Dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in panta

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
Dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in panta
Coordonator: Dr. Catalin SIMOTA
Sorina DUMITRU, I. TROCEA, V. CHENDES, S.M. CAMPEANU, I. CREANGĂ, Mărioara
NICOLAESCU, G. COJOCARU
Abstract
In cadrul proiectului IAGINT s-a incercat modelarea efectului indus de configuratia terenului asupra
mediului fizic al plantei. Modelele utilizate si adaptate in proiect includ influentele topografiei terenului
asupra regimului radiatiilor, temperaturii, umiditatii si a fluxurilor de energie (caldura, apa) la nivel de subbazin
hidrografic. In acest scop, s-a realizat un modul de bilant al apei pe terenurile in panta, trecand in
revista o serie de algoritmi care interpoleaza distributia precipitatiilor in bazinul hidrografic ales, efectuand
masuratori ale componentelor bilantului de apa si umiditatea solului in bazinul respectiv si modeland
scurgerile pe panta utilizand ecuatia de infiltratie Green-Ampt. In final s-a rlaborat un model de simulare a
bilantului apei adaptat terenurilor in panta.
1. Introducere
In ultimele trei decenii, pe plan mondial, cele mai multe cercetari in domeniul hidrologiei au fost
legate de elaborarea si aplicarea modelelor matematice in diferite scopuri: prognoza, extrapolare in
timp si spatiu a datelor, determinarea parametrilor care caracterizeaza comportarea rnediului hidric
pentru proiectare (simulare si predictie), managementul resurselor de apa si pentru protectia
degradarii calitatii apei; predictie si evaluare a influentei omului asupra regimului hidrologic
natural. In hidrologie, modelele constituie o necesitate care tine de insasi natura foarte complexa a
proceselor care au loc in bazine hidrografice, bazine a caror caracteristici sunt supuse, de regula,
unor schimbari in timp, datorita actiunii factorilor naturali si umani.
Proliferarea extraordinara a modelelor matematice a condus la crearea unui decalaj intre teorie si
practica. Cercetarile efectuate pe plan international legate de modelarea fluxurilor de energie, in
particular pe fluxul de caldura latenta (evapotranspiratia plantei, ET) si fluxul de aer, precum si cele
legate de bilantul de apa au avut in vedere in ultimul timp si cercetarile pe zonele colinare.
Majoritatea experimentelor au fost realizate insa utilizand tunele aerodinamice [1] - [5], iar
modificarile profilelor de vant si temperatura datorita pantelor au fost modelate ca o functie de
caracteristicile topografice a zonelor colinare. A existat o preocupare mai putin intensa pentru
demonstrarea eficacitatii si performantei acestor modele utilizand date de camp [6] – [9].
Dezvoltarea rapida a GIS-ului (ca de altfel a tuturor tehnologiilor informatice) si diversificarea
domeniilor de aplicabilitate, a permis utilizarea acestora si in domeniul modelarii hidrologice GISul
a aparut ca o necesitate a stocarii, sistematizarii, prelucrarii si interpretarii informatiei pe baza
algoritmilor matematici complecsi utilizati in analiza spatiala. Prin urmare, este necesar un pas
inainte in modelarea componentelor bilantului de energie si apa din sol pe o suprafata cultivata sub
influenta caracteristicilor topografice la scara punctului / campului. Proiectul IAGINT si-a propus
elaborarea unui model agro-meteorologic care sa realizeze un echilibru intre o descriere fizica a
proceselor si aplicatia operationala, deci un model cuplat de bilant de apa si energie, care utilizeaza
ca intrari doar:
− date meteorologice standard (temperatura si umiditatea relativa a aerului, viteza si directia
vantului, precipitatiile si radiatia globala) masurate doar intr-un singur punct de referinta al
bazinului hidrografic,
− caracteristicile topografice simple ale campului (panta, altitudinea, azimutul, lungimea si
forma colinei) usor derivabile din software-ul de tip SIG,
− caracteristicile generale ale solului (textura) si
− caracteristicile dezvoltarea culturii (inaltime, LAI).
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
1

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
Modelul propus al bilantului de apa din sol urmeaza schemele ISBA (Interaction Sol Biosphere
Atmosphere) si se bazeaza pe ecuatiile de prognoza prezentate de Noilhan si Planton [10],
actualizate, pentru care ia in considerare complexitatea terenurilor colinare. Modelul se bazeaza pe
ecuatia Richards simplificata pentru doua strate, considerand echilibrul continutului de apa din sol
intre cele doua strate de sol: primul este stratul de suprafata (adancimea d1 de 0.1 m) si al doilea
care este explorat de sistemul radicular al plantei de adancime d2.
Pe de alta parte, pentru validarea rezultatelor a fost utilizat si programul MikeSHE, care este un
model fizic, determinist, integrat si distribuit, pentru descrierea proceselor majore de curgere din
ciclul hidrologic [11].
Modelul de bilant al apei in sol a fost cuplat cu modelul fluxului de energie, realizandu-se modelul
IAGINT, care simuleaza micrometeorologia in toate punctele unui bazin hidrografic considerat,
oferind o predictie despre fluxurile de energie si variabilele agrometeorologice din fiecare celula a
unui bazin hidrografic. Mai mult, acest model descrie dinamica apei din sol, utilizand doua variante
posibile: varianta ISBA si varianta in cascada. In ambele cazuri, modelele hidrologice si
micrometeorologice alese necesita schimb de informatii, cum ar fi evapotranspiratia si continutul de
apa din sol in stratul de la suprafata si in cel de adancime. In plus, modelarea micrometeorologica si
hidrologica este realizata incluzand posibilitatea de a lucra intr-un bazin hidrografic cultivat, astfel
incat conectarea la un model de cultura este fundamental pentru a oferi o simulare precisa a
scenariului analizat.
Programul pentru a simula micrometeorologia, cresterea plantei si pentru a calcula indicatori a fost
scris utilizand UML (Unified Modelling Language) pentru a avea o definitie explicita a structurii
programului in termeni de componente si relatia dintre ele, permitand usor modificarea,
imbunatatirea si intretinerea programului. Acesta este scris cu un limbaj orientat obiect, Visual
Basic 6.0, iar structura obiectului este produsa direct din reprezentarea UML. Parametrii hidraulici
pentru modelul IAGINT sunt estimati intern din parametrii van Genuchten oferite in baza de date de
sol; daca parametrii van Genuchten nu sunt accesibili, pot fi estimati din textura, materie organica si
densitatea aparenta utilizand functii de pedotransfer. O functie specifica de pedotransfer pentru
soluri Europei este HYPRESS [12]. Ca alternativa pentru evapotranspiratia calculata ca parte a
bilantului de energie poate fi ales un modul bazat pe FAO Irrigation si Drenaj paper No. 56 [13].
2. Sistemul hidrologic
Sistemul hidrologic reprezinta faza terestra a ciclului apei in natura. Volumul total de apa la un
moment dat fiind constant, este considerat un sistem inchis in care diferenta dintre masele de apa
intrate si iesite dintr-un spatiu hidrografic reprezinta volumele de apa acumulate.
2.1. Schema generala a sistemului
Intrarile in sistemul hidrologic, reprezentate fizic prin precipitatia totala Pt, sunt date de suma
precipitatiilor sub forrna de ploaie (Pp), de zapada (Pz), apa rezultata din condensarea vaporilor la
suprafata solului (Pc) si precipitatia sub forrna de grindina (Pg). Ultimele doua, Pc si Pg, au o
pondere relativ mica in valoarea precipitatiei totale.
In cazul precipitatiilor solide, actiunea lor hidrologica are loc din momentul in care stratul de
zapada incepe sa cedeze apa prin topire. Pentru a se dispune de intrarea in sistem sub forma de aport
de apa, este necesar a se cunoaste modul de transformare a zapezii in apa cedata in functie de
evolutia factorilor rneteorologici (temperatura aerului, deficitul de umiditate, vantul, etc.), starea
fizica a stratului de zapada si distributia acestuia pe teritoriul unui bazin hidrografic.
Elaborarea modelelor matematice hidrologice au la baza cunoasterea procesului ploaie-scurgere.
Modelarea matematica a acestui proces constituie una din cele mai importante tehnici de studiu a
formarii si propagarii scurgerii in bazinele hidrografice. Cantitatea totala de precipitatii ce cade pe
suprafata unui bazin hidrografic este initial interceptata de invelisul vegetal (Ai) si apoi de zonele
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
2

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
depresionare ale suprafetei pamintului (Ad), unde apa stagneaza (fig. 2.1). Acestea reprezinta o
prima reducere (pierderi initiale). Apa retinuta se va evapora sau se va infiltra ulterior.
Fig. 2.1. Schema fizica a sistemului hidrologic
2.2. Descrierea modelului – varianta ISBA
Modelul propus al bilantului de apa din sol urmeaza schemele ISBA (Interaction Sol Biosphere
Atmosphere) si se bazeaza pe ecuatiile de prognoza prezentate de Noilhan si Planton [10],
actualizate, luand in considerare complexitatea terenurilor colinare. Modelul se bazeaza pe ecuatia
Richards simplificata pentru doua strate, tinand cont de echilibrul continutului de apa din sol intre
doua strate de sol: primul este stratul de suprafata (adancimea d1 de 0.1 m) si al doilea care este
explorat de sistemul radicular al plantei de adancime d2. Evolutia in timp a umiditatii volumetrice
relative actuale a solului in stratul de suprafata, θg (m 3 m -3 ) este calculata ca
∂θ
g ( Pg
− Eg
) ( θ g −θ
geq )
= C1
− C2
∂t
ρ d
τ
w
1
daca 0 ≤ θ g ≤ θ sat
(1)
unde
τ – intervalul de timp (pentru valori orare egale cu 1),
ρw (kg m -3 ) – densitatea apei lichide.
C1, C2 – coeficienti calculati la randul lor din alte formule
Primul termen din partea dreapta a Ec. (1) reprezinta influenta fluxurilor atmosferice, in timp ce al
doilea termen este legat de difuzivitatea apei din sol.
Modelul descris a fost adaptat pentru a lua in considerare modificarea fluxurilor de energie si apa
din sol in caracteristicile topografice a unei suprafete in panta cu vegetatie. Prezenta unei coline
modifica temperatura si umiditatea langa suprafata prin modificarea conditiilor la limita la suprafata
Pamantului (radiatia solara) si de asemenea prin modificarea proceselor care controleaza profilelor
de temperatura si umiditate a aerului [5]. Prin urmare, variabilele climatice modificate de topografie
sunt: 1) bilantul de radiatie (radiatia neta), 2) viteza vantului si 3) relatiile pentru gradientul de flux
pentru fluxul evapotranspiratiei [14], [2], [15], [5].
3. Concluzii legate de modelul ales de bilant al apei din sol
Modelul propus al bilantului de apa din sol a fost testat pe terenurile colinare si compararea intre
datele masurate si modelate ofera rezultate satisfacatoare. S-au adoptat schemele simple ISBA
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007
3

PROGRAMUL CEEX
CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI
deoarece sunt usor de utilizat si suficient de precise si aceasta caracteristica este foarte importanta
pentru modelarea aplicatiilor la scara bazinului hidrografic pentru care este imposibil de stiut
parametrii hidraulici pentru fiecare celula si de aplicat scheme numerice pe baza solutiei ecuatiei lui
Richard.
Rezultatele au demonstrat ca varianta propusa este capabila sa descrie adecvat evolutia continutului
de apa din sol pentru stratul de adancime cu o ecuatie diferentiala simpla care ia in considerare cele
mai importante fluxuri care determina bilantul de apa din sol. In acelasi timp, varianta aleasa pe
baza solutiilor aproximative ale ecuatiei Richards permite descrierea cu acuratete a evolutiei
umiditatii din sol pentru stratul de sol de la suprafata si aceasta are un impact favorabil pentru
calcularea evaporatiei actuale din sol. In plus, rezultatele au demonstrat eficienta functiilor de
pedotransfer propuse pentru a estima parametrii si pentru a oferi performante satisfacatoare ale
modelului de bilant de apa din sol care ia in considerare diferitele proprietati hidraulice al solurilor.
In concluzie, schemele propuse permit diferentierea umiditatii din sol la scara bazinului hidrografic
pe baza catorva factori: proprietatile hidraulice ale solului, parametri de cultura si variabile
topografice care influenteaza fluxurile potentiale si actuale de transpiratie si evaporatie.
Bibliografie
1. Jackson, P.S., Hunt, J.C.R., 1975. Turbulent wind flow over a low hill. Q. J. R. Meteorol. Soc., 101,
929-955.
2. Britter, R.E., Hunt, J.C.R, Richards, K.J., 1981. Air flow over a two-dimensional hill: studies of
velocity speed-up, roughness effect and turbulence. Quart. J. R. Met. Soc., 107, 91-110.
3. Gong, W., Ibbetson, A., 1989. A wind tunnel study of turbulent flow over model hill. Boundarylayer
Meteorol., 49(113), 113-148.
4. Kimura, F., Kuwagata, T., 1995. Horizontal heat fluxes over complex terrain computed using simple
mixed-layer model and numerical model. J. Appl. Meteorol., 24(2), 549-558.
5. Raupach, M.R., Weng, W.S., Carruthers, D.J., Hunt, J.C.R., 1992. Temperature and humidity fields
and fluxes over low hills. Q. J. R. Meteorol. Soc., 118, 191-225.
6. Bradley, E.F., 1980. An experimental study of the profiles of wind speed, shearing stress and
turbulence at the crest of large hill. Quart. J. R. Met. Soc., 106, 101-123.
7. Taylor, P.A., Teunissen, H.W., 1987. The Askervein hill project: overview and background data.
Boundary-layer Meteorol., 39, 15-39.
8. Weng, W., 1997. Stably stratified boundary-layer flow over low hills: a comparison of model results
and field data. Boundary-layer Meteorol., 85, 223-241.
9. Huntingford, C., Blyth, E.M., Wood, N., Hewer, F.E., Grant, A., 1998. The effect of orography on
evaporation. Boundary-Layer Meteorol., 86, 487-504.
10. Noilhan, J., Planton, S., 1989. A simple parametrization of land surface processes for meteorological
models. Mon. Wea. Rev., 117, 536-549.
11. * MIKE SHE PP – User Manual - Water Balance Utility , DHI Water & Environment/DHI – Institut
for Vand & Miljø
12. Wösten, J.H.M., A. Lilly, A. Nemes, and C. Le Bas. 1999. Development and use of a database of
hydraulic properties of European soils. Geoderma 90:169–185
13. Allen R.G., Pereira L.S., Raes D., Smith M., 1998. Crop Evapotranspiration. Guidelines for
computing crop water requirements. FAO Irrigation and Drainage Paper BBCH Monograph, 2.
Edition, 2001. Growth stages of mono-and dicotyledonous plants. Edited by Uwe Meier. Federal
Biological Research Centre for Agriculture and Forestry.
14. Varlet Grancher, C., 1975. Variation et estimation de l’énergie d’origine solaire recue sur des plans
d’inclinaison et d’azimuth variables. Ann. Agron., 26(3), 245-264 (In French).
15. Mason, P.J., King, J.C., 1985. Measurements and predictions of flow and turbulence over an isolated
hill of moderate slope. Q.J.R. Meteorol. Soc., 111, 617-640.
4
UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007