Observații asupra indicatorilor morfometrici determinați pe baza MNAT

Introducere

În geomorfologie există o serie de indicatori morfometrici care permit caracterizarea reliefului. Mulți dintre aceștia au fost învățați de studenții geografi sau geologi folosind metode clasice: hîrtie milimetrică, hîrtie de calc etc. Punctul de plecare îl constituia de fiecare dată harta topografică, de cele mai multe ori cea la scara 1:25k. În prezent aceasta mai constituie (încă!) principala sursă de culegere a datelor. Cu toate acestea, MNAT obținute automat din imagini sau oferite gratuit (gen SRTM), permit interpretarea trăsăturilor reliefului mult mai rapid. Chiar dacă știm că RAPID nu înseamnă întotdeauna MAI BINE, avem convingerea că poate însemna, cel puțin, MAI EXACT.

Ne dorim ca demersul nostru să deschidă un nou capitol, propunînd și o serie de alți indicatori, preluați din literatura de specialitate. Suntem convinși că mulți dintre aceștia ridică numeroase semne de întrebare, deoarece au la bază algoritmi matematici diferiți. Cea mai bună verificare o constituie însă pentru fiecare geomorfolog terenul, tehnicile GIS reprezentînd doar un simplu instrument, ce nu trebuie să te rețină în birou, ci să ofere o primă imagine înaintea campaniilor de măsurători și cartări.

Ne-am oprit pentru zona test asupra sectorului de țărm Techirghiol, chiar dacă nu reprezintă cea mai spectaculoasă alegere, a fost cea mai apropiată de noi. Materialul prezentat mai jos constituie secvențe din teza noastră de doctorat, la care am mai venit cu cîteva modificări.

În viitorul apropiat geo-spațial.org își propune publicarea de tutoriale pentru fiecare indicator morfometric în parte, primii pași fiind deja făcuți. Articolul de față poate fi deci privit ca o prezentare de ansamblu, cu accentul pus pe aspectele teoretice.

Un indicator important în analiza geomorfologică îl reprezintă PANTA. Calcularea acesteia pe hărțile topografice prin metodele clasice este greoaie, de multe ori rezultatele finale fiind imprecise. Alegerea claselor de pante se face în funcție de scopul urmărit și de unitatea de relief supusă studiului. Pentru sectorul de țărm se impune stabilirea unor intervale diferite sectorului emers față de cel submers. Dimensiunea celulei reprezintă principalul factor în definirea valorilor pantei, cu cît aceasta este mai mică cu atât valorile pantelor vor fi mai ridicate. Avantajele utilizării MNAT rezidă din aplicarea algoritmilor de calcul diferiți pentru aceeași unitate, în scopul alegerii metodei celei mai adecvate. De asemeni, se pot trasa profile peste harta pantelor, similare cu profilele topografice, în vederea vizualizării modificărilor pe o direcție dorită. Programul MICRODEM permite suprapunerea pe aceeași direcție a profilului topografic, a profilului de pante și a profilului de schimbare a orientării versanților. Dincolo de ușurința indusă de programele de mai sus se recomandă în prealabil o discuție asupra algoritmilor de calcul ai pantei. Diferențele în calcularea acesteia pornesc de la numărul de vecini (celule) care se iau în considerație. Prezentăm mai jos o sinteză a principalelor metode utilizate în prezent:

Calcularea valorii pantei pentru celula p în funcție de numărul de vecini

Existentă mai multor modele erozionale de predicție care folosesc ca parametru de intrare valoarea pantei terenului și orientarea (aspectul) acesteia: WEPP (proiect de predicție a eroziunii apei: Foster & Lane 1987); USLE (ecuația universală a eroziunii solului: Wischemeier & Smith 1978); RUSLE (ecuația revizuită a eroziunii solului: Renard et al. 1991) etc. Din toate acestea se desprinde o singură concluzie: harta pantelor reprezintă o componentă principală în cadrul oricărui pachet GIS de modelare erozională, impunându-se ca atare o tratare extrem de atentă a acesteia.

Programele utilizate de noi reprezintă valorile pantelor atât în grade cât și în procente (tangenta unghiului *100). Atașăm mai jos tabelul alăturat de conversie:

Harta pantelor exprimată în grade și profilul executat pe aceasta

Harta orientării versanților se poate realiza folosind funcția Aspect din cadrul programului ArcView. Reprezentarea grafică permite utilizatorului alegerea unor combinații de culori extrem de diferite. Unele programe, ca de exemplu DiGeM folosesc pentru calcularea pantei și a aspectului valori exprimate în radiani. Pentru a obține o hartă cu reprezentări în grade este necesară înmulțirea valorilor gridului cu 57.3 (adică 180/PI).

Calcularea simplistă a cantității de căldură pentru fiecare celulă în parte a MNAT, se poate face dacă se cunoaște valoarea transmitanței atmosferice. O astfel de imagine poate fi obținută la nivelul unei singure zile sau chiar pentru întregul an.

Harta curburii în plan (Plan Curvature) evidențiază sectoarele de scurgere divergentă (valori negative) și convergentă (valori pozitive). Reprezintă totodată și o cuantificare a gradului de curbură în plan orizontal, exprimat de schimbarea orientării terenului (aspectul). Recent (1993) Mitasova și Hofierka au sugerat introducerea unui nou parametru, Curbura Tangențială (Plan Curvature*panta), pentru evidențierea mult mai clară a scurgerii în suprafață. Unitățile de măsură sunt în radiani/1m, din acest motiv valorile sunt extrem de reduse (între 1 și –1). Pentru ușurarea interpretării aceste valori pot fi înmulțite cu 100 (John P. Willson & John C. Gallant, 2000).

Harta Curburii în Profil este extrem de importantă, întrucât determină care sunt suprafețele convexe și care sunt cele concave. Pe versanții convecși se va manifesta o scurgere accelerată (marcată pe hartă prin valori negative), iar pe cei concavi o scurgere decelerată (valori pozitive). Calcularea acestui coeficient (Profile Curvature ) a fost realizată, în exemplul de față, în cadrul programului Surfer. De asemeni, acest parametru poate fi calculat în oricare din programele enumerate la începutul capitolului. Unitățile de măsură sunt exprimate în radiani/1m. Pentru oricare dintre hărțile coeficienților de curbură se pot folosi ulterior suprapuneri ale hărților contur, în scopul înlesnirii interpretării.

Harta adâncimii fragmentării

Harta densității fragmentării

Harta indicelui de convergență/divergență a fost realizată în cadrul programelor DiGeM sau SAGA. Importanța acesteia rezidă în determinarea regimului scurgerii în suprafață, a vizualitării interfluviilor și a văilor, evidențiind foarte bine sistemele hidrografice. Sectoarele plane, pe care nu se realizează scurgerea au valoarea 0, divergența maximă fiind marcată de valori pozitive (maxim 100), iar convergența maximă de valori negative (maxim –100).

Suprafața bazinelor hidrografice este exprimată în m2, deoarece dimensiunea unei celule este de 30m. Astfel o singură celulă va avea valoarea de 900m2. Pentru exprimarea suprafeței în km2 este necesară o împărțire a gridului la 1000000. Nu credem că sectorul nostru de lucru este sugestiv pentru o astfel de reprezentare, întrucât bazinele sunt extrem de reduse, dar prezentăm totuși mai jos această hartă.

Suprafața bazinelor hidrografice (m2)

Suprafața bazinului prezintă importanță în determinarea volumului de apă din cadrul sistemului hidrologic

Suprafața bazinelor hidrografice (km2)

Altitudinea medie a bazinului (Upslope Height) este un indicator al energiei potențiale existente la nivelul acestuia, în timp ce Panta medie a bazinului (Upslope Slope) determină viteza de scurgere a apei. Toți acești indicatori exprimă, pentru sectorul analizat, existența unor bazine extrem de slab dezvoltate, cu cea mai mare valoare a energiei potențiale cu puțin peste 50m. Utilitatea lor se dovedește mai ales în analiza riscurilor hidrologice, putându-se identifica foarte ușor sectoarele de accelerare a vitezelor de scurgere.

Altitudinea medie a bazinelor hidrografice (m)

Panta medie a bazinelor hidrografice (grade)

Harta potențialului de infiltrare a apei (Wetness Index) indică sectoarele de saturare corespunzătoare scurgerii convergente și marcate totodată și printr-o pantă redusă. Formula de calcul este:

în care As reprezintă suprafața bazinului, iar beta este panta. Se presupune că transmisivitatea la nivelul solului este uniformă pe întreaga suprafață și nu se ține cont de gradul de acoperire cu vegetație. Cu tot gradul de relativism pe care îl prezintă, acest indicator se dovedește extrem de folositor în analiza pedologică.

Harta potențialului de infiltrare a apei

Indicele capacității de transport (Stream Power Index) reprezintă produsul dintre suprafața bazinului (As) și pantă (p).

SPI=As tan p

Pentru sectoarele cu valori negative pe harta Curburii în Profil și cu valori pozitive pe harta Curburii în Plan, se vor manifesta procese de eroziune intensă. Opus, se vor identifica sectoarele de acumulare a sedimentelor erodate. Importanța acestui indice rezidă din identificarea în profil longitudinal de vale a sectoarelor de transport intens al materialului erodat și a sectoarelor de acumulare a acestora.

Harta capacității de transport

Indicele capacității de transport în profil longitudinal

LS Factor reprezintă relația dintre lungimea versantului și panta acestuia. Dacă doi versanți au aceeași lungime dar pante neasemănătoare, comportamentul acestora va fi diferit în procesele de modelare. Prin lungimea versantului se înțelege (cf. Wischmeier și Smith, 1978), „distanța de la punctul de origine al scurgerii până la punctul în care gradientul pantei scade suficient pentru a permite acumularea, sau scurgerea este concentrată într-un canal delimitat”.

Bibliografie

Conrad, O. (1998) Derivation of Hydrologically Significant Parameters from Digital Terrain Models , DiGeM 2.0

Guth, P.L., (1995), Slope and aspect calculations on gridded digital elevation models: Examples from a geomorphometric toolbox for personal computers : Zeitschrift fur Geomorphologie N.F. Supplementband 101, pp.31-52

Moore, I.D., Grayson, R.B., Landson, A.R. (1993) Digital terrain modelling: a review of hydrological, geomorphological, and biological applications , In K.J. Beven and I.D. Moore (eds.), Terrain Analysis and Distributed Modelling in Hydrology , 7–34, John Wiley and Sons, Chichester

Tarboton, D. G., R. L. Bras, I. Rodriguez-Iturbe, (1992), A Physical Basis for Drainage Density , Geomorphology, 5(1/2): 59-76.

Tarboton, D. G., U. Shankar, (1998), The Identification and Mapping of Flow Networks from Digital Elevation Data , Invited Presentation at AGU Fall Meeting, San Francisco, December 6 to 10.

Wood, J., (1996), The Geomorphological Characterisation of Digital Elevation Models , University of Leicester