Pagina documente » Politehnica » Studiul procesului precipitatie - scurgere. Utilizarea datelor GIS in modelarea hidrologica

Despre lucrare

lucrare-licenta-studiul-procesului-precipitatie-scurgere.-utilizarea-datelor-gis-in-modelarea-hidrologica
Aceasta lucrare poate fi descarcata doar daca ai statut PREMIUM si are scop consultativ. Pentru a descarca aceasta lucrare trebuie sa fii utilizator inregistrat.
lucrare-licenta-studiul-procesului-precipitatie-scurgere.-utilizarea-datelor-gis-in-modelarea-hidrologica


Cuprins

1 Capitolul 1.Introducere
1.1 Importanta temei
1.2 Scopul lucrarii
2 Capitolul 2. Studiul procesului precipitatie-scurgere
2.1 Procesul ploaie-scurgere
2.2 Modelarea procesului ploaie-scurgere
2.3 Modele utilizate de programul HEC HMS
2.3.1 Modele bazate pe coeficientul de scurgere
2.3.1.1 Modelul infiltratiei constante cu pierderi initiale
2.3.1.2 Modelul SCS-CN
2.3.2 Modele fizice
2.3.2.1 Modelul Green-Ampt
3 Capitolul 3. Studiul precipitatiilor in vederea modelarii hidrologice
3.1 Monitorizarea pe teren a precipitatiilor
3.1.1 Masurarea precipitatiilor
3.1.2 Masurarea apei din ploi
3.1.3 Masurarea zapezii si a apei de topire
3.1.4 Erori de masurare a precipitatiilor
3.1.5 Cerintele de calcul a volumului scurs
3.1.6 Calculul precipitatiei medii
3.1.6.1 Metoda mediei aritmetice
3.1.6.2 Metoda integrarii pe izohiete
3.1.6.3 Metoda poligoanelor Thiessen
3.1.7 Distribuirea temporala a precipitatiilor
3.1.8 Metoda ponderata
3.2 Furtunile ipotetice
3.2.1 Concepte bazate pe modele standard
4 Capitolul 4. Utilizarea datelor GIS in modelarea hidrologica
4.1 GIS (Geographic Information Systems)
4.2 Programul ArcView
4.2.1 Cuverturile ARC/INFO
4.2.2 Privire generala asupra caracteristicilor programului
4.2.3 Ferestrele de vizualizare (Views)
4.2.4 Alte functii: zoom, pan, scale, measure
4.2.5 Cuverturile tematice
4.2.6 Crearea unei harti noi
4.2.7 Specificarea scarii la care o tema este afisata pe harta
4.2.8 Alipirea unui tabel la tabelul de atribute ale unei teme
4.2.9 Simbolizarea datelor
4.2.10 Reprezentarea la scara a punctelor si liniilor
4.2.11 Adaugarea de simboluri suplimentare
4.2.12 Etichetarea hartilor
4.2.13 Atasarea/detasarea graficelor la o tema
4.2.14 Realizarea de grafice
4.2.15 Adaugarea de componente optionale
4.2.16 Referentierea imaginilor la spatiul geografic
4.3 Modele hidrologice
5 Aplicarea programului HEC-GeoHMS in analiza morfologica a bazinului si retelei hidrografice. Studiu de caz-sectorul Vaii Prahova cuprins intre Comarnic si Lunca Prahovei.
5.1 Preprocesarea modelului de teren .
5.1.1 Nivelarea terenului:
5.1.2 Determinarea directiei de curgere
5.1.3 Determinarea acumularii:
5.1.4 Definirea retelei de curgere
5.1.5 Verificarea retelei hidrografice obtinute
5.1.6 Segmentarea cursului de apa
5.1.7 Trasarea Bazinului
5.1.8 Procesarea bazinului sub forma de poligoane
5.1.9 Procesarea segmentelor retelei
5.1.10 insumarea subbazinelor
5.1.11 Extragerea datelor spatiale necesare elaborarii modelului hidrologic
5.2 Crearea proiectului Prahova
5.3 Procesarea bazinului
5.3.1 Fuzionarea bazinelor
5.3.2 Profilul longitudinal al riului
5.3.3 Lungimea cursurilor de apa
5.3.4 Panta riului
5.3.5 Centrul de greutate al bazinului
5.3.6 Lungimea maxima de curgere
5.3.7 Traiectoria de curgere de la centru de greutate la punctul de confluenta
5.3.8 Generarea schemei bazinului pentru intrarea in programul HEC-HMS
5.3.9 Legenda HMS
CONCLUZII

EXTRAS DIN DOCUMENT

?2. Ciclul hidrologicHidrologie si Meteorologie?1 INTRODUCERE

1.1 Importanta temei

Pericolul continut de sistemele geomorfologice de albie si versant pentru comunitatile umane, cu precadere in areale cu fragmentare mare, se inscrie ca o prioritate in cercetarea geomorfologica dupa 1990, o data cu declararea deceniului 90 ca deceniu de lupta impotriva dezastrelor naturale (IDNDR) si cu adoptarea rezolutiei E/1999/L44 de catre Consiliul Economic si Social al ONU, privind continuarea activitatilor legate de reducerea efectelor dezastrelor naturale, pe perioada 2000-2010 (UNISDR). Unul dintre obiectivele de baza ale acestui comitet il reprezinta elaborarea strategiei si metodologiilor de inventariere, prognoza, analiza, precum si de prevenire prin monitorizare a suprafetelor instabile.

Surprinderea elementelor de instabilitate potentiala la nivelul de reactie a sistemului morfologic, prin intermediul cuplului albie-versant, ca raspuns la transformari naturale sau antropice de mediu, reprezinta o prioritate in contextul schimbarilor globale, in acord cu cerintele dezvoltarii durabile. Senzitivitatea sistemelor morfologice este data de masura in care schimbarile de mediu introduc modificari in atributele acestora. Cu cat sistemul prezinta o inertie mai mare in reactie, acumuland tensiuni, cu atat eliberarea, de multe ori in cascada a acestor blocaje, conduce la o dinamica neliniara, perceputa ca haotica si cu un mare potential de risc pentru comunitatea umana. Sistemele teritoriale cu fragmentare mare reprezinta areale cu instabilitate potentiala maxima, prin faptul ca predomina suprafetele de versant. Vulnerabilitatea sistemelor morfologice de albie si versant, ca masura in care acestea pot fi afectate de un hazard, depinde de relatia dintre senzitivitatea si capacitatea lor de adaptare. n lipsa capacitatii de adaptare, vulnerabilitatea unui sistem depinde in totalitate de senzitivitatea sa la schimbari de mediu.

Tema propusa are o deosebita relevanta in contextul evolutiilor catre noua societate bazata pe cunoastere in zona europeana a Cercetarii, incadrandu-se in directiile tematice prioritare nr.6 prevazute in Programul Cadru VI al UE, referitoare la impactul modificarilor globale ale mediului pentru dezvoltarea durabila (1.1.6.3. Global Change and Ecosystems) si al VII-lea Program CDT cadru al Uniunii Europene pe perioada 2007 2013, (Mediul ambiant, inclusiv schimbari climatice).

Scenariul incalzirii climatice are efecte intarziate la nivelul de reactie al suprafetei topografice, cu inertie si rezistenta mare la schimbare, dar cu reorganizari pe termen lung si foarte lung, cu un potential mare de pericol pentru comunitatile umane. Riscul geomorfologic si hidrologic este indisolubil legat de prezenta elementului antropic in teritoriu (presupunand probabilitatea de producere a fenomenului natural si pagube pentru comunitatile umane potential afectate), ceea ce implica un proces educational in paralel cu implementarea unui pachet de masuri adecvate (unul din dezideratele prioritare ale DOMODIS).

n tendintele de cercetare pe plan mondial a hazardului si riscurilor generate de instabilitatea sistemelor geomorfologice se acorda o atentie prioritara dezvoltarii de metodologii noi de evaluare a senzitivitatii si vulnerabilitatii complexelor de albie si versant, din perspectiva inter si multidisciplinara, cu scopul realizarii unei baze comune si comparabile de date (IV International Conference on Geomorphology, Bologna, 1997, Third International Workshop Domodis, Bucuresti, 1999, V International Conference on Geomorphology, Tokyo 2001: 30th Congress of the IGU One Earth, Many Worlds, a Joint International Geomorphology Conference on Geomorphology and Sustainability, 2004 Glasgow; European Geosciences Union, General Assembly: Natural Hazards, 2005, Viena; VI International Conference on Geomorphology, 2005, Zaragosa). De asemenea, un aspect major il constituie studiile de geomorfologie aplicate la sisteme urbane si rurale (Alexander, 1991; Laurini, 2001).

n contextul schimbarilor globale de o reala importanta, se dovedesc a fi informatiile stocate in baze de date. Corelarea informatiilor cu aspectele geografice impune utilizarea sistemelor informatice de tip GIS (Geographical Information System): Pyykonen, 2001, Zerger, 2002, Lillesand, Kiefer, Chipman, 2004 etc.

Preocuparile cele mai recente sunt orientate spre sisteme de gestiune capabile sa stocheze, sa regaseasca rapid si sa prelucreze date spatiale: ArcGIS, InterGraph, MapInfo, Surface etc. Ele permit digitizarea informatiei geografice si punerea ei in corelatie cu informatii cantitative si calitative disponibile ca urmare a masuratorilor din ultimele decenii (Rigaux, Scholl, Voisnard, 2002; Shekhar, Chawla, 2002). Aducerea informatiei la un sistem unitar permite apoi prelucrarea ei atat prin modele spatiale cat si prin modele matematice. Aplicarea unor astfel de modele permite studiul senzitivitatii sistemelor de albie si versant la schimbarile globale produse in contextul hidrologic, climatic si al biosferei. De o reala importanta este si cuantificarea impactului economico-social al acestor schimbari reflectat in costuri de investitii, de operare si intretinere. Informatiile observate si cele calculate vor constitui elemente de baza pentru fundamentarea deciziilor in situatii de risc real.

Abordarea se inscrie in contextul metodologic de cercetare a hazardului natural dupa 1995, o data cu perfectionarea mijloacelor SIG, care pot analiza volume mari de date raster, de la prelucrari si corectii, pana la analize de matematica spectrala. Acumularea de informatii satelitare de la senzori optici (LANDSAT, SPOT, IRS, IKONOS, QuickBird) si radar (RADARSAT, JERS, ERS etc) a avut loc pe fondul cresterii necesitatilor de a investiga schimbarile globale in perspectiva dezvoltarii durabile. Aceste instrumente nu au eliminat latura cercetarii terenului, ci dimpotriva au acordat acesteia noi semnificatii, o serie de probleme globale putand fi explicate la scara regionala: defrisarile (Sader, 2003), poluarea padurilor boreale (Toutoubalina, Rees, 1999, 2001, Rigina et al., 1999), suprapasunatul in tundra (Rees et al., 2003), efectele defrisarilor din zona boreala (Fitzsimmons, 2003), studiul dinamicii ecosistemelor din preerie (Keetle et al., 2000), dinamica deltelor fluviale (Yue et al., 2002), evolutia gruparilor urbane si hazard urban (Laurini, 2001; Edbrooke, Mazengarb, Stephenson, 2003) si altele. Legendele geomorfologice au fost implementate cu succes in mediul de analiza SIG (Schoeneich et al. 1998, Gentizon et al. 2001), totusi, procesarea integrata a datelor complexe privind impactul environmental corelat cu dinamica actuala, in contextul dezvoltarii durabile, a ramas un aspect mai putin dezvoltat pana in prezent (Hewitt, 1999 sau Berke, 1995, Gornitz, Couch, Hartig, 2002 etc.).

Analiza diacronica a imaginilor din satelit (Haynes-Young, 2002) are avantajul utilizarii acestor surse de informatii cu rezolutie temporala, spatiala si spectrala, de cuprindere spatiala a scenelor utilizate (LANDSAT, SPOT, IKONOS) ce variaza de la 185/185 km la 60/60km si 10,5/10,5 km. Posibilitatile extragerii de date geocodate, imposibil de obtinut prin masuratori de teren, au crescut prin prelucrari digitale si calcularea de indici ca cei normalizati ai vegetatiei-NDVI, ori cei din grupa tasseled cap ce arata starea vegetatiei, de identificare a hazardului montan (Kaeaeb, 2001).

La nivelul sistemului de analiza pilot, evenimentele de hazard, ca reactie la schimbari de mediu, se refera, in principal, la alunecari de teren si viituri/inundatii.

n analiza instabilitatii suprafetelor de versant, literatura straina reflecta in principal doua directii: tratarea aspectelor ingineresti (lucrari mai recente: Hoek, Bary, 1997, Kilburn, Voight, 1998, Petley, 1999 etc.) si aplicarea principiilor fizice in modelarea dinamicii de versant (cu o bibliografie foarte ampla, inca din anii 1970-1980, mai recent: Rautela, Lakhera, 2000, Donati, Turrini, 2002 , Guimaraes, 2003, Carrara, Crosta, Frattini, 2003 etc.). Cartarea hazardului geomorfologic are o larga traditie in Europa (Demek & Verstappen, 1974, Embleton & Verstappen, 1988, Schoeneich & Reynard, 1993, Besson 1997, Haberling & Hurni 2002) si Romania (Surdeanu, 1998, Balteanu, 2000, Brandus, Grozavu, 2001, Grecu, 2002, Voiculescu, 2002, Armas, 2003, Grigore, Mihai, 2005 etc.).

n cadrul proceselor de versant, alunecarile de teren provoaca cel mai mare impact asupra comunitatilor umane (Schuster, 1995 a, 1995 b; Schuster, ed., 1996; Alexander, 1992, Glade, 1998, Turner, U.S. Geological Survey, 1997 etc.). Interesul pentru cartarea si evaluarea hazardului reprezentat de alunecari de teren a crescut considerabil in ultimul deceniu, avand drept obiectiv estimarea probabilitatii in timp si spatiu de aparitie a evenimentelor cu grad mare de periculozitate pentru societatea umana. De multe ori, insa, procurarea de date privind evenimente trecute este dificila, facand aproape imposibil procesul integrarii temporale. Ca alternativa au fost dezvoltate hartile de susceptibilitate la anumite procese, ca evaluari ale probabilitatii spatiale de producere a evenimentelor cu un grad diferit de risc (Dikau, 1996; Corominas,1998). Au fost dezvoltate metode variate de elaborare a hartilor de hazard si susceptibilitate (Hutchinson, 1995, Lee, 2002, Sarkar, 2004, Ayalew, 2004, Moon, Blackstock, 2004), dar fara implicarea unor aspecte procedurale de validare a produselor obtinute (Carrara, Guzzetti, 1995; Chung, 1999; Irigaray, 1999, Luzi si Pergalani, 1996; Daz de Tern, 1998; Chung si Fabbri, 1999; Dhakal, 1999; Remondo, 2001, Remondo, 2003).

n ultimii 10 ani, agentii guvernamentale si institute de cercetare (The Joint Technical Committee on Landslides -JTC; The International Consortium on Landslides - ICL; Research Center on Landslides - RCL; International Landslides Research Group - ILRG; Unit for Sustainable Development and Environment - USDE; Landslide Hazard Committee, SCEC, University of Southern California; California Department of Conservation, Division of Mines and Geology; Natural Hazard Centre, University of Colorado; Disaster Research Centre, University of Delaware; The Benfield Hazard Research Center, Londra, cel mai important centru academic multidisciplinar pe probleme de risc si hazard din Europa) au investit considerabile resurse materiale si umane in studii privind susceptibilitatea suprafetelor de versant, realizarea unor sisteme standardizate de clasificare a alunecarilor din punct de vedere geomecanic (IUGS WG/L), inventarierea fenomenului (WP/ World Landslide Inventory Landslide Report, 2000) si conceperea unor materiale cartografice care sa redea zonarea hazardului.

Cercetari recente in domeniul analizei si prognozei in spatiul tri-dimensional al inundatiilor au demonstrat prin studii comparative ca precizia acestor predictii depinde in mod decisiv de acuratetea datelor de teren (Werner, 2001; Smith, 1997; Marks si Bates, 2000; Sui si Maggio, 1999) si mai putin de complexitatea modelului hidraulic folosit (Horritt si Bates, 2002). Dezvoltarea modelelor hidraulice bi-dimensionale, bazate pe integrarea ecuatiilor curgerii mediate pe adancime (shallow water flow equations) prin metoda elementului finit, pentru analiza de risc a inundatiilor, a fost limitata de dificultatea obtinerii sau chiar de lipsa datelor complexe (viteze si cote locale pe toata zona inundata, fotografii aeriene/satelitare, hidrografe cu o rezolutie temporala foarte fina) necesare pentru calibrarea si validarea - in principal a - coeficientilor de rugozitate, precum si timpii de calcul foarte mari necesari (Horritt si Bates, 2001). Prin urmare, in ultimii ani, studiile de impact al inundatiilor s-au limitat la modele hidraulice uni-dimensionale, bazate pe integrarea numerica a ecuatiilor Saint-Venant prin metoda diferentelor finite (care necesita doar date hidrologice obisnuite de cote si debite, inregistrate la statiile hidrometrice si profile transversale si longitudinale drept date geometrice), insa au evoluat foarte mult in directia dezvoltarii de noi si cat mai precise tehnici de achizitie la distanta a datelor de teren (prin teledetectie din satelit sau avion), utile totodata si pentru urmarirea schimbarilor morfologice ale raurilor. n prezent, unul din pachetele de programe cele mai utilizate in studiul si analiza complexa a riscului inundatiilor, care va fi folosit si in cadrul proiectului de fata, este produs si pus la dispozitie de catre Hydraulic Engineering Center al USACE, toate componentele sale avand o baza de date comuna (HEC-DSS Data Storage System) si fiind compatibile cu ArcView GIS: HEC-RAS (River Analysis System; program de modelare hidraulica uni-dimensionala a curgerii pe rauri) si HEC-GeoRAS (interfata intre ArcView si HEC-RAS creata pentru importul datelor geometrice geo-referentiate necesare modelarii matematice si totodata pentru exportul in spatiul tri-dimensional al rezultatelor hidraulice); HEC-GeoHMS (Geospatial Hydrologic Modeling System) si HEC-HMS, (program de calcul al aportului lateral datorat scurgerii pe versantii bazinului hidrografic pornind de la datele de precipitatii) si HEC-ResSIM (Reservoir Simulation, program de gestiune a debitelor pe raurile amenajate ce prezinta lacuri de acumulare) si HEC-FDA (Flood Damage Reduction Analysis, program de evaluare a riscului si calcul al pagubelor produse de inundatii). Numeroase articole recente demonstreaza capacitatea acestui pachet de programe in modelarea si prognoza cu acuratete a inundatiilor: de exemplu, Knebl s.a., 2005; French, 2003.

Cu toate progresele si eforturile sustinute pe plan mondial in cuantificarea si dezvoltarea unei metodologii eficiente de evaluare a hazardului legat de procesele de instabilitate ce decurg din reactia sistemelor morfohidrologice la schimbari de mediu, pana in prezent nu exista o metodologie focalizata pe delimitarea senzitivitatii sistemelor de albie si versant, ca element determinant in evaluarea vulnerabilitatii (respectiv a masurii in care sistemele morfohidrologice pot fi afectate de un anumit eveniment aleator).

1.2 Scopul lucrarii

Lucrarea are ca scop analiza geomorfologica a bazinului superior a raului Prahova pe baza modelului digital de teren (DEM) cu ajutorul programului HEC-Geospatial Modelig System (HEC-GeoHMS), extensie a programului ArcView GIS 3.2a in vederea obtinerii datelor de intrare in programul HEC-HMS (Hidrologic Modeling System) pentru modelarea procesului ploaie-scurgere in arealul mai sus mentionat.

n ultimii ani dezvoltarea sistemului GIS(Geografic Information System) a deschis multe posibilitati in modelarea hidrologica a bazinelor hidrografice. Integrarea datelor GIS cu modelarea hidrologica reprezinta o alternativa pentru studiul bazinelor hidrografice. Posibilitatea de a realiza o analiza spatiala pentru dezvoltarea parametrilor hidrologici concentrati si distribuiti pe langa faptul ca economiseste timp si efort, mareste precizia in raport cu metodele traditionale. Modelarea hidrologica a evoluat prin considerarea precipitatiilor masurate cu ajutorul radarului si tehnici avansate de modelare a bazinului considerat sub forma de retea. Ploaia si infiltratia pot fi calculate celula cu celula asigurand un detaliu sporit fata de metodele traditionale cu parametrii concentrati. Aceste tehnici de modelare avansate au devenit fezabile deoarece datele pot fi acum generate eficient prin operatii spatiale GIS. HEC-GeoHMS a fost creat ca un program de hidrologie Geo Spatiala pentru ingineri si hidrologi cu mai putina experienta in utilizarea datelor GIS. Programul permite vizualizarea informatiei spatiale, obtinerea caracteristicilor bazinului hidrografic, realizarea analizei spatiale, trasarea bazinelor si a retelei hidrografice si realizarea intrarilor pentru modele hidrologice care pot fi utilizate direct in programul HEC-HMS.

Construirea bazei de date se bazeaza pe experienta acumulata in cercetari anterioare ale echipei in arealul de interes si monitorizarea de peste 5 ani a dinamicii de versant in sectorul vaii Prahova.

Aspectele inovative si originale decurg din insasi tema propusa, care reuneste eforturile unui numar mare de specialisti din domenii variate, pe problema senzitivitatii si a riscului ce decurge din instabilitatile suprafetei topografice si a scurgerilor prin albie. Este prima incercare de acest fel, in care o paleta larga de geografi, geologi, ingineri, chimisti si specialisti in cibernetica vor sta la aceeasi masa pentru a gasi un limbaj comun in evaluarea cat mai corecta a senzitivitatii sistemelor teritoriale la schimbari de mediu, pentru o modelare regionala complexa, in vederea diminuarii riscurilor geomorfologice si hidrologice si prevenirea dezastrelor naturale.