Scenariile. Hărțile de hazard la inundații [303167]

CUPRINS

Introducere

Scenariile. Hărțile de hazard la inundații

Modelarea Hidraulică

Inundațiile

Conceptul de hazard

Metode de analiză a [anonimizat] – HEC – [anonimizat] (DHI)

[anonimizat] 3D

SOBEK

Alegerea programului pentru modelarea hidraulică prin analiza comparativă a

programelor disponibile

Descrierea detaliată a [anonimizat] a softului de modelare hidraulică SOBEK

Managementul riscului la inundații

Conceptul de risc la inundații

Conceptul de management al riscului la inundații

Metodologia de integrare

Studiu de caz: [anonimizat] – [anonimizat]. [anonimizat] a datelor

Etapa de procesare a datelor – [anonimizat] (HEC-RAS)

Etapa de procesare a datelor – Modelare hidraulică pe râul Tabana cu programul SOBEK

Rezultatul modelării hidraulice (SOBEK)

4.2.3. Compararea programelor de specialitate pe baza rezultatelor modelării

hidraulice

Concluzii

Introducere

Scenariile. Hărțile de hazard la inundații

Scenariile reprezintă o viziune internă substanțială a [anonimizat] o previziune, dar un posibil rezultat din viitor. [anonimizat], pentru micșorarea complexitatății analizei dar și pentru includereare tuturor componentelor caracteristice.

[anonimizat]: ([anonimizat]..), precum și anumite caracteristici care descriu magnitudinea fenomenului ([anonimizat] a apei etc..)

[anonimizat] 2007/60/CE pentru 3 scenarii de inundabilitate:

Scenariul cu probabilitate mică (pentru debite maxime cu probabilitate de depășire 0,1%, respectiv inundații care se pot produce o dată la 1000 de ani);

Scenariul cu probabilitate medie (pentru debite maxime cu probabilitate de depășire 1%, respectiv inundații care se pot produce o dată la 100 de ani);

Scenariul cu probabilitate mare (pentru debite maxime cu probabilitate de depășire 10%, respectiv inundații care se pot produce o dată la 10 de ani);

În general hărțile de hazard la inundații se intocmesc pentru zonele desemnate ca având risc potențial semnificativ la inundații.

[anonimizat], cuprinde anumite elemente cum ar fi : limita inundației (reprezentând extensia apei pentru fiecare caz scenariu considerat), și adâncimea sau nivelul apei.

Modelarea hidraulică

3.1. [anonimizat].

Evenimentele hidrologice pot fi prezente în bazinele hidrografice mici și mari producând modificări semnificative atât asupra sistemelor hidro-geo-morfologice, din punct de vedere fizic, cât și asupra sistemelor socio-economice și ecologice cum ar fi: pierderi de vieți omenești, bunuri sau dezechilibrul mediului.

Inundația este fenomenul de acoperire a terenului cu un strat de apă (provenită din revărsarea apelor, din ploi ) în stagnare sau mișcare, care prin mărimea și durata sa provoacă victime umane și distrugeri materiale ce dereglează buna desfășurare a activităților social-economice din zona afectată. (Wikipedia,2011)

Ca proces și rezultat, inundațiile sunt apreciate după o serie de criterii:

volumul inundației – se măsoară în metri cubi și se determină prin înmulțirea sumei debitelor medii diurne în perioada inundației la coeficientul 0,0864 (numărul milioanelor de secundă în 24 ore);

debitul de apă – se măsoară în metri cubi ; este cantitatea de apă care trece prin secțiunea activă a cursului într-o secundă.

suprafața inundației – suprafața teritoriilor aferente râului acoperită cu apă revărsată;

viteza creșterii nivelului apei – este reprezentată de o valoare, care caracterizează creșterea nivelului de apă într-un interval de timp în raport cu nivelul antecedent.

durata inundației – intervalul de timp scurs din momentul revărsării apei din albie până la revenirea ei la loc;

Aprecierea inundației ca și criteriu principal este dat de nivelul maxim atins la data declanșării fenomenului. Valoarea nivelului și debitului maxim de apă pentru apele de primăvară depind de următorii factori:

cantitatea de precipitații atmosferice atunci când se topește zăpada;

rezerva de apă din pătura de zăpadă la începutul topirii;

adâncimea de îngheț a solului atunci când zăpada începe să se topească;

intensitatea topirii zăpezii;

umiditatea solului atunci când zăpada începe să se topească;

prezența pojghiței de gheață pe sol

grosimea pojghiței de gheață pe sol;

împreunarea apelor mari de primăvară pe principalii afluenți;

Clasificarea inundațiilor:

Categoria inundațiilor mici

În ceea ce privește scara răspândirii inundației , aceasta afectează teritorii mici aferente malurilor, se inundă circa 10 % din terenurile agricole, aflate în locurile joase. În general nu dereglează ritmul activității umane provocând daune minore.

Fregvența acestei categorii este de aproximativ în fiecare an.

Categoria inundațiilor mari

În cazul inundațiilor mari, scara răspândirii inundației cuprinde suprafețe întregi din văile râurilor, se inundă circa 10-50% din terenurile agricole, provocând daune materiale importante, dereglând activitatea economică și cotidiană a populației. În acest caz se impune evacuarea parțială a populației.

Fregvența acestei categorii este cuprinsă intre 20 – 25 ani.

Categoria inundațiilor exepționale

Scara răspândirii inundației pentru această categorie cuprinde bazinele fluviale întregi, inundă circa 50 -70% terenuri agricole, unele localități urbane și rurale. Se paralizează activitatea economică, provoacă daune considerabile și atacă modul de viață a populației. În zona afectată se iau măsuri importante pentru evacuarea în masă a populației și bunurilor material din zona afectată.

Fregvența acestei categorii este cuprinsă intre 100 – 200 ani.

Categoria inundațiilor catastrofale

Sunt afectate teritorii imense în limitele mai multor sisteme fluviale, se inundă peste 70% din terenurile agricole. Pagubele materiale în această categorie sunt colosale se paralizează total activitatea economică, producându-se pierderi de vieți omenești.

Fregvența acestei categorii este cuprinsă intre 50 – 100 ani.

Clasificarea inundațiilor s-a realizat după Ministerul Situațiilor Excepționale RUSIA.

3.2. Conceptul de hazard

Pentru dezvoltarea durabilă dezastrele sunt caracterizate ca o amenințare permanentă și conduce anual la pierderi numeroase de vieți omenești și pierderi de materiale. Începând cu anul 2000, ponderea activităților umane asupra mediului este tot mai accentuată.

Dacă ne raportăm în perioada anilor ’80 – 2000 se estimează ca circa 75% din populația lumii a fost afectată măcar o dată de un dezastru cum ar fi: alunecări de teren, inundații, cutremure, secetă etc.. (Teodorescu,2007)

Hazardul este probabilitatea de apariție, într-o anumită perioadă, a unui fenomen potențial dăunător pentru oameni și mediu. Este un fenomen natural sau antropic, dăunător pentru oameni, a cărui consecințe depășesc măsurile de siguranță de care orice societate dispune. Pericolele naturale sunt o formă de interacțiune între om și mediu, în care anumite amenințări depășesc pragurile limită de adaptare a societății. (Bălteanu, 2000)

Hazardul este un eveniment amenințător și reprezintă probabilitatea de apariție într-o anumită perioadă a unui fenomen potențial dăunător pentru om, pentru bunurile produse de acestea și pentru mediul înconjurător. Hazardele naturale reprezintă fenomene potențial dăunătoare societății, declanșate de manifestări extreme ale unor procese din natură. Acestea reprezintă o formă de interacțiune dintre om și mediul înconjurător, în cadrul căreia sunt depășite anumite praguri de adaptare ale societății. Inundațiile reprezintă acoperirea temporară cu apă a unor teritorii ca urmare a creșterii de nivel a unei mase de apă (râu, lac), depășind cota terenului din teritoriile respective. Ele pot fi provocate și prin creșterea nivelului apei subterane peste cota terenului sub efectul unui gradient hidraulic prin infiltrații. Inundațiile constituie fenomene frecvente, care comportă riscuri serioase pentru om și activitățile sale. Fiind hazardul cel mai larg răspândit pe Glob, ocupă primul loc în privința pagubelor provocate de catastrofele naturale, cauzând anual pierderi economice de mari proporții, moartea a zeci de mii de oameni, afectarea în diferite forme și nivel de gravitate a altor câteva sute de mii de persoane. (Curs,2010)

De cele mai multe ori, hazardurile sunt tratate ca fenomene neobișnuite, care se petrec aleator, făra un anumit tipar. Caracterul imprevizibil atribuit de specialiști a limitat cercetarea în acest domeniu, iar fenomenele, de altfel violente și cu un grad de pericol ridicat, au rămas cel mai puțin investigate. Hazardul însă nu este un fenomen întâmplător sau nepredictibil, ci doar modul în care se manifestă, precum și consecințele sale sunt, de cele mai multe ori, dificil de anticipat sau de controlat. Cunoașterea acestor fenomene și procese devine tot mai detaliată, iar ideea caracterului aleator de cele mai multe ori nu mai este adoptată.

Vulnerabilitatea pune în evidență cât de mult sunt expuși omul și bunurile sale în fața diferitelor hazarde, indică nivelul pagubelor pe care poate să le produca un anumit fenomen și se exprimă pe o scara cuprinsă între 0 si 1, cifra 1 exprimând distrugerea totală a bunurilor și pierderile totale de vieți omenești din arealul afectat. Distrugerea mediului determină o crestere a vulnerabilității. Spre exemplu, despăduririle determină o intensificare a eroziunii și alunecărilor, producerea unor viituri mai rapide și mai puternice și o creștere a vulnerabilității așezărilor și căilor de comunicații. (Bălteanu,2000)

Riscul este „o categorie de stare desemnând conjunctura relațională care rezultă ca urmare a asumării hazardului de către acei componenți ai sistemului care posedă capacitate de percepere a evenimentelor”. (Mac,2002)

Acesta depinde de probabilitatea ca toate grupurile de oameni și bunurile lor sa fie afectate, precum și de vulnerabilitatea acestora. Bazat pe această formulă, putem face calcule pentru a evalua daunele cauzate de diverse fenomene naturale și tehnologice. (Bălteanu,2000)

3.3. Metode de analiză a hazardului la inundații – Modelarea hidraulică

Modelul hidraulic

Pe baza la ce am prezentat mai sus, un model este acel sistem ce transformă o serie de date de intrare într-un set de rezultate necesare pentru a fi utilizate în proiectare și în execuție.

Principala preocupare în zilele noastre este anticiparea comportamentului prezent sau viitor, obținerea informațiilor de teren fiind o formațiune importantă a procesului de modelare.

Cerința oricărui model de scară pentru a genera în mod corect comportamentul de ipoteza ce se va modela, rezultatul soluției depinzând de formularea exactă a situației și de identificarea corectă a principalilor parametri ce influențează fenomenele analizate.

Acest fapt poate duce la o înlăturare intenționată de acțiuni și influențe, rolul lor fiind unul de importanță secundară.

Osborne Reynolds a fost unul dintre primii care au folosit modelele hidraulice. Acesta a proiectat în anul 1885 un model pentru cursul superior al râului Mersey în cadrul Universității din Manchester.

Engels Hubert a lansat în anul 1898 la Dresda unicul laborator din perioada respectivă de Hidraulica râurilor.

În continuare a urmat o creștere treptată până în anul 1920 atunci când această creștere a devenit accelerată în ceea ce privea numărul de laboratoare având ca obiect de activitate studierea problemelor de inginerie hidraulică în care se foloseau modele la scară. (Navak,2010)

În ultimii ani, rolul acestor modele hidraulice au suferit schimbări, ca urmare a progreselor în modelarea asistată de calculator (modelarea coputerizată), ele rămânând un important instrument în ceea ce privește modelarea, mai ales pentru proiectarea structurilor fluviale, hidraulice, aplicații privind ingineria costieră, protecția mediului sau mai ales în furnizarea de date de intrare fizice necesare modelării matematice (Cioc, 1991)

În studierea viiturilor, modelarea componentelor sistemelor hidrologice prezintă o importanță deosebită, fiind o permanent preocupare a cercetării științifice, având o aplicabilitate foarte mare în administrarea integrate a resurselor de apă. Modelele hidrologice sunt reprezentări reduse (simplificate) ale dificultății fenomenelor care se prezintă în interiorul bazinului de recepție, având la bază funcția de impuls asimilată cu principiul de liniaritate al sistemelor hidrologice. Pentru alegerea modelului de analiză a viiturilor trebuie să se realizeze accesul la informația geografică ce poate să aducă o imagine globală asupra componentelor sistemelor de scurgere. (Bilașco,2008)

Conform literaturii de specialitate, modelele hidrologice pot fi împărțite 2 categorii fundamentale: modele fizice ce reproduc prin instrumente fizice realitatea din natură și urmăresc fenomenele hidrologice pe baza reproducerii intrărilor în condiții similare cu cele din natură,(Stănescu,1985) – modele matematice care descriu sistemul hidrologic cu ajutorul relațiilor matematice – ultima categorie care este mai puțin utilizată se referă la modelarea conceptuală ce constă în modelarea prin intermediul schemelor logice pentru procesele de formare a scurgerii. (Bilașco,2008)

Folosirea de multe ori a sinonimelor cum ar fi termenii ce definesc modele matematice, modelele numerice și modelul de calcul se face o distincție clară între ele. Modelele matematice sunt acele seturi de ecuații algebrice și diferențiale , care reprezintă interacțiunea dintre fluxul și variabilele de preces în spațiu și timp. Astfel se bazează pe un set de ipoteze cu privire la fizica modelului curgerii și respective procesele de mediu asociate. Aceste supoziții vor clarifica limitele clare în domeniul de aplicabilitate al modelului mathematic.

Pentru amplificarea unui model matematic, o condiție importantă o reprezintă înțelegerea proceselor fizice cheie implicate, ducând astfel la principiile fundamentale cum ar fi legile lui Newton de mișcare sau la bine atestate relații empirice, cum ar fi Chezy și legile de rugozitate ale lui Manning.

Modele matematice corespunzătoare fenomenelor fizice sunt neliniare, implicând astfel folosirea metodelor numerice pentru generarea de soluții aproximative folosind un calculator digital. Toate acestea conduc la definirea modelului numeric.

Modelele numerice reprezintă o aproximare a unui model matematic, al unor etape inițiale, prezentând un set de calcul al parametrilor care descrie curgerea în anumite puncte.(Novak,2010)

Pentru completarea activității de modelare se folosesc de regulă programele GIS, și programe de specialitate de modelare hidraulică.

Utilizarea GIS în modelarea hidraulică

Cerința unei viziuni de ansamblu asupra principiilor și metodelor de redare a fenomenelor naturale este stabilită de caracterul complex al acestora.

Capacitatea și viteza de procesare a programelor specializate pe modelare hidraulică face posibilă rularea și reprezentarea a sute de elemente hidrologice. În general, aceste elemente pot fi recunoscute citind hărțile topografice și identificând manual limitele de scurgere. Folosind programul GIS, rularea datelor se realizează mult mai repede și usor, într-o interfață mult mai accesibilă.

Utilizarea programului GIS este importantă în modelarea hidraulică, pe tot parcursul procesului, începând cu inițierea acestuia, până la faza de interpretare. Sistemele GIS se aplică pentru: ușurarea vizualizării zonei de studiu, pentru introducerea, prelucrarea și procesarea datelor hidrologice necesare în modelarea hidraulică, și pentru interpretarea rezultatelor.

Necesar în analiza rezultatelor, sunt la îndemână o serie de posibilități și tehnici de prezentare a acestora, astfel încât progrmaul GIS face posibilă redarea și comunicarea mult mai ușoară a diferitelor scenarii rezultate în urma modelării hidraulice. De exemplu, se poate alege pentru folosirea unei simple imagini (folosind ArcMap sau ArcScene); dar, utilizarea unei combinații de GIS (sisteme informatice geografice), tehnici de desen grafic și navigație din industria video (VirtTools), poate duce la evoluția unui model 3D ce poate fi un instrument important foarte puternic în procesul de modelare hidraulică.

Crearea modelului hidraulic cu ajutorul programelor specializate

Dezvoltarea tehnologică și condițiile impuse de cerința alinierii la standardele europene și international ce țin de managementului riscului la inundații precum și condițiile stricte referitoare la dimensiunea gradului de conștientizare al populației, au ghidat la nevoia dezvoltării unor sisteme performante de calcul și modelare a rețelelor hidrologice pentru evaluarea hazardului și riscului la inundații.

Aceste soluții trebuiesc, printre altele, să permită modelarea eficientă și precisă a comportamentului acestor rețele, să prezinte instrumente puternice de analiză a hazardului la inundații astfel încât să garanteze necesitatea de identificare a punctelor slabe din sistem și de previziune a deprinderi acestuia în situația în care apar evenimente extreme.

Cu toate acestea, instituțiile specializate pe calcul hidraulic recomandă programe dedicate modelării rețelelor hidrologice. Un model exact al sistemului ajută la recunoașterea elementelor slabe din rețea, și a altor situații preponderente pentru rețea. Modelul poate fi utilizat și în cadrul simulării condițiilor de urgență și a identificării posibilelor soluții.

Softurile prezente pe piață curprind cel puțin două abordări (1D și 2D) și au la origine același pachet de ecuații și idei similare.

În cazurile când apar inundații generate de niveluri mari ale apelor sau atunci când se produc cedări ale digurilor, acest lucru se poate analiza printr-o îmbinare a tehnicilor 1D 2D.

Utilizarea 1D este folosită pentru a înfățișa schema hidraulică a curgerii, totodată utilizarea 2D, mult mai complexă, este folosită pentru dezvoltarea scenariilor inundațiilor. Deoarece procesul inundațiilor este unul foarte elementar, pentru o estimare cât mai precisă, în modelarea hidraulică a inundațiilor se folosește îmbinarea dintre cele două sutuații .

În continuare, sunt prezentate cele mai des folosite softuri în modelarea hidraulică :

3.3.3.1. HEC-RAS – Analysis System

HEC-RAS (Hydrologic Engineering Centers- River Analysis System) – este un program de calcul inițiat de U.S. Army Corps of Engineers, Hydrologic Engineering Center, face parte din cele mai cunoscute și utilizate pachete de programe din lume, în ceea ce privește analiza sistemelor hidrografice. Softul poate efectua calculul suprafeței libere a apei în mișcare permanentă și nepermanentă pe râuri în regim natural sau în canale construite, folosind un model de curgere unidimensional. (USArm,2008)

HEC-RAS este un soft de modelare generalizat capabil să reprezinte diferite tipuri de bazine. Dacă vorbim de un model al bazinelor hidrografice, acesta este construit prin separarea ciclului hidrologic în bucăți gestionabile și realizarea granițelor împrejurul bazinelor hidrografice de interes. Indiferent de masă sau flux energetic în ciclu poate fi apoi relatat printr-un model matematic. De cele mai multe ori, mai multe variante de model sunt disponibile pentru afișarea fiecărui flux. Oricare model matematic inclus în program este corespunzător în diferite medii și condiții. Pentru a alege varianta plauzibilă (corectă) totodată presupune o bună cunoaștere din punct de vedere ingineresc a bazinelor hidrografice și a obiectivelor studiului hidrologic. Softul pune la dispoziție un mediu de lucru complet asimilat, inclusiv o bază de date, utilității de introducere de date, motor de calcul, iar datele de ieșire au instrumente de raportare. (Scharffenberg,2008)

3.3.3.2. MIKE – Danish Hydraulic Institute (DHI)

Programul MIKE este un pachet de softuri de inginerie hidraulică și hidrologică, elaborat de Institutul Danez de Hidraulică (DHI). Pachetul de programe are o structură modulară, dedicat simulării curgerii apei, calității acesteia și transportului de aluviuni în râuri, lacuri naturale și artificiale, în sisteme de irigații și în alte corpuri de apă. MIKE FLOOD este pachetul de instrumente cel mai adegvat pentru modelarea inundațiilor disponibile astăzi. Acesta conține o gamă largă de metode de simulare a inundațiilor 1D și 2D, ce permite să modeleze aproape orice problemă de inundații dacă este vorba de râuri, lunci, baraje, retele de drenaj urbane, zonele costiere sau orice combinație. MIKE FLOOD se folosește la orice scara de la un spațiu mic la modelele metropolitane sau regionale. (DHI,2011)

Softul MIKE FLOOD are următoarele aplicații uzuale:

– dezvoltarea de planuri de cost eficiente pentru combaterea inundațiilor

– evaluările de impact, inclusiv creșterea nivelului mării și alte probleme de schimbări

Climatice

– studii de rupere a barajelor

– drenaj urban integrat, modelarea inundațiilor de râu și de coastă

– planuri de urgență de inundații, de exemplu, planificarea rutelor și a priorităților de evacuare

– analiza de risc de inundații pentru proiecte industriale, rezidentiale sau infrastructura

Modele de simulare oferite de MIKE FLOOD sunt:

Modelul 1D

– rețea canal 1D – bazat pe modelul hidrodinamic clasic pentru râuri și canale deschise.

– rețea de alimentare cu apă și canalizare 1D

Modelul 2D

– Grid Single – modelul clasic rectilinie ușor de configurat și cu un schimb facil date de intrare- date de ieșire. (DHI,2011)

MIKE FLOOD leagă dinamic două pachete de programe: MIKE 11 (1D) și MIKE 21 (2D).

MIKE 11 rezolvă ecuatiile Saint-Venant printr-o o schemă diferențială finită. Breșele pot fi definite prin intermediul unor spărturi în structura digului. Inundația poate fi redată prin serii de timp pentru breșe, nivelul coronamentului și înclinare laterală. Versiunea "clasică" a MIKE 21 foloseste un grid rectangular și rezolvă ecuațiile apelor de suprafață printr-o schemă de diferențiale finite. Acesta efectuează calcule la ape mari sau ape mici, variind spațial rugozitatea suprafeței, vâscozitate Eddy, forțele Coriolis și frecare dată de vânt. (Vanderkimpen,2009)

3.3.3.3. Surface Water Modeling System – SMS

Softul Surface Water Modeling System (SMS) are un pachet de module dezvoltat de „Environmental Modeling Research Laboratory” (EMRL) de la Universitatea Bringham Young, în colaborare cu U.S. Army Corps of Engineers, Waterways Experiment Station (USACE- WES) și U.S. Federal Highway Administration (FHWA).

Surface Water Modeling System – SMS este un mediu inteligent pentru modelarea hidrodinamică unidimensionala, bidimensională, sau tridimensională. Un pre și post procesor pentru modelarea apelor de suprafață, softul conține unelte 2D cu elemente finite, 2D cu diferențe finite, sau 3D. Decurând, programul a introdus și modelul numeric TUFLOW cu analize potrivite pentru inundații, analiza valurilor, și analiza uraganelor. Softul include, totodată, și o interfață de model generic, care poate fi folosită în sprijinirea modelelor care nu au fost încorporate oficial în sistem. Modelele numerice sprijinite în softul (SMS) calculează o varietate de informații aplicabile pentru modelarea apelor de suprafață. Funcțiile principale ale modelelor conțin calculul creșteri nivelului apei și vitezele de curgere ale problemelor apelor de suprafață, odată pentru starea de echilibru și odată pentru starea dinamică. Aplicațiile suplimentare conțin modelarea migrației contaminanților, intruziunea salinității, transportul sedimentelor (scurgere și depunere), dispersie energiei valurilor, proprietatile valurilor (direcții, mărimi și amplitudini) etc.. (AQUAVEO,2010)

3.3.3.4. Delft 3D

WL | Delft Hydraulics a dezvoltat un ansamblu unic, complet integrat de modelare hidraulică pentru o abordare multi-disciplinară și calcule 3D de coastă, râu, lac și în zone de estuar. Se pot efectua simulări ale fluxurilor, transporturi de sedimente, unde, calitatea apei, evoluții morfologice și ecologie. Acesta a fost realizat pentru experți și non-experți deopotrivă. Delft3D este format din mai multe module, aranjate în jurul unei interfațe reciproce, fiind în același timp capabil să interacționeze unul cu altul. (WL | Delft Hydraulics,2007)

Delft3D-FLOW, modulul aferent modelării curgerii cu suprafață liberă, este unul dintre aceste module. Delft3D-FLOW este un soft de simulare (2D sau 3D), hidrodinamic (și de transport), multi-dimensional, care calculează fluxul (unsteady) și fenomenele de transport care rezultă din mișcarea mareelor ​​sau din fenomenele meteorologice. În simulările 3D, grila verticală este definită în urma abordării coordonatelor geografice (axa Z).

3.3.3.5. SOBEK

Programul SOBEK este dezvoltat de Delft Hydraulics și este un program integrat pentru descrierea hidraulică a curgerii râurilor și managementul apelor din zonele urbane și rurale, ce se folosesc pentru simularea scenariilor de inundabilitate. (Deltares,2011)

SOBEK este o suită capabilă de modelare pentru prognozarea inundațiilor, optimizarea sistemelor de drenaj, controlul sistemelor de irigații, proiectarea preaplinului de canalizare, morfologiei râului, intruziunea sării și calității apelor de suprafață. Programele din suita de modelare SOBEK simulează fluxurile complexe și procesele legate de apă, în aproape orice sistem. Programele reprezintă fenomenele și aspectele lor fizice într-un mod precis în sisteme de rețea unidimensionale (1D) și pe rețelele orizontale bidimensionale (2D). Acesta a fost dezvoltată și este dezvoltat în continuare în colaborare cu institute olandeze publice și organizații neguvernamentale, institute de cercetare, universități și consultanți privați din întreaga lume. (Deltares,2011)

SOBEK redă un spațiu software pentru simularea tuturor problemelor de management în domeniul sistemelor fluviale și estuare, sistemelor de drenaj și de irigare și a sistemelor de ape pluviale și a apelor uzate. Acest fapt permite pentru combinații de curgere în conducte închise, canale deschise, râuri, și totodată o varietate de procese hidraulice, hidrologice și de mediu. Generatorul hidrodinamic de simulare 1D/2D este nucleul de calcul al SOBEK. Acest generator este folosit în toate programele D-FLOW din SOBEK Modeling Suite. Se poate face astfel simularea combinată a conductelor, râurilor, canalelor în 1D și 2D printr-un cuplaj implicit de ecuatii de flux 1D și 2D. SOBEK este instrumentul ideal pentru a studia efectele distrugerea barajelor, inundații ale râurilor, încălcări dig, inundații urbane etc. Generatorul hidrodinamic de simulare 1D/2D este echipat cu un sistem foarte robust de calcul numeric. Se garantează, de asemenea, conservarea masei, chiar și în situația de tranziție prin diferite schimbări bruște ale formei sectiunii transversale. Generatorul împreunează calcule de debit subcritice și supracritice, la scări selectate de utilizator. (Deltares,2011)

Alegerea programului pentru modelarea hidraulică prin analiza comparativă a programelor disponibile

Pentru crearea modelului hidraulic al Râului Tabana, alegerea programului specializat a fost făcută după analiza comparativă a programelor disponibile, după cum urmează:

Tabelul 1 – Analiză calitativă comparativă a programelor de modelare hidraulică descrise anterior

În urma analizei realizate mai sus pentru demonstrarea utilității, dar și datorită disponibilității, am ales programul HEC-RAS și programul SOBEK.

Descrierea detaliată a softului de modelare hidraulica HEC-RAS

HEC-RAS este un program de calculator ce modelează hidraulica de curgere a apei prin râuri naturale și alte canale.

HEC-RAS este un sistem integrat de software, concepute pentru a fi utilizate interactiv într-un mediu multi-tasking. Sistemul este format dintr-o interfață grafică cu utilizatorul (GUI), componentă de analiză separată de stocare a datelor, capacități de gestionare grafică și facilități de raportare.

Sistemul HEC-RAS conține patru componente de analiză râu cu o singură dimensiune pentru:

calcule ale profilului de apă de suprafață flux constant;

simularea curgerii neuniforme;

calcule de transport mobil de delimitare a sedimentelor și

de analiză a calității apei.

Un element-cheie este faptul că toate cele patru componente folosesc o reprezentare comună a datelor geometrice și hidraulice de calcul. În plus față de cele patru componente de analiză a râului, sistemul conține mai multe caracteristici de proiectare hidraulice care pot fi invocate o dată ce profilurile de bază sunt calculate.

În ceea ce privește planul de referință, acesta corespunde cu SOBEK, elipsoidul de referință se consideră MN75 (Marea Neagră '75). În raport cu alte sisteme altimetrice de referință, punctul de ‘zero’ Marea Neagră Sulina este cu 22,4 cm sub ‚zero’ Marea Neagră Constanța și cu 67,6 cm mai jos raportat la de nivelul „zero” Marea Neagră – Kronstadt.

Adâncimea apei

În modulul HEC-RAS, adâncimea apei este distanța dintre nivelul apei și cota albiei. Simbolul utilizat este H. (Reference_manual, 2010)

H = ZU – ZD

Nivelul apei

Nivelul apei Zu este nivelul luciului de apă raportat la planul de referință. În HEC-RAS nivelul apei perpendicular pe direcția curgerii se presupune orizontal la fel ca în SOBEK. Nivelul apei, alături de debit, reprezintă rezultatele procesării. Nivelurile apei sunt calculate în nodurile de conexiune și în punctele de calcul. (Reference_manual, 2010)

…………….

Descrierea detaliată a softului de modelare hidraulică SOBEK

Softul de modelare hidraulică SOBEK 1D 2D este un program integrat, care permite realizarea de modele complexe prin integrarea dinamică a componentelor 1D din SOBEK-River cu componente 2D din SOBEK Overland Flow. SOBEK 1D (RURAL, URBAN și River) rezolvă ecuațiile lui Saint-Venant prin intermediul unui sistem de diferențiale finite. Creșterea nivelului apei poate afișată ca o serie dependentă de timp intre nivelul apei și lățimea luciului apei. SOBEK 2D (Overland Flow) utilizează un grid rectangular și rezolvă ecuațiile apelor de suprafață printr-o schemă de diferențiale finite, la fel cu cele utilizate de SOBEK 1D. În general SOBEK 2D este utilizat pentru calculul la ape mari sau ape mici, variind spațial rugozitatea suprafeței de frecare și de vânt. (Vanderkimpen,2009)

Generatorul hidrodinamic de simulare 1D/2D apare ca un algoritm numeric foarte operant, bazându-se pe o combinație optimă între căutarea directă a conexiunilor minime și metoda gradientului conjugat. Așadar se aplică, un selector variabil al pasului de timp, care înlătură pierderea de timp în calcul de fiecare dată acest lucru este posibil. SOBEK poate simula interacțiunii proceselor legate de apă în timp și spațiu. Softul este folosit mai ales pentru modelarea sistemelor de apă integrate pentru managementul apei, proiectarea, planificarea și elaborarea politicilor. (Deltares,2001)

Planul de referință

Dacă vorbim de planul de referință al modelului, acesta se referă la planul orizontal față de care sunt definite elevațiile (pozitiv în sus și negativ sub acest plan). În cazul nostru, elipsoidul de referință se consideră MN75 (Marea Neagră '75). În raport cu alte sisteme altimetrice de referință, punctul de ‘zero’ Marea Neagră Sulina este cu 22,4 cm sub ‚zero’ Marea Neagră Constanța și cu 67,6 cm mai jos raportat la de nivelul „zero” Marea Neagră – Kronstadt.

Coordonatele pe care le-am utilizat au fost calculate în două sisteme diferite: geografice – geodezice exprimate în unități de măsură unghiulare sexagesimale și carteziene plane corespunzătoare sistemului de referință „Stereografic 1970”: cu suprafața de referință elipsoidul Krasovski, proiecție cartografică azimutală stereografică în plan unic secant, alături de sistemul de cote (altitudini absolute) Marea Neagră 1975.

Figura 1 – Noțiuni niveluri de referință și distanțe

Cota albiei

Dacă ne referim la nivelul albiei, aceasta este definită ca fiind cel mai jos punct în sectiunea râului (profilul albiei). În definirea profilului este dat un exemplu referitor la interpolarea și extrapolarea nivelului albiei deasupra unei secțiuni. În figura de mai sus această distanță este notată cu Zb si se consideră ca fiind măsurată în funcție de nivelul de referință. (Deltares,2013)

Adâncimea apei

În modulul SOBEK- Flow, adâncimea apei este distanța dintre nivelul apei și cota albiei. Simbolul utilizat este d . (Deltares,2013)

D = h – Zb (1)

Nivelul apei

Nivelul apei (h) este nivelul luciului de apă raportat la planul de referință. În modulul SOBEK Flow 1D, nivelul apei perpendicular pe direcția curgerii se presupune orizontal. Nivelul apei, alături de debit, reprezintă rezultatele procesării în SOBEK. Nivelurile apei sunt calculate în nodurile de conexiune și în punctele de calcul.(Deltares, 2013)

Aria de curgere

Aria de curgere (Af) a unui profil de secțiune este aria prin care apa curge efectiv. Într-un profil, se face distincția între aria de curgere și aria de stocare (Fig.2 )

Figura 2 – Aria de stocare(As) și Aria de curgere (Af)

Forma unei secțiuni transversale și distincția între cele două tipuri de arie sunt definite pentru fiecare profil, de către utilizator. (Deltares, 2013)

Aria de stocare

Aria de stocare As a unei secțiuni transversale este zona unde numai apa este stocată, spre exemplu zonele mlăștinoase din zonele de luncă unde apa nu circulă. Aria totală a profilului este definită ca fiind suma dintre cele două tipuri de arii.

Perimetrul udat

Suprafața udată (Af) reprezintă partea udată a secțiunii, iar perimetrul udat este afișat în figura (3):

Figura 3 – Perimetrul udat

Viteza de curgere

În ceea ce privește viteza de curgere aceasta se măsoară în [m/s] și este definită ca fiind viteza medie a curgerii in profil. Viteza medie a curgerii este derivată prin raportarea debitului la suprafața de curgere. Ca rezultat al vitezei medii de curgere, în canalul cu suprafață liberă de analizat, se pot obține și vitezele de curgere în luncile laterale. (Deltares,2013)

u = (2)

u0 = ; (3)

u1 = ; (4)

u2 = ; (5)

Unde indicii 0,1,2 indică principalul canal, lunca 1 și lunca 2.

Viteza

Viteza este definită ca viteza de curgere în perimetrul udat al secțiunii.

Debitele și vitezele sunt definite în segmente ale secțiunii, unde profilele secțiunii sunt definite ca și puncte de calcul. Pentru analiza vitezelor într-o anumită secțiune, SOBEK folosește secțiunile anterioare.

Raza hidraulică

Raza hidraulică este definită ca fiind raportul dintre suprafața udată și perimetrul udat.

R = (6)

Ecuațiile modelului

Debitul și nivelul apei este calculat prin rezolvarea completă a ecuațiilor Saint-Venant.

Pentru modelarea unidimensională, se rezolvă următoarele ecuații

– ecuațiile de continuitate 1D

– ecuațiile de moment 1D

Pentru modelarea unidimensională, se rezolvă trei ecuații

– ecuațiile de continuitate 2D

– ecuațiile de moment 2D pentru direcția X

– ecuațiile de moment 2D pentru direcția Y

Aceste ecuații se rezolvă numeric, folosing schema Delft.

În cazul ecuațiilor 2D, spre deosebire de calculul 1D, ecuațiile descrise nu cuprind și termenii legați de turbulența apei, la calculul de transfer al momentului între celulele gridului, deoarece valoarea acestora poate fi neglijată.

Frecarea cu pereții secțiunii a fost introdusă ca o rezistență adițională, cauzată de obstacolele verticale.

Ecuația de continuitate 1D

Curgerea în 1D este descrisă prin doua ecuații, ecuația de moment și ecuația de continuitate.

Ecuația de continuitate se descrie astfel:

(7)

Unde qlat reprezintă debitul lateral pe unitatea de lungime, Q reprezintă debitul, iar A reprezintă suprafața de curgere.

Ecuația de moment 1D

Ecuația de moment se descrie astfel:

(8)

Primul termen descrie inerția,

al doilea termen descrie convecția,

al treilea termen valoarea nivelului apei,

al patrulea termen se referă la frecarea apusă de pereții secțiunii (rugozitatea),

iar al cincilea termen descrie frecarea cauzată de vânt.

Inerția

, (9)

Q = debit [mc/s]

t = timp [s]

Convecția

În modulul 1D, un termen al convecției este utilizat pentru a garanta conservarea momentului într-o rețea (și între nodurile rețelei). Același principiu se aplică și în cazul nodurilor de conexiune atunci când două rețele sunt conectate prin acel nod. În această situație, acel nod poate fi modelat ca nod de calcul. În cazul în care sunt mai mult de două rețele conectate printr-un nod, atunci termenul referitor la convecție devine zero. În cazul în care o rețea are subsecțiuni, atunci toate aceste subsecțiuni au o soluție independentă pentru calculul vitezei. Viteza utilizată pentru conservarea momentului în rețea este valoarea vitezei medii din subsecțiunile profilului.

(10)

Q = debit [mc/s]

Af = suprafața udată [mp]

x = distanța [m]

Valoarea nivelului apei

(11)

g = accelerația gravitațională [mc/s]

Af = suprafața udată [mp]

x = distanța [m]

h = luciu apă (nivelul apei raportat la sistemul de referință) [m]

Gradientul nivelului apei este acea forță care conduce sistemul către echilibru, sub influența accelerației gravitaționale. Această forță, impreună cu frecarea opusă de pereții secțiunii au cel mai important efect asupra mișcărilor apei.

Debitul

Debitul (Q [mc/s]) reprezintă cantitatea de apă care trece printr-un segment al rețelei în unitatea de timp. Debitele pe secțiunile rețelei, alături de nivelurile apei în punctele de calcul, reprezintă rezultatele modelării hidraulice. SOBEK dă o valoare pozitivă a debitului când apa curge în direcția pozitivă, în raport cu direcția definită a rețelei. Dacă apa curge dintr-o rețea din aval în amonte, atunci debitul va avea valori negative.

Debitul lateral

Debitul lateral este acel volum de apă care intră sau iese dintr-un nod de conexiune sau într-o rețea. Debitele laterale sunt incluse în calculul ecuațiilor de continuitate.

(12)

Q = debit [mc/s]

Af = suprafața udată [mp]

x = distanța [m]

t = timp [s]

qlat = debit lateral pe unitatea de lungime [mp/s]

Utilizatorul poate introduce manual un debit lateral. În cazul în care această descărcare este un nod sursă, debitul este adăgat unui punct de calcul aval (sau unui punct de conexiune al rețelei, unde debitul lateral este poziționat).

Punctul de descărcare laterală poate fi definit ca o constantă sau o funcție dependentă de timp.

Rugozitatea

Rugozitatea este frecarea dintre curgerea apei și fundul albiei. Această forță are sensul opus direcției curgerii apei. Alături de forța gravitațională, această forță determină condițiile curgerii, restul forțelor implicate fiind neglijabile.

(13) g = accelerația gravitațională [mc/s]

Af = suprafața udată [mp]

Q = debitul [mc/s]

C = coeficientul Chezy (nivelul apei raportat la sistemul de referință) [m1/2/s]

R = raza hidraulică [m]

Unitățile de măsură în termenii ecuației de moment sunt [m2/s2], în timp ce unitatea de măsură a forței este N. Prin înmulțirea ecuației cu densitatea apei (rw), unitatea devine N/m.În acest termen, a fost folosită multiplicarea debitului cu modulul său pentru a se asigura obținerea unui sens opus al rugozității față de curgere.

Coeficientul lui Chezy

Pentru SOBEK, în calculul rugozității, sunt disponibili coeficienții Chezy, Bos-Bijkerk , Nikuradse, Manning sau Strickler, care pot fi luați în calcul ca:

constantă

funție spațial dependentă

funcție dependentă de timp a nivelului apei sau a debitului total.

Printre cele mai uzuale formulări ale acestui coeficient, enumerăm:

Bos-Bijkerk

(14)

d = adâncimea apei [m]

g = parametru, de obicei între 20 și 40 [1/s]

C = coeficientul Chezy (nivelul apei raportat la sistemul de referință) [m1/2/s]

R = raza hidraulică [m]

Coeficientul Manning, nm, rezultat dintr-un coeficient Chezy, având următoarea formulă

(15)

SOBEK folosește valoarea rugozității Chezy sau Manning în rezolvarea ecuațiilor curgerii, ca funcție de timp în momentul curgerii.

(Deltares,2013)

Managementul riscului la inundații

Conceptul de risc la inundații

Una dintre numeroasele definiții date riscului arată că aceasta este o amenințare, o posibilitate de producere a unui eveniment cauzator de pagube, caracterizat, pe de o parte, prin gravitatea consecințelor sale și, pe de altă parte, prin probabilitatea sa de producere.

Riscul apare de multe ori ca fiind probabilitatea de expunere a omului și a bunurilor create de acesta la acțiunea unui anumit hazard de o anumită mărime. Riscul reprezintă nivelul probabil de pierderi de vieti omenești, numarul de răniți, pagubele produse terenurilor și activităților economice de un anumit fenomen natural sau grup de fenomene, într-un anumit loc și într-o anumită perioadă. Elementele la risc sunt reprezentate de populație, de proprietăți, căi de comunicație, activități economice etc.. expuse riscului într-un anumit areal

(Bălteanu,2000)

Totdodată riscul se poate exprima metematic ca produs al factorilor de risc, vulnerabilitate și risc:

R = H x E x V (16)

R = risc, H = hazard,

E = elementele expuse la risc,

V = vulnerabilitate.

Așadar, riscul depinde de probabilitatea ca toate grupurile de oameni și bunurile lor să fie afectate, precum și de vulnerabilitatea acestora. Bazat pe această formulă, putem face calcule pentru a evalua daunele cauzate de diverse fenomene naturale și tehnologice. (Bălteanu, 2000)

Conceptul de management al riscului la inundații

În ceea ce privește Managementul riscului, acesta apare ca fiind un exercițiu de zi cu zi în cadrul societăților moderne și este încorporat în contextul mai larg de echilibru între aspectele sociale, de mediu și economice, care accentuează durabilitatea și cei trei piloni: oamenii, planeta și beneficiile.

Managementul riscului se referă la soluțiile de adoptare cu privire la riscurile, care depind de timp și de condițiile economice. Mai generalistic, managementul riscului se referă la crearea și evaluarea opțiunilor pentru inițierea sau schimbarea activități umane sau de structuri (naturale sau artificiale), având ca obiectiv creșterea beneficiului global al societății umane și prevenirea efectelor nocive la om și ceea ce au valoare (de exemplu, serviciile ecosistemice).

(Ministerul Mediului, 2010)

3.7. Metodologia de integrare

Ca metodologie de integrare propusă avem prezentată următoarea scemă:

Figura 4 – Schema Metodologiei de integrare propuse

Colectarea datelor

Acest proces începe cu o evaluare regională, o etapă atât exploratorie, cât și de investigație, ce generează datele de intrare pentru metodologia propusă. Etapa aceasta reprezintă pilonul principal pentru întreaga metodologie, deoarece de calitatea și cantitatea datelor depind rezultatele întregului proces.

În urma colectării datelor, ca prim pas sunt obținute datele brute, cum ar fi: datele hidrologice care se referă la cantitatea de precipitații, debite, niveluri, hărți topografice, modelul digital al terenului, ortofotoplanuri etc..

Toate acestea reprezintă o fază complexă, depinzând de o serie de factori stabiliți în prealabil cum ar fi: metodele de lucru folosite, scara spațială și temporală și bineînțeles disponibilitatea informațiilor.

Procesarea datelor

Acest pas în metodologia propusă reprezintă etapa de procesare a datelor, aceasta se poate realiza prin mai multe metode. Metoda aleasă în cazul de față este Modelarea hidraulică descrisă în acest capitol.

Această fază constă într-o abordare sistematică și poate fi folosită pentru a descrie amănunțit componentele analizate.

Analiza

Analiza se realizează cu ajutorul programelor de modelare hidraulică, în cazul de față prin analiza comparativă a programelor de specialitate, prin urmare am ales folosirea celor 2 programe de modelare hidraulică: SOBEK și HEC – RAS.

Studiu de caz: Râul Tabana din Orașul Babadag, Județul Tulcea

4.1. Descrierea zonei de test – Râul Tabana din Orașul Babadag Jud. Tulcea

Generalități

Babadag este un oraș în județul Tulcea, Dobrogea,România.

Orașul Babadag se află așezat în partea de sud a județului Tulcea, având 280 53’ longitudine estică și 440 53’ latitudine noridică, situat pe malul lacului Babadag, în depresiunea cu același nume, la poalele dealurilor împădurite, așezarea lăsând impresia unei localități montane în miniatură.

Podișul Babadag se prezintă ca o platformă masivă, fragmentală parțial de văi puțin adânci și scurte, cu orientare spre nord – est. Este delimitat la nord de depresiunea Cernei, apoi de culoarul Taiței și de Lacul Babadag, iar la sud de falia Pecineaga – Camena.

Teritoriul administrativ al orașului Babadag se întinde pe o suprafață de 12.188,03 ha.

Suprafața terenului situat în intravilanul localității este de 602,13 ha, iar în extravilan 11.585,90 ha.

Figura 5 – Amplasamentul Orașului Babadag

Condiții climatice

Podișul Babadag, prin poziția sa geografică, se situează la limita a două tipuri climatice, total deosebite: climatul de tip continental, de nuanță piemontană, și climatul de litoral maritim. Deși primul tip de climă este mai extins ca suprafață, totuși influența celui de-al doilea se face simțită asupra valorii unor parametri climatici, ca umiditatea atmosferică, nebulozitatea, amplitudinea temperaturilor, mai ales în sectorul estic al podișului.

Caracteristicile pentru districtul climatic piemontan, căruia îi aparține Podișul Babadag, sunt evapotranspirația potențială deosebit de ridicată (depășește precipitațiile atmosferice cu peste 70 %) și regimul pluvial capricios. Sunt ani în care cad peste 1000 mm de precipitații, în timp ce în alți ani suma anuală a acestora nu depășește 300 mm.

Rețeaua hidrografică

Rețeaua hidrografică este săracă, reprezentată de râurile Taita (1,4 m³ / sec) și Telița (0,54 mc / sec), precum și râul Tabana care trece prin centrul de colectare a orașului împreună cu mai multe izvoare de apă, toate se varsă în Lacul Babadag.

Râul Tabana traversează localitatea Babadag și ținuturile muntoase din centrul orașului Babadag.

Figura 6 – Cursul Râului Tabana

In ultimul timp, intensitatea ploilor torențiale și a inundațiilor a crescut în mod serios, punând în pericol locuitorii orașului Babadag și scăderea activității economice.

Tabelul 2 – Caracteristici Râul Tabana

Figura 7 – Amplasamentul Râului Tabana

Figura 8 – Cursul Râului Tabana în interiorul Orașului Babadag (Imagine Satelitară)

Figura 9 – Cursul Râului Tabana în interiorul Orașului Babadag (Hartă Topografică)

Inundațiile în Orașul Babadag

Specificul zonei prin situarea geografică a acesteia, precum și după caracterul natural unic, determină apariția frecventă a hazardurilor hidrologice (inundații, averse abundente, însoțite uneori de grindină, furtuni puternice, temperaturi extreme, etc).

Inundabilitatea spațiului în care se regăsește Orașul Babadag, ca proces hidrologic complex, este foarte importantă în dinamica evolutivă a tuturor componentelor sistemului natural. Prin asigurarea unei ritmicități a gradului de primenire a apei vehiculate într-un sistem optim de circulație, se asigură evoluția normală a ecosistemelor terestre și acvatice. Studiile complexe efectuate în ultimele decenii au evidențiat faptul că perioadele de inundație (de amplitudine și durată diferită) au favorizat întotdeauna dezvoltarea corespunzătoare a biocenozelor, în paralel cu îndepărtarea poluanților de diverse proveniențe.

4.2. Descrierea metodologiei propuse pe zona de studiu- Râul Tabana din Orașul Babadag

Etapa de Colectare a datelor

Așa cum se poate observa, metodologia propusă îmbină o singură metodă de analiză, această metodă are nevoie de diferite date de intrare: date spațiale, topogeografice, hidrologice, batimetrice.

Colectarea și prelucrarea primară a datelor topo-geografice

După cum am prezentat anterior, pentru realizarea și dezvoltarea modelului hidraulic al râului Tabana, ca suport cartografic am folosit : ortofotoplanurile, hărțile topografice și modelul digital al terenului. Pentru adaptarea acestor materiale la cerințele programelori și la dimensiunea zonei de studiu, au fost utilizate programe GIS.

Datorită dimensiunii mari a suprafeței, de asemenea, dimensiunea fișierelor a fost considerabilă, fapt ce a îngreunat procesarea datelor și procesul de introducere a datelor geografice atât în programul SOBEK cât și în programul HEC-RAS.

Necesar la dezvoltarea modelului hidraulic pe râul Tabana, ca suport cartografic au fost folosite două tipuri de materiale: unul mai nou (ortofotoplanurile și modelul digital al terenului), precum și unul mai vechi (hărțile topografice realizate în 1965). Aceste două materiale au fost prelucrate și procesate în primă fază in GIS (Arc MAP 10.2.2 și Global Mapper 17), pentru a se selecta exact zona de studiu și pentru a se aduce în sistemul de referință ales pentru modelul hidraulic (STEREO 70, cu sistemul Marea Neagră 75 pentru elevații). Peste aceste materiale, a fost trasat un contur pentru delimitarea zonelor de studiu, pentru modelarea hidraulică.

În ceea ce privește cartografierea teritoriului Babadag a înregistrat în prezent un declin în ultimii ani. Această situație a impus creearea unui model digital al terenului (Digital Terrain Model – DTM. Așadar prin conținutul modelului digital al terenului se definește atât suportul de proiectare al liniilor de apărare a localităților, cât și un instrument util de analiză a dinamicii fenomenelor hidro-geo-morfologice, foarte dinamice pentru zona studiată. Corelarea dintre aceste fenomene și utilizarea terenurilor nu poate fi făcută decât pe un astfel de model.

Pe baza măsurătorilor LIDAR s-a dezvoltat Modelul Digital al Terenului (Digital Terrain Model- DTM), utilizând datele colectate în primăvara-vara anului 2016.

Așadar suportul cartografic digital de rezoluție înaltă dezvoltat este compus din 4 componente: modelul digital al terenului (Digital Terrain Model – DTM), modelul digital al elevației (DEM), clasele de elevație (CE) și Orthofotoplanuri (OFP). Aceste componente reprezintă suportul de bază pentru realizarea modelului hidraulic. Cele 4 componente au fost realizate prin procesarea datelor cartografice primare, obținute prin metode moderne (colectarea datelor prin metoda LiDAR), iar precizia mare a orthofotoplanurilor (pixelul de 2,5m) permite vizualizarea în detaliu a zonelor de inters.

În ceea ce privește elaborarea modelului numeric de teren (MDT) prin metoda LIDAR (Lidar Detection and Ranging), aceasta este bazată pe detecția ecoului/retrodifuziei unui puls laser și măsurarea timpului de zbor dus-întors a avionului – obiect scanat (cum ar fi: suprafața terestră). Parametrii zborului au fost aleși pentru a atinge obiectivele de precizie cerute, în altitudine pe axa 0-Z de 5 cm și a densității necesare și suficiente de puncte (ex. medie 4-5 pts/m2), pentru detectarea corectă a suprafeței ținând cont de distribuția aleatorie a norului de puncte.

Colectarea și prelucrarea primară a datelor hidrologice

După cum am prezentat anterior, în calibrarea modelului se folosesc ca date de intrare în rețeaua hidrologică debitele, iar pentru limitele de ieșire, nivelurile.

După alegerea cu precizie a fundalului utilizat în realizarea modelului și a datelor topo-geografice de definire a zonei analizată, au fost completate datele hidrologice, cu informații colectate din stațiile hidrologice montate provizoriu în zonele de interes.

Pentru datele hidrologice de intrare și ieșire (Q, H) și pentru calibrarea modelului s-au utilizat seriile de valori corespunzătoare regimurilor hidrologice extreme.

Colectarea și prelucrarea primară a datelor batimetrice

Necesar la completarea rețelei hidrologice cu informații, au fost necesare informații cu privire la batimetria albiei. Datele acestea au fost colectate din surse diferite și prin metode diferite, fiind puse la dispoziție de către Administrația Fluvială a Dunării de Jos și de către Institutul Național de Cercetare Dezvoltare Delta Dunării.

Dacă vorbim de colectarea datelor batimetrice, aceasta se poate face atât utilizând metode topografice clasice (de precizie scăzută și foarte puțin utilizate în ultimul timp), cât și metode moderne, utilizând echipamente specializate (sonare uni fascicul sau multifascicul).

În ceea ce privește profilarea batimetrică, aceasta se realizată cu ajutorul echipamentelor moderne ce permit colectarea datelor foarte precise referitoare la forma albiei.

Figura 10 – Profile batimetrice (profile transversale)

Pentru validarea și colectarea datelor batimetrice primare, precum și raportarea acestora la un plan de referință reprezintă cel mai important pas în modelarea hidraulică și condiționează obținerea unor rezultate finale corecte.

4.2.2. Etapa de procesare a datelor – Modelare hidraulică pe râul Tabana cu programul

HEC – RAS

După cum am prezentat anterior, cu ajutorul programului HEC – RAS, se poate realiza modelul hidraulic al râului Tabana, iar la final pe baza simulării create, programul va genera harta de hazard la inundații

Procesele elaborării modelului hidraulic

Pentru crearea și dezvoltarea modelului hidraulic, activitățile pot fi împărțite în următoarele componenete:

Colectarea datelor

În această etapă se face referire la colectarea datelor geografice precum datele topografice, limitele regionale, ortofotoplanuri, modelul digital al terenului, ș.a. privind albia râului pentru utilizarea acestora în modelarea hidraulică.

Cartografierea teritoriului Babadag înregistrând un declin în ultimii ani, această situație a impus crearea unui model digital al terenului (Digital Terrain Model – DTM). Modelul digital al terenului a fost realizat pe baza măsurătorilor LIDAR. Aceste componenete reprezintă suportul de bază pentru realizarea modelului hidraulic.

Figura 11 – Digital Terrain Model – DTM Bazinul Tabana

Pe baza modelului digital al terenului a fost generat un grid (DTM – mai mare de 100m), pe baza acestui grid au fost generate curbele de nivel în programul Global Mapper V17, aceste curbe de nivel fiind ulterior inserate in GIS (ArcMap V10.2.2). Ulterior în GIS pe baza curbelor de nivel am reușit să generez TIN –ul, pe baza căruia se realizează modelul hidraulic al râului Tabana.

Figura 12 – Digital Terrain Model (DTM mai mare de 100m)

Figura 13 – Vizualizare 3D Digital Terrain Model

Figura 14 – Vizualizare Digital Terrain Model suprapus peste ortophotoplan

Figura 15 – Vizualizare TIN – Bazinul Tabana

Procesarea și conversia datelor geografice

După etapa de mai sus, toate datele trebuiesc procesate, pentru utilizarea acestora în programul de modelare hidraulică.

Dezvoltarea modelului hidraulic

La dezvoltarea modelului hidraulic s-a utilizat programul GIS în care s-au urmărit trei etape:

Pre-procesarea datelor

Execuția modelului, și

Post-procesare/vizualizare a rezultatelor

În derularea modelării a fost nevoie de aplicarea extensiei GIS și anume HEC-GeoRAS.

Cu ajutorul acestei extensii s-a putut înainta cu setările ce țin de ‘’PreProcessing HEC-RAS’’ și anume introducerea TIN – ului corespunzător bazinului hidrografic necesar configurării analizei pentru HEC-GeoRAS.

Figura 18 – Leyer Setup pentru Pre-Procesare HEC-RAS

Crearea de straturi RAS (Ras Layers)

Fișierul geometrie pentru HEC-RAS conține informații cu privire la secțiuni, structuri hidraulice, malurile râului și alte atribute fizice ale albiei râului. Pre-Procesarea cu ajutorul HEC-GeoRas presupune crearea acestor atribute în GIS, și apoi exportul acestora în fișierul geometrie HEC-RAS.

Crearea talvegului (axa centrală a râului)

Acesta este folosit pentru stabilirea rețelei hidrografice a râului pentru HEC-RAS

Figura 19 – Reprezentarea talvegului

Crearea malurilor râurilor

Liniile malurilor (Banks) sunt utilizate pentru a distinge secțiunea canalului principal (albia minoră a râului) din zonele inundabile. Informația referitoare la locația malurilor este folosită pentru a atribui proprietăți diferite secțiunilor transversale ale râului.

Figura 20 – Reprezentarea malurilor

Crearea intervalelor de curgere

Layerul Flowpatch cuprinde trei tipuri de linie: ax, limita la stânga și limita la dreapta. Liniile pentru intervalul de curgere sunt folosite pentru a determina lungimea sectorului în aval dintre secțiunile transversale ale canalului principal (albia minoră) și zonele albiei majore.

Figura 21 – Reprezentarea intervalelor de curgere

Crearea secțiunilor transversale

Secțiunile transversale sunt unele dintre datele de intrare cheie în programul HEC-RAS. Liniile de secțiune trasate în plan sunt folosite pentru a extrage datele referitoare la elevația (cota) terenului și realizarea unui profil transversal al terenului raportat la direcția de curgere a râului.

Figura 22 – Reprezentarea profileleor transversale în GIS

Importul datelor geometrice în HEC-RAS

După ce au fost urmate toate etapele de procesare în GIS, în continuare toate aceste date vor fi inserate în programul HEC-RAS.

Figura 23 – Reprezentarea profileleor transversale în HEC-RAS

Introducerea datelor referitoare la debite și condiții limită

Debitele au fost introduse în program in mc/s. La fiecare debit de apă care trebuie simulat se definește un profil în HEC-RAS.

Figura 24 – Introducerea debitelor în HEC-RAS

4.2.2.1.Rezulatul modelării hidraulice (HEC-RAS)

Crearea hărții de inundabilitate

În această etapă, TIN – ul pentru teren este transformat intr-un model digital de elevație (DEM). Zona cu rezultate pozitive (în sensul ca nivelul apei de suprafață este mai mare decât cota terenului) este suprafața inundată, iar zona cu rezultate negative reprezintă suprafața uscată. Toate celulele din gridul cu suprafața de apă care duce la valori pozitive după extragere sunt convertite la un poligon, care reprezintă suprafața inundată definitivă.

Figura 25 – Rezultatul modelării hidraulice (Harta inundabilității – HEC-RAS)

4.2.3. Etapa de procesare a datelor – Modelare hidraulică pe râul Tabana cu programul

SOBEK

După cum am prezentat anterior, cu ajutorul programului SOBEK, se poate realiza modelul hidraulic al râului Tabana, iar la final pe baza simulării create, programul va genera harta de hazard la inundații.

Date de intrare. Condiții la limită

Ca și condiții inițiale, acestea sunt reprezentate de nivelurile de apă sau adâncimile și debitele de la începutul simulării.

Limita se aplică în locurile în care modelul se încheie cu un nod limită (nod Boundary), iar pentru a rezolva ecuațiile de curgere, trebuiesc furnizate informații cu privire la debitul în limitele modelului.

În nodul limită, trebuie specificată o condiție pentru curgerea apei, având următoarele opțiuni disponibile:

Debitul -> care constă funcție de timp, sau în funcție de nivelul apei

Nivelul apei -> constantă, sau funcție de timp

Procesele elaborării modelului hidraulic

Pentru crearea și dezvoltarea modelului hidraulic, activitățile pot fi împărțite în următoarele componenete:

Colectarea datelor

În această etapă se face referire la colectarea datelor geografice precum datele topografice, limitele regionale, ortofotoplanuri, modelul digital al terenului, ș.a. privind albia râului pentru utilizarea acestora în modelarea hidraulică.

Procesarea și conversia datelor geografice

După etapa de mai sus, toate datele trebuiesc procesate, pentru utilizarea acestora în programul de modelare hidraulică.

Dezvoltarea modelului hidraulic

Completarea datelor ce fac referire la perioada de studiu

Introducerea datelor geografice

Întocmirea schemei hidraulice 1D

Completarea schemei hidraulice cu informații hidrologice și batimetrice, precum și a condițiilor limită, și avem astfel: realizarea schemei pe baza suportului cartografic; introducerea punctelor cheie (Boundary, Connection Nodes, Cross-Section; introducerea datelor batimetrice -> debite, niveluri, profile, rugozitatea)

Rularea programului 1D

Introducerea gridului 2D

Rularea programului 1D respectiv 2D

Obținerea hărților de hazard

Introducerea modelului hidraulic în sisteme GIS sau de vizualizare video

După cum am prezentat mai sus, cele mai importante etape în procesul de modelare hidraulică îl reprezintă colectarea datelor și bineînțeles modul de introducere al acestora.

La faza întocmirii schemei hidraulice, odată ce s-au completat bazele de date cu informații topo – batimetrice și hidrologice, a urmat proiectarea schmei hidraulice și completarea acesteia cu datele colectate, precum și rularea programului.

În continuare este prezentată interfața programului SOBEK care apare ca o schmă logică de introducere a datelor , pornind de la datele de bază ale modelării respectiv alegerea tipului de modelare 1D sau combinarea 1D 2D.

Figura 26 – Schema logică de introducere a datelor în programul SOBEK

Figura 12 – Realizarea schemei hidraulice 1D

Procesul modelării hidraulice presupune introducerea și utilizarea unui număr mare de date, atât din domeniul geografic cât și din domeniul hidraulic.

Întroducerea datelor în punctele rețelei reprezintă un proces minuțios și necesită utilizarea tuturor datelor colectate: datele geografice, datele hidrologice, datele batimetice, prezentate anterior.

Figura 27 – Introducerea nodurilor limită

Figura 28 – Introducerea condițiilor limită (debite ca date de intrare și niveluri ca date de ieșire)

Figura 29 – Introducerea și editarea datelor batimetrice – Cross Section

Așadar după finalizarea procesului de introducere a datelor și după validarea modelului inclusiv după rezolvarea erorilor de introducere a datelor, schema logică aferentă programului arată validarea modelului, după cum urmează:

Figura 30 – Schema logică a programului după rularea modelului

4.2.3.1. Rezultatul modelării hidraulice

Crearea hărții de inundabilitate

După cum am prezentat anterior, modelarea hidraulică impune realizarea și verificarea schemei hidraulice în 1D, precum introducerea datelor și rularea modelului 1D2D.

Rezultatele modelării hidraulice pot fi vizualizate în mai multe moduri: hărți, grafice sau tabele. În cazul nostru modul de vizualizare al rezultatelor se face prin afișarea hărților de hazard la inundații.

Figura 31 – Rezultatul modelării hidraulice (Harta inundabilității – SOBEK)