UNIVERSITATEA BABE-BOLYAI Str.Mihail Koglniceanu, Nr. 1

400084, Cluj-Napoca www.ubbcluj.ro

Tel: +40 - 264 - 40.53.00*; 40.53.01; 40.53.02 Fax: +40 - 264 - 59.19.06

E-mail: staff@staff.ubbcluj.ro

FACULTATEA DE GEOGRAFIE Str. Clinicilor, Nr. 5-7 400006, Cluj-Napoca www.geografie.ubbcluj.ro Tel: +40 - 264 596116; 592214 Fax: +40 - 264 597988 E-mail:geogr@geografie.ubbcluj.ro

Susinere de Doctorat

Implementarea S.I.G. n modelarea viiturilor de versant. Studii de caz n bazinul Someului Mic

Susinere de Doctorat, Cluj-Napoca, 29 Mai, 2008 Facultatea de Geografie, Universitatea Babe-Bolyai, Cluj-Napoca

Comisie: Preedinte:

Prof. Univ. Dr. Dnu Petrea, Facultatea de Geografie, Universitatea Babe-Bolyai, Cluj-Napoca Conductor tiinific:

Prof. Univ. Dr. Ionel Haidu, Facultatea de Geografie, Universitatea Babe-Bolyai, Cluj-Napoca Refereni:

Prof. Univ. Dr. Dan Blteanu, Academia Romn, Institutul de Geografie Prof. Univ. Dr. Ioan Donis, Facultatea de Geografie i Geologie, Universitatea Al. I. Cuza, Iai Conf. Univ. Dr. Alexandru Imbroane, Facultatea de Geografie, Universitatea Babe-Bolyai, Cluj-Napoca

Doctorand tefan BILACO

Teza a fost publicat cu titlul "Implementarea G.I.S. n modelarea viiturilor de versant", Editura Casa Crii de tiin, Cluj-Napoca, 199 pag., 2008.

ISBN: 978-973-133-382-3.

1

tefan Bilaco

IMPLEMENTAREA G.I.S. N MODELAREA VIITURILOR DE VERSANT

3

tefan Bilaco

IMPLEMENTAREA G.I.S. N MODELAREA VIITURILOR DE VERSANT

Casa Crii de tiin Cluj-Napoca, 2008

4

Refereni

Prof. univ. dr. Ionel Haidu Prof. univ. dr. Dan Blteanu membru corespondent al Academiei Romne Prof. univ. dr. Ioan Donis Conf. univ. dr. Alexandru Mircea Imbroane

Coperta: Patricia Puca tefan Bilaco, 2008 ISBN 978-973-133-382-3 Director: Mircea Trifu Fondator: dr. T.A. Codreanu Tehnoredactare computerizat: Czgely Erika Tiparul executat la Casa Crii de tiin 400129 Cluj-Napoca; B-dul Eroilor nr. 6-8 Tel./fax: 0264-431920 www.casacartii.ro; e-mail: editura@casacartii.ro

5

CUPRINS

LISTA DE TABELE .............................................................................................. 9

LISTA DE FIGURI .............................................................................................. 10

CUVNT NAINTE............................................................................................. 13

INTRODUCERE .................................................................................................. 15

1. NIVELUL ACTUAL AL CUNOATERII N DOMENIUL VIITURILOR DE VERSANT............................................................................. 17

1.1. METODOLOGIA CLASIC DE CALCUL A SCURGERII MAXIME LA SECIUNI FR MSURTORI................................................................. 19

1.1.1. Metoda raional de calcul a debitelor maxime .................................. 24 1.1.2. Metoda reducional de calcul a debitelor maxime............................. 26 1.1.3. Metoda statistic temporalo-spaial de determinare a debitelor

maxime ................................................................................................ 27 1.2. MODELE MIXTE: HIDROLOGICE-G.I.S.......................................................... 28 1.3. POTENIALUL FUNCIILOR ARC PENTRU IMPLEMENTAREA G.I.S.

N MODELAREA VIITURILOR DE VERSANT ................................................... 33

2. APLICAREA FUNCIILOR ARC PENTRU REALIZAREA BAZEI DE DATE - BAZINUL SUPERIOR AL SOMEULUI MIC - ........................ 36

2.1 BAZA DE DATE PRIMAR .............................................................................. 38 2.1.1 Georeferenierea.................................................................................. 39 2.1.2 Vectorizarea.......................................................................................... 40 2.1.3 Realizarea modelului digital de elevaie............................................... 42

2.2 BAZA DE DATE DERIVAT ............................................................................ 46 2.2.1 Direcia scurgerii (Flowdirection) ....................................................... 47 2.2.2 Acumularea scurgerii (Flowaccumulation) .......................................... 50 2.2.3 Definirea reelei hidrografice (Stream definition)................................ 52 2.2.4 Ordinul reelei hidrografice (Streamorder).......................................... 57 2.2.5 Definirea canalului de drenaj a apei (Flow Path Tracing) .................. 62 2.2.6 Cea mai lung distan de scurgere pentru un bazin hidrografic

(Longest Flow Path for Adjoint Catchemets) ..................................... 63 2.2.7 Selectarea punctelor pentru delimitarea cumpenelor de ap

(Batch Point)....................................................................................... 64

6

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 PROBABILITI RARE, PE VERSANI I N BAZINE HIDROGRAFICE MICI ......................................................................................70

3.1 SELECTAREA BAZINELOR HIDROGRAFICE .....................................................72 3.2 CUANTIFICAREA G.I.S A ELEMENTELOR I VARIABILELOR DE CALCUL.......77

3.2.1 Determinarea suprafeei bazinului ........................................................77 3.2.2 Forma bazinelor hidrografice ...............................................................81 3.2.3 Densitatea reelei hidrografice..............................................................84 3.2.4 Determinarea lungimii albiei principale i suma lungimilor albiilor ...86 3.2.5 Panta medie a albiei principale.............................................................87 3.2.6 Determinarea pantei versanilor ..........................................................90 3.2.7 Gradul de mpdurire ............................................................................94 3.2.8 Gradul de acoperire cu terenuri nelenite i nierbate .........................98 3.2.9 Ponderea terenurilor cultivate...............................................................99 3.2.10 Ponderea grupelor hidrologice de sol ...............................................102

3.3 IMPLEMENTAREA G.I.S N CALCULUL DEBITELOR MAXIME (MAXIMA ISTORIC) ...................................................................................107

3.3.1 Ploile toreniale ...................................................................................107 3.3.2 Implementarea G.I.S n metoda SCS-CN............................................110

3.3.2.1 Baza de date spaial 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 utiliznd formule matematice de calcul.............................................................................................116

3.3.4 Implementarea G.I.S n formula raional ..........................................124 3.3.4.1 Analiza spaial a coeficienilor medii de scurgere ......................124 3.3.4.2 Analiza spaial a timpilor de concentrare ...................................132 3.3.4.3 Proceduri de validare a timpilor de concentrare...........................142

3.3.5 Implementarea G.I.S n metoda reducional......................................144 3.3.6 Implementarea G.I.S n calculul debitelor maxime pe suprafee

interbazinale ......................................................................................147 3.3.6.1 Determinarea arealelor interbazinale............................................148 3.3.6.2 Alegerea punctelor, de pe cursul principal i determinarea

arealelor interbazinale, n cascad, aferente acestora. .................149 3.3.6.3 Calculul debitului maxim pe suprafee interbazinale ...................149

3.4 PROCEDURI DE VALIDARE PRIN METODA HIDROGRAFULUI UNITAR ...........152

7

3.4.1 Construirea hidrografului unitar pentru bazinele hidrografice cu nchidere la staia hidrologic Poiana Horea (Beli) i Smida (precipitaii orare) ............................................................................ 153

3.4.2. Construirea hidrografului unitar pentru bazinul hidrografic 21 pe baza intensitii maxime i timpi standard de nregistrare a precipitaiilor .................................................................................... 155

3.5 PROCEDURI DE VALIDARE PRIN ANALIZA DE FRECVEN.......................... 157 3.5.1 Curba de probabilitate Gama generalizat ........................................ 159 3.5.2 Analiza de frecven a debitelor teoretice pentru bazinul

hidrografic 21 ................................................................................... 161

4. IDENTIFICAREA ZONELOR DE RISC PENTRU APARIIA VIITURILOR ..................................................................................................... 164

4.1 PRINCIPII DE LUCRU.................................................................................... 164 4.2 UTILIZAREA G.I.S. PENTRU ESTIMAREA RISCULUI DE VIITUR

N FUNCIE DE PERMEABILITATEA SOLULUI I PANT .............................. 167 4.2.1 Caracterizarea pedo-hidrologic ....................................................... 168 4.2.2 Elaborarea layerelor pedo-hidrologice .............................................. 170 4.2.3 Modelarea G.I.S. a favorabilitii transferului de ap prin soluri

neacoperite........................................................................................ 172 4.3. IDENTIFICAREA AREALELOR CU DIFERITE GRADE DE RISC

DE APARIIE A VIITURILOR........................................................................ 180 4.3.1 Layere utilizate ................................................................................... 180 4.3.2 Analiza spaial a riscului de apariie a viiturilor (T = 100 ani)...... 183

BIBLIOGRAFIA ................................................................................................ 187

ANEXE ................................................................................................................ 195

8

9

Lista de tabele

Tabelul 2.1 Materialul cartografic refereniat ___________________________ 40 Tabelul 2.2 Baza de date vector ______________________________________ 41 Tabelul 2.3 Comparaia ntre valoarea volumelor de scurgere acumulate _____ 51 Tabelul 3.1 Elementele morfomentrice i de identificare a bazinelor

hidrografice ____________________________________________ 75 Tabelul 3.2 Caracteristici geometrice ale bazinelor hidrografice ____________ 82 Tabelul 3.3 Caracteristicile pantelor albiilor i versanilor ________________ 89 Tabelul 3.4 Categorii de pant dup Irimu i colab. (2005), cu modificri ___ 91 Tabelul 3.5 Ponderea suprafeelor, vegetaie i grup hidrologic de sol ______ 101 Tabelul 3.6 Ploi de intensitate maxim (dup ANM) _____________________ 108 Tabelul 3.7 Baza de date pentru modelul SCS-CN _______________________ 111 Tabelul 3.8 Indicatorul CN (Curve number) derivat pe baza modului de utilizare

al terenurilor i soluri n funcie de condiiile hidrologice ale acestora (Man, T., Alexe, M., 2006) _____________________ 112

Tabelul 3.9 Scurgerea maxim calculat modelul SCS-CN- ______________ 115 Tabelul 3.10 Coeficieni de scurgere adaptai dup Frevert _______________ 126 Tabelul 3.11 Baza de date spaial coeficieni de scurgere _____________ 126 Tabelul 3.12 Coeficieni de scurgere calculai dup Frevert ______________ 131 Tabelul 3.13 Baza de date timpi de concentrare- _______________________ 134 Tabelul 3.14 Caracteristicile timpilor de concentrare ____________________ 141 Tabelul 3.15 Intensiti ale ploii i debit maxim cu probabilitatea 1%

calculat ______________________________________________ 145 Tabelul 3.16 Variabile i debit maxim calculat pe suprafee interbazinale ____ 151 Tabelul 3.17 Cantiti orare de precipitaii ____________________________ 153 Tabelul 3.18 Coeficieni Kriki-Menkel _______________________________ 159 Tabelul 3.19 Probabiliti de depire pentru debite maxime calculate pentru

i max istoric = 10.1 mm/min(curba teoretic Gamma generalizata) __ 159 Tabelul 3.20 Debite maxime calculate prin metoda raional pe baza ploilor

de intensitate maxima anuala (bazinul hidrografic 21) _________ 161 Tabelul 3.21 Timpi de retur i probabiliti de depire (HYFRAN) ________ 163 Tabelul 4.1 Clase de permeabilitate ale solului (dup Florea i colab. 1987) _ 170 Tabelul 4.2 Textura solului la suprafa ______________________________ 171 Tabelul 4.3 Textura solului n profil __________________________________ 171 Tabelul 4.4 Baza de date (risc de apariie a viiturilor) ___________________ 180 Tabelul 4.5 Ierarhizarea arealelor de risc _____________________________ 185

10

Lista de figuri

Figura 1.1 Clasificarea modelelor hidrologice n funcie de hazard, spaiu i timp

(dup Chong-Yu Xu 1992) _________________________________ 29 Figura 2.1 Localizarea Bazinului Hidrografic Someul Mic ________________ 37 Figura 2.2 Localizarea Bazinului Hidrografic Superior Someul Mic ________ 37 Figura 2.3 Datele proieciei Stereo. 70 ________________________________ 39 Figura 2.4 Subcomenzile funciei topogrid ______________________________ 43 Figura 2.5 Vizualizarea MDE ________________________________________ 46 Figura 2.6 Reprezentarea distanelor ntre centrii celulelor ________________ 48 Figura 2.7 Direcii de scurgere, caracteristice, pentru funcia flowdirection ___ 48 Figura 2.8 Direcia de scurgere a apei pe versant ________________________ 49 Figura 2.9 Funcia Stream Definition __________________________________ 55 Figura 2.10 Meniul funciei Stream Definition ___________________________ 55 Figura 2.11 Reeaua hidrografic generat ____________________________ 56 Figura 2.12 Ordinul de mrime a reelei hidrografice dup Strahler _________ 57 Figura 2.13 Ordinul de mrime a reelei hidrografice dup Shevre __________ 58 Figura 2.14 Ordinul de mrime a reelei hidrografice, dup Shreve __________ 61 Figura 2.15 Meniul Extensiei StreamOrder _____________________________ 58 Figura 2.16 Canalul de drenaj al apei _________________________________ 62 Figura 2.17 Corelarea canalului de drenaj cu bazinul hidrografic ___________ 63 Figura 2.18 Meniul funciei Batch Point _______________________________ 64 Figura 2.19 Puncte de delimitare a cumpenelor de ap ___________________ 65 Figura 2.20 Cumpene principale de ap _______________________________ 66 Figura 2.21 Cumpene secundare de ap ______________________________ 67 Figura 2.22 Cumpene principale i secundare de ap _____________________ 68 Figura 3.1 Identificarea punctelor de confluen _________________________ 73 Figura 3.2 Baza de date ArcG.I.S. suprafaa bazinelor hidrografice- ________ 78 Figura 3.3 Fereastra de dialog a extensiei Xtools Pro Calcul de suprafa- __ 79 Figura 3.4 Elemente necesare calculului suprafeelor, metoda analitic

(Autocad Map) __________________________________________ 80 Figura 3.5 Coeficieni de circularitate minimi A-bazinul hidrografic 45

B-bazinul hidrografic 13 __________________________________ 83 Figura 3.6 Coeficieni de circularitate maximi A-bazinul hidrografic 19

B-bazinul hidrografic Rca _______________________________ 84 Figura 3.7 Densitatea reelei hidrografice A-bazinul hidrografic 32 (densitate

medie 0,28) B-bazinul hidrografic Chinteni (densitate medie 0,30) ___ 85

11

Figura 3.8 Densitatea reelei hidrografice A-bazinul hidrografic 25 (densitate medie 1,67) B-bazinul hidrografic 20 (densitate medie 1,73) ____ 85

Figura 3.9 Panta albiei principale a bazinului hidrografic 40 (panta medie 0,65%) _____________________________________ 87

Figura 3.10 Panta albiei principale a bazinului hidrografic 34 (panta medie 0,89%) _____________________________________ 88

Figura 3.11 Panta albiei principale a bazinului hidrografic 13 (panta medie 21,97%) ____________________________________ 88

Figura 3.12 Panta albiei principale a bazinului hidrografic 15 (panta medie 25,98%) ____________________________________ 89

Figura 3.13 Panta versanilor A-bazinul hidrografic 35 (panta medie 4,430) B-bazinul hidrografic 34 (panta medie 4,560) _________________ 91

Figura 3.14 Panta versanilor A-bazinul hidrografic 13 (panta medie 26,330) B-bazinul hidrografic 15 (panta medie 27,230) ________________ 92

Figura 3.15 Variaia pantei versanilor ________________________________ 92 Figura 3.16 Suprafee ocupate de categorii de pant _____________________ 93 Figura 3.17 Structura covorului vegetal _______________________________ 94 Figura 3.18 Extinderea suprafeelor ocupate de pdure ___________________ 97 Figura 3.19 Extinderea teritorial a terenurilor nierbate _________________ 99 Figura 3.20 Extinderea teritorial a terenurilor cultivate _________________ 100 Figura 3.21 Ecuaiile i relaia grafic de transformare pentru condiiile

antecedente de umiditate (dup Luijten, J.C., 2000) ___________ 113 Figura 3.22. Metodologia de calcul G.I.S., SCS-CN (adaptat dup

Xiaoyong Zhan i Min-Lang Huang 2004) ___________________ 114 Figura 3.23 Coeficientul de scurgere 0,10 _____________________________ 127 Figura 3.24 Coeficientul de scurgere 0,35 _____________________________ 128 Figura 3.25 Coeficientul de scurgere 0,80 _____________________________ 129 Figura 3.26 Baza de date i variaia grafic ___________________________ 130 Figura 3.27 Timpi de concentrare modelai (bazinul hidrografic 6) _________ 144 Figura 3.28 Determinarea suprafeelor interbazinale ____________________ 148 Figura 3.29 Suprafee bazinale A, suprafee interbazinale B ______________ 149 Figura 3.30 Suprafaa interbazinal 1 ________________________________ 150 Figura 3.31 Suprafaa interbazinal 2 ________________________________ 150 Figura 3.32 Suprafaa interbazinal 3 ________________________________ 151 Figura 3.33 Hietograma precipitaiilor A Ploaia 1, B Ploaia 2 ____________ 154 Figura 3.34 Hidrograful unitar A Poiana Horea, B Beli, ploaia 1 _________ 154 Figura 3.35 Hidrograful unitar A Poiana Horea, B Beli, ploaia 2 _________ 154 Figura 3.36 Hietograma precipitaiilor pentru ploaia torenial ___________ 155 Figura 3.37 Hidrograful unitar bazinul hidrografic 21 ___________________ 156 Figura 3.38 Hietograma precipitaiilor pentru timpi standard _____________ 156 Figura 3.39 Hidrograful unitar pentru timpi standard ___________________ 157 Figura 3.40 Funcia Gumbelt _______________________________________ 162 Figura 3.41 Funcia exponenial ___________________________________ 162

12

Figura 3.42 Comparaie grafic a funciilor de probabilitate ______________ 162 Figura 4.1 Metode de modelare a bazinului hidrologic ___________________ 165 Figura 4.2 Schematizarea sistemului hidrologic ________________________ 166 Figura 4.3 Model de reprezentare a realitii (ESRI 2003) ________________ 166 Figura 4.4 Model de analiz spaial _________________________________ 166 Figura 4.5 Meniul funciei reclassify _________________________________ 172 Figura4.6 nsumarea algebric a layerelor ____________________________ 172 Figura 4.7 Viteza de infiltrare a apei n sol ____________________________ 173 Figura 4.8 Viteza de infiltrare n textura solului la suprafa ______________ 174 Figura 4.9 Viteza de infiltrare n textura solului n profil _________________ 175 Figura 4.10 Favorabilitatea transferului de ap n sol ___________________ 176 Figura 4.11 Csua de dialog raster calculator _________________________ 179 Figura 4.12 Intravilanele localitilor ________________________________ 181 Figura 4.13 Debitul maxim 1% interpolat (IDW) ________________________ 184 Figura 4.14 Funcia de interpolare IDW (ArcG.I.S.) _____________________ 183

13

CUVNT NAINTE

Cu toate c n ultimii 10-15 de ani asistm la ptrunderea tot mai clar i eficient a programelor G.I.S. n cercetarea geografic i n producia tiinific materializat sub forma de studii, articole, contracte de cercetare, granturi, diverse aplicaii solicitate de beneficiari din sfere din ce n ce mai largi, nc se apreciaz c un soft G.I.S. constituie o sum de butoane pe care dac le apei obii direct i fr probleme, o hart n izolinii, zona inundabil a unui ru, areale de risc, modelul de relief, reeaua de transport vulnerabila la alunecri, culoare de avalane etc. Lucrurile nu stau deloc aa de simplu, deoarece calea pe care un utilizator trebuie s o parcurg n acest mediu geoinformatic, adic n G.I.S., este ct se poate de tehnic deoarece impune un parcurs printre funcii specifice, un du-te vino ntre baza grafic i baza atribut, formalizarea aplicaiilor la nivel de primitive punct, linie sau poligon, calcule pe structuri raster, selectri, discretizri, combinri logice, suprapuneri (overlay) etc. Trebuie neles clar cum se pot obine layerele, specificul acestora i ce anume punem ntre ele pentru a ne apropia de rezultatul dorit. Este foarte clar c drumul parcurs de utilizator de la datele geografice primare la rezultatul urmrit (harta digital, raport statistic, grafica, scenariu vizual) este ct se poate de tehnic, iar rezultatul deseori ascunde o tratare numeric. Putem spune n aceste condiii c Geographical Information System nseamn n oarecare msur tehnic? i extrapolnd aceast idee ne ntrebm, oare i Geografia nseamn tehnic? Dac da, ct tehnic? Trebuie s punem i ntrebarea reciproc: mai rmne geografie dup efectuarea unei aplicaii G.I.S. pe date geografice? Ct de geografic este rezultatul unei aplicaii G.I.S.? Inevitabil geograful de azi trebuie s triasc mpreun cu G.I.S.. Geograful de azi ptrunde implacabil n mediul G.I.S. pentru c dac nu nelege parcursul tehnic de la date la rezultatele obinute, nu va putea s le neleag i explica. Astfel, o cercetare geografic bazat pe G.I.S., pe ptrunderea geografului n hiul tehnologic al funciilor i formulelor devine ct se poate de tehnic sau inginereasc. Poate se va pune ntrebarea, nu cumva cercetarea bazat pe G.I.S. este inginerie? Nicidecum! N-avem voie s spunem c nu ne intereseaz calea parcurs, deoarece sunt multe ci posibile de la datele geografice la rezultat. Cu alte cuvinte, rezultatul cercetrii geografice depinde 100% de calea tehnic parcurs printre straturi, structuri raster sau vector, funcii, algoritmi etc. Cel care utilizeaz G.I.S., algoritmi de lucru bazai pe statistic i mai ales pe statistica spaial, trebuie s accepte c a intrat n domeniul tehnicii, al geografiei tehnice. Poate c de aceea, astzi este att de greu s realizezi o educaie pentru G.I.S. i nu ntmpltor tinerii devotai acestei direcii devin cu att mai puini, cu ct programele G.I.S., n scopul eficientizrii, par c devin tot mai stufoase. n acest context obiectivul crii realizate de tefan Bilaco este acela de a arta cum anume funciile G.I.S. ar putea fi implementate n metodele de

14

estimare/simulare a viiturilor de versant (metoda raional, metoda reducional i metoda de sintez temporo-spaial). Pentru a putea realiza un capitol privind nivelul actual de cunoatere n domeniul viiturilor de versant, tefan Bilaco a trebuit s accepte implicarea n mijloacele specifice de formare i perfecionare care exist la acest nivel al cunoaterii i al specializrii. Autorul s-a implicat n cercetarea contractual, obinnd o finanare CNCSIS apreciabil, Grant TD, a participat la alte programe de grant elabornd aplicaii i publicnd articole legate de G.I.S. i aplicarea G.I.S. n alte domenii geografice.

Toate aceste implicrii ale autorului, n fapt mijloace de formare i perfecionare, i-au permis s realizeze o lucrare metodologic care pune la dispoziia utilizatorilor de programe informaionale geografice metode i modele de extragere automat a variabilelor de intrare n ecuaiile de calcul ale debitelor maxime provenite din viituri, mai pune la dispoziie mijloace de implementare a acestor variabile n ecuaiile de calcul i determinarea digital a arealelor cu risc de manifestare a viiturilor. n acest scop a realizat o baz de date G.I.S. specific, numit primar (georefereniere, vectorizare, DEM) i derivata (Flowdirection, Flowaccumulation, Stream definition, Streamorder, Flow Path Tracing Batch Watershed Delineation) care are o importan deosebit n procesul de modelare, deoarece ea constituie punctul de plecare pentru orice tip de model hidrologic asistat de G.I.S.. n capitolul trei arat cum se poate utiliza G.I.S. pentru estimarea scurgerii pentru probabiliti rare, pe versani i n bazine hidrografice mici. Cu ajutorul G.I.S. se cuantific elementele i variabilele de calcul apoi, se arat cum anume se pot implementa funcii G.I.S. n procesul de calcul a debitelor maxime. Funcii G.I.S. se mai implementeaz n formulele matematice de calcul (punctuale) n metoda raional, metoda reducional. Arat cum G.I.S. ne poate ajuta s calculm debitele maxime pe suprafee interbazinale, teritorii mai puin accesibile pentru calcule hidrologice dar cu aport de ap de pn la 15-30% n cazul bazinelor montane. Pentru validarea demersului de lucru ia n considerare datele orare de precipitaii i calculeaz hidrografe unitare tot n mediu G.I.S. obinnd rezultate care confirm metodele indirecte mai sus prezentate, pe care le-a automatizat cu ajutorul funciilor G.I.S.. Tot pentru validare statistic, utilizeaz date privind intensitatea precipitaiilor determin probabiliti de depire i perioade de revenire a debitului corespunztor intensitii pluviale maxime istorice. Capitolul 4 este consacrat identificrii prin mijloace geoinformatice a arealelor cu diferite categorii de risc de apariie a viiturilor de versant pe baza a dou modele hidro-G.I.S, care, interconectate, se materializeaz ntr-un model complex de determinare a riscurilor. Urmrit n ansamblu, algoritmul de determinare a arealelor cu risc de apariie a viiturilor, arat clar faptul c drumul parcurs de la date geografice la hrile de risc estimat este un drum cu specific tehnic sau ingineresc care necesit selectarea celor mai potrivite funcii (i esene numerice) i care arat c obinerea hrilor de risc constituie o cercetare geografic tehnic, pe care autorul tefan Bilaco o posed ct se poate de bine.

Prof. univ. dr. Ionel Haidu

15

INTRODUCERE

Att n Romnia, ct mai ales pe plan mondial, s-au realizat sinteze i modele de determinare a debitelor maxime provenite din viituri de versant, pentru diverse scopuri practice: realizarea de amenajri hidroenergetice i hidrotehnice, emiterea de avertizri i luarea de msuri concrete de prevenire a riscului de viitur etc. Odat cu apariia G.I.S., modelele de analiz spaial a elementelor care influeneaz i condiioneaz propagarea undei de viitur s-au dezvoltat cu o rapiditate foarte mare datorit modalitilor simple i rapide de manipulare i analiz a datelor grafice, stocate sub form de layere tematice, dezvoltate de programele geoinformaionale.

Scopul principal cu care am pornit n realizarea studiului, implementarea SIG n modelarea viiturilor de versant, l reprezint realizarea unei lucrri metodologice care s pun la dispoziia utilizatorilor de programe informaionale geografice metode i modele de extragere automat a variabilelor de intrare n ecuaiile de calcul ale debitelor maxime provenite din viituri, implementarea acestora n ecuaiile de calcul i determinarea arealelor cu risc de manifestare a viiturilor.

Lucrarea de fa este structurat pe patru capitole, care, interconectate, se materializeaz ntr-un model hidrologic pentru implementarea G.I.S. n modelarea viiturilor de versant.

Prin intermediul primului capitol s-au definit, pe baza literaturii de specialitate, arealele de genez i manifestare a viiturilor de versant, identificndu-se metodologia clasic de calcul a debitelor maxime i structura unor modele hidrologice-G.I.S.

n a doua parte a lucrrii am realizat baza de date G.I.S., pornind de la modalitile de construire a bazei de date primare i definitivarea bazei de date derivate prin intermediul funciilor de analiz spaial cu aplicare n hidrologie. Baza de date, primar i derivat (modelul digital de elevaie, direcia scurgerii, acumularea scurgerii etc.), are o importan deosebit n procesul de modelare, deoarece ea constituie punctul de plecare pentru orice tip de model hidrologic.

n capitolul trei am prezentat modaliti de identificare i selectare a bazinelor hidrografice utiliznd G.I.S., precum i posibilitile de cuantificare G.I.S. a elementelor i variabilelor de calcul a debitelor maxime. Implementarea G.I.S. n calculul debitelor maxime este, de asemenea, prezentat sub form de modele i ecuaii de calcul. Pentru a verifica corectitudinea datelor rezultate n

16

urma implementrii G.I.S n calculul debitelor maxime din viituri de versani am apelat la diverse proceduri de validare, proceduri prezentate n capitolul trei.

Finalitatea ultimului capitol este aceea de identificare a arealelor cu diferite categorii de risc de apariie a viiturilor de versant pe baza a dou modele hidro-G.I.S, care, interconectate, se materializeaz ntr-un model complex de determinare a riscurilor.

n elaborarea acestui studiu am primit sprijin i am fost ndrumat de Prof. univ. dr. Ionel Haidu, cruia i mulumesc pentru ncrederea acordat i sfaturile pe care mi le-a dat n tot acest timp.

17

1. NIVELUL ACTUAL AL CUNOATERII N DOMENIUL VIITURILOR DE VERSANT

Studierea viiturilor de versant s-a constituit ca obiect de cercetare cu scopuri foarte diverse, pornind de la anticiparea i prevenirea unor efecte dezastruoase asupra componentei umane, cauzate de acestea datorit volumului mare de ap antrenat n procesul de scurgere, mergnd pn la scopurile inginereti, de amplasare a reelelor hidroenergetice.

Din punct de vedere geomorfologic, Brndu i colab. (1998), definete versantul ca fiind o suprafa nclinat reprezentnd un flanc de vale, de deal, de munte sau lan muntos. Dac se analizeaz versantul din punct de vedere hidrologic, acesta reprezint suportul de formare i manifestare a proceselor hidrologice de scurgere, transport de aluviuni i acumulare a apei n sectoarele cu pant mic de pe suprafaa versantului.

Odat cu micorarea bazinului hidrografic pentru care se dispune analiza viiturilor, crete gradul de omogenitate a factorilor definitorii ai suprafeei bazinale de analizat. Pentru definirea unui bazin hidrografic mic, omogen din punct de vedere a factorilor condiionali ai scurgerii, Chartier (1966), folosete termenul de bazin-versant, identificnd astfel un bazin hidrografic situat ntr-o regiune omogen prin condiiile de clim, relief, sol, litologie, cuvertur vegetal. Termenul de bazin-versant este preluat din literatura francez i definete un bazin hidrografic a crui suprafaa de acumulare a apei poate fi de ordinul hectarelor, mergnd pn la civa kilometri ptrai n condiii de omogenitate fizico-geografic. n unele lucrri, Institutul Naional de Meteorologie i hidrologie (1971), Ungureanu, Irina-Brndua (1978), se utilizeaz termenul de bazin elementar prin care se definete i identific un bazin hidrografic mic situat ntr-o singur unitate geografic.

Foarte muli autori: Musta (1973), Haidu i colab. (1990), Platagea (1974), Stnescu (1973), utilizeaz n cadrul lucrrilor i cercetrilor realizate asupra bazinelor hidrografice, termenul de ru mic, bazin versant sau bazin elementar.

n urma studiului bibliografiei se poate concluziona c bazinele hidrografice mici se identific i caracterizeaz ca fiind bazine hidrografice cu suprafee mici, de la cteva hectare la civa kilometri ptrai i cu o omogenitate sporit a factorilor fizico-geografici.

ntr-un bazin hidrografic de mari dimensiuni (suprafaa de cteva sute de kilometri ptrai), viitura se formeaz pe versani dar propagarea acesteia se

18

realizeaz n canalul de acumulare (n albie), n timp ce n bazinele hidrografice mici formarea, dezvoltarea i propagarea viiturii se realizeaz pe versantul bazinului hidrografic, datorit suprafeei mici, omogenitii i lipsei unui canal de drenaj bine conturat. n astfel de cazuri viitura nu se manifest n totalitate prin concentrarea n albie, principalul mod de manifestare fiind acela de scurgere laminar de ap pe suprafaa versantului, cu acumulare n zonele de pant mic ale acestuia i evacuare prin punctul de nchidere a seciunii de calcul i conturare spaial a bazinului.

Lund n considerare cele enunate mai sus am decis s realizm analiza viiturilor de versant, ca fiind viituri cu genez i manifestare n bazine hidrografice mici, adoptnd metodologia de calcul a debitelor maxime, impus de practica hidrologic, pentru bazine hidrografice mici care nu sunt monitorizate prin intermediul reelei de staii hidrometrice.

Modelarea, simularea i calculul debitelor produse de viiturile de versant se realiza prin metode clasice de determinare a caracteristicelor morfometrice i morfografice ale bazinului hidrografic, de determinare a caracteristicilor ploilor maxime generatoare etc. Odat cu apariia G.I.S., procesul de modelare a viiturilor de versant ncepe s fie automatizat.

Una dintre principalele elemente ale procesului de automatizare este complexa baz de date gestionat i analizat de ctre softurile geoinformaionale. Datorit complexitii mari a bazei de date, se pot surprinde cele mai mici detalii ale modului de manifestare a viiturilor de versant, realizndu-se astfel, simularea cu o acuratee foarte mare.

Baza de date G.I.S. se structureaz sub forma layerelor (stratelor) tematice de diferite structuri, layere de tip linie pentru reeaua hidrografic, layere de tip poligon pentru caracteristicile bazinului hidrografic, solului, vegetaiei, intravilanelor, layere de tip grid pentru DEM i baza de date derivate din analiza spaial a acestuia etc. Principala proprietate a bazei de date G.I.S. este aceea ca ea se poate actualiza la diferite intervale de timp sau n timp real, orice schimbare a caracteristicii unui layer schimb ntreaga structur da date derivate i rezultate, dac acestea se afl nglobate ntr-o structur de tip model.

Manipularea bazei de date create, prin intermediul softurilor geoinformaionale, i analiza acesteia furnizeaz informaii numerice ale caracteristicilor (panta medie a versantului, suprafa, lungimea canalului de drenaj, lungimea reelei hidrografice, panta medie a reelei hidrografice, coeficieni medii de scurgere, timpi de concentrare etc), care se contureaz ca date de intrare n formulele (raional, reducional, determinare a intensitii ploii de calcul egal cu timpul de concentrare, determinare a timpilor de concentrare pentru bazinele hidrografice) de calcul ale debitelor maxime.

Aplicarea funciilor de tip Arc, CAD, asupra bazei de date vectoriale i raster permite realizarea de modele concrete i utile a fenomenului de viitur de versant iar aplicarea programelor de analiz a frecvenei, HYFRAN i distribuiei spaiale i temporale ArcG.I.S. (interpolare Kriging, IDW etc.), asupra datelor

19

numerice reprezentnd debitele maxime permite calculul asigurrile i probabilitilor de depire sau nedepire sau generalizarea debitelor calculate pentru un anumit teritoriu. Prin intermediul modelelor complexe de analiz spaial G.I.S. se realizeaz simulri de debite, volume, identificri de zone vulnerabile la apariia i manifestarea viiturilor de versant.

Procesul hidrologic de formare i propagare a viiturilor de versant este unul deosebit de complex. Complexitatea este determinat de numrul mare de variabile antrenate n sistemul scurgerii, nc de la apariie, propagare i efecte, variabile distribuite neuniform att spaial ct i temporal pe suprafaa bazinului de recepie.

Numrul mare de variabile, distribuia temporal i spaial neuniform la nivelul bazinului hidrografic, apariia hazardat a viiturilor de versant, au impus realizarea de modele matematice, simulri, pentru anumite evenimente extreme i propunerea lor ca valabile pentru alte teritorii cu aproximativ, aceleai influene morfografice, morfometrice.

Scopul principal de realizare a modelelor, G.I.S. hidrologice, de viitur este acela de a emite avertizri hidrologice pentru o mai bun gestionare a resurselor de ap pentru sisteme hidroenergetice, avertizare a componentei umane i luare de msuri de prevenire i estompare a daunelor produse de viiturile catastrofale.

Pentru teritoriul Romniei s-au ntocmit o serie de modele matematice materializate n instruciuni de calcul a debitelor maxime n bazine hidrografice mici publicate de ctre INMH (1997), Mi i colab. (1992), Musta (1973, 1974), Platagea (1959, 1965, 1966). Preocuprile pentru modelarea G.I.S. a unor variabile specifice pentru calculul debitelor maxime i simularea acestora au fost ntreprinse de ctre Pcurar (2005), cu scopul de a cuantifica efectele scurgerii i eroziunii asupra unor bazine hidrografice mici din apropierea Braovului, Patriche (2005), Bofu (2005).

1.1. Metodologia clasic de calcul a scurgerii maxime la seciuni fr msurtori

Metodele clasice de calcul ale scurgerii maxime la seciuni fr msurtori, n scopul evalurii viiturilor din zona de versant, sunt utilizate, cu precdere, pentru bazinele hidrografice mici, urmrindu-se evaluarea cantitativ a resurselor de ap i repartizarea spaial a acestora, prin intermediul factorilor care influeneaz apariia i propagarea viiturilor.

Viitura este definit de ctre Vladimirescu (1984) ca fiind form a scurgerii directe n faza n care aceasta se produce pe suprafaa versanilor i n micile depresiuni filiforme ale solului care are aspectul unei pnze de ap-respectiv a unor uvoaie filiforme. Prin captarea acestor mase de ap de ctre reeaua hidrografic, se formeaz cureni de scurgere direct cu un important potenial hidraulic.

O alt definiie a viiturilor elementare este cea formulat de Diaconu i colab. (1994) care pune n centrul ei elementul meteorologic; dac o ploaie

20

oarecare de o durat dat formeaz pe suprafaa bazinului dat o scurgere cu un strat de 1 inch (2,54 cm), atunci hidrograful care caracterizeaz aceast scurgere, poate fi privit ca viitur elementar pentru bazinul hidrografic dat.

Viiturile sunt definite n numeroase feluri, n funcie de scopul pentru care se realizeaz analiza acestora. Pentru a nelege i a scoate n eviden procesul de viitur este absolut necesar cunoaterea diferenei ntre viituri i ape mari.

Prin ape mari se neleg fazele din viaa unui ru n care scurgerea se situeaz la valori ridicate n general Diaconu i colab. (1994). Apele mari se nregistreaz ca urmare a nregistrrii unor ploi de intensitate mic i durat lung de timp sau ca urmare a topirii zpezilor. Faza de ape mari este caracterizat prin creterea general a debitelor rurilor i meninerea lor la valori ridicate o perioad mai ndelungat, fr creteri spectaculoase de nivel.

Viitura se deosebete de faza de ape mari prin timpul de manifestare a procesului de genez. Viitura se caracterizeaz prin creteri rapide de debit de ap, respectiv de nivele, prin atingerea unor debite de vrf mari i printr-o scdere rapid a debitelor, care este, n general, mai lent dect creterea. Producerea viiturilor este datorat unor ploi puternice de intensitate mare sau n urma topirii brute i intense a zpezilor.

Dac viiturile se produc ca urmare a unei ploi toreniale i se suprapun peste perioadele de topire a zpezilor, viiturile se suprapun peste perioadele de ape mari. n aceast situaie, pentru a se analiza viitura, este necesar ca hidrograful aferent viiturii, s fie separat, pentru a se putea determina partea de viitur provenit din ploi de cea provenit din topirea zpezii.

n literatura de specialitate se ntlnesc mai multe metode de calcul a debitelor maxime produse din viituri dintre care cea mai utilizat este: metoda hidrografului unitar, metod utilizat i n prezent, propus de Sherman (1932), care deriv din dezvoltarea metodei viiturilor elementare. Datorit nevoilor de cunoatere a debitelor maxime, metoda hidrografului unitar a fost dezvoltat de Morgan i colab. (1939) care leag hidrograful unitar de anumite durate ale ploii prin elaborarea hidrografului n S, Snyder (1938) leag parametrii hidrografului unitar de caracteristicile bazinelor hidrografice.

Dezvoltarea tehnicii hidrografului unitar este continuat de ctre muli cercettori OKelly (1955), Aron (1982), i n prezent, Kuiching (1989), Sorell, i colab. (1991), Diaconu i colab. (1994), Melching i colab. (1996), Musy i colab. (1998), Straub i colab. (2000), Haidu (2006), toi analiznd legturile dintre variaia n timp a intensitii ploii de calcul, capacitatea de retenie a solului i diferite intervale de timp de scurgere specifice bazinului hidrografic respectiv.

Datorit dezvoltrii tehnicilor de calcul i complexitii mari a fenomenelor hidrologice s-au dezvoltat tot mai multe metode de modelare matematic a proceselor hidrologice. Modelarea matematic apeleaz la scheme logice, ecuaii matematice i prin intermediul sintezelor hidrologice precum i a diverilor parametrii ce intervin n procesul de modelare, are ca principal scop scoaterea n eviden, ct mai fidel, a evenimentului hidrologic probabil.

21

Modelele hidrologice sunt concretizate n formule aproximative de calcul a debitelor maxime elaborate n urma studiilor n laborator sau prin intermediul studiului bazinelor hidrografice model sau experimentale. Ecuaii de calcul concretizate n modele hidrologice matematice au fost utilizate de ctre Haidu (1993, 2006), Marshall i colab. (1994), Diaconu i colab. (1994), Kohnov Silvia i colab. (2003), Ken (2004), Nidas (2005), utiliznd formula raional ca metod principal de modelare.

Pe teritoriul Romniei, studiul statistic asupra irurilor de date hidrologice achiziionate prin msurtori directe de debite i realizarea, n paralel de metodologii i modele de calcul a debitelor maxime produse din viituri, s-a concretizat n rezultate utile nc din anul 1957. Lzrescu i colab. (1957) au elaborat primele modele hidrologice matematice de determinare a debitelor maxime, prin studierea dependenei acestora de suprafaa bazinului hidrografic. Primele sinteze asupra scurgerii maxime din Romnia au fost elaborate de ctre Mociorni (1961), Diaconu i colab (1961) care au propus o metod de sintetizare a duratei totale i de cretere a viiturilor prin legarea lor de parametrii morfometrici ai rurilor i bazinelor hidrografice. Modele i regionalizri ale parametrilor hidrologici utilizai n calculul viiturilor maxime n bazine hidrografice mici, au mai fost realizate de ctre Musta (1973), Stnescu (1972), erban (1986, 1987, 1990).

Avnd n vedere variaia spaial a debitelor maxime pe teritoriul bazinului hidrografic, dar i frecvena viiturilor coroborat cu efectele dezastruoase produse de acestea, INMH (1997), a realizat i publicat o metodologie, instruciuni de calcul a debitelor maxime pentru bazine hidrografice mici unde nu se dispune de msurtori directe asupra viiturilor analizate.

Principalul obiectiv al metodologiei de calcul a scurgerii maxime n bazine hidrografice mici, conform INMH (1997) este acela de a determina debitul maxim scurs pe bazine hidrografice mici, cu suprafaa sub 100 km2.

Principala limitare a utilizrii acestor instruciuni i a metodologiei aferente este suprafaa bazinului de recepie, dar n care nu se neglijeaz, ci dimpotriv se pune un accent foarte mare asupra dinamicii factorilor genetici i condiionali ai scurgerii maxime, factorii cei mai dinamici fiind factorii condiionali de pe suprafaa bazinului hidrografic.

Factorii naturali i antropici; degradarea, eroziunea accentuat, urbanizri, mpduriri, despduriri, pot avea influene mari asupra unui bazin hidrografic mic datorit variaiei mari a acestora n perioade scurte de timp.

Pentru calculul debitelor maxime n bazine hidrografice i suprafee de versant mici este necesar s se cunoasc ploile i coeficienii de transformare a acestora n scurgere n funcie de factorii condiionali ai scurgerii, coeficienii de scurgere pentru diferite categorii de soluri, relief, vegetaie, geologie i anticiparea scurgerii pe o perioad oarecare de revenire.

Metodologia clasic de calcul a debitelor maxime provenite din viituri de versant presupune parcurgerea unor pai obligatorii n cadrul procesului de calcul: identificarea pe hart a bazinului hidrografic, determinarea suprafeei bazinului,

22

analiza formei bazinului hidrografic, calculul lungimii albiei i a pantei medii a acesteia, precum i calculul pantei medii a versanilor bazinului de drenaj, calculul timpilor de concentrare i determinarea ploii de calcul.

Identificarea pe hri a bazinului hidrografic este prima operaie, pregtitoare. Hrile pe care se va face identificarea trebuie s fie ct mai detaliate i sa fie la o scar adecvat n funcie de mrimea suprafeei, pentru a se putea delimita suprafaa bazinului principal i a celui afluent pe linia de cumpn a apelor care separ bazinul hidrografic aflat n studiu de celelalte suprafee de drenaj.

Suprafaa bazinului hidrografic trebuie determinat pe aceleai hri pe care s-a fcut identificarea, inndu-se seama de scara hrii. Determinarea suprafeei se realizeaz prin intermediul metodelor clasice; planimetrare, secionarea suprafeei bazinului hidrografic n suprafee de tipul triunghiurilor, poligoanelor, dreptunghiurilor, a cror suprafee se calculeaz mai simplu i pe urm nsumarea acestora. Pentru a se putea realiza integrarea suprafeei n modelele hidrologice matematice, aceasta se exprim n km2 i ha.

Suprafaa bazinului hidrografic este ntotdeauna asociat cu kilometrajul profilului de nchidere sau cu denumirea staie hidrometrice crescnd odat cu lungimea cursului de ap (Valdimireascu, 1984).

Forma bazinului hidrografic este o exprimare analitic cu caracter convenional (Valdimireascu, 1984), care scoate n eviden caracterul circular sau alungit al bazinului hidrografic i se determin ca raport ntre suprafa i lungimea cumpenei de ap. Cu ct bazinul hidrografic este mai aproape de circularitate, cu att acumularea viiturii de pe versant va fi mai rapid n punctul central i se va propaga n albie un volum mai mare de ap.

Lungimea albiei principale este o caracteristic foarte important n ceea ce privete stabilirea timpilor de concentrare fiind msurat ntre izvor i profilul de nchidere. Pentru orice bazin hidrografic se msoar lungimea albiei principale i suma lungimilor albiilor, n natur, exprimndu-se n km sau m, n funcie de scara la care se lucreaz.

Panta medie a albiei i panta medie a versanilor se determin de pe hrile n curbe de nivel fiind exprimate n procente sau n grade.

Verificarea rezultatelor obinute n urma calculrii debitelor maxime provenite din viituri de versant, n concordan cu ploile de intensitate maxim, este absolut necesar i obligatorie. Pentru ntreg procesul de calcul este necesar o bun cunoatere a ploilor maxime i a intensitilor maxime ale ploilor de calcul.

Caracteristicile morfometrice prezentate ndeplinesc rol definitoriu n stabilirea, prin calcul a debitelor maxime din viiturile de versant datorit variaiei lor n funcie de suprafaa bazinului hidrografic i condiiile morfometrice ale suprafeei de drenaj.

Factorii de mediu de pe suprafaa de drenaj au o importan deosebit n formarea i deplasarea viiturii pe versani i concentrarea acesteia n albia rului. Principalii factori condiionali ai acestei categorii sunt reprezentai de variaia

23

tipurilor de sol, geologia, vegetaia prin gradul de extindere i tipuri, starea albiilor, existena sau nu a aezrilor omeneti, existena suprafeelor supuse eroziunii etc.

Pentru o mai bun gestionare a efectelor produse de viiturile de versant este absolut necesar s se in seama de planurile de amenajare viitoare, pe lung durat, amenajare silvic, agricol, combatere a proceselor erozionale, industrial, dezvoltare urban etc., efectuate pe suprafaa bazinului hidrografic.

Factorii cei mai importani, ai calculului scurgerii maxime, n bazine hidrografice mici sunt reprezentai de timpii de concentrare i obinerea ploii de calcul.

Timpul de concentrare este timpul necesar viiturii de versant de a se deplasa din locul de formare pn n seciunea de calcul. Timpii de concentrare se calculeaz att pentru deplasarea viiturii pe versant, ct i ca timp de propagare a viiturii n albie, calculndu-se un timp de concentrare mediu pentru fiecare bazin hidrografic n parte.

Datorit influenei foarte mari a factorilor de mediu asupra timpului de concentrare, acetia trebuie cunoscui foarte bine pentru a putea fi cuantificai i introdui n formule i modele de calcul i determinare a timpilor de concentrare. n Romnia, Stnescu (1970), a ntreprins studii asupra timpilor de concentrare, pe suprafee experimentale, rezultatele obinute putnd fi utilizate pentru bazine hidrografice cu cursuri de ap pn la 1 km i panta pn la 400 m/km.

Determinarea ploii de calcul. n bazine hidrografice mici, ploile mari care dau viituri maxime sunt cele

egale cu timpul de concentrare al scurgerii. Ploaia maxim de calcul se poate determina ca valoare punctual i ca valoare medie pe bazinul hidrografic. Ca valoare punctual, ploaia maxim se determin sub form de intensitate i i probabilitate de depire n timp fiind exprimat n mm/min, corespunztoare timpului de concentrare. Pentru obinerea valorii medii a ploii de calcul Diaconu (1990), propune o ecuaie de calcul care ine seama de timpul de concentrare, parametrii de revenire n timp i zona n care este amplasat bazinul hidrografic.

Studii i sinteze asupra elementelor morfometrice, de mediu i dinamice ale bazinului hidrografic n scopul calculrii debitelor maxime din viituri n bazine hidrografice mici, au fost realizate de Platagea (1959), Musta (1973), Dumitrescu (1974), Platagea (1974), Ciotuz (1991), Munteanu i colab. (1991), Pcurar (2001). Cercetrile amintite anterior au avut ca scop principal calculul debitelor maxime lund n considerare elementele generatoare i condiionale ale acesteia.

In practica hidrologic din Romnia se utilizeaz mai multe metode de estimare i regionalizare a scurgerii maxime. Cea mai mare parte dintre acestea se bazeaz pe legturile care exist ntre parametrii scurgerii maxime i elementele morfometrice ale bazinelor hidrografice, ndeosebi suprafaa i altitudinea medie, precum i ntre parametrii scurgerii maxime i precipitaii.

Printre metodele frecvent utilizate de estimare a debitelor maxime se nscriu formulele de tip reducional, metoda raional. Mai recent, Diaconu (1990), a propus metoda statistic temporalo-spaial pentru evaluarea debitelor maxime.

24

1.1.1. Metoda raional de calcul a debitelor maxime

Pe teritoriul Romniei, cele mai mari debite maxime sunt generate de ploi toreniale, importan mare avnd sintezele asupra acestora, pentru calcularea maximelor. Metoda de calcul a debitelor maxime, care ia n considerare, n mod explicit ploile de intensitate maxim, n bazine hidrografice mici pune n centrul ei metoda raional care este sintetizat ntr-o relaie de calcul de forma:

)1(...167.0 %%max FiQ pp = unde: Qmaxp% - debitul maxim, n m3/s cu probabilitatea de depire-asigurare p%

ip% - intensitatea media a ploii n mm/min, de probabilitate p%, egal cu timpul de concentrare a scurgerii n bazinul hidrografic analizat, care genereaz debitul maxim. - coeficientul mediu de scurgere al bazinului hidrografic F suprafaa bazinului hidrografic, exprimat n km2 sau ha n urma analizei ecuaiei de calcul a debitelor maxime se observ c prin

intermediul metodei raionale se admite c ploaia de intensitate medie maxim i probabilitate p% genereaz un debit maxim de aceeai probabilitate.

Pentru aplicarea formulei de calcul este necesar elaborarea de sinteze referitoare la intensitile maxime de ploaie, timpi de concentrare i coeficieni de scurgere.

Cea mai important variabil, att pentru calculul scurgerii maxime ct i pentru determinarea intensitii ploii de calcul, este timpul de concentrare specific pentru fiecare bazin hidrografic. Timpul de concentrare este definit ca fiind durata de timp necesar curentului de ap s parcurg distana de la cel mai ndeprtat punct al bazinului hidrografic pn la seciunea de calcul, fiind determinat ca sum a doi timpi de concentrare: timpul de concentrare n albie i timpul de concentrare pe versani, utiliznd relaiile:

)2(albie

albie

versant

versantalbieversantc v

LvLttt +=+=

n care

)3(..

.1000

2/14/1

2/1

versantversantversant

versant

aIm

lt

=

i

25

)4(..

.10004/1

%max2/1

palbiealbie

albiealbie QIm

Lt =

unde:

l - lungimea medie a versanilor bazinului hidrografic n km

mversant coeficient legat de rugozitatea versanilor Iversant panta medie a versanilor, la mie

a - intensitatea medie cea mai mare a restituirii apei n timpul parcurgerii versanilor, mm/min Lalbie lungimea albiei de la izvor pn la seciunea de nchidere malbie coeficient legat de rugozitatea albiei Ialbie panta medie a albiei, Qmaxp% - debitul maxim cu probabilitatea de depire p% n m3/s. Ecuaiile de calcul ai timpilor de concentrare pentru bazinele hidrografice,

n scopul calculului debitului maxim probabil, au fost elaborate n 1984 i publicate n ndrumtorul internaional pentru metode de calcul a caracteristicilor hidrologice principale.

Pentru bazinele hidrografice mici din zonele montane, unde realizarea delimitrii ntre versani i albii este foarte dificil, serviciul hidrologic romn, prin intermediul studiilor realizate de ctre Mi (1983), Mi i colab. (1988, 1992), a elaborat sinteze asupra vitezelor medii de concentrare n bazine mici din Munii Carpai, prin valorificarea rezultatelor obinute pe bazine experimentale.

Influena coeficienilor medii de scurgere este definitoare n ceea ce privete calculul scurgerii maxime n bazine hidrografice mici. Contribuii remarcabile pentru determinarea coeficienilor de scurgere au fost aduse de ctre Hncu i colab. (1971), Stallings (1957), care studiaz coeficienii de scurgere n funcie de sol i ncadrarea acestuia pe tipuri de versani. Serviciul hidrologic romn, prin intermediul studiilor realizate de ctre Mi i colab. (1986, 1988, 1992), valorific rezultatele obinute pe bazine experimentale pentru generarea unor coeficieni de scurgere care in seama de intensitile de precipitaii, pant, textura solului i coeficientul de mpdurire.

Aplicarea metodei pentru bazine hidrografice mari este aproape inutil, deoarece ploaia este considerat uniform pe ntreaga suprafa a bazinului hidrografic, metoda putnd fi utilizat, cu succes, pentru bazine hidrografice mici, pn la 10 km2.

26

1.1.2. Metoda reducional de calcul a debitelor maxime

Dac staia hidrometric la care se realizeaz studiul i analiza debitelor maxime, deine iruri de date msurate pe o perioad mare de timp, nu mai mic de 20-25 de ani, irurile de date pot fi valorificate direct pentru calculul debitelor maxime. Pentru realizarea calculului debitelor maxime se apeleaz la determinarea unor caracteristici statistice ale irului de date i studiul legturii dintre acestea i factorii fizico-geografici, condiionali ai scurgerii.

Una dintre formulele care scoate n eviden aceste tipuri de legturi este fi formula:

)5(. 1%%maxn

pp FBQ=

unde: Bp% - debite maxime cu diferite asigurri F suprafaa bazinului hidrografic n indice de reducie a suprafeei bazinului hidrografic Parametrii pentru coeficienii de reducie ai suprafeei bazinelor hidrografice i debitele maxime cu diferite asigurri sunt redai, de regul, pe hri cu izolinii sau raioane. Legturi pot fi realizate i n cazul n care p% este nlocuit cu semnificaia de medie a debitelor maxime. n acest caz este absolut necesar determinarea de sinteze pentru coeficienii de variaie i simetrie, care mpreun cu valorile medii permit determinarea debitelor maxime cu diverse probabiliti de depire Musta i colab. (1969). Pentru a se putea realiza prelucrarea statistico-matematic, cu succes, a datelor, este necesar ca pentru fiecare staie hidrometric s se dispun de ntreg irul de date utile n procesul de cercetare: Qmax, qmax, Cv, Cs etc. Prelucrarea statistico-matematic a datelor se poate realiza n mai multe moduri, recomandat este utilizarea metodei de determinare a curbelor teoretice de depire, asigurare pornind de la graficul empiric temporal selectnd diferite valori empirice de asigurare.

Unul dintre criteriile de control al corectitudinii realizrii legturilor dintre suprafaa bazinului i Bp% este acela ca Bp% s fie n concordan cu intensitile maxime ale precipitaiilor din zonele respective. Dac legturile, suprafa-debit maxim, sunt realizate corect, atunci valoarea lui Bp%, exprimat sub form de strat de ap scurs n mm/min, nu depete intensitatea maxim a ploilor din zona analizat.

Deoarece pe teritoriul bazinului hidrografic se manifest i ali factori, care influeneaz debitele maxime, este necesar ca n formulele de calcul s se introduc coeficieni specifici pentru fiecare factor de influent. Cele mai importante influene asupra scurgerii maxime sunt exercitate de prezena lacurilor, bli,

27

mlatini, suprafee mpdurite pe teritoriul bazinului de drenaj. Prin multiplicarea relaiei (5) cu coeficienii specifici fiecrui tip de influen se obin date mult mai bune asupra scurgerii maxime.

ndrumtorul internaional pentru metode de calcul a caracteristicilor hidrologice principale (1984) recomand urmtoarea relaie pentru integrarea coeficienilor de influen a scurgerii n determinarea final a acesteia:

( ) )6(1 321%

%max npp FB

q +=

unde: 1, 1, 1 reprezint coeficieni adimensionali care iau n considerarea micorarea debitelor maxime datorit suprafeelor mpdurite din bazin, prezenei lacurilor, blilor etc. de pe suprafaa de drenaj. Sintezele directe asupra debitelor maxime nu iau n considerare

precipitaiile, de aceea ele sunt mai puin utilizate i aplicate n practica hidrologic.

1.1.3. Metoda statistic temporalo-spaial de determinare a debitelor maxime

Metoda statistic temporalo-spaial a fost propus de ctre Diaconu (1990), putndu-se utiliza pe zonele considerate unitare din punct de vedere al existenei statistice n timp i spaiu a irurilor de observaii cu privire la debitele maxime.

Pentru ca metoda s fie ct mai precis, este recomandat ca numrul punctelor hidrometrice s fie ct mai mare i irul de date nregistrate s aib continuitate, s se ntind pe o perioad ct mai lung de timp.

irurile de date de la staiile analizate se ordoneaz n mod descresctor obinndu-se, astfel, mulimi temporale. Pe baza irurilor de date se construiesc, sub form de grafice, curbele de asigurare-depire i modelul debitului maxim probabil.

Una din principalele probleme pe care metoda i propune s le rezolve este aceea de a preciza riscul-ansa ca ntr-o perioad de timp, o anumit valoare a debitului maxim, modelat, s fie depit. O alt problem, care se poate rezolva prin intermediul metodei temporalo-spaiale este aceea ce a preciza riscul de depire a unei valori a debitului maxim pentru un bazin de o anumit suprafa.

Limitele minime, n ceea ce privete suprafaa bazinului hidrografic, pentru care metoda se poate aplica cu rezultate bune sunt de 20-30 km2 mergnd pn la maximele de 2500 km2.

28

1.2. Modele mixte: hidrologice-G.I.S.

Modelarea componentelor sistemelor hidrologice reprezint o importan mare n studierea viiturilor de versant, fiind o permanent preocupare a cercetrii tiinifice, cu o aplicabilitate foarte mare n ceea ce privete gestionarea integrat a resurselor de ap. Modelele hidrologice sunt reprezentri simplificate ale complexitii fenomenelor care se desfoar n interiorul bazinului de recepie, avnd la baz funcia de impuls combinat cu principiul liniaritii sistemelor hidrologice.

n contextul schimbrilor climatice, actuale, studiul viiturilor de versant constituie una dintre problemele de cea mai mare actualitate pentru care s-au realizat numeroase modele hidrologice, Singh (1995), avnd ca principal scop prevenirea efectelor catastrofale generate de acestea. Pentru a alege cel mai potrivit model de analiz a viiturilor de versant este necesar accesul la informaia geografic care poate s ofere o viziune global asupra componentelor sistemului de scurgere.

O definiie complex a modelelor este dat de ctre Ionescu i colab. (1975), care spune c modelele constituie reprezentri condensate, ct mai fidele cu putin, a sistemelor reale, stabilite cu scopul de a analiza legile i relaiile fundamentale care guverneaz procesele caracteristice sistemului analizat, de a verifica i analiza rezultatele.

n general, n literatura de specialitate modelele hidrologice se pot mpri n dou categorii fundamentale n funcie de natura lor, Stnescu (1985) : modele fizice care reproduc prin instrumente fizice realitatea din natur i urmresc fenomenele hidrologice pe baza reproducerii intrrilor n condiii similare cu cele din natur modele matematice care ncearc s descrie sistemul hidrologic prin relaii matematice i o a treia categorie, mai puin utilizat este modelarea conceptual care const n modelarea, prin intermediul unei scheme logice a procesului de formare a scurgerii.

Dup Chow i colab (1988), pentru realizarea clasificrii modelelor trebuie luate mai multe decizii care s-ar putea exprima sub forma unor ntrebri. Sunt variabilele, care alctuiesc modelul, ntmpltoare sau nu? Aceste variabile sunt uniforme n ceea ce privete spaialitatea? Sunt variabilele constante n timp? Analiznd aceste ntrebri, Chong-Yu Xu (1992), a propus o schem de clasificare a modelelor (Fig.1.1) care ine seama de toate ntrebrile de mai sus.

n prima faz, modelele hidrologice au fost mprite n modele deterministe i stochastice. Cele dou tipuri de modele sunt difereniate de caracterul ntmpltor pe care l au sau nu variabilele care alctuiesc modelul. Modelul se poate considera determinist dac nici una din variabile nu este ntmpltoare, modelul este stochastic dac una sau mai multe variabile care l alctuiesc sunt aleatoare.

Dup Singh (1995), procesul ploaie-scurgere maxim poate fi modelat i clasificat n funcie de timpul i spaiul de manifestare, prin intermediul ecuaiilor

29

Figura 1. 1. Clasificarea modelelor hidrologice n funcie de hazard, spaiu i timp (dup Chong-Yu Xu 1992)

matematice. Caracteristicile principale pentru clasificarea acestor tipuri de modele in de: natura algoritmilor de baz (ecuaii matematice, analiz conceptual), abordarea este stocastic sau determinist, n funcie de parametrii de intrare, modelul este o reprezentare spaial cu parametrii distribuii sau cu parametrii concentrai.

Prima caracteristic definete modelul ca o simpl legtur matematic ntre intrrile i variabilele bazinului de recepie, rezultatul putnd fi influenat i de descrierea conceptual, n mod simplificat a procesului de viitur de versant. Dac se dein descrieri de date referitoare la sistemul de ploaie-scurgere pe perioade foarte lungi de timp, se poate apela n procesul de modelare, la funciile statistice, rezultatele obinute fiind utile n analiz. Chiar dac abordarea conceptual a parametrilor bazinelor hidrografice este una foarte corect, n procesul de simulare intr i alte variabile medii i parametrii specifici, fcnd ca modelul s fie unul pur fizic. Unele dintre cele mai cunoscute modele fizice G.I.S. este reprezentat de modelul KINEROS2, WaSiM (Water balance Simulation Model) dezvoltat de ctre Swiss Federal Institute of Technology (ETH) n Zurich.

Modelul KINEROS2 (Kinematic Runoff and Erosion Model) completeaz varianta anterioar a modelului KINEROS care, din punct de vedere fizic este orientat pe descrierea procesului de intercepie, infiltrare, scurgere de suprafa i eroziune pe teritoriul bazinelor hidrografice. Modelul trateaz suprafaa bazinului hidrografic ca i o reea de canale naturale de scurgere crora li se calculeaz prin

Sistemul f(hazard, spaiu, timp)

Condiii de clasificare

Hazardul

Uniformitatea spaial

Variaia temporal

Modele stochasticeModele determinate

Omogene Eterogene Independente spaial

Dependente spaial

Scurgere invariabil (uniform)

Scurgere variabil

Scurgere invariabil(uniform)

Scurgere variabil

Independente temporal

Dependente temporal

Independente temporal

Dependente temporal

Intrri Ieiri

30

intermediul ecuaiilor scurgerea pe versant i n albie, aproximnd infiltrarea i eroziunea. La nregistrarea unei ploi toreniale, oarecare, modelul KINEROS2 este capabil s fac distribuirea acesteia, prin interpolare, n funcie de centrul de greutate al bazinului hidrografic, pe teritoriul suprafeei de drenaj i s simuleze scurgerea maxim indicnd potenialele zone de acumulare a debitului maxim simulat.

Modelele matematice, dup Pcurar (2005), pot fi, n raport de modul de reprezentare a sistemelor cercetate (dup tipul parametrilor, variabilelor i relaiilor dintre acestea): stochastice sau deterministe, globale sau distribuite, respectiv conceptuale sau empirice.

Chong-Yu Xu (1992), identific un model hidrologic stochastic atunci cnd una sau mai multe variabile, care l alctuiesc sunt aleatoare. Modelele stochastice, prin intermediul analizei de frecven, pot prevedea eventualele intrri n sistem ntr-o perioad de timp viitoare. Modelele statistice sunt utilizate, cu precdere, la analiza irurilor de date meteorologice, modelul Thomas-Fiering (1962), aplicat de, Haidu (1997), pe ruri din Romnia. O alt aplicaie cu caracter de model stochastic este reprezentat de modelarea irurilor de debite maxime calculate pentru anumite viituri de versant, cu scopul determinrii anumitor probabiliti de asigurare.

Modelul se poate considera determinist dac nici una din variabile nu este ntmpltoare dup Chong-Yu Xu (1992). Modelele deterministe nu sunt capabile s genereze eventualele intrri de ap, din precipitaii, energie, prin intermediul temperaturilor, aceste variabile trebuie cunoscute, prevzute de ctre utilizator.

Modelele globale constau n seturi de ecuaii sau relaii empirice stabilite ntre variabilele sistemului hidrografic, relaii care nu in seama de distribuia spaial a proceselor i transformrilor ce au loc n interiorul sistemului hidrologic.

Cel mai simplu model determinist global este formula raional de calcul a debitelor maxime din viituri, propus de Diaconu (1994), INMH (1997), modelul SCS-CN (Ponce i colab. 1996), HEC-1, RORB, Tank Model. Modelul HEC-1 (Hydrologic Enginering Center), ca i program geoinformaional, a fost dezvoltat de ctre un grup de cercettori ai Hydrologic Engineering Center (HEC) n anul (1967), prima versiune a programului fiind publicat un an mai trziu. HEC-1 este proiectat pentru a simula rspunsul scurgerii de suprafa a unui bazin hidrografic, n funcie de intensitatea i durata unei anumite ploi, lund n considerare rspunsul dat de componentele hidraulice interconectate. Fiecare component modeleaz o parte a procesului de formare a scurgerii maxime pe o anumit poriune a bazinului hidrografic sau a subbazinelor, reprezentnd o entitate spaial bine definit i unic n procesul de analiz a sistemului ploaie scurgere, concretizndu-se n canale de scurgere, scurgere laminar sau rezervor de stocaj. Reprezentarea i identificarea acelor componente necesit cunoaterea unui set de parametrii care s specifice trsturile componentei i relaiile matematice care guverneaz procesele fizice de interconectare.

31

Rolul modelului HEC-1 este acela de a calcula hidrograful de scurgere maxim la un anumit punct de nchidere a bazinului hidrografic prin intermediul analizei matematice a factorilor care condiioneaz scurgerea. Modelele hidrologice deterministe distribuite sau modele eterogene (dependente spaial) in seama de distribuia variabilelor de intrare punct cu punct pe ntreaga suprafa a sistemului modelat. Modelele eterogene pot fi clasificate ca i modele geometrice sau modele eterogene stochastic, clasificare care depinde de variabilitatea intrrilor i parametrii luai n considerare n momentul nceperii procesului de modelare. Dac variabilele i parametrii modelului sunt considerai eterogeni atunci modelul este eterogen stochastic, dac variabilele i parametrii sunt omogeni atunci modelul este clasificat ca model geometric. Realizarea de modele G.I.S. distribuite este destul de dificil, datorit variabilitii spaiale a tuturor componentelor care intr n structura modelului i insuficienei datelor necesare pentru definirea modelului. Modelele reprezint variaia spaial a sistemului hidrologic prin descompunerea acestuia n suprafee elementare sau funcionale, versani, albii i descrierea acestora separat, iar gradul de corectitudinea datelor de ieire, fidelitate, depinde de mrimea suprafeei. Deoarece pentru fiecare zon funcional se construiete un alt model distribuit, n literatura de specialitate, acest tip de modele poart numele de modele semidistribuite. Unele modele G.I.S. se pot ncadra n cadrul modelelor distribuite deoarece reuesc s surprind, n mare parte, variaia spaial a componentelor sau au capacitatea de descompunere, analiz i recompunere a sistemului hidrologic. Cele mai utilizate modele G.I.S., distribuite, sunt MIKE SHE, KINEROS, IGSM2 (Integrated Groundwater-Surface water Model 2) MIKE SHE este privit ca un sistem complex pentru modelarea proceselor majore care se desfoar n interiorul sistemului de ploaie-scurgere. MIKE SHE, n forma lui original, poate fi caracterizat ca un model determinist din punct de vedere fizic. Modelul simuleaz debitele de ap, calitatea apei, capacitatea de transport a acesteia, Refsgaard i colab. (1995). Aplicabilitatea modelului este foarte variat ca scar de lucru, pornind de la o parcel singular a bazinului hidrografic, pn la regiuni mari de aproximativ 100 km2. Testarea i implementarea modelului s-a realizat ntr-un numr mare de proiecte de cercetare n condiii hidroclimatice diferite, Graham (2005). Modelul hidrologic, integrat, MIKE SHE este realizat de Systme Hydrologique Europen (SHE) i dezvoltat mpreun cu mai multe instituii europene: Institute of Hydrology (United Kingdom), SOGREAH (France) i DHI (Denmark). SHE este dezvoltarea modelului matematic propus de Freeze i colab. (1969), care descria diferite procese de scurgere prin intermediul ecuaiilor difereniale, rezultatul lor fiind aproximri numerice ale fenomenelor n spaiu i timp. Ideea central a modelului este aceea ca s se poat descrie un bazin de recepie dat cu un nivel de detaliu suficient de bun pentru a se putea aproxima un

32

fenomen hidrologic corect din punct de vedere al mecanismului de propagare. Modelul MIKE SHE percepe bazinul hidrografic ca un sistem n interiorul cruia procesele majore i interaciunile dintre ele sunt ntr-o permanent conlucrare. Modelele conceptuale sunt prezentate drept modele hidrologice n care legturile dintre variabilele de intrare i cele de ieire sunt guvernate de legi fizice. Dintre modelele G.I.S. conceptuale la care, legile fizice fac legtura ntre intrri i ieiri, cele mai cunoscute ar fi: SHE, IDHM (Institute of Hydrologi Distributed Model), TOPMODEL. TOPMODEL este un model conceptual de suprafa n care factorii predominani care stau la baza genezei scurgerii maxime sunt reprezentai de topografia bazinului hidrografic (DEM) i o lege matematic, negativ, ntre infiltrarea apei n sol i distana vertical de la nivelul inferior de saturare a solului pn la suprafa. n cadrul modelului, scurgerea total este calculat ca i sum ntre doi termeni: scurgerea de suprafa i scurgerea n urma saturrii complete a solului cu ap. Modelul prezentat este un model conceptual, unul n care realitatea fizic este reprezentat ntr-un stil simplificat, topmodel fiind frecvent descris ca model cu baz fizic, n sensul n care parametrii lui pot fi msurai direct Beven i colab. (1979). Topmodel analizeaz topografia terenului prin intermediul indexului topografic, ln(a/tanB), n care a reprezint suprafaa de drenaj identificat prin intermediul DEM-ului i B reprezint gradientul fluxului mediu de scurgere la ptrat. Indexul topografic este calculat prin intermediul DEM. Mrimea pixelilor, recomandat, pentru realizarea modelului topogrid este variat. Quin i colab. (1995), realizeaz modelul topogrid pe DEM-uri, corecte hidrologic, obinute cu ArcInfo la rezoluii diferite: 2, 4, 10, 30 i 90 m. n urma analizei rezultatelor obinute, autorii concluzioneaz c DEM-ul cu rezoluia de 10 m este indicat pentru realizarea, cu succes, a modelului. Index-ul topografic se calculeaz pe DEM-ul bazinului hidrografic, care trebuie realizat foarte bine, pentru a se putea surprinde, pe parcursul analizei, toate trsturile morfometrice i schimbrile de pant. Pe baza DEM, indexul topografic este clasificat n zone hidrologice omogene, acestea stnd la baza generrii rspunsului de exces de umiditate i genez de viitur.

O alt clasificare a modelelor G.I.S., hidrologice se poate realiza n raport cu interfaa utilizatorului Pcurar (2005). Din acest punct de vedere se propun urmtoarele tipuri de modele: modelul de cutie neagr, cutie gri, cutie alb, n funcie de msura n care utilizatorul vizualizeaz structura intern a modelelor i este informat n legtur cu modificrile pe care le sufer variabilele ntr-o etap sau alta.

n funcie de timpul i suprafaa pentru care se construiesc modelele hidrologice concepute pentru studierea scurgerii maxime, acestea se clasific n

33

modele pentru intrri de ploi toreniale, sunt modelele realizate pentru procese meteorologice i hidrologice cu durat de timp mic, modele pentru ploi toreniale i scurgere maxim, reprezint modele combinate care necesit un timp mai mare de realizare a procesului complex de ploaie-scurgere. n funcie de scar, suprafa, se disting modele pornind de la parcel i bazin hidrografic mic, modele la scar mare, mergnd pn la modele la scar mic, modele de simulare a scurgerii sistemului naional de ruri Pcurar (2005).

n urma evoluiei n timp a modelelor hidrologice rezult faptul c toate modelele, att cele concepute nainte de dezvoltarea sistemelor geografice informaionale, ct i modelele create i dezvoltate n ultima perioad de timp tind spre integrare G.I.S. datorit modului mai rapid i mai corect de realizare.

1.3. Potenialul funciilor Arc pentru implementarea G.I.S. n modelarea viiturilor de versant

Sistemele informaionale geografice au fost concepute pentru realizarea de modele pe suprafee mari, state i entiti administrative, fiind utilizate cu scopul de a realiza hri i de a stoca atribute informaionale spaiale. Uurina de manipulare a datelor spaiale i rezultatele foarte bune nregistrate n urma realizrii de modele, au fcut ca s existe un interes foarte mare pentru introducerea n inginerie, proiectare, hidrologie i hidrotehnic G.I.S.. Scopul principal pentru care s-a dorit implementarea G.I.S. n aceste structuri, este acela de a dezvolta medii cu ajutorul crora G.I.S. s fie capabile de a oferi soluii de determinare a frecvenei de apariie a unui eveniment extrem, amplasare corespunztoare a sistemelor hidrotehnice, amplasare a digurilor de aprare mpotriva inundaiilor, determinare a canalelor de drenaj etc.

Civa cercettori pot fi menionai ca pionieri ai dezvoltrii aplicaiilor G.I.S. n hidrologie. Primele ncercri au fost realizate de ctre Jenson i colab. (1988), care au propus soluii pentru delimitarea automat a cumpenelor de ap i a canalelor de drenaj spre punctele de control, utiliznd o reea de grtare, de tip GRID. Schema utilizeaz informaiile altimetrice ale fiecrei celule a GRID-ului pentru a determina direcia de orientare a celulei analizate ctre celelalte opt din jurul ei. Celula care contribuie la formarea scurgerii este considerat ca i celul de pe suprafaa bazinului hidrografic, iar celulele care nu contribuie la procesul de scurgere sunt identificate drept cumpene de ap.

Tarboton i colab (1991), propun o metod de identificare a canalului de drenaj al apei pe versant i calcul a lungimii acestuia, utiliznd tot o structur de tip GRID.

Modelarea viiturilor de versant presupune, pe lng conceperea i structurarea teoretic a modelului, unelte i medii propice de realizare a acestuia. Programele geoinformaionale ofer posibilitatea de manipulare a datelor hidrologice i definire de modele proprii sau alegerea modelelor existente, prin

34

intermediul funciilor i ecuaiilor de analiz spaial. Funciile de analiz spaial sunt concretizate n rutine, care prin intermediul ecuaiilor i analizei scot n eviden manifestarea spaial a unui element constituent al modelului hidrologic.

n procesul de modelare a viiturilor de versant s-au utilizat funciile puse la dispoziie de programul ArcInfo i ArcG.I.S., funcii specifice pentru simularea traseelor de viitur i delimitarea cumpenelor de ap: Topogrid, Flowdirection, Flowaccumulation, Stream definition, Streamorder, Flow Path Tracing, Watershed delineation.

Funcia topogrid este utilizat i recomandat utilizatorilor programelor geoinformaionale pentru a realiza modelul digital de elevaie al terenului (DEM) pentru aplicaii hidrologice. Baza de plecare pentru realizarea interpolrii de tip topogrid este programul ANUDEM dezvoltate de ctre Hutchinson (1988, 1989).

Procedura de interpolare este proiectat n aa fel nct s se poat utiliza toate layerele de tip coverage care conin tipurile de date de intrare cu informaii altitudinale despre suprafeele caracterizate.

Apa este principala for de eroziune determinnd forma general a suprafeei bazinului hidrografic. Din acest motiv bazinul hidrografi este caracterizat prin mai multe zone altitudinale (culmi) i zone joase (minime locale), rezultnd un model de drenaj concentrat complex. Funcia topogrid, prin metodologia de interpolare, identific aceste dou limite de drenaj i impune constrngeri de interpolare pentru a se putea identifica ct mai corect drenajul de la limita maxim la cea minim i conturarea, corect a crestelor altitudinale. Condiia principal, de drenaj, face ca n procesul de interpolare zonele joase, false, s fie ndeprtate automat.

Flowdirection, direcia de scurgere a apei pe versant, bazat pe modelele digitale de elevaia (DEM), se utilizeaz n modelarea hidrologic cu scopul de a defini cile de drenaj a apei, transportul sedimentelor i micarea curenilor scurgerii laminare pe versant.

Cea mai utilizat metod de determinare a direciei de scurgere a apei pe versant este metoda D8, care presupune gsirea pantei celei mai mari ntre celula analizat i celelalte opt alturate ei. Metoda D8 (metoda pe opt direcii) a fost introdus de ctre OCallaghan i colab. (1984), i mbuntit de Jenson i colab (1988), Tarboton (1989).

Dup unii cercettori, Costa-Cabral i colab. (1994), Fairfield i colab (1991), metoda D8 ofer unele dezavantaje, deoarece la o pant de peste 450 direcia de scurgere se realizeaz aleator, doar n una dintre cele opt direcii, acetia propunnd metode de rezolvare a acestui impediment.

O alt propunere de rezolvare a limitrilor impuse de metoda D8 este aceea a lui Quinn i colab. (1991), care propune o metod, denumit metoda direciilor multiple de scurgere. Prin intermediul acestei metode, i este alocat o direcie de scurgere parial, fiecrei celule vecine, mai joas altimetric dect celula vecin. Neajunsul acestei metode este acela c scurgerea de pe un pixel este dispersat automat spre toate celulele mai joase dect celula analizat. Toi algoritmii de calcul a direciei scurgerii pe versani in cont de dispersie, la metoda D8 dispersia se face spre celula cu cea mai mare pant.

35

Lea (1992), dezvolt un algoritm de calcul a direciei de scurgere a apei pe versant, asociind fiecrui pixel din orientarea versanilor o direcie specific de scurgere continu (un unghi ntre 0 i 2), fr a se ine seama de dispersie.

Costa-Cabral i colab. (1994), elaboreaz un nou algoritm de determinare a direciei de scurgere a apei pe versant, DEMON (digital elevation model network) extinznd algoritmul propus de Lea (1992). Algoritmul ia n considerare colurile pixelului ca valori altitudinale, centrul rmnnd plan. Costa-Cabral i colab. (1994), apreciaz scurgerea n dou dimensiuni, fiind organizat uniform pe suprafaa celulei i lund direcii de scurgere n funcie de panta colurilor pixelului. i aceast metod are un neajuns, deoarece, orice plan, poate fi conturat din trei puncte, poate reprezenta un triunghi i, n acest caz jumtate parte din planul propus de Costa-Cabral i colab. (1994), nu va lua parte la realizarea identificrii direciei de scurgere a apei pe versant.

Funcia flowaccumulation disponibil n programul ArcInfo, prezint un mod indirect de a determina canalele de drenaj ale apei pe baza unui DEM. Poate fi definit ca numrul de celule, pixeli, care fac parte din canalul de scurgerea a apei de pe un anumit bazin hidrografic. Calculul debitului acumulat pe diverse sectoare ale canalului de drenaj i mprirea scurgerii pe canale de scurgere (vi), pe suprafaa bazinului hidrografic poate fi realizat utiliznd funcia flowaccumulation.

Pe msur ce se determin acumularea scurgerii, se contureaz i canalele poteniale de scurgere a apei.

Stream definition. Funcia permite definirea canalului de drenaj pe baza gridului reprezentnd acumularea scurgerii. Este foarte important ca acumularea scurgerii s fie corect realizat, deoarece, dac se identific o celul fr direcie i acumulare de scurgere definit realizarea canalului de drenaj va fi ntrerupt i reluat de la celula urmtoare, reeaua hidrografic, generat, fiind eronat.

Funcia streamorder conine un algoritm de calcul a ordinului reelei hidrografice bazat pe reeaua hidrografic derivat din acumularea apei pe versant. Funcia, ncorporat n programul geoinformatic ArcInfo, dispune de doi algoritmi de calcul ai ordinului reelei hidrografice, dup Strahler (1952) i Sherve (1967). Pentru a se veni n ntmpinarea i mbuntirea determinrii ordinului reelei hidrografice, Razif (2002), realizeaz o extensie pentru programul ArcView care d posibilitatea de a calcula i determina ordinele de mrime ale reelei hidrografice direct de pe vectorii reprezentnd reeaua hidrografic.

Funcia watershed permite identificarea i conturarea automat a cumpenelor de ap ale bazinelor hidrografice, pe baza acumulrii i direciei scurgerii.

Cele mai importante i utilizate funcii, pentru realizarea modelelor de scurgere maxim, pe suprafaa bazinului hidrografic sunt reprezentate de topogrid, direcia i acumularea scurgerii, deoarece pe baza rezultatelor acestor funcii se realizeaz extragerea parametrilor topografici utilizai drept componente ale modelului integrat ploaie-scurgere maxim.

36

2. APLICAREA FUNCIILOR ARC PENTRU REALIZAREA BAZEI DE DATE -

BAZINUL SUPERIOR AL SOMEULUI MIC -

Utilizarea tehnologiei G.I.S. n cadrul studiilor de calcul i modelare a viiturilor de versant devine o practic obinuit a cercettorilor n domeniu. Sistemele geoinformatice (G.I.S.) sunt conturare ca entiti complexe de vizualizare, gestionare i analiz a seturilor de date geografice, spaiale, prin intermediul modulelor de analiz spaial.

Posibilitile de interconectare a modulelor programelor geoinformatice (preluarea automat a punctului localizat (prin GPS, preluarea automat a msurtorilor de lungimi i suprafee), de analiz a datelor obinute din msurtori n teren i de organizare a acestor date n structuri de tipul modelelor hidrologice, duce la obinerea unor rezultate foarte bune n comparaie cu metodologia clasic de calcul i modelare a viiturilor de versant.

Someul Mic i desfoar bazinul hidrografic n partea de Nord-Vest a rii, ntinzndu-se n suprafa pe teritoriul judeelor Cluj, cea mai mare parte a bazinului i Bihor, n sectorul superior.

Bazinul hidrografic se desfoar, cu ntreaga suprafa, n administraia sucursalei bazinale Some-Tisa, pe teritoriul administrat de sistemul de gospodrire al apelor Cluj, fiind ncadrat n partea de N de Bazinul Hidrografic Some, n partea de NE i E de Bazinul Hidrografic Someul Mare, n partea de S i SV de Bazinul Hidrografic Mure, iar n partea de NV de Bazinul Hidrografic Criuri. (Fig. 2.1)

Pentru realizarea calculelor i scoaterea n eviden a posibilitilor oferite de sistemele geografice informaionale, n acest scop, s-a ales ca teritoriu de studiu doar Bazinul Hidrografic Superior Someul Mic. (Fig. 2.2)

De ce acest teritoriu pentru studiu? Analiznd configuraia reliefului i dispunerea intravilanelor localitilor

de pe ntreg teritoriul bazinal Someul Mic, dar i inventarierea, n prealabil, a viiturilor nregistrate scoate n eviden faptul c viiturile cele mai multe la numr i cu cele mai dezastroase efecte asupra teritoriului i implicit asupra populaiei s-au nregistrat pe teritoriul bazinului superior.

Un alt motiv care a dus la alegerea, pentru studiu, a acestui teritoriu, este acela care se desprinde din nevoia de date hidrologice i meteorologice din ct mai multe puncte posibil. Pe teritoriul bazinului hidrografic Someul Mic reeaua de staii hidrometrice i posturi pluvio cuprinde un numr de 21 de puncte de prelevare a datelor (dup proiectul DESWAT 2000-2003 Destructive Water Abatment and

37

Figura 2.1 Localizarea Bazinului Hidrografic Someul Mic

Figura 2.2 Localizarea Bazinului Hidrografic Superior Someul Mic

38

Control, program care are urmtoarele scopuri principale: mbuntirea capacitii i a vitezei de prognozare; mbuntirea preciziei de prognozare; evaluarea pagubelor poteniale costuri, n cazul inundaiilor) din care 12 sunt situate pe teritoriul bazinului superior. n ceea ce privete staiile meteorologice, teritoriul de studiu poate fi controlat de un numr de 5 puncte de prelevare a datelor meteorologice (intensiti de precipitaii), bazinul inferior nefiind att de bine monitorizat.

Realizarea modelelor complexe, de calcul, identificare i prognoz a viiturilor de versant necesit realizarea, n prealabil, a unei baze de date spaial i numeric specific. Baza de date specific modelelor G.I.S., hidrologice, de calcul a debitelor maxime, realizate pentru aceast lucrare, poate fi structurat n trei mari pri: baza de date primar (curbe de nivel, lacuri, reea hidrografic, informaii vectoriale cu privire la soluri, vegetaie, mod de utilizare al terenurilor), baza de date derivat (obinut n urma analizei spaiale a bazei de date primare, direcia scurgerii, acumularea scurgerii, extragerea reelei hidrografice) i baza de date modelat (concretizat n seturi de vectori i rastere rezultate n urma definitivrii i realizrii modelelor de identificare a viiturilor de versant pe baza debitului maxim calculat).

2.1 Baza de date primar

Sistemele Informaionale Geografice (Geographical Information Systems G.I.S.) fac parte din clasa cea mai rspndita a sistemelor informatice, alturi de acestea mai putndu-se deosebi Sisteme Informatice Economice, Energetice, Medicale etc. Principala caracteristic a unui G.I.S. o constituie tratarea informaiei innd cont de localizarea sa, amplasarea ei spaial, geografic, n teritoriu prin coordonate.

Datele geografice sunt baza modelelor realizate n SIG, tipul i cantitatea datelor de prelucrat sunt factorii care impun att dezvoltarea sistemelor de calcul ct i diversificarea i optimizarea procedurilor de analiz i management. Prin dat geografic sau georefereniat (refereniat geografic) vom nelege o dat care poate fi corelat cu o poziie bine determinat de pe Pmnt. (Haidu, I., i colab. 1998)

Orice hart realizat n G.I.S. se poate descompune n mai multe straturi i mai multe straturi organizate ntr-un proiect poate forma o hart. Acest tip de organizare a hrilor pe straturi, constituie ceea ce se numete baza de date spaial G.I.S..

Straturile pot fi combinate astfel nct s genereze hri care nu exist n form tradiional. Cnd se creeaz un strat trebuie s se tie c acesta este utilizat n ntregime, adic entitile geografice nu pot fi separate. Produsele soft mai puternice au posibilitatea de a ndeprta anumite poriuni din hart sau s creeze dou straturi mai simple din unul mai ncrcat, ns aceast operaiune poate complica lucrurile n mod inutil. Pentru majoritatea prelucrrilor se prefer o structur simpl a unui strat i s avem mai multe straturi. (Imbroane, Al. M., i colab. 1999).

Pentru realizarea bazei da date necesar n procesul de analiz i realizare a funciilor G.I.S., cu aplicabilitate n modelarea hidrologic, am utilizat programele ArcG.I.S., ArcInfo i ArcView cu modulele i extensiile specifice fiecruia dintre ele.

39

Prima etap pe care am ntreprins-o n procesul de realizare a bazei de date primare este a