Runoff modeling using GIS. Application in torrential basins in the Apuseni Mountains.

Titlu în limba română: Modelarea GIS a formării scurgerii rapide. Aplicație în bazine torențiale din Munții Apuseni.

Teza de doctorat susținută in data de 20.02.2012 la Universitatea Babeș-Bolyai din Cluj-Napoca, Facultatea de Geografie pentru obținerea titlurilor de Doctor în Geografie și Doctor în Inginerie.

Teza a fost redactată in limba engleză și realizata în cotutelă cu Vrije Universiteit Brussel, Department of Hydrology and Hydraulic Engineering. Conținutul integral al tezei, în format PDF, poate fi downloadat de aici.

Rezumat:

România este vulnerabilă la inundații cauzate de viituri rapide și numărul acestor dezastre a crescut recent, în special în zona montană datorită defrișărilor și schimbărilor climatice.

Prin intermediul acestei lucrări propun dezvoltarea unei metodologii GIS pentru modelarea procesului ploaie-scurgere care să ajute la anticiparea cantității de apă disponibilă pentru scurgere și la integrarea scurgerii pe versanți în vederea estimării magnitudinii viiturilor rapide care pot apărea. Se urmărește, așadar, ca, în condițiile prognozării unei cantități de precipitații pentru o anumită zi, cunoscându-se condițiile anterioare de umezeală și caracteristicile terenului, să se poată estima cantitatea de apă care va contribui la generarea viiturii și distribuția scurgerii acestei cantități de apă în spațiu și timp. Desigur, anticiparea viiturii depinde în mare măsură de precizia prognozei meteorologice emise.

Modelul ia în considerare factorii prezentați și este capabil să anticipeze cantitatea de apă disponibilă pentru scurgere și să simuleze deplasarea acesteia prin bazinele hidrografice, în scopul de a estima variația debitului care apare în punctul de închidere al bazinului. Scopul principal al acestui model este de a obține, cunoscând caracteristicile peisajului, precipitațiile antecedente și precipitațiile prognozate pentru o anumită zi, cantitatea de apă care va genera viitura și distribuția acesteia în timp. Rezultatul aplicării modelului este hidrograful generat de un anumit eveniment pluviometric spațial distribuit care poate afecta o zonă locuită de munte.

Modelul proces utilizează un model digital altimetric (DEM), hărți ale solurilor (din care se poate obține rata de infiltrare) și hărți de utilizare a terenului în format digital. Detalii ale precipitațiilor și prognozarea acestora sunt folosite pentru a modela scurgerea rapidă. Modelul este în special axat pe bazine fără măsurători, care este cazul general pentru bazinele hidrografice mici din Munții Apuseni. Modelul trebuie, prin urmare, să fie realist cu privire la disponibilitatea datelor.

Lucrarea este structurată în 8 capitole, care corespund următoarei succesiuni de etape care stau la baza elaborării temei de cercetare: fixarea obiectivelor – studiul nivelului de cunoaștere al domeniului – studiul posibilităților de modelare a fenomenului – constituirea bazei de date necesare – dezvoltarea algoritmilor GIS de discretizare automată a zonei de studiu – dezvoltarea și automatizarea modelului proces pentru prognoza viiturilor rapide cauzate de ploi torențiale – validarea modelului pentru prognoza viiturilor rapide cauzate de ploi torențiale.

Lipsa datelor (de exemplu, proprietățile solului sau secțiunile transversale ale cursurilor de apă) limitează folosirea unor modele mai complexe iar lipsa de măsurători pe termen lung nu permite aplicarea unor metode stochastice. Deoarece măsurătorile în teren sunt de asemenea, dificile, un model de estimare indirectă care poate fi utilizat fără campanii de măsurători complexe în teren. Modelul creat pentru acest studiu este conceput pentru a utiliza date minime disponibile pe internet pentru rulare și precipitații din prognozele meteo, principalele surse de date fiind modelul digital altimetric (DEM), hărți ale solurilor (pentru rata de infiltrare) și seturi de date cu utilizarea sau acoperirea terenurilor.

Modelul este creat folosind ArcGIS, ModelBuilder și limbajul de programare Python. Modelul este dezvoltat modular, fapt ce permite utilizarea unor module în alte aplicații sau introducerea unor noi module pentru dezvoltări ulterioare ale modelului.

Prezentarea, parcursul dezvoltării modelului și motivația pentru a alege anumite soluții pentru implementare sunt prezentate în primele trei capitole.
Capitolele 4 și 5 prezintă două componente ale modelului: primul modul este folosit pentru discretizarea unei zone montane, reprezentat sub forma unui model digital altimetric, în bazine și subbazine care pot fi folosite pentru aplicarea acestuia împreună

Ultimele două capitole prezintă două exemple de aplicații în Munții Apuseni și o procedură de validare. Strategia de validare pentru modelul GIS este elaborată prin comparație cu alte modele existente sau cu măsurători din bazine unde sunt disponibile stații de măsurare ale debitelor.

Teza se încheie prin publicarea întregului cod sursă în limbaj Python care reprezintă diferitele componente ale modelului și care poate fi folosit pentru dezvoltare ulterioară a unor noi module sau pentru modificarea celor existente.