dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in panta - IPA SA
dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in panta - IPA SA
dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in panta - IPA SA
Create successful ePaper yourself
Turn your PDF publications into a flip-book with our unique Google optimized e-Paper software.
PROGRAMUL CEEX<br />
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI<br />
DEZVOLTAREA UNUI MODEL HIDROLOGIC PENTRU<br />
TERENURILE IN PANTA<br />
Contract CEEX nr. X2C13/2006<br />
Coordonator: Dr. Catal<strong>in</strong> SIMOTA<br />
Sor<strong>in</strong>a DUMITRU, I. TROCEA, V. CHENDES, S.M. CAMPEANU, I. CREANGĂ, Mărioara<br />
NICOLAESCU, G. COJOCARU<br />
Abstract<br />
In cadrul proiectului IAGINT s-a <strong>in</strong>cercat <strong>model</strong>area efectului <strong>in</strong>dus de configuratia terenului asupra<br />
mediului fizic al plantei. Modelele utilizate si adaptate <strong>in</strong> proiect <strong>in</strong>clud <strong>in</strong>fluentele topografiei terenului<br />
asupra regimului radiatiilor, temperaturii, umiditatii si a fluxurilor de energie (caldura, apa) la nivel de subbaz<strong>in</strong><br />
hidrografic. In acest scop, s-a realizat un modul de bilant al apei pe <strong>terenurile</strong> <strong>in</strong> <strong>panta</strong>, trecand <strong>in</strong><br />
revista o serie de algoritmi care <strong>in</strong>terpoleaza distributia precipitatiilor <strong>in</strong> baz<strong>in</strong>ul hidrografic ales, efectuand<br />
masuratori ale componentelor bilantului de apa si umiditatea solului <strong>in</strong> baz<strong>in</strong>ul respectiv si <strong>model</strong>and<br />
scurgerile pe <strong>panta</strong> utilizand ecuatia de <strong>in</strong>filtratie Green-Ampt. In f<strong>in</strong>al s-a rlaborat un <strong>model</strong> de simulare a<br />
bilantului apei adaptat terenurilor <strong>in</strong> <strong>panta</strong>.<br />
1. Introducere<br />
In ultimele trei decenii, pe plan mondial, cele mai multe cercetari <strong>in</strong> domeniul hidrologiei au fost<br />
legate de elaborarea si aplicarea <strong>model</strong>elor matematice <strong>in</strong> diferite scopuri: prognoza, extrapolare <strong>in</strong><br />
timp si spatiu a datelor, determ<strong>in</strong>area parametrilor care caracterizeaza comportarea rnediului hidric<br />
<strong>pentru</strong> proiectare (simulare si predictie), managementul resurselor de apa si <strong>pentru</strong> protectia<br />
degradarii calitatii apei; predictie si evaluare a <strong>in</strong>fluentei omului asupra regimului <strong>hidrologic</strong><br />
natural. In hidrologie, <strong>model</strong>ele constituie o necesitate care t<strong>in</strong>e de <strong>in</strong>sasi natura foarte complexa a<br />
proceselor care au loc <strong>in</strong> baz<strong>in</strong>e hidrografice, baz<strong>in</strong>e a caror caracteristici sunt supuse, de regula,<br />
unor schimbari <strong>in</strong> timp, datorita actiunii factorilor naturali si umani.<br />
Proliferarea extraord<strong>in</strong>ara a <strong>model</strong>elor matematice a condus la crearea <strong>unui</strong> decalaj <strong>in</strong>tre teorie si<br />
practica. Cercetarile efectuate pe plan <strong>in</strong>ternational legate de <strong>model</strong>area fluxurilor de energie, <strong>in</strong><br />
particular pe fluxul de caldura latenta (evapotranspiratia plantei, ET) si fluxul de aer, precum si cele<br />
legate de bilantul de apa au avut <strong>in</strong> vedere <strong>in</strong> ultimul timp si cercetarile pe zonele col<strong>in</strong>are.<br />
Majoritatea experimentelor au fost realizate <strong>in</strong>sa utilizand tunele aerod<strong>in</strong>amice [1] - [5], iar<br />
modificarile profilelor de vant si temperatura datorita pantelor au fost <strong>model</strong>ate ca o functie de<br />
caracteristicile topografice a zonelor col<strong>in</strong>are. A existat o preocupare mai put<strong>in</strong> <strong>in</strong>tensa <strong>pentru</strong><br />
demonstrarea eficacitatii si performantei acestor <strong>model</strong>e utilizand date de camp [6] – [9].<br />
Dezvoltarea rapida a GIS-ului (ca de altfel a tuturor tehnologiilor <strong>in</strong>formatice) si diversificarea domeniilor<br />
de aplicabilitate, a permis utilizarea acestora si <strong>in</strong> domeniul <strong>model</strong>arii <strong>hidrologic</strong>e GIS-ul a aparut ca o<br />
necesitate a stocarii, sistematizarii, prelucrarii si <strong>in</strong>terpretarii <strong>in</strong>formatiei pe baza algoritmilor matematici<br />
complecsi utilizati <strong>in</strong> analiza spatiala. Pr<strong>in</strong> urmare, este necesar un pas <strong>in</strong>a<strong>in</strong>te <strong>in</strong> <strong>model</strong>area componentelor<br />
bilantului de energie si apa d<strong>in</strong> sol pe o suprafata cultivata sub <strong>in</strong>fluenta caracteristicilor topografice la<br />
scara punctului / campului. Proiectul IAGINT si-a propus elaborarea <strong>unui</strong> <strong>model</strong> agro-meteorologic care<br />
sa realizeze un echilibru <strong>in</strong>tre o descriere fizica a proceselor si aplicatia operationala, deci un <strong>model</strong> cuplat<br />
de bilant de apa si energie, care utilizeaza ca <strong>in</strong>trari doar:<br />
date meteorologice standard (temperatura si umiditatea relativa a aerului, viteza si directia<br />
vantului, precipitatiile si radiatia globala) masurate doar <strong>in</strong>tr-un s<strong>in</strong>gur punct de refer<strong>in</strong>ta al<br />
baz<strong>in</strong>ului hidrografic,<br />
caracteristicile topografice simple ale campului (<strong>panta</strong>, altitud<strong>in</strong>ea, azimutul, lungimea si<br />
forma col<strong>in</strong>ei) usor derivabile d<strong>in</strong> software-ul de tip SIG,<br />
caracteristicile generale ale solului (textura) si<br />
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007<br />
171
PROGRAMUL CEEX<br />
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI<br />
caracteristicile <strong>dezvoltarea</strong> culturii (<strong>in</strong>altime, LAI).<br />
Modelul propus al bilantului de apa d<strong>in</strong> sol urmeaza schemele ISBA (Interaction Sol Biosphere<br />
Atmosphere) si se bazeaza pe ecuatiile de prognoza prezentate de Noilhan si Planton [10],<br />
actualizate, <strong>pentru</strong> care ia <strong>in</strong> considerare complexitatea terenurilor col<strong>in</strong>are. Modelul se bazeaza pe<br />
ecuatia Richards simplificata <strong>pentru</strong> doua strate, considerand echilibrul cont<strong>in</strong>utului de apa d<strong>in</strong> sol<br />
<strong>in</strong>tre cele doua strate de sol: primul este stratul de suprafata (adancimea d1 de 0.1 m) si al doilea<br />
care este explorat de sistemul radicular al plantei de adancime d2.<br />
Pe de alta parte, <strong>pentru</strong> validarea rezultatelor a fost utilizat si programul MikeSHE, care este un <strong>model</strong> fizic,<br />
determ<strong>in</strong>ist, <strong>in</strong>tegrat si distribuit, <strong>pentru</strong> descrierea proceselor majore de curgere d<strong>in</strong> ciclul <strong>hidrologic</strong> [11].<br />
Modelul de bilant al apei <strong>in</strong> sol a fost cuplat cu <strong>model</strong>ul fluxului de energie, realizandu-se <strong>model</strong>ul<br />
IAGINT, care simuleaza micrometeorologia <strong>in</strong> toate punctele <strong>unui</strong> baz<strong>in</strong> hidrografic considerat, ofer<strong>in</strong>d o<br />
predictie despre fluxurile de energie si variabilele agrometeorologice d<strong>in</strong> fiecare celula a <strong>unui</strong> baz<strong>in</strong><br />
hidrografic. Mai mult, acest <strong>model</strong> descrie d<strong>in</strong>amica apei d<strong>in</strong> sol, utilizand doua variante posibile: varianta<br />
ISBA si varianta <strong>in</strong> cascada. In ambele cazuri, <strong>model</strong>ele <strong>hidrologic</strong>e si micrometeorologice alese necesita<br />
schimb de <strong>in</strong>formatii, cum ar fi evapotranspiratia si cont<strong>in</strong>utul de apa d<strong>in</strong> sol <strong>in</strong> stratul de la suprafata si <strong>in</strong><br />
cel de adancime. In plus, <strong>model</strong>area micrometeorologica si <strong>hidrologic</strong>a este realizata <strong>in</strong>cluzand<br />
posibilitatea de a lucra <strong>in</strong>tr-un baz<strong>in</strong> hidrografic cultivat, astfel <strong>in</strong>cat conectarea la un <strong>model</strong> de cultura este<br />
fundamental <strong>pentru</strong> a oferi o simulare precisa a scenariului analizat.<br />
Programul <strong>pentru</strong> a simula micrometeorologia, cresterea plantei si <strong>pentru</strong> a calcula <strong>in</strong>dicatori a fost<br />
scris utilizand UML (Unified Modell<strong>in</strong>g Language) <strong>pentru</strong> a avea o def<strong>in</strong>itie explicita a structurii<br />
programului <strong>in</strong> termeni de componente si relatia d<strong>in</strong>tre ele, permitand usor modificarea,<br />
imbunatatirea si <strong>in</strong>tret<strong>in</strong>erea programului. Acesta este scris cu un limbaj orientat obiect, Visual<br />
Basic 6.0, iar structura obiectului este produsa direct d<strong>in</strong> reprezentarea UML. Parametrii hidraulici<br />
<strong>pentru</strong> <strong>model</strong>ul IAGINT sunt estimati <strong>in</strong>tern d<strong>in</strong> parametrii van Genuchten oferite <strong>in</strong> baza de date de<br />
sol; daca parametrii van Genuchten nu sunt accesibili, pot fi estimati d<strong>in</strong> textura, materie organica si<br />
densitatea aparenta utilizand functii de pedotransfer. O functie specifica de pedotransfer <strong>pentru</strong><br />
soluri Europei este HYPRESS [12]. Ca alternativa <strong>pentru</strong> evapotranspiratia calculata ca parte a<br />
bilantului de energie poate fi ales un modul bazat pe FAO Irrigation si Drenaj paper No. 56 [13].<br />
2. Sistemul <strong>hidrologic</strong><br />
Sistemul <strong>hidrologic</strong> reprez<strong>in</strong>ta faza terestra a ciclului apei <strong>in</strong> natura. Volumul total de apa la un<br />
moment dat fi<strong>in</strong>d constant, este considerat un sistem <strong>in</strong>chis <strong>in</strong> care diferenta d<strong>in</strong>tre masele de apa<br />
<strong>in</strong>trate si iesite d<strong>in</strong>tr-un spatiu hidrografic reprez<strong>in</strong>ta volumele de apa acumulate.<br />
2.1. Schema generala a sistemului<br />
Intrarile <strong>in</strong> sistemul <strong>hidrologic</strong>, reprezentate fizic pr<strong>in</strong> precipitatia totala P t , sunt date de suma<br />
precipitatiilor sub forrna de ploaie (P p ), de zapada (P z ), apa rezultata d<strong>in</strong> condensarea vaporilor la<br />
suprafata solului (P c ) si precipitatia sub forrna de gr<strong>in</strong>d<strong>in</strong>a (P g ). Ultimele doua, P c si P g , au o<br />
pondere relativ mica <strong>in</strong> valoarea precipitatiei totale.<br />
In cazul precipitatiilor solide, actiunea lor <strong>hidrologic</strong>a are loc d<strong>in</strong> momentul <strong>in</strong> care stratul de<br />
zapada <strong>in</strong>cepe sa cedeze apa pr<strong>in</strong> topire. Pentru a se dispune de <strong>in</strong>trarea <strong>in</strong> sistem sub forma de aport<br />
de apa, este necesar a se cunoaste modul de transformare a zapezii <strong>in</strong> apa cedata <strong>in</strong> functie de<br />
evolutia factorilor rneteorologici (temperatura aerului, deficitul de umiditate, vantul, etc.), starea<br />
fizica a stratului de zapada si distributia acestuia pe teritoriul <strong>unui</strong> baz<strong>in</strong> hidrografic.<br />
Elaborarea <strong>model</strong>elor matematice <strong>hidrologic</strong>e au la baza cunoasterea procesului ploaie-scurgere.<br />
Modelarea matematica a acestui proces constituie una d<strong>in</strong> cele mai importante tehnici de studiu a<br />
formarii si propagarii scurgerii <strong>in</strong> baz<strong>in</strong>ele hidrografice. Cantitatea totala de precipitatii ce cade pe<br />
suprafata <strong>unui</strong> baz<strong>in</strong> hidrografic este <strong>in</strong>itial <strong>in</strong>terceptata de <strong>in</strong>velisul vegetal (Ai) si apoi de zonele<br />
172<br />
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
PROGRAMUL CEEX<br />
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI<br />
depresionare ale suprafetei pam<strong>in</strong>tului (Ad), unde apa stagneaza (fig. 2.1). Acestea reprez<strong>in</strong>ta o<br />
prima reducere (pierderi <strong>in</strong>itiale). Apa ret<strong>in</strong>uta se va evapora sau se va <strong>in</strong>filtra ulterior.<br />
2.2. Descrierea <strong>model</strong>ului – varianta ISBA<br />
Fig. 2.1. Schema fizica a sistemului <strong>hidrologic</strong><br />
Modelul propus al bilantului de apa d<strong>in</strong> sol urmeaza schemele ISBA (Interaction Sol Biosphere<br />
Atmosphere) si se bazeaza pe ecuatiile de prognoza prezentate de Noilhan si Planton [10],<br />
actualizate, luand <strong>in</strong> considerare complexitatea terenurilor col<strong>in</strong>are. Modelul se bazeaza pe ecuatia<br />
Richards simplificata <strong>pentru</strong> doua strate, t<strong>in</strong>and cont de echilibrul cont<strong>in</strong>utului de apa d<strong>in</strong> sol <strong>in</strong>tre<br />
doua strate de sol: primul este stratul de suprafata (adancimea d1 de 0.1 m) si al doilea care este<br />
explorat de sistemul radicular al plantei de adancime d2. Evolutia <strong>in</strong> timp a umiditatii volumetrice<br />
relative actuale a solului <strong>in</strong> stratul de suprafata, θg (m 3 m -3 ) este calculata ca<br />
g<br />
( Pg<br />
Eg<br />
) ( <br />
g<br />
<br />
geq<br />
)<br />
C1<br />
C2<br />
t<br />
d<br />
<br />
w<br />
1<br />
daca<br />
0 <br />
(1)<br />
g<br />
sat<br />
unde<br />
τ – <strong>in</strong>tervalul de timp (<strong>pentru</strong> valori orare egale cu 1),<br />
ρ w (kg m -3 ) – densitatea apei lichide.<br />
C 1 , C 2 – coeficienti calculati la randul lor d<strong>in</strong> alte formule<br />
Primul termen d<strong>in</strong> partea dreapta a Ec. (1) reprez<strong>in</strong>ta <strong>in</strong>fluenta fluxurilor atmosferice, <strong>in</strong> timp ce al<br />
doilea termen este legat de difuzivitatea apei d<strong>in</strong> sol.<br />
Modelul descris a fost adaptat <strong>pentru</strong> a lua <strong>in</strong> considerare modificarea fluxurilor de energie si apa<br />
d<strong>in</strong> sol <strong>in</strong> caracteristicile topografice a unei suprafete <strong>in</strong> <strong>panta</strong> cu vegetatie. Prezenta unei col<strong>in</strong>e<br />
modifica temperatura si umiditatea langa suprafata pr<strong>in</strong> modificarea conditiilor la limita la suprafata<br />
Pamantului (radiatia solara) si de asemenea pr<strong>in</strong> modificarea proceselor care controleaza profilelor<br />
de temperatura si umiditate a aerului [5]. Pr<strong>in</strong> urmare, variabilele climatice modificate de topografie<br />
sunt: 1) bilantul de radiatie (radiatia neta), 2) viteza vantului si 3) relatiile <strong>pentru</strong> gradientul de flux<br />
<strong>pentru</strong> fluxul evapotranspiratiei [14], [2], [15], [5].<br />
3. Concluzii legate de <strong>model</strong>ul ales de bilant al apei d<strong>in</strong> sol<br />
Modelul propus al bilantului de apa d<strong>in</strong> sol a fost testat pe <strong>terenurile</strong> col<strong>in</strong>are si compararea <strong>in</strong>tre datele<br />
masurate si <strong>model</strong>ate ofera rezultate satisfacatoare. S-au adoptat schemele simple ISBA deoarece sunt usor<br />
de utilizat si suficient de precise si aceasta caracteristica este foarte importanta <strong>pentru</strong> <strong>model</strong>area<br />
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007<br />
173
PROGRAMUL CEEX<br />
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI<br />
aplicatiilor la scara baz<strong>in</strong>ului hidrografic <strong>pentru</strong> care este imposibil de stiut parametrii hidraulici <strong>pentru</strong><br />
fiecare celula si de aplicat scheme numerice pe baza solutiei ecuatiei lui Richard.<br />
Rezultatele au demonstrat ca varianta propusa este capabila sa descrie adecvat evolutia cont<strong>in</strong>utului<br />
de apa d<strong>in</strong> sol <strong>pentru</strong> stratul de adancime cu o ecuatie diferentiala simpla care ia <strong>in</strong> considerare cele<br />
mai importante fluxuri care determ<strong>in</strong>a bilantul de apa d<strong>in</strong> sol. In acelasi timp, varianta aleasa pe<br />
baza solutiilor aproximative ale ecuatiei Richards permite descrierea cu acuratete a evolutiei<br />
umiditatii d<strong>in</strong> sol <strong>pentru</strong> stratul de sol de la suprafata si aceasta are un impact favorabil <strong>pentru</strong><br />
calcularea evaporatiei actuale d<strong>in</strong> sol. In plus, rezultatele au demonstrat eficienta functiilor de<br />
pedotransfer propuse <strong>pentru</strong> a estima parametrii si <strong>pentru</strong> a oferi performante satisfacatoare ale<br />
<strong>model</strong>ului de bilant de apa d<strong>in</strong> sol care ia <strong>in</strong> considerare diferitele proprietati hidraulice al solurilor.<br />
In concluzie, schemele propuse permit diferentierea umiditatii d<strong>in</strong> sol la scara baz<strong>in</strong>ului hidrografic<br />
pe baza catorva factori: proprietatile hidraulice ale solului, parametri de cultura si variabile<br />
topografice care <strong>in</strong>fluenteaza fluxurile potentiale si actuale de transpiratie si evaporatie.<br />
BIBLIOGRAFIE<br />
1. Jackson, P.S., Hunt, J.C.R., 1975. Turbulent w<strong>in</strong>d flow over a low hill. Q. J. R. Meteorol. Soc., 101,<br />
929-955.<br />
2. Britter, R.E., Hunt, J.C.R, Richards, K.J., 1981. Air flow over a two-dimensional hill: studies of<br />
velocity speed-up, roughness effect and turbulence. Quart. J. R. Met. Soc., 107, 91-110.<br />
3. Gong, W., Ibbetson, A., 1989. A w<strong>in</strong>d tunnel study of turbulent flow over <strong>model</strong> hill. Boundarylayer<br />
Meteorol., 49(113), 113-148.<br />
4. Kimura, F., Kuwagata, T., 1995. Horizontal heat fluxes over complex terra<strong>in</strong> computed us<strong>in</strong>g simple<br />
mixed-layer <strong>model</strong> and numerical <strong>model</strong>. J. Appl. Meteorol., 24(2), 549-558.<br />
5. Raupach, M.R., Weng, W.S., Carruthers, D.J., Hunt, J.C.R., 1992. Temperature and humidity fields<br />
and fluxes over low hills. Q. J. R. Meteorol. Soc., 118, 191-225.<br />
6. Bradley, E.F., 1980. An experimental study of the profiles of w<strong>in</strong>d speed, shear<strong>in</strong>g stress and<br />
turbulence at the crest of large hill. Quart. J. R. Met. Soc., 106, 101-123.<br />
7. Taylor, P.A., Teunissen, H.W., 1987. The Askerve<strong>in</strong> hill project: overview and background data.<br />
Boundary-layer Meteorol., 39, 15-39.<br />
8. Weng, W., 1997. Stably stratified boundary-layer flow over low hills: a comparison of <strong>model</strong> results<br />
and field data. Boundary-layer Meteorol., 85, 223-241.<br />
9. Hunt<strong>in</strong>gford, C., Blyth, E.M., Wood, N., Hewer, F.E., Grant, A., 1998. The effect of orography on<br />
evaporation. Boundary-Layer Meteorol., 86, 487-504.<br />
10. Noilhan, J., Planton, S., 1989. A simple parametrization of land surface processes for meteorological<br />
<strong>model</strong>s. Mon. Wea. Rev., 117, 536-549.<br />
11. * MIKE SHE PP – User Manual - Water Balance Utility , DHI Water & Environment/DHI – Institut<br />
for Vand & Miljø<br />
12. Wösten, J.H.M., A. Lilly, A. Nemes, and C. Le Bas. 1999. Development and use of a database of<br />
hydraulic properties of European soils. Geoderma 90:169–185<br />
13. Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M., 1998. Crop Evapotranspiration. Guidel<strong>in</strong>es for<br />
comput<strong>in</strong>g crop water requirements. FAO Irrigation and Dra<strong>in</strong>age Paper BBCH Monograph, 2.<br />
Edition, 2001. Growth stages of mono-and dicotyledonous plants. Edited by Uwe Meier. Federal<br />
Biological Research Centre for Agriculture and Forestry.<br />
14. Varlet Grancher, C., 1975. Variation et estimation de l’énergie d’orig<strong>in</strong>e solaire recue sur des plans<br />
d’<strong>in</strong>cl<strong>in</strong>aison et d’azimuth variables. Ann. Agron., 26(3), 245-264 (In French).<br />
15. Mason, P.J., K<strong>in</strong>g, J.C., 1985. Measurements and predictions of flow and turbulence over an isolated<br />
hill of moderate slope. Q.J.R. Meteorol. Soc., 111, 617-640.<br />
174<br />
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007