitulat Proiect Prahova este utilizat pentru procesarea bazinului, extragerea caracteristicilor bazinului și crearea intrărilor pentru programul HMS.

Procesarea bazinului

După ce preprocesarea terenului este completă, datele extrase pentru modelul HMS sunt importate în fereastra ProjView, care permite o revizuire a trasării subbazinelor. Trasarea subbazinele și a cursurilor de apa includ puncte în care se cer anumite informațiilecum ar fi, localizarea stațiilor hidrometrice, centrele pentru evaluarea pagubelor produse de inundații, puncte de control hidrologic și hidraulic. Operațiile efectuate în cadrul procesării bazinului permit combinarea sau subdivizarea subbazinelor. În cadrul operației de procesare a bazinului se pot realiza următoarele:

Alipirea bazinului

Subdivizarea bazinului

Profilul longitudinal al râului

Împărțirea bazinului la punctele de confluență.

Fuzionarea bazinelor (Basin Merge):

Unește mai multe subbazine într-un singur subbazin cu condiția ca ele să aibă o confluență comună și să fie adiacente. Această metodă lucrează interactiv prin prezentarea rezultatelor operației, permite utilizatorului să examineze rezultatele și să oprească operația.

Profilul longitudinal al râului (River Profile):

Prevede informații despre pantă și punctele de schimbare de pantă ale râului care pot fi folosite pentru a trasa subbazinele. Profilul râului este creat prin extragerea valorilor altitudinii din modelul de teren în lungul rețelei de curgere. Pentru realizarea profilului râului putem folosi două metode:

utilizând “River Profile” din meniu

utilizând Butonul “Profile”

Figura 5.30Profilul longitudinal al afluentului Valea Beliei

Profilul longitudinal al râului se determină pentru fiecare afluent în parte. În urma operației River Profile datele selectate se vor stoca într-un tabel de atribute.

Afluenții principali ai Văii Prahova sunt în număr de șapte și anume:

Afluentul Valea Beliei

Afluentul Breaza

Afluentul Podul Vadului

Afluentul Câmpela

Afluentul Câmpinița

Afluentul Câmpina

Afluentul Valea Rea

Figura 5.31Afluentul Valea Beliei

Figura 5.32Profil longitudinal al afluentului Valea Beliei

Figura 5.33Afluentul Breaza de Jos

Figura 5.34Profil longitudinal al afluentului Breaza de Jos

Figura 5.35 Afluentul Podul Vadului

Figura 5.36Profilul longitudinal al afluentului Podul Vadului

Figura 5.37 Afluentul Câmpea

Figura 5.38Profilul longitudinal al afluentului Câmpea

Figura 5.39 Afluentul Câmpinița

Figura 5.40Profilul longitudinal al afluentului Câmpinița

Figura 5.41 Afluentul Câmpina

Figura 5.42Profilul longitudinal al afluentului Câmpina

Figura 5.43 Afluentul Valea Rea

Figura 5.44Profilul longitudinal al afluentului Valea Rea

a)

b)

Figura 5.45Râul Prahova – sectorul cuprins între Comarnic și Lunca Prahovei: a) selectarea cursului de apă principal, b) profilul longitudinal

Hec geo HMS calculează câteva caracteristici topografice ale bazinului și rețelei hidrografice care sunt utile pentru compararea bazinelor și pentru estimarea parametrilor hidrologici. Este necesară compararea și verificarea caracteristicilor fizice cu informații publicate înainte de estimarea parametrilor hidrologici. Caracteristicile fizice ale subbazinelor și cursurilor de apă sunt stocate în tabele de atribute care pot fi exportate pentru a fi utilizate ca foi de calcul și în alte programe. Metodele pentru extragerea caracteristicilor topografice ale bazinelor și cursurilor de apă sunt următoarele:

Lungimea râului

Panta râului

Centru de greutate al bazinului

Traiectoria cea mai lungă de curgere

Traseul de curgere de la centru de greutate al bazinului până la confluență.

Lungimea cursurilor de apă (River Length):

Acest pas calculează lungimea râurilor pentru toate subbazinele.

Tabelul 5-2Lungimea cursurilor de apă

Panta râului (River Slope):

Aceasta operație are ca rezultat calculul pantelor cursurilor de apă. Altitudinea secțiunilor din amonte și aval a râului și panta calculată sunt trecute într-un tabel de atribute cu următoarele denumiri: “us_Elv”, “ds_Elv”, “Slp_Endpt”.

Tabelul 5-3Pantele cursurilor de apă

Centrul de greutate al bazinului (Basin Centroid):

Locația centrelor de greutate ale subbazinelor poate fi calculată în patru moduri. Inginerii încearcă sa localizeze centrul de greutate al bazinului calculând momentul în jurul axelor x și y , această metodă nu este implementată aici deoarece centrul de greutate poate să fie în afara subbazinelor. Dintre metodele folosite în estimarea centrului de greutate amintim :

Metoda elipsei

Metoda traiectoriei de curgere de curgere

Alte metode specificate de utilizator

Metoda bounding Box

Operația de determinare a centrului de greutate a bazinului se poate realiza pe toate subbazinele sau pe cele selectate

Metoda bounding Box înconjoară subbazinul cu un dreptunghi și aproximează centrul de greutate al bazinului cu centru dreptunghiului. Este o metodă rapidă dar nu se aplică la multe forme de bazin

Metoda elipsei înconjoară subbazinul cu o elipsă și aproximează centrul de greutate cu centrul elipsei. Această metodă este mai puțin rapidă decât metoda bounding box, dar în general produce valori estimate mai precise ale centrelor de greutate ale subbazinelor.

Metoda se folosește pentru subbazine având un număr de celule mai mic sau egal cu 2*106.

Metoda traiectorie de curgere (Flow Path) trasează cea mai mare lungime de curgere a subbazinului și aproximează centrul de greutate cu punctul care împarte lungimea maximă de curgere în două părți egale.

Metoda specificată de utilizator. Atunci când cele trei metode anterioare nu generează estimări satisfăcătoare ale centrelor de greutate ale subbazinelor această metoda îi permite utilizatorului să deplaseze centrul de greutate în orice punct din interiorul subbazinului.

Figura 5.46 Centrele de greutate al subbazinelor

Tabelul 5-4Tabelul pentru Watershd.shp

Lungimea maxima de curgere (Longest Flow Path):

Această operație calculează un număr de caracteristici fizice ale bazinului: lungimea maximă de curgere, altitudinea secțiunii din amonte și aval, panta între secțiunile amonte și aval și panta între 10% și 85% din lungimea maximă de curgere. Aceste caracteristici sunt stocate în tema “Watershd.shp” așa cum este arătat în tabelul 5.3.

Figura 5.47 Lungimea maxima de curgere

Tabelul 5-5Tabelul de atribute rezultat in urma operației ’’Longest Flow Path’’

Traiectoria de curgere de la centru de greutate la punctul de confluență (Centroidal Flow Path):

Această operație calculează traiectoria de curgere de la centru de greutate la punctul de confluență prin proiectarea centrului de greutate pe traiectoria maximă de curgere. Traiectoria de curgere corespunzătoare centrului de greutate se măsoară de la punctul de proiecție până la secțiunea de ieșire a subbazinului (confluența dintre afluent și râul principal).

Figura 5.48 Traiectoriile de curgere corespunzătoare centrelor de greutate ale subbazinelor

Tabelul 5-6Tabelul de atribute corespunzătoare operației „Centriodal Flow Path”

Generarea schemei bazinului pentru intrarea în programul HEC-HMS

HEC-HMS este reprezentarea GIS a modelului bazinului hidrologic cu elementele de bazin și conectivitatea acestora. Acest pas creează un fișier shape de tip punct, “HMSPoint.shp” și un fișier shape de tip linie “HMSConnect.shp”. “HMSPoint.shp”-ul conține elemente de tip punct, cum ar fi locațiile iconițelor subbazinelor, punctele care definesc secțiunile de ieșire din bazin și punctele de confluență. Fișierul “HMSConnect.shp”-ul conține caracteristici ale elementelor de tip linie cum ar fi conectorii de subbazine și cursuri de apă.

Tabelul 5-7Tabelul de atribute corespunzătoare operației HMSConnect

Figura 5.49 Reprezentarea HMS cu simboluri ArcView

Legenda HMS

Acest proces implementează simbolurile HMS pentru a reprezenta puncte și linii caracteristice descriptive ca elemente hidrologice, joncțiuni, subbazine surse, rezervoare, ramnificații si puțuri.

Figura 5.50 Reprezentarea bazinului utilizând legenda HMS

Schema obținuta in figura de mai sus reprezintă modelul de bazin care va fi importat in programul de modelare hidrologica HMS care va realiza modelarea propriuzisă a procesului ploaie-scurgere.

CONCLUZII:

Preocupările cele mai recente sunt orientate spre sisteme de gestiune capabile să stocheze, să regăsească rapid și să prelucreze date spațiale: ArcGIS, InterGraph, MapInfo, Surface etc.

În ultimii ani dezvoltarea sistemului GIS(Geografic Information System) a deschis multe posibilități în modelarea hidrologică a bazinelor hidrografice. Integrarea datelor GIS cu modelarea hidrologică reprezintă o alternativă pentru studiul bazinelor hidrografice. Posibilitatea de a realiza o analiză spațială pentru dezvoltarea parametrilor hidrologici concentrați și distribuiți pe lângă faptul că economisește timp și efort, mărește precizia în raport cu metodele tradiționale. Modelarea hidrologică a evoluat prin considerarea precipitațiilor măsurate cu ajutorul radarului și tehnici avansate de modelare a bazinului considerat sub formă de rețea. Ploaia și infiltrația pot fi calculate celulă cu celulă asigurând un detaliu sporit față de metodele tradiționale cu parametrii concentrați. Aceste tehnici de modelare avansate au devenit fezabile deoarece datele pot fi acum generate eficient prin operații spațiale GIS. HEC-GeoHMS a fost creat ca un program de hidrologie Geo Spațială pentru ingineri și hidrologi cu mai puțină experiență în utilizarea datelor GIS. Programul permite vizualizarea informației spațiale, obținerea caracteristicilor bazinului hidrografic, realizarea analizei spațiale, trasarea bazinelor și a rețelei hidrografice și realizarea intrărilor pentru modele hidrologice care pot fi utilizate direct în programul HEC-HMS.

La nivelul sistemului de analiză pilot, evenimentele de hazard, ca reacție la schimbări de mediu, se referă, în principal, la alunecări de teren și viituri/inundații.

Dezvoltarea modelelor hidraulice bi-dimensionale, bazate pe integrarea ecuațiilor curgerii mediate pe adâncime prin metoda elementului finit, pentru analiza de risc a inundațiilor, a fost limitată de dificultatea obținerii sau chiar de lipsa datelor complexe (viteze și cote locale pe toată zona inundată, fotografii aeriene/satelitare, hidrografe cu o rezoluție temporală foarte fină) necesare pentru calibrarea și validarea – în principal a – coeficienților de rugozitate, precum și timpii de calcul foarte mari necesari.

Aspectele inovative și originale decurg din însăși tema propusă, care reunește eforturile unui număr mare de specialiști din domenii variate, pe problema senzitivității și a riscului ce decurge din instabilitățile suprafeței topografice și a scurgerilor prin albie. Este prima încercare de acest fel, în care o paletă largă de geografi, geologi, ingineri, chimiști și specialiști în cibernetică vor sta la aceeași masă pentru a găsi un limbaj comun în evaluarea cât mai corectă a senzitivității sistemelor teritoriale la schimbări de mediu, pentru o modelare regională complexă, în vederea diminuării riscurilor geomorfologice și hidrologice și prevenirea dezastrelor naturale.

Bibliografie:

Armas, Iuliana, Damian, Rasvan, Sandric, Ionut, Osaci-Costache Gabriela (2004) Vulnerabilitatea versanților la alunecări de teren în sectorul subcarpatic al văii Prahova, Ed. România de Mâine, București.

Ayalew L, Yamagishi H, Ugawa N, 2004, Landslide susceptibility mapping using GISbased weighted linear combination, the case in Tsugawa area of Agano River, Niigata Prefecture, Japan.

Balteanu, D., 2000, Present-day geomorphological processes and environmental change in the Romanian Carpathians, Geomorphology of the Carpatho-Balkan Region, Ed. Corint, Bucuresti, P.R, 1995, Natural Hazard Reduction and Sustainable Development: A Global Assessment. Journal of Planning Literature 9 .

Brandus C., Grozavu A. (2001), Natural hazard and risk in Moldavian Tabeland, Rev. de Geomorfologie.

Carrara, A., Crosta, G., Frattini, P. (2003) Geomorphological and historical data in assessing landslide hazard, Earth Surface Processes and Landforms.

Donati, L., Turrini, M., 2002, An objective method to rank the importance of the factors predisposing to landslides with the GIS methodology : an application to an area of the Apennines (Valnerina ; Perugia, Italy), Engineering Geology.

Edbrooke, S., Mazengarb, C., Stephenson, W. (2003) Geology and geological hazards of the Auckland urban area, New Zealand, Quaternary International.

French J.R., 2003, Airborne LIDAR in support of geomorphological and hydraulic modelling, Earth Surface Processess and Landforms.

Gentizon C., Baud M., Holzmann C., Lambiel C., Reynard E., Schoeneich P. , 2001. GIS and geomorphological mapping as management tools in alpine periglacial areas, in: Buchroithner M.F. (ed.). High Mountain Cartography 2000, Proceedings, Dresden, Institute for Cartography of the Dresden University of Technology, Kartographische Bausteine.

Grecu F. , 2002, Risk-Prone Lands in Hilly Regions: Mapping Stages, Applied Geomorphology: Theory and Practice, John Wiley and Sons, London.

Grigore, M., Mihai, B., 2005, Tipuri de harti de risc geomorfologic, Lucrari si rapoarte de cercetare, Ed. Universitatii Bucuresti.

Gornitz, V., Couch, S.,Hartig, E., 2002, Impacts of sea level rise in the New York City metropolitan area, Global and Planetary Change.

Guimaraes, R. F., Montgomery, D., Greenberg, H., Ferreira-Fernandes, N., Trancoso-Gomes, R., De Carvalho, O. (2003) Parameterization of soil properties for a model of topographic controls on shallow landsliding: application to Rio de Janeiro, Engineering Geology.

Horritt si Bates, 2001, Effects of spatial resolution on a raster based model of flood flow, J. of Hydrology.

Horritt si Bates, 2002, Evaluation of 1D and 2D numerical models for predicting river flood inundation, J. of Hydrology.

Kaeaeb, A. , 2001, Photogrammetry for early recognition of high mountain hazards: New techniques and applications, Phys. and Chem. of The Earth.

Knebl M.R. Yang Z.-L, Hutchinson K., Maidment D.R, 2005, Regional Scale flood modeling using NEXRAD rainfall, GIS and HEC-HMS/RAS: a case study for the San Antonio River Basin Summer 2002 storm event, J. of Environmental Management.

Laurini, R. , 2001, Information systems for urban planning, Taylor and Francis, London-New York.

Lee S., Choi J., Min K. , 2002, Landslide susceptibility analysis and verification using the Bayesian probability model, Environmental Geol.

Lillesand, Th., Kiefer, R., Chipman, J.W. (2004) Remote sensing and image interpretation, J. Wiley and Sons.

Mihai B. (2005), Muntii din Bazinul Timisului. Potentialul reliefului si amenajarea spatiului, Ed. Universitatii Bucuresti.

Moon, V., Blackstock, H. , 2004, A methodology for assessing landslide hazards using deterministic stability models, Natural hazards.

Pyykonen, M. , 2001, Geographical Information Systems and Digital Elevation Models in Environmental Studies. Case studies on show avalances and noise in northern Sweden, Uppsala University.

Rautela, P., Lakhera, R., 2000, Landslide risk analysis between Giri and Tons rivers in Himachal Himalaya (India), International Journal of Applied Earth Observations and Geoinformation.

Remondo, J, González-Díez, A., Díaz de Terán, J. R., Cendrero A, Fabbri A, Chung Ch., 2003, Validation of Landslide Susceptibility Maps; Examples and Applications from a Case Study in Northern Spain, Natural Hazards, 2003.

Remondo, J., 2001, Elaboración y validación de mapas de susceptibilidad de deslizamientos mediante técnicas de análisis especial, Ph.D. thesis, Universidad de Oviedo, Spain.

Rigaux, Ph., Scholl, M., Voisnard, A. (2002) Spatial databases: with applications to GIS, Morgan Kauffmann Publishers.

Sarkar S, Kanungo DP, 2004, An integrated approach for landslide susceptibility mapping using remote sensing and GIS. Photo Eng Remote Sens .

Werner, 2001, Impact of Grid Size in GIS Based Flood Extent Mapping Using a 1D Flow Model, Phys. Chem. Earth .

Zerger, A. (2002) Examining GIS decision utility for natural hazard risk modeling, Environmental Modelling and Software.