Implementarea G.I.S. in modelarea viiturilor de versant
Autor: Stefan Bilasco
Editura: Casa Cartii de Stiinta Cluj-Napoca
Format: 16x23 cm
Nr. pagini: 200
Coperta: brosata
ISBN: 978-973-133-382-3
Anul aparitiei: 2008
CUVANT INAINTE
Cu toate ca in ultimii 10-15 de ani asistam la patrunderea tot mai clara si eficienta a programelor G.I.S. in cercetarea geografica si in productia stiintifica materializata sub forma de studii, articole, contracte de cercetare, granturi, diverse aplicatii solicitate de beneficiari din sfere din ce in ce mai largi, inca se apreciaza ca un soft G.I.S. constituie o suma de butoane pe care daca le apesi obtii direct si fara probleme, o harta in izolinii, zona inundabila a unui rau, areale de risc, modelul de relief, reteaua de transport vulnerabila la alunecari, culoare de avalanse etc. Lucrurile nu stau deloc asa de simplu, deoarece calea pe care un utilizator trebuie sa o parcurga in acest mediu geoinformatic, adica in G.I.S., este cat se poate de tehnica deoarece impune un parcurs printre functii specifice, un du-te vino intre baza grafica si baza atribut, formalizarea aplicatiilor la nivel de primitive punct, linie sau poligon, calcule pe structuri raster, selectari, discretizari, combinari logice, suprapuneri (overlay) etc.
Trebuie inteles clar cum se pot obtine layerele, specificul acestora si ce anume punem intre ele pentru a ne apropia de rezultatul dorit. Este foarte clar ca drumul parcurs de utilizator de la datele geografice primare la rezultatul urmarit (harta digitala, raport statistic, grafica, scenariu vizual) este cat se poate de tehnic, iar rezultatul deseori ascunde o tratare numerica. Putem spune in aceste conditii ca Geographical Information System inseamna in oarecare masura tehnica? Si extrapoland aceasta idee ne intrebam, oare si Geografia inseamna tehnica? Daca da, cata tehnica? Trebuie sa punem si intrebarea reciproca: mai ramane geografie dupa efectuarea unei aplicatii G.I.S. pe date geografice? Cat de „geografic” este rezultatul unei aplicatii G.I.S.?
Inevitabil geograful de azi trebuie sa traiasca impreuna cu G.I.S.. Geograful de azi „patrunde” implacabil in mediul G.I.S. pentru ca daca nu intelege parcursul tehnic de la date la rezultatele obtinute, nu va putea sa le inteleaga si explica. Astfel, o cercetare geografica bazata pe G.I.S., pe patrunderea geografului in „hatisul” tehnologic al functiilor si formulelor devine cat se poate de tehnica sau inginereasca. Poate se va pune intrebarea, nu cumva cercetarea bazata pe G.I.S. este inginerie? Nicidecum! N-avem voie sa spunem ca nu ne intereseaza calea parcursa, deoarece sunt multe cai posibile de la datele geografice la rezultat. Cu alte cuvinte, rezultatul cercetarii geografice depinde 100% de calea tehnica parcursa printre straturi, structuri raster sau vector, functii, algoritmi etc. Cel care utilizeaza G.I.S., algoritmi de lucru bazati pe statistica si mai ales pe statistica spatiala, trebuie sa accepte ca a intrat in domeniul tehnicii, al geografiei tehnice. Poate ca de aceea, astazi este atat de greu sa realizezi o educatie pentru G.I.S. si nu intamplator tinerii devotati acestei directii devin cu atat mai putini, cu cat programele G.I.S., in scopul eficientizarii, par ca devin tot mai „stufoase”.
In acest context obiectivul cartii realizate de Stefan Bilasco este acela de a arata cum anume functiile G.I.S. ar putea fi implementate in metodele d 14estimare/simulare a viiturilor de versant (metoda rationala, metoda reductionala si metoda de sinteza temporo-spatiala).
Pentru a putea realiza un capitol privind nivelul actual de cunoastere in domeniul viiturilor de versant, Stefan Bilasco a trebuit sa accepte implicarea in mijloacele specifice de formare si perfectionare care exista la acest nivel al cunoasterii si al specializarii. Autorul s-a implicat in cercetarea contractuala, obtinand o finantare CNCSIS apreciabila, - Grant TD, a participat la alte programe de grant elaborand aplicatii si publicand articole legate de G.I.S. si aplicarea G.I.S. in alte domenii geografice.
Toate aceste implicari ale autorului, in fapt mijloace de formare si perfectionare, i-au permis sa realizeze o lucrare metodologica care pune la dispozitia utilizatorilor de programe informationale geografice metode si modele de extragere automata a variabilelor de intrare in ecuatiile de calcul ale debitelor maxime provenite din viituri, mai pune la dispozitie mijloace de implementare a acestor variabile in ecuatiile de calcul si determinarea digitala a arealelor cu risc de manifestare a viiturilor. In acest scop a realizat o baza de date G.I.S. specifica, numita primara (georeferentiere, vectorizare, DEM) si derivata (Flowdirection, Flowaccumulation, Stream definition, Streamorder, Flow Path Tracing Batch Watershed Delineation) care are o importanta deosebita in procesul de modelare, deoarece ea constituie punctul de plecare pentru orice tip de model hidrologic asistat de G.I.S..
In capitolul trei arata cum se poate utiliza G.I.S. pentru estimarea scurgerii pentru probabilitati rare, pe versanti si in bazine hidrografice mici. Cu ajutorul G.I.S. se cuantifica elementele si variabilele de calcul apoi, se arata cum anume se pot implementa functii G.I.S. in procesul de calcul a debitelor maxime. Functii G.I.S. se mai implementeaza in formulele matematice de calcul (punctuale) in metoda rationala, metoda reductionala. Arata cum G.I.S. ne poate ajuta sa calculam debitele maxime pe suprafete interbazinale, teritorii mai putin accesibile pentru calcule hidrologice dar cu aport de apa de pana la 15-30% in cazul bazinelor montane.
Pentru validarea demersului de lucru ia in considerare datele orare de precipitatii si calculeaza hidrografe unitare tot in mediu G.I.S. obtinand rezultate care confirma metodele indirecte mai sus prezentate, pe care le-a „automatizat” cu ajutorul functiilor G.I.S.. Tot pentru validare statistica, utilizeaza date privind intensitatea precipitatiilor determina probabilitati de depasire si perioade de revenire a debitului corespunzator intensitatii pluviale maxime istorice.
Capitolul 4 este consacrat identificarii prin mijloace geoinformatice a arealelor cu diferite categorii de risc de aparitie a viiturilor de versant pe baza a doua modele hidro-G.I.S, care, interconectate, se materializeaza intr-un model complex de determinare a riscurilor. Urmarit in ansamblu, algoritmul de determinare a arealelor cu risc de aparitie a viiturilor, arata clar faptul ca drumul parcurs de la date geografice la hartile de risc estimat este un drum cu specific tehnic sau ingineresc care necesita selectarea celor mai potrivite functii (si esente numerice) si care arata ca obtinerea hartilor de risc constituie o cercetare geografica tehnica, pe care autorul Stefan Bilasco o poseda cat se poate de bine.
Prof. univ. dr. Ionel Haidu
INTRODUCERE
Atat in Romania, cat mai ales pe plan mondial, s-au realizat sinteze si modele de determinare a debitelor maxime provenite din viituri de versant, pentru diverse scopuri practice: realizarea de amenajari hidroenergetice si hidrotehnice, emiterea de avertizari si luarea de masuri concrete de prevenire a riscului de viitura etc. Odata cu aparitia G.I.S., modelele de analiza spatiala a elementelor care influenteaza si conditioneaza propagarea undei de viitura s-au dezvoltat cu o rapiditate foarte mare datorita modalitatilor simple si rapide de manipulare si analiza a datelor grafice, stocate sub forma de layere tematice, dezvoltate de programele geoinformationale.
Scopul principal cu care am pornit in realizarea studiului, implementarea SIG in modelarea viiturilor de versant, il reprezinta realizarea unei lucrari metodologice care sa puna la dispozitia utilizatorilor de programe informationale geografice metode si modele de extragere automata a variabilelor de intrare in ecuatiile de calcul ale debitelor maxime provenite din viituri, implementarea acestora in ecuatiile de calcul si determinarea arealelor cu risc de manifestare a viiturilor.
Lucrarea de fata este structurata pe patru capitole, care, interconectate, se materializeaza intr-un model hidrologic pentru implementarea G.I.S. in modelarea viiturilor de versant.
Prin intermediul primului capitol s-au definit, pe baza literaturii de specialitate, arealele de geneza si manifestare a viiturilor de versant, identificandu-se metodologia clasica de calcul a debitelor maxime si structura unor modele hidrologice-G.I.S.
In a doua parte a lucrarii am realizat baza de date G.I.S., pornind de la modalitatile de construire a bazei de date primare si definitivarea bazei de date derivate prin intermediul functiilor de analiza spatiala cu aplicare in hidrologie. Baza de date, primara si derivata (modelul digital de elevatie, directia scurgerii, acumularea scurgerii etc.), are o importanta deosebita in procesul de modelare, deoarece ea constituie punctul de plecare pentru orice tip de model hidrologic.
In capitolul trei am prezentat modalitati de identificare si selectare a bazinelor hidrografice utilizand G.I.S., precum si posibilitatile de cuantificare G.I.S. a elementelor si variabilelor de calcul a debitelor maxime. Implementarea G.I.S. in calculul debitelor maxime este, de asemenea, prezentata sub forma de modele si ecuatii de calcul. Pentru a verifica corectitudinea datelor rezultate in urma implementarii G.I.S in calculul debitelor maxime din viituri de versanti am apelat la diverse proceduri de validare, proceduri prezentate in capitolul trei.
Finalitatea ultimului capitol este aceea de identificare a arealelor cu diferite categorii de risc de aparitie a viiturilor de versant pe baza a doua modele hidro-G.I.S, care, interconectate, se materializeaza intr-un model complex de determinare a riscurilor.
In elaborarea acestui studiu am primit sprijin si am fost indrumat de Prof. univ. dr. Ionel Haidu, caruia ii multumesc pentru increderea acordata si sfaturile pe care mi le-a dat in tot acest timp.
CUPRINS
LISTA DE TABELE 9
LISTA DE FIGURI 10
CUVANT INAINTE 13
INTRODUCERE 15
1. NIVELUL ACTUAL AL CUNOASTERII IN DOMENIUL VIITURILOR DE VERSANT 17
1.1. METODOLOGIA CLASICA DE CALCUL A SCURGERII MAXIME LA SECTIUNI FARA MASURATORI 19
1.1.1. Metoda rationala de calcul a debitelor maxime 24
1.1.2. Metoda reductionala de calcul a debitelor maxime 26
1.1.3. Metoda statistica temporalo-spatiala de determinare a debitelor maxime 27
1.2. MODELE MIXTE: HIDROLOGICE-G.I.S. 28
1.3. POTENTIALUL FUNCTIILOR ARC PENTRU IMPLEMENTAREA G.I.S. IN MODELAREA VIITURILOR DE VERSANT 33
2. APLICAREA FUNCTIILOR ARC PENTRU REALIZAREA BAZEI DE DATE - BAZINUL SUPERIOR AL SOMESULUI MIC 36
2.1 BAZA DE DATE PRIMARA 38
2.1.1 Georeferentierea 39
2.1.2 Vectorizarea 40
2.1.3 Realizarea modelului digital de elevatie 42
2.2 BAZA DE DATE DERIVATA 46
2.2.1 Directia scurgerii (Flowdirection) 47
2.2.2 Acumularea scurgerii (Flowaccumulation) 50
2.2.3 Definirea retelei hidrografice (Stream definition) 52
2.2.4 Ordinul retelei hidrografice (Streamorder) 57
2.2.5 Definirea canalului de drenaj a apei (Flow Path Tracing) 62
2.2.6 Cea mai lunga distanta de scurgere pentru un bazin hidrografic (Longest Flow Path for Adjoint Catchemets) 63
2.2.7 Selectarea punctelor pentru delimitarea cumpenelor de apa (Batch Point) 64
2.2.8 Delimitarea cumpenelor principale, pronind de un anumit punct (Batch Watershed Delineation) 65
2.2.9 Delimitarea cumpenelor secundare, pronind de un anumit punct (Batch Subwatershed Delineation) 66
3. UTILIZAREA G.I.S LA ESTIMAREA SCURGERII PENTRU PROBABILITATI RARE, PE VERSANTI SI IN BAZINE HIDROGRAFICE MICI 70
3.1 SELECTAREA BAZINELOR HIDROGRAFICE 72
3.2 CUANTIFICAREA G.I.S A ELEMENTELOR SI VARIABILELOR DE CALCUL 77
3.2.1 Determinarea suprafetei bazinului 77
3.2.2 Forma bazinelor hidrografice 81
3.2.3 Densitatea retelei hidrografice 84
3.2.4 Determinarea lungimii albiei principale si suma lungimilor albiilor 86
3.2.5 Panta medie a albiei principale 87
3.2.6 Determinarea pantei versantilor 90
3.2.7 Gradul de impadurire 94
3.2.8 Gradul de acoperire cu terenuri intelenite si inierbate 98
3.2.9 Ponderea terenurilor cultivate 99
3.2.10 Ponderea grupelor hidrologice de sol 102
3.3 IMPLEMENTAREA G.I.S IN CALCULUL DEBITELOR MAXIME (MAXIMA ISTORICA) 107
3.3.1 Ploile torentiale 107
3.3.2 Implementarea G.I.S in metoda SCS-CN 110
3.3.2.1 Baza de date spatiala pentru modelul SCS-CN 110
3.3.2.2 Calculul scurgerii maxime 113
3.3.2.3 Metodologia de calcul G.I.S. 114
3.3.3 Determinarea volumelor maxime utilizand formule matematice de calcul 116
3.3.4 Implementarea G.I.S in formula rationala 124
3.3.4.1 Analiza spatiala a coeficientilor medii de scurgere 124
3.3.4.2 Analiza spatiala a timpilor de concentrare 132
3.3.4.3 Proceduri de validare a timpilor de concentrare 142
3.3.5 Implementarea G.I.S in metoda reductionala 144
3.3.6 Implementarea G.I.S in calculul debitelor maxime pe suprafete interbazinale 147
3.3.6.1 Determinarea arealelor interbazinale 148
3.3.6.2 Alegerea punctelor, de pe cursul principal si determinarea arealelor interbazinale, in cascada, aferente acestora 149
3.3.6.3 Calculul debitului maxim pe suprafete interbazinale 149
3.4 PROCEDURI DE VALIDARE PRIN METODA HIDROGRAFULUI UNITAR 152
73.4.1 Construirea hidrografului unitar pentru bazinele hidrografice cu inchidere la statia hidrologica Poiana Horea (Belis) si Smida (precipitatii orare) 153
3.4.2. Construirea hidrografului unitar pentru bazinul hidrografic 21 pe baza intensitatii maxime si timpi standard de inregistrare a precipitatiilor 155
3.5 PROCEDURI DE VALIDARE PRIN ANALIZA DE FRECVENTA 157
3.5.1 Curba de probabilitate Gama generalizata 159
3.5.2 Analiza de frecventa a debitelor teoretice pentru bazinul hidrografic 21 161
4. IDENTIFICAREA ZONELOR DE RISC PENTRU APARITIA VIITURILOR 164
4.1 PRINCIPII DE LUCRU 164
4.2 UTILIZAREA G.I.S. PENTRU ESTIMAREA RISCULUI DE VIITURA IN FUNCTIE DE PERMEABILITATEA SOLULUI SI PANTA 167
4.2.1 Caracterizarea pedo-hidrologica 168
4.2.2 Elaborarea layerelor pedo-hidrologice 170
4.2.3 Modelarea G.I.S. a favorabilitatii transferului de apa prin soluri neacoperite 172
4.3. IDENTIFICAREA AREALELOR CU DIFERITE GRADE DE RISC DE APARITIE A VIITURILOR 180
4.3.1 Layere utilizate 180
4.3.2 Analiza spatiala a riscului de aparitie a viiturilor (T = 100 ani) 183
BIBLIOGRAFIA 187
ANEXE 195