CAPITOLUL 2 BAZA DE DATE REALIZATĂ PRIN TEHNICI AVANSATE DE PRELUCRARE ȘI ANALIZĂ. 2.1 Introducere Sistemele informaționale geografice au fost… [304046]

CAPITOLUL 2 BAZA DE DATE REALIZATĂ PRIN TEHNICI AVANSATE DE PRELUCRARE ȘI ANALIZĂ.

2.1 [anonimizat], fiind utilizate cu scopul de a realiza hărți și de a stoca atribute informaționale spațiale.

Modul de utilizare a datelor și rezultatele de o [anonimizat], proiectare, hidrologie și hidrotehnică. Rapiditatea, modul ușor de obținere a rezultatelor a făcut, ca scopul principal de implementare G.I.S [anonimizat] a dezvolta modele cu ajutorul cărora mediul G.I.S să fie capabil de a oferi soluții de determinare a frecvenței de apariție a [anonimizat] a [anonimizat], determinarea canalelor de drenaj.

[anonimizat] , cu ajutorul unor funcții și ecuații de analiză spațiale ne pune la dispoziție posibilitatea de prelucrare a datelor hidrologice și construcția de modele personalizate. Aceste programe prezintă o [anonimizat] a unui element care formează modelul.

2.2 Prelucrarea primară a bazei de date G.I.S

Sistemele Informaționale Geografice (Geographical Information Systems – G.I.S.) [anonimizat] o [anonimizat].

Crearea de date geografice cu o precizie și acuratețe ridicată sunt bază la formarea modelelor realizate cu ajutorul funcțiilor G.I.S , [anonimizat], reprezintă factorii care duc la nașterea sistemelor de calcul cât și la diversificarea și optimizarea procedurilor unde sunt luate în analiză.

[anonimizat] a debitelor în râuri, s-a [anonimizat] – ArcGIS 10.1, ArcScene, HEC-GeoHMS, HEC-GeoRAS, ArcHydro, HEC-RAS, HEC-HMS, HEC-DSSvue și a [anonimizat].

2.3 Etapele prelucrării bazei de date

Pentru crearea unei baze de date sunt necesari o [anonimizat] :

Figura 2.1 Crearea bazei de date

O primă etapă pe care am întreprins-o în procesul de realizare a [anonimizat] a unei baze de date noi care ne va ajuta pe mai departe în studiul de analiză cantitativă a debitelor în râuri. Odată realizată baza de date în format raster (hărțile, imaginile stelitare) [anonimizat]-se prin scanare sau realizare de fișiere tip baze de date (ASCII, .SHP,.DBF, .DXF) [anonimizat], fi importate în programele G. I. S sau CAD.

Informațiile de tip geografic sunt stocate și se pot prelucra în programele geoinformatice având posibilitatea de utilizare atât a informațiilor topografice cât și a informațiilor de tip atribut.

Toate informațiile în aceste programe pot avea sau au o referință geografică. Informațiile topografice sunt reprezentate de informații privind suprafața terestră ex: râuri, lacuri sau detalii cu privire la așezările umane, limitele bazinelor hidrografice etc, iar cu ajutorul datelor de tip atribut putem obține foarte multe informații privind caracteristicile zonei studiate. Baza de date de tip atribut suportă un număr mare de formate și poate stoca foarte multe informații și foarte variate ca formă sau conținut. Datele de tip atribut întâlnite sunt legate de localizare, lungimi, suprafețe, etichete, care pot fi supuse unor analize spațiale.

Baza de date în format raster reprezintă o suprafață ca o matrice alcătuită din celule rectangulare uniforme, fiecare celulă fiind reprezentată de o valoare. Acesta este reprezentată într-un sistem de coordonate carteziene (x,y). Prin termenul de rezoluție a unei celule se înțelege dimensiunea superfeței de teren reprezentat de o celulă, cu cât suprafața reprezentată este mai mică, cu atât rezoluția este mai bună, si deci rezultatele sunt mai precise. Datele de tip raster pot fi găsite ca grid sau ca imagine. Aceste date de tip raster în analiză pot fi utilizate concomitent cu datele de tip vector în funcție de necesitate analizei.

Baza de date primară este realizată și prelucrată în mediu G.I.S și CAD.

Tabel 2.1 –Baza de date GIS

Pentru analiza cantitativă a debitelor în râuri, se vor aplica funcțiile specifice asupra stratelor create. Odată prelucrate prin funcții specifice, vom avea ca rezultat o nouă bază de date necesară mai departe în analiză.

O atribuire deosebit de importanta a acestor baze de date este aceea că ele în funcție de modificările din teren se pot actualiza ori de câte ori este nevoie pentru a exprima modelul cât mai fidel posibil.

2.4 Tehnici și metode de lucru

Lucrarea este realizată prin implementarea de tehnici avansate, pornind de la modalitățile de construire a bazei de date primare, măsurători în teren și definitivarea bazei de date derivate prin intermediul funcțiilor de analiză spațială cu aplicare în hidraulică și hidrologie (modelul digital de elevație, direcția scurgerii, acumularea scurgerii, panta bazinului hidrografic, utilizarea terenului, textura solului etc.), are o importanță deosebită în procesul de modelare, deoarece ea constituie punctul de plecare pentru orice tip de model hidrologic și hidraulic.

Tehnicile G.I.S constau în o serie de funcții și elemente de obținere automată a datelor de intrare în ecuațiile de calcul, determinarea zonelor vulnerabile luate în studiu , rezultând o serie de straturi tematice.

Pentru analiza cantitativă privind debitele de apă a fost implementat un model hidraulic 1D, uni-dimensional pentru prin simularea unui debit constant, evacuat din acumularea Poiana Uzului, cu secțiune de calibrare în dreptul stației hidrometrice Dărmănești, utilizând softul de modelare HEC-RAS dezvoltat de Institutul resurselor de apă din cadrul armatei Americane.

Cu ajutorul funcțiilor specializate instrumentului de analiză HEC-GeoRAS, a fost prelucrată baza de date privind obținerea informației pentru realizarea modelării hidraulice, prin extragerea automată a datelor cu privire la modelul terenului, rugozitatea canalului, panta sectorului de râu etc.

Datele de intrare în modelul hidrologic HEC-HMS s-au realizat cu ajutorul extensiei HEC-GeoHMS, în urma prelucrării bazei de date au fost extrase automat informațiile necesare modelării hidrologice, informații cu privire la utilizarea terenului, gradul de permeabilitate, zonele de acumulare, delimitarea bazinelor și subbazinelor hidrografice, generarea suprafeței analizat, calculul automat a timpilor necesari în procesul de modelare, determinarea automata a numărului de curbă (CN), rezultat din unirea bazei de date privind utilizarea terenurilor, bază de date avută la dispoziție din baza de date Corine Land Cover 2018.

La crearea unui model hidrologic sau hidraulic având la bază precipitațiile înregistrate la posturile pluviometrice din bazinul hidrografic trebuie ținut seama și de natura foarte complexă a proceselor care au loc în bazinele hidrografice care sunt supuse odată cu trecerea timpului la schimbări din cauza factorilor naturali și umani.

Pentru vizualizarea și obținerea datelor necesare atât modelării hidraulice cât și modelării hidrologice și pentru realizarea analizei detaliate asupra suprafeței bazinului trebuie construit modelul digital de elevație.

Obținerea unor rezultate concludente cu o precizie ridicată necesită un model digital de calitate.

2.5 Modelul digital al terenului

Datele necesare pentru realizarea modelelor numerice de teren sunt în mod obișnuit obținute de la trei surse diferite: ridicări topografice directe, fotografii aeriene produse cu ajutorul tehnicilor fotogrammetrice și vectorizarea manuală sau automată a hărților topografice.

În funcție de zona luată în studiu și de exigențele impuse, sursa din care sunt luate date este foarte importantă. Datele obținute sau avute la dispoziție pentru construcția acestor modele constituie o etapă foarte importantă deoarece acestea influențează direct gradul de precizie ce poate fi atins.

Ridicările topografice directe permit obținerea de M.N.T , de foarte mare precizie având la dispoziție toate informațiile asupra formei albiei, doar ca acestea sunt folosite la o scara mică, pe sectoare de râuri relativ mici, pentru că implică măsurarea practică în teren prin trasarea pofilelor transversale sau a liniilor caracteristice și schimbările caracteristice cum ar fi liniile de creastă, liniile de ruperea a pantei, talveg, maluri, zone cu mlaștini etc.

Densitatea măsurătorilor este adaptată variațiilor terenului. Rezultatul fiind o sumă neregulată de puncte care vor servi drept bază pentru obținerea unei reprezentări foarte elaborate a suprafeței terenului, fie interpolarea unei grile regulate, fie prin constituirea unei rețele neregulate de triunghiuri sau T.I.N (Triangular Irregular Network).

Pentru construcția terenului digital s-au folosit date din mai multe surse:

Prima sursă de date o reprezintă informațiile de tip (.ASCII) care sunt încărcate în ArcGIS și prelucrate astfel încât să avem un rezultat cu un grad de corecție mare.

Informațiile de tip (.ascii) sunt împărțite în mai multe griduri_10k unde vor fi încărcate pentru a prelua informațiile doar pentru zona de interes.

Figura 2.3 Grid pentru încărcarea informațiilor de tip asc.

Pentru acoperirea întregii suprafețe a bazinului hidrografic a fost necesară încărcarea a 20 de griduri cu informații de tip .ascii ce urmează a fi prelucrate.

Figura 2.4 Construcție D.T.M

A doua sursă de date pentru construcția D.T.M-ului o reprezintă datele obținute din măsurători, prin efectuarea propriu zisă a pofilelor transversale în albia minoră, asupra zonei unde se va crea un model hidraulic și acolo unde există un risc semnificativ de inundații.

Pentru efectuarea acestui pas avem nevoie de profile transversale în albia minoră pentru calibrarea modelului digital, pentru a reda o detaliere foarte bună a cursului albiei râului Uz aval de baraj.

Zona aval de barajul Poiana Uzului are o lungime de aproximativ 10 km, până la confluența râului Uz cu râul Trotuș, fiind o zonă urbană, dezvoltată de-a lungul timpului în imediata apropriere a râului, atât pe partea dreaptă cât și pe partea stângă, cursul de apă trecând pe lângă centrul civic al orașului Dărmănești, unde pe viitor se va putea crea o zonă de agrement, în ideea regularizării râului și a scoaterii acestuia de sub influența efectelor inundațiilor.

2.5.1 Calibrarea modelului digital al terenului

În lucrarea de față, pentru zona luată în studiu am efectuat măsurători R.T.K cu ajutorul GPS-ului Trimble R4, rezultatele măsurătorilor ulterior, vor fi folosite la construcția D.T.M-ului, fiind de o acuratețe ridicată, și datorită corecțiilor diferențiale de precizie transmise de către stațiile permanente din rețeaua ROMPOS, prin intermediul internetului recepționate de către sistem în timp real.

Figura 2.5 Măsurători R.T.K .râul UZ

După efectuarea măsurătorilor asupra albei râului Uz până la confluența cu râul Trotuș, a urmat procedura de prelucrare a datelor, procedură care s-a efectuat în programul AutoCAD Civil3D.

Au fost importate profilele formate din punctele din măsurători, după care s-a urmărit trasarea liniilor caracteristice, folosind funcția din Autocad Civil3D Grading> Feature Line opțiunea Transition.

Figura 2.6 Creare linii caracteristice AutoCAD

Figura 2. 7 – M.D.T detaliu secțiune aval de barajul Poiana Uzului

Figura 2. 8 – Interpolare profile măsurători

Modelul digital de elevație diferă în funcție de tipul de interpolare adoptat și de calitatea datelor folosite. Studiile de inundabilitate se bazează pe seturi de date topografice și hidrologice, utilizarea instrumentelor de geoprocesare G.I.S fiind de o foarte mare importanță în procesarea datelor și post procesare a rezultatelor obținute prin modelare hidrologică și hidraulică.

Tehnica de prelucrare G.I.S în vederea pregătirii datelor de intrare în modelele hidrologice și hidraulice utilizate în studiul de față pentru analiza cantitativă a debitelor sau de determinare a zonelor inundabile, reprezintă o etapă indispensabilă. Modelele digitate așa cum am prezentat pot provenii din diferite surse sunt prelucrate și ulterior folosite prin aplicarea funcționalităților avansate de geoprocesare în ArcGIS pentru parametrii de intrare în modelele hidrologice și hidraulice.

Baza de date avută la dispoziție sub forma de date de tip punct în format ASCII sau xyz trebuie convertită prin interpolare în modele digitale de teren.

Exemple de metode de interpolare disponibile în ArcGIS sunt : IDW, Topo to raster, Kriging, Natural Neighbour și Spline.

2.5.2 Metoda IDW

Interpolează o suprafață raster din puncte utilizând tehnica mediei ponderate. Cele mai bune rezultate obținute de la IDW sunt atunci când grupul de puncte este suficient de dens în ceea ce privește variația locală. Dacă gruparea punctelor de intrare este redusă sau neuniformă, rezultatele pot să nu reprezinte suficient suprafața dorită (Watson și Philip 1985).

Figura 2. Interfață funcție IDW

Interpolarea unui grup de puncte formează M.D.T- ul dorit și realizat cu ajutorul acestei funcții, importantă este setarea parametrului Z value care trebuie să interpoleze valorile punctelor, în cazul de față fiind reprezentat de cote absolute.

Figura 2. – Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției IDW

Valoarea Power poate fi setată să ia valori cuprinse între 0,5 și 3. Programul ArcMap are valoarea power setată ca implicit 2.

Funcția Search Radius (funcție opțională) definește care dintre punctele de intrare la crearea rasterului vor fi folosite pentru interpolarea valorii pentru fiecare celulă a rasterului de ieșire. La rularea funcției IDW este realizată o căutare a unui număr minim de puncte definite prin cotă in arealul cărora urmează să se facă interpolarea. Căutarea se face în două moduri: variabil – număr minim de puncte (implicit 12) setat de operator, fix – prin intersectarea unui cerc cu o rază dată și grupul de puncte cu cote.

2.5.3 Metoda Topo to Raster

Este una dintre cele mai utilizate metode în studiile hidrologice, aceasta are puterea de a crea o suprafață a MDT-ului corectă din punct de vedere hidrologic. Metoda topo to raster după cum reiese și din denumire folosește ca date de intrare mai multe seturi de date topografice în același timp: se pot introduce puncte din măsurători cu cote, rețeaua de râuri, curbe de nivel, rețeaua de lacuri, ținând cont de toate acestea, și are posibilitatea de forțare a interpolării cotelor, pe liniile reprezentate ale râurilor și creează văi de scurgere asigurând direcția de scurgere fără ca acesta să aibă zone cu salturi pe traseul râurilor acolo unde în mod natural nu există.

Figura 2. Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Topo to Raster

Topo to Raster este o funcție care necesită o memorie mare și, prin urmare, nu este posibilă crearea de raster cu o dimensiune și/sau suprafață mare.

Atunci când tipul de date de intrare este reprezentat de curbe de nivel, algoritmul generează mai întâi o morfologie generalizată a suprafeței pe baza curbelor de nivel. Apoi, algoritmul implementează contururile ca sursă de informație privind elevația. Contururile sunt cele mai potrivite pentru date la scară largă, unde contururile reprezintă indicatori fiabili pentru realizarea rasterului.

Figura 2. Aplicarea funcției Topo to Raster pe setul de date topografice

Cele mai bune rezultate vor fi obținute dacă toate datele de intrare sunt stocate în același sistem de coordonate. Datele fără proiecție (latitudine-longitudine) pot fi utilizate totuși doar că rezultatele pot să nu fie la fel de precise, în special la latitudini mari.

2.5.4 Metoda Kriging

Kriging-ul este o procedură geostatistică avansată care generează o suprafață estimată dintr-un set împrăștiat de puncte cu valori z, cele mai folosite seturi de date sunt folosite pentru a rezolva analizele efectuate pe soluri sau în geologie.

Figura 2. Interfață funcție Kringing

Spre deosebire de alte metode de interpolare din setul de instrumente de interpolare, folosirea instrumentului Kriging presupune o investigare interactivă a comportamentului spațial al fenomenului reprezentat de valorile z înainte de a selecta cea mai bună metodă de estimare pentru generarea suprafeței de ieșire.

Figura 2. Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Kriging

2.5.5 Metoda de interpolare Spline

Este o metodă de interpolare care are puterea de a estima punctele de referință utilizând o funcție matematică care minimizează legătura de curbă a suprafeței interpolate.

Figura 2. Interfață funcție Spline

Unele seturi de date de intrare pot avea mai multe puncte cu aceleași coordonate x, y. Dacă valorile punctelor din locația comună sunt aceleași, ele sunt considerate duplicate și nu au niciun efect asupra rezultatelor. Dacă valorile sunt diferite, ele sunt considerate puncte coincide.

Figura 2. Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Spline

Această metodă este cea mai bună pentru generarea unor suprafețe ușor variate, cum ar fi înălțimea, înălțimea mesei de apă sau concentrațiile de poluare.

2.6 Baza de date derivată – tehnici G.I.S.

Având în vedere modul automat de obținere a datelor, baza de date derivată este de o precizie foarte bună, unde erorile umane pot sa apară dar într-un procent mai mic în analiza cantitativă a debitelor cu ajutorul modelarii hidraulice și hidrologice.

Structurile de baze de date derivate, care au fost obținute în urma exploatării M.D.T, sunt reprezentate de structuri de tip raster care scot în evidență principalele caracteristici hidraulice și hidrologice de mișcare și acumulare ale apei, dar și caracteristicile geometrice și morfometrice ale bazinelor și subbazinelor hidrografice, caracteristici absolut necesare în procesul de identificare, extragere și manipulare a datelor spațiale de intrare în structurile de ecuații și modele G.I.S., realizate pentru analiza cantitativă a debitelor în râuri.

Pentru delimitarea bazinelor hidrografice utilizând modele digitale de teren se utilizează în cascadă o serie de instrumente de geoprocesare. Rezultatul rulării fiecărui instrument reprezintă set de date de intrare pentru următorul instrument, ceea ce înseamnă ca aceste instrumente nu pot fi folosite decât în această ordine și nu se poate omite vreuna din procesări.

2.6.1 Raster privind corectarea zonelor cu cote scăzute

Este utilizat pentru a corecta modelele digitale de teren. Modelele digitale de teren pot avea celule cu cote scăzute într-o zonă cu cote preponderant ridicate, similar unor mici depresiuni. Întrucât cotele reduse se pot regăsi într-o singură celulă, se consideră că aceasta nu este o tendință naturală a terenului ci o eroare. Instrumentul Fill modifică cota acestor celule singular funcție de o medie calculată pe baza cotelor celulelor vecine. Acest procedeu împachetează rezultatele rulării tuturor celorlalte instrumente întrucât sunt înlăturate puncte de drenaj artificial care întrerup liniile de acumulare a apei pe suprafața respectivă. Similar celulele care au cote cu valori mult peste cotele celulelor învecinate sunt corectate prin reducerea valorilor înlăturând extremele și creând o suprafață lină de teren. Imaginea următoare sugerează modul de funcționare al instrumentului Fill:

2.6.2 Raster privind direcția de scurgere

După corecția modelului digital de teren se determină direcțiile de scurgere la suprafața terenului. Aceste direcții sunt determinate prin rularea instrumentului Flow Direction pentru fiecare celula a rasterului, funcție de cotele celulelor învecinate. Valorile determinate sunt valori cuprinse între 0 și 128, reprezentând o codificare prin ridicarea lui 2 pe rând la cate o putere de la 1 la 8 corespunzând fiecărui punct cardinal.

2.6.3 Raster privind zonele de acumulare

Rasterul privind acumularea scurgerii, ne oferă informații cu privire la zonele de acumulare a debitelor de apă (Flow Accumulation), reprezentând parte a bazei de date derivate acest raster va ajuta în continuare pentru crearea următoarelor rastere specifice, care sunt utilizate în cascadă,

Figura 2. Interfață funcție flow acumulation

Această funcție, este prezentă în mai multe softuri sau extensii geo-informaționale, și sunt prezente o multitudine de tehnici și moduri de realizare a acumulării scurgerii.

Figura 2. Hartă privind acumularea scurgerii în bazinul hidrografic UZ

O utilizare probabilă a instrumentului de acumulare a scurgerii ar putea fi determinarea cantității de ploaie care a căzut într-un anumit bazin. Într-un astfel de caz, rasterul de direcție poate fi un raster continuu reprezentând precipitații medii. Ieșirea din instrument ar reprezenta apoi cantitatea de ploaie care va curge prin fiecare celulă, presupunând că toată ploaia a devenit scurgere și nu a existat interceptare, evapotranspirație sau pierdere

2.7 Prelucrarea datelor privind elementele definitorii ale bazinelor hidrografice

2.7.1 Bazinul hidrografic

Bazinul de recepție sau bazinul colector, al unei rețele hidrografice, reprezintă suprafața teritoriului de pe care apele rezultate din precipitații și cele subterane se scurg și pătrund în ramificațiile rețelei.

Într-un bazin hidrografic, pentru determinarea volumului de apă, trebuie ținut cont de toate procesele fizice care contribuie la scurgerile hidrologice, aceste fenomene fiind foarte importante în toate studiile efectuate asupra bazinelor hidrografice. Distribuția precipitațiilor este influențată de suprafața și subteranul bazinului hidrografic și influențează în mod direct caracteristicile ciclului hidrologic.

Limita bazinelor hidrografice în lucrarea de față s-a efectuat cu ajutorul funcțiilor specifice, de analiză, rezultând poligonale bazinelor care se închid la cumpenele de apă, rezultând automat un perimetru și respectiv o suprafață a bazinelor hidrografice, suprafață de pe care apa rezultată din precipitațiile atmosferice gravitațional se scurg spre rețeaua hidrografică a bazinului. Cumpăna apelor reprezintă cotele cele mai înalte ale unui bazin formând astfel culmi de munți, coline, dealuri.

Pentru studiul hidrologic din prezenta lucrare bazinul hidrografic stabilit, corespunzător profilului de închidere secțiunea de vărsare, este la stația hidrometrică Cremenea, însă acest punct poate fi oricare profil de pe cursul respectiv, reprezentat de o confluență, o stație hidrometrică, un lac de acumulare, o derivație etc.

2.7.2 Delimitarea subbazinelor și a zonelor interbazinale

2.7.3 Obținerea bazei de date privind bazinul hidrografic Uz și subbazinele hidrografice

Figura 2. Hartă privind subbazinele hidrografice ale râului Uz

2.7.4 Metode pentru determinarea suprafeței bazinelor hidrografice

După definirea secțiunii de închidere, a urmat pasul de delimitare automată a bazinului și subbazinelor hidrografice . Sectiunea de închidere a bazinului hidrografic pentru desfașurarea analizei este reprezentată de un punct vectorial.

După determinarea tuturor pașilor necesari pentru obținerea rezultatelor precedente se poate rula instrumentul Watershed instrument specific pentru delimitarea automată a bazinelor și subbazinelor. Rezultatele ca urmare a rulării acestui instrument vor fi în format raster, fiind necesară transformarea acestora din formatul raster în format vector de tip poligon, fiind utilizat instrumentul specific din ArcMap –Toolbox.

Rezultatul final așa cum am mai precizat mai sus este reprezentat de mai multe poligoane care reprezintă subbazinele hidrografice, sau subbazinele de scurgere, de unde pot fi preluate toate caracteristicile necesare în studiu.

2.6.4.2 Obținerea automata a suprafeței cu ajutorul tehnicilor G.I.S

Obținerea automată cu ajutorul tehnicilor G.I.S., presupune necesitatea datelor spațiale în format corespunzător cu softurile utilizate. Pentru determinarea superfeței bazinului din figura 1 s-a folosit un fișier de tip shapefile ce conține limita subbazinelor și respectiv a bazinului hidrografic si pe baza căruia s-a calculat suprafața .q1

Figura 2. Calculul automat privind suprafața bazinului

Figura 2. Grafic privind suprafața bazinelor hidrografice

Urmare a aplicării tehnicilor software G.I.S – am obținut tabelul cu baza de date privind caracteristicile subbazinelor hidrografice.

Tabel 2.2 – Subbazine hidrografice

Pentru o reprezentare în funcție de suprafața bazinului hidrografic am realizat un grafic prezent în figura 27.

Figura 2. Grafic privind suprafața bazinelor hidrografice

2.7.5 Lungimea bazinului

Distanța de la vărsarea cursului principal până la capătul amonte sau cumpăna apelor reprezintă lungimea bazinului hidrografic. Având în vedere unele bazine curbate lungimea acestora este reprezentată de linia mediană a bazinului, practic fiind reprezentată de mijlocul distanței dintre versanții opuși.

2.7.6 Lățimea medie a bazinului hidrografic

Lățimea medie a bazinului hidrografic B se determină prin calcul, ca fiind raportul dintre suprafața și lungimea bazinului.

– unde:

F este suprafața bazinului hidrografic, (km2).

L lungimea liniei mediane a bazinului hidrografic,(km).

Pentru a putea efectua analiza cantitativă a debitelor de apă într-un bazin hidrografic, cunoașterea caracteristicilor bazinului hidrografic este absolut necesară.

Cu cât lățimea medie a bazinului este mai mică și lungimea mai mare (bazin de formă alungită), cu atât amplitudinea viiturilor va fi mai redusă.

2.7.7 Forma bazinului hidrografic

Forma bazinelor hidrografice, este dată de traseul de cumpănă a apelor fiind foarte variată , cu o influență directă asupra proceselor de scurgere.

Figura 2. Hartă privind forma bazinelor hidrografice

2.7.7 Aplicarea funcțiilor G.I.S pentru generarea hărții hipsometrice

Harta hipsometrică a bazinului hidrografic, reprezintă sursa de date cu privire la altitudinile bazinului hidrografic, ilustrând relieful, fie prin curbe de nivel, umbriri sau nuanțe. Modelul numeric al terenului (M.N.T), ajută la realizarea hărții hipsometrice a bazinelor hidrografice aplicând funcțiile G.I.S.

Figura 2. Harta hipsometrică a bazinului hidrografic Uz

2.7.8 Altitudinea medie a bazinului hidrografic

Determinarea atitudinii medii a bazinului hidrografic, reprezintă un indicator cu privire la energia potențială a acestuia, scurgerea fiind direct influențată de altitudinile bazinului hidrografic.

Media altitudinii medii a bazinului hidrografic Uz a fost calculata pe baza curbelor de nivel generate în mediul G.I.S cu ajutorul M.D.T rezultând o medie de 1086 mdMN

Altitudinea medie a bazinului se obține ca o medie ponderată cu formula:

(m)

,

Altitudinea medie a bazinului hidrografic, indică tipul de relief în care se află acesta, după cum rezultă din următoarea clasificare convențională:

– bazine de munte (Hmed> 600 m);

– bazine de deal (200 m < Hmed ≤ 600 m);

– bazine de câmpie (Hmed ≤ 200 m);

– mixte, formate din mai multe unități de relief.

Un bazin hidrografic sau o zonă din acesta situată la o altitudine mare primește o cantitate mai mare de precipitații, are o evaporație mai scăzută și va avea o scurgere mai bogată. De obicei bazinul hidrografic al unui râu este situat în zone cu înălțimi diferite. Repartiția suprafețelor bazinului pe zone de altitudini, dată de curba hipsometrică, influențează în mare măsură regimul hidrologic.

2.7.9 Panta medie a bazinului hidrografic

Panta medie are influență directă asupra vitezelor de scurgere a apei. Parametrii analizați exprimă pentru sectorul analizat, existența unor bazine specifice zonelor de munte. Determinarea pantelor pentru bazinele hidrografice s-a realizat în mediul G.I.S cu ajutorul funcției Slope aplicată pe modelul digital al terenului după care s-a calculat panta medie pe bazin generând curbe de nivel rezultând o pantă medie de 16.45 grade, fiind prezente pante cu valori cuprinse între 0 si 55,46 grade.

Figura 2. Harta pantelor prezente în bazinul hidrografic Uz

Panta medie a bazinului hidrografic prin metoda clasică se determină după planul de situație cu curbe de nivel, cu ajutorul relației:

[% ] Ecuație 6

Unde este lungimea totală a celor n curbe de nivel din bazinul hidrografic considerat.

2.8 Prelucrarea datelor prin tehnici moderne de analiză privind regimul hidrografic

2.8.1 Lungimea rețelei hidrografice

Lungimea totală a unei rețele hidrografice este formată din lungimea cursului principal Lp și lungimea afluenților li

[km] Ecuație 7

Lungimea unui curs de apă (principal sau afluent) reprezintă distanța exprimată în km, măsurată în plan orizontal de la confluență spre izvor

Figura 2. Hartă privind rețeaua hidrografică

Figura 2. Grafic privind lungimea rețelei hidrografice

2.8.5 Profilul longitudinal al rețelei hidrografice

Extragerea datelor privind profilul longitudinal al rețelei hidrografice s-a realizat pe baza modelului digital al terenului, prin utilizarea funcției din ArcMap – 3d Analyst prin interpolarea mai multor puncte în lungul rețelei hidrografice.

Figura 2. Profilul longitudinal al râului Uz generat automat în ArcGI.S

Profilul conține pe abscisă lungimea în km, iar pe ordonată altitudinea în metri, a diferitelor puncte caracteristice

2.8.6 Profile transversale

Profilele transversale sunt reprezentate de intersecția liniei râului cu un plan perpendicular pe direcția de curgere a apelor. Pentru analiza cantitativă a debitelor în râuri aceste profile transversale prezintă o importanță deosebită, deoarece în funcție de caracteristicile acestora se stabilesc condițiile de curgere, rugozitate, capacitate de transport, direcția curenților longitudinali. Profilele transversale, acolo unde albiile râurilor nu sunt calibrate pot lua diferite forme fiind influențat de forma și structura văii. Acolo unde albiile sunt calibrate și nu numai profilele transversale pot lua forma unui dreptunghi, trapez parabole, sau combinații între aceste forme etc.

Sunt întâlnite în practică văii în secțiune transversală sub forma literei ,V, care reprezintă văi de scurgere neevoluate, aflate la înălțimi mari, aici în mare parte albia majoră lipsește. Văiile cu secțiunea transversală sun forma literei ,U, în special în zonele de șes, prezint în mare parte și o întindere spre albia majoră. Albia minoră caracterizată prin scurgeri permanente, este aceea prin care se scurg apele mici și mijlocii. Între albia minoră și curentul de apă există o interacțiune puternică tot timpul și drept urmare apar afuieri și depuneri.

Lățimile albiilor minore și majore variază foarte mult de la un curs la altul, precum și de la un sector la altul pe același râu.

2.9 Prelucrarea datelor de intrare în modelele hidrodinamice

2.9.1 Precipitațiile atmosferice

Regimul pluviometric în bazinul hidrografic Uz este determinat de poziția geografică a regiunii și de relief astfel încât cantitatea medie anuală are valori cuprinse între 630-1000 mm, apărând diferențieri nete între sectorul inferior și cel superior al Văii Uzului. Pentru unitatea montana cu altitudini pana la 1500-1600 m cantitatea de precipitații înregistrata anual este aproximativ 1000 mm din care 650 mm cad sub forma de zăpada, aici stratul menținându-se 120-180 zile. În perioada de vegetație cantitatea medie de precipitații este de 480 mm pentru zona depresionară.

Figura 2. Hartă privind amplasarea posturilor pluviometrice

2.9.1.1 Rețeaua de puncte de măsură

Este una foarte complexă în ceea ce privesc precipitațiile și anume, în bazinul hidrografic Uz sunt prezente 4 posturi pluviometrice amplasate în diferite puncte și anume: Postul pluviometric Valea Uzului, postul pluviometric Cremenea, postul pluviometric Baraj, postul pluviometric Dărmănești, de asemenea odată cu implementarea proiectului Watman (2016) și Deswat au mai fost montate încă 6 stații pluviografice .

2.9.1.2 POSTUL PLUVIOMETRIC VALEA UZULUI

Precipitațiile înregistrare la stația Valea Uzului, pe o perioada de 20 ani ne indică cantitatea de precipitații, astfel ca avem ani cu precipitații maxime înregistrate după cum se poate observa anul 2005 cu o medie anuală de 935 mm și anul în care s-au înregistrat cele mai scăzute precipitații cu o medie anuală de 474 mm.

Figura 2. Grafic privind precipitațiile înregistrate la pp Valea Uzului

2.9.1.3 POSTUL PLUVIOMETRIC CREMENEA

Este situat aproximativ în partea centrală a bazinului hidrografic Uz media precipitațiilor anuale pe o perioadă de 20 ani cu o medie anuală maximă în anul 2010 cu o medie de 1317 mm iar media minimă anuală de precipitații este în anul 2002 cu o medie anuală de 496 mm.

Figura 2. Grafic privind precipitațiile înregistrate la pp Cremenea

2.9.1.4 POSTUL PLUVIOMETRIC BARAJ

Se află situat in imediata apropiere a barajului Poiana Uzului și prezintă importanță deosebită pentru prognoză sau pentru exploatarea în siguranță a barajului. Precipitațiile maxime anuale au fost înregistrate în anii 2005 și 2010 cu valori de 1082 mm și 1022 mm cu o perioadă de revenire a precipitațiilor semnificative la 5 ani. Precipitațiile medii anuale minime la postul pluviometric baraj au fost înregistrate in anul 2000.

Figura 2. Grafic privind precipitațiile la pp Baraj

2.9.1.5 Postul pluviometric Dărmănești

Aval de baraj la aproximativ 5 km există amplasată în zona urbană stația pluviometrică Dărmănești, unde precipitațiile medii anuale au înregistrat valori maxime de 935 mm în anul 2005 și cu o valoare minimă a mediei precipitațiilor multianuale de 487 mm.

Figura 2. Grafic privind precipitațiile la pp Dărmănești

2.9.2 Aplicarea metodelor G.I.S în analiza precipitațiilor

Având în vedere analiza precipitațiilor medii multianuale la stațiile pluviometrice observăm precipitații semnificative la posturile pluviometrice din mijlocul bazinului hidrografic stația pluviometrică Cremenea și stația pluviometrică Baraj iar la stațiile din extremitățile bazinului stația pluviometrică Valea Uzului și stația pluviometrica din zona urbană Dărmănești sunt prezente medii ale precipitațiilor mai scăzute în perioada analizată de 20 ani .

Figura 2. Grafic privind precipitațiile multianuale

Tabel 2.3 – Precipitații înregistrate la stațiile pluviometrice

2.9.3 Metoda poligoanelor Thiessen – ArcGIS

Constă în a atribui fiecărei stații o zonă de influență, pe care se consideră că precipitațiile au aceleași valori ca cele de la stația aferentă.

Zonarea bazinului hidrografic s-a realizat în programul ArcGIS -ESRI , fiecărui post pluviometric i se atribuie o suprafață aferentă determinată automat funcție de layerul cu poziționarea posturilor pluviometrice și de layerul cu forma bazinului hidrografic.

Volumul de apă aferent fiecărei suprafețe Fi este dat de formula următoare:

Vi=Fi/hi Ecuație 12

Unde:

Vi= Volumul de apă aferent stației

Fi = Surafața aferentă stației

Hi= reprezintă precipitația înregistrată la stația i

Raportând volumul total precipitat pe bazin (și care se obține prin însumarea volumelor parțiale), la suprafața F a bazinului rezultă valoarea medie a stratului precipitat.

Generarea poligoanelor Thiessen în ArcGis

Figura 2. Interfață funcție generare poligoane Thiessen

Input Features ca date de intrare s-au folosit poziționarea stațiilor pluviometrice, rezultatul fiind prezent în imaginea de mai jos.

Figura 2. Hartă poligoane Thiessen

Bazinul hidrografic a fost împărțit în 4 poligoane aferente celor 4 stații pluviometrice, fiecărui poligon atribuindu-se o anumita suprafață rezultata și calculată automat, rezultatul fiind în m2.

Cu ajutorul acestor suprafețe a fost calculată media precipitațiilor pe bazin după cum se poate observa in tabelul de mai jos.

Tabel 2.

Cu datele obținute urmare a aplicare a metodei Thiessen a fost generată în ArcGIS harta cu precipitațiile medii multianuale în bazinul hidrografic Uz.

Figura 2. harta precipitațiilor medii pe bazin

După cum putem observa, diferența dintre metoda medie aritmetice calculată pentru o perioadă de 20 ani și valoarea medie a stratului precipitat realizată cu ajutorul metodei poligoanelor Thiessen în mediul G.I.S pentru aceeași perioadă este una mică la analiza multianuală a precipitațiilor.

Figura 2.1 Crearea bazei de date 2

Figura 2.2 Model 3D ArcScene bazinul hidrografic UZ 4

Figura 2.3 Grid pentru încărcarea informațiilor de tip asc. 5

Figura 2.4 Construcție D.T.M 6

Figura 2.5 Măsurători R.T.K .râul UZ 7

Figura 2.6 Creare linii caracteristice AutoCAD 7

Figura 2. 7 – M.D.T detaliu secțiune aval de barajul Poiana Uzului 8

Figura 2. 8 – Interpolare profile măsurători 8

Figura 2.9 M.D.T suprapus pe ortofotoplan 8

Figura 2. 10 Interfață funcție IDW 9

Figura 2. 11 – Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției IDW 10

Figura 2. 12 Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Topo to Raster 11

Figura 2. 13 Aplicarea funcției Topo to Raster pe setul de date topografice 11

Figura 2. 14 Interfață funcție Kringing 12

Figura 2. 15 Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Kriging 13

Figura 2. 16 Interfață funcție Spline 13

Figura 2. 17 Raster obținut prin interpolare cu ajutorul funcției Spline 14

Figura 2. 18 – Fill raster 15

Figura 2. 19 Hartă privind direcțiile de scurgere 16

Figura 2. 20 Interfață funcție flow acumulation 16

Figura 2. 21 Hartă privind acumularea scurgerii în bazinul hidrografic UZ 17

Figura 2. 22 Hartă privind subbazinele hidrografice ale râului Uz 18

Figura 2. 23 Calculul automat privind suprafața bazinului 19

Figura 2. 24 Grafic privind suprafața bazinelor hidrografice 19

Figura 2. 25 Grafic privind suprafața bazinelor hidrografice 20

Figura 2. 26 Hartă privind forma bazinelor hidrografice 21

Figura 2. 27 Harta hipsometrică a bazinului hidrografic Uz 22

Figura 2. 28 Harta pantelor prezente în bazinul hidrografic Uz 23

Figura 2. 29 Hartă privind rețeaua hidrografică 24

Figura 2. 30 Grafic privind lungimea rețelei hidrografice 24

Figura 2. 31 Profilul longitudinal al râului Uz generat automat în ArcGI.S 25

Figura 2. 32 Hartă privind amplasarea posturilor pluviometrice 26

Figura 2. 33 Grafic privind precipitațiile înregistrate la pp Valea Uzului 27

Figura 2. 34 Grafic privind precipitațiile înregistrate la pp Cremenea 27

Figura 2. 35 Grafic privind precipitațiile la pp Baraj 27

Figura 2. 36 Grafic privind precipitațiile la pp Dărmănești 28

Figura 2. 37 Grafic privind precipitațiile multianuale 28

Figura 2. 38 Interfață funcție generare poligoane Thiessen 30

Figura 2. 39 Hartă poligoane Thiessen 30

Figura 2. 40 harta precipitațiilor medii pe bazin 31