dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in · pdf fileprogramul ceex contrbutii...

PROGRAMUL CEEX CONTRBUTII STIINTIFICE IN TRANSPORTURI

UCP AMTRANS - NOIEMBRIE 2007

1

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 sub-bazin 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 GIS-ul 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).



2

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



3

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 (m3 m-3) este calculata ca

τθθ

ρθ )()(

21

1geqg

w

ggg CdEP

Ct

−−

−=

∂

∂ daca satg θθ ≤≤0 (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



4

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. Boundary-layer 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.

dezvoltarea unui model hidrologic pentru terenurile in · pdf fileprogramul ceex contrbutii...

Documents