Scurgerea maxima in bazinele hidrografice nemonitorizate de mici dimensiuni. Studii de caz in bazinul hidrografic Mures.

PREFATA

Cartea „Scurgerea maxima in bazinele hidrografice nemonitorizate de mici dimensiuni. Studii de caz in bazinul hidrografic Mures”, elaborata de doamna Dr. Anna Izabella Voda (Kaffai), este fundamentata pe experienta de teren si practica din domeniul Geografie (Hidrologie si Geomorfologie). Bine argumentata din punct de vedere stiintific, uzand de fundamentele conceptuale ce guverneaza activitatea de explorare si managementul resurselor teritoriale, doamna Dr. Anna Izabella Voda isi propune in acest proiect stiintific sa identifice metode eficiente de determinare a debitelor maxime pe cursurile de apa mici, nemonitorizate si neamenajate, fara masuratori, in vederea facilitarii unei prognoze a scurgerii maxime din aceste bazine hidrografice de mici dimensiuni, cu efecte uneori nedorite asupra comunitatilor omenesti.

Utilizeaza metode geografice moderne (GIS), in scopul evidentierii elementelor-cheie, prin care pune in valoare rolul factorilor geografici in Depresiunea Transilvaniei (tectonica, litologia, hidrogeologia, morfologia, clima, biogeografia) in definirea scurgerii maxime pentru bazinele mici nemonitorizate, alocand un spatiu generos analizei cartografice.

Planul de lucru contine elementele definitorii pentru solutionarea temei, respectiv: scopul si obiectivele cartii; stadiul cercetarii privind scurgerea maxima in bazinele hidrografice neamenajate in Romania si la nivel international; metodologia de cercetare si baze de date utilizate, analiza factorilor naturali si antropici care influenteaza scurgerea maxima in bazinele mici nemonitorizate (morfometria si morfologia regiunii, coeficientul de impadurire si tipul asociatiile vegetale, influenta solurilor asupra scurgerii maxime, importanta precipitatiilor in formarea scurgerii si producerea viiturilor; rolul factorilor antropici si influenta lor asupra formarii scurgerii); rezultatele cercetarilor efectuate in calculul scurgerii maxime din bazinele hidrografice mici si nemonitorizate; discutii privind limitele si provocarile existente in cercetarile privind scurgerea maxima, respectiv concluziile studiului.

Lucrarea poate fi considerata un proiect metodologic de calcul a scurgerii maxime pentru bazinele hidrografice mici fara masuratori hidrologice, care prezinta morfografii, morfometrii si morfologii diferite, elemente hidrice diferite, cu proceduri de determinare a debitelor maxime utilizate diferite, de cele utilizate in cazul bazinele hidrografice mai mari. Bazinele hidrografice mici prezinta o repartitie a precipitatiilor pe suprafata bazinala mai concentrata, in comparatie cu aceeasi cantitate de precipitatii inregistrata in bazinele hidrografice mai mari.

Doamna Dr. Anna Izabella Voda stabileste avantajele utilizarii metodei rationale, intrucat metoda rationala este mult mai flexibila decat metoda americana SCS-CN, iar durata dintre nucleul ploii si momentul atingerii maximului, urmareste fidel variatia parametrilor scurgerii. De asemenea aceasta metoda rationala poate fi imbunatatita prin updatarea bazei de date GIS existente in prezent (soluri, utilizarea terenurilor, grad de acoperire, pante etc).

Argumentele aduse de autoare pentru calculul corect al scurgerii maxime pentru bazinele de mici dimensiuni si neamenajate au o importanta semnificativa pentru siguranta si fiabilitatea constructiilor civile, a planificarii lucrarilor de amenajare a bazinelor hidrografice, a estimarii inundatiilor si a masurilor de protectie impotriva inundatiilor.

Rezultatele in urma calculelor de laborator, a activitatilor de teren, prelucrarii si interpretarii celor 1122 de parametrii ai bazinelor hidrografice luate in analiza, alaturi de datele fondului hidrologic din retelele hidrometrice standard si ale fondului pluviometric, au fost utilizate pentru controlul rezultatelor obtinute in calculul debitelor maxime pentru toate cele 51 de studii de caz din cadrul bazinului hidrografic Mures. Ele au permis doamnei dr. Anna Izabella Voda sa valideze metodologia de lucru si sa atinga obiectivele cercetarii propuse: identificarea factorilor naturali si antropici care influenteaza scurgerea si debitele maxime in bazinele mici; identificarea tipului de corelatii si determinari intre morfologia, morfometria, tipul de folosinta al terenului si valorile scurgerii maxime; analiza influentei coeficientului de acoperire cu vegetatie si tipurilor de sol in generarea scurgerii maxime in bazinele mici; analiza rolului precipitatiilor in formarea scurgerii maxime si producerii viiturilor in bazinele hidrografice mici; analiza rolului factorilor antropici asupra formarii scurgerii; analiza pe studii de caz (51 de bazine hidrografice mici, neamenajate, fara masuratori) a factorilor conditionali prin metoda romaneasca rationala (RNS) si metoda americana (SCS-CN).

Calculele scurgerii maxime si determinarea debitelor maxime au luat in considerare modificarile in timp ale suprafetelor bazinale, evolutia faciesului bazinelor mici, pe perioadele medii de revenire derivate din probabilitatea de depasire in timp p%. Prelucrarea datelor s-a efectuat cu programul ArcGIS 10 (ArcGIS, 2018), utilizarea DEM (model digital de elevatie), CLC (Corine Land Cover) si HWSD (Harmonized World Soil Database) pentru elaborarea hartilor precum si pentru intelegerea evolutiei in timp a caracteristicilor morfologice ale bazinelor hidrografice mici fara masuratori. INIS GeoPortal, dezvoltat pe tehnologia Esri Geoportal Server Extension Technology si Google Earth, au fost utilizate pentru validarea datelor geografice si evaluarea dinamicii factorilor de mediu (Diaconu si Serban, 1994; Yu et al., 2000; Reistetter si Russell, 2011; Jung si Jasinski, 2015; Gy?ri et al., 2016; Voda et al., 2019). Procedurile metodologice au presupus intr-o prima faza o evaluare a caracteristicilor geografice ale bazinelor hidrografice (Irimus et al, 2005; Irimus, 2006), in mod individual. Analiza factorilor naturali si antropici care influenteaza scurgerea maxima in bazinele mici nemonitorizate (morfometria si morfologia regiunii, coeficientul de impadurire si tipul asociatiile vegetale, influenta solurilor asupra scurgerii maxime, importanta precipitatiilor in formarea scurgerii si producerea viiturilor; rolul factorilor antropici si influenta lor asupra formarii scurgerii) a fost sustinuta de o analiza preliminara a pozitiei geografice, reliefului, structurii geologice, soluri, vegetatie, conditii climatice, grad de utilizare al terenurilor, factorii care influenteaza fenomenele si procesele hidrologice, constituind, alaturi de caracteristicile morfometrice ale bazinelor hidrografice luate in studiu, baza de date necesara pentru analiza obiectiva si calculul scurgerii maxime.

Analiza pertinenta realizata la nivelul celor 51 de subbazine sau bazine mici necadastrate si proiectiile cartografice (hartile) ale acestor bazine ajuta cititorul (specialistul) sa intuiasca corelatiile ce se stabilesc intre forma bazinului si parametrii scurgerii, iar indirect sa obtina informatia asupra potentialului hidrogeomorfologic si hidrotehnic al bazinului. Determinarea gradului de impadurire, realizata pe baza hartilor, imaginilor satelitare, datelor cadastrale si a studiilor silvice existente, au permis calculul coeficientilor de impadurire pentru sectoarele de bazin luate in analiza (autoarea mentionand si suprafetele acoperite de livezi, vita de vie, diferite culturi, fanete si pajisti naturale).

Asociatiile vegetale prezinta o importanta deosebita in calculul scurgerii maxime, prin prisma tipologiei si a gradului de extindere pe suprafetele bazinale. Lipsa vegetatiei forestiere favorizeaza, precizeaza autoarea, scurgerea maxima pe suprafetele bazinale utilizate in agricultura necorespunzator, cu araturi in lungul liniei de panta si nu de-a lungul curbelor de nivel, chiar in conditii de pante reduse de 8,7% (Visa), soluri cu textura medie de 2 (Birt, Tigani, Visa), intalnite in bazinele hidrografice cu altitudini medii de 357 m - Visa. De asemenea defrisarile legale sau ilegale au efecte negative asupra scurgerii maxime din bazinele hidrografice de mici dimensiuni. Prezenta pasunilor in bazinul superior al Alamorului determina intensificarea scurgerii de suprafata (Cs=0,69; Q1%=74,37) in conditiile pasunatului excesiv iar prezenta solurilor cu textura grea (2,85) si a suprafetelor urbanizate favorizeaza tranzitul rapid al cantitatilor de apa provenite din precipitatii, in mod special a celor maxime pe 24 de ore.

Analiza continua asupra potentialul de stocare a solurilor. Astfel solurile cu textura grea, favorizeaza un tranzit rapid al viiturilor, datorita potentialului diminuat de stocare, spre deosebire de solurile cu o mare capacitate de infiltrare, pe care scurgerea maxima este diminuata.

Importanta precipitatiilor in formarea scurgerii si producerea viiturilor este analizata in conditiile dominantei circulatiei atmosferice din sectorul vestic. Deplasarea maselor de aer maritim-polare este realizata in asociere cu familiile de cicloni atlantici. Circulatia vestica este cea mai frecventa in bazinul hidrografic al Muresului, afirma autoarea, si determina formarea de precipitatii bogate in cadrul carora se remarca precipitatiile maxime in douazeci si patru de ore, maxime orare cu asigurare de 1% inregistrate in sectoarele sudice ale bazinului Mures aferent Carpatilor Meridionali (140 mm), respectiv vestice din Muntii Apuseni (130 mm). Circulatia polara directa manifestata prin precipitatii bogate ce insotesc fronturi de aer rece (53,2 %) se inregistreaza indeosebi primavara, masele de aer maritim polare asociate avand frecvente mai reduse in timpul verii. Interferentele dintre circulatia polara si cea tropicala, atunci cand se produc, favorizeaza fenomenele pluviometrice extreme, inundatii (13 mai 1970), datorita producerii unor precipitatii deosebit de bogate (Voda, 2007). Conform studiilor realizate de ABA Mures (2021), cea mai mare parte a scurgerii medii lunare din timpul unui an se produce primavara 45%, vara 27%, toamna 12%, iar iarna 16% din scurgerea anuala.

Cercetarile efectuate ilustreaza faptul ca activitatile umane au avut un impact semnificativ asupra echilibrului natural al apei in bazinele mici fara masuratori. Studiile de caz analizate de autoare (1970-2021) confirma rolul factorului uman in generarea disfunctiilor scurgerii in bazinele mici neamenajate. Analizand graficele de evolutie a debitelor viiturilor inregistrate la principalele statii hidrometrice de pe cursul principal al raului Mures (Figura 52), se poate concluziona ca, in afara cursurilor de apa aferente bazinelor hidrografice de mici dimensiuni, viiturile din ultimi ani nu au depasit valorile istorice inregistrate in 1970, 1975 si 1981. Arealele cu risc potential semnificativ la inundatii identificate in cadrul bazinul hidrografic Mures (ABA Mures, 2021), confirma ca ploile de mare intensitate si bogate cantitativ determina antrenarea materialului lemnos catre sectiunile aval, provocand blocaje la confluente, podete, poduri, diminuand capacitatea de transport a cursurilor de apa afectate (Irimus si Pop, 2008).

Rezultatele cercetarilor efectuate in calculul scurgerii maxime din bazinele hidrografice mici si nemonitorizate, confirma ipotezele de lucru. Doamna Dr. Anna Izabella Voda a proiectat starea dinamica a suprafetei hidrografice pentru fiecare din cele 51 de bazine luate in analiza, prin determinarea coeficientilor de rugozitate ai albiilor si versantilor, a timpilor de concentrare a apelor in albie, respectiv pe versanti, si in ansamblul bazinului, a coeficientilor de scurgere, a calculului intensitatii ploii si in final s-a obtinut debitul maxim cu asigurare de 1% (Voda et al., 2019; Psomiadis et al., 2020; Voda et al., 2018). A validat acest coeficient de rugozitatea albiei in corelatie cu timpii de concentrare a apei in albie, respective pe versanti. Un exemplu al analizei il ofera viitura rapida din 15 iulie 2021, de la Ocolisel (jud. Alba), Analiza comparativa a parametrilor scurgerii din bazinul hidrografic Ocolisel_1.03 cu cei din bazinul Valea Larga, scoate in evidenta influenta pantelor mai ridicate (P=41,94%) asupra timpilor de concentrare ai apelor in albie si pe versanti, De asemenea valori mai reduse ale timpilor de concentrare (Tv=42) ai apelor pe versanti ofera si bazinului hidrografic Carbunarilor (5.49), care se datoreaza suprafetelor defrisate de pe verantul stang din sectiunea de inchidere. Coeficientii de scurgere cu valori ridicate care au fost calculati cu ajutorul instrumentelor GIS dupa determinarea texturii solului, a gradului de impadurire si a pantelor in bazinele Somosd (Cs=0,66) si Borzesti (Cs=0,64) se coreleaza cu valorile ridicate ale intensitatii ploi de calcul si timpii scazuti de concentrare a apelor in bazinul de receptie (Figura 125 si 126).

Corelatiile debitelor maxime determinate prin metode alternative de validare a reprezentat o alta provocare pentru autoarea studiului. Cele mai bune corelatii dintre valorile scurgerii maxime exprimate prin debitele calculate cu metoda Horar (Metoda ploii orare) si cu metoda rationala s-au observat in bazinele hidrografice Filea, Mosna si Velt. Metoda relatiilor de sinteza nu se poate aplica in conditii fizico-geografice deosebite (existenta unor suprafete inundabile foarte mari; existenta unor soluri cu proprietati deosebite in bazin; existenta unor lucrari de amenajare care sa influenteze sensibil regimul scurgerii maxime).

Analiza comparativa a timpilor de intarziere TlagSCS calculati prin metoda SCS-CN si TlagR obtinuti prin metoda rationala a fost necesara pentru o mai buna intelegere a diferentelor dintre rezultatele ambelor metode, SCS-CN si metoda rationala. Comparata cu rezultatele metodei rationale, metoda SCS - CN duce la obtinerea unor timpi de intarziere mai redusi si implicit la predictii de concentrare mai rapida a scurgerii (Voda et al, 2019).

Discutiile privind limitele si provocarile existente in cercetarile privind scurgerea maxima, aduc in centrul analizei cercetarile efectuate asupra scurgerii maxime din bazinele hidrografice mici fara masuratori hidrologice. Ele au reusit sa scoata in evidenta eficienta metodei rationale in cadrul metodologiilor standard utilizate in calculul debitelor maxime din bazinele nemonitorizate ale Romaniei.

Rezultatele cercetarilor efectuate pe cele 51 de bazine hidrografice mici fara masuratori ne arata ca, in comparatie cu metoda rationala utilizata cu preponderenta in Romania, metodologia SCS-CN duce la obtinerea unor timpi de intarziere mai redusi si la o prognoza mai rapida a evolutiei scurgerii maxime, asa cum rezulta din ecuatia TL SCS = 0.8207 TL R0.9398 (6) (Voda et al., 2019). Fluxurile de materie, energie si informatie isi pot schimba mai rapid directia si intensitatea, iar timpii de transfer ai apelor de pe versanti in emisar scad semnificativ, afectand astfel procesele de relationare dintre precipitatii si scurgere, afirma doamna Dr. Izabella Voda. Din analizele efectuate asupra scurgerii maxime in bazinele hidrografice mici nemonitorizate, din Bazinul hidrografic al Muresului, reiese nevoia elaborarii de harti specializate si modele de simulare a scurgerii cu parametrii actualizati continuu.

Studiul realizat de doamna Dr. Anna Izabella Voda, „Scurgerea maxima in bazinele hidrografice nemonitorizate de mici dimensiuni. Studii de caz in bazinul hidrografic Mures”, fundamentat pe experienta de teren (Geomorfologie, Hidrologie) si practica din domeniul Hidrologie, evidentiaza intr-o maniera stiintifica originala, rolul cercetatorului pe teren, a asistentei GIS si documentelor cartografice in obtinerea unor informatii corecte asupra spatiului geografic, asupra resurselor sale naturale si geologice. Asistenta GIS ne permite o reevaluare a continutului cartografic al hartilor prin raportare la teren prin tehnici moderne de investigare, mai precise si cu o mare acuratete imagistica si stiintifica.

Acest studiu il recomand atat studentilor geografi, geologi, economisti ori enviromentalisti, specialistilor din domeniul hidrologic, dar si publicului larg interesat de schimbarile climatice si consecintele, in plan hidrogemorfologic, asupra comunitatilor umane (riscuri hidrice si geomorfice).

Cluj-Napoca, 10 ianuarie 2023
Prof. univ. dr. Ioan-Aurel IRIMUS
Scoala Doctorala de Geografie
Universitatea Babes-Bolyai, Cluj-Napoca