Opis programu komputerowego modelu WISTOO

Wymagane dane wejściowe do modelu

Model WISTOO jest to model matematyczny służący do przeprowadzania symulacji obliczeniowych transformacji opadu w odpływ przy godzinowym kroku czasowym. Jest on przede wszystkim przeznaczony dla zlewni górskich i podgórskich. Zlewnia jest dzielona na elementy kwadratowe (rastry), o wymiarach określonych przez użytkownika programu. Maksymalna liczba rastrów wynosi 4 miliony. Aby przeprowadzić symulację obliczeniową należy dostarczyć dane przestrzenne, zapisane w formacie rastrowym i wektorowym oraz odpowiednio przygotowane dane meteorologiczne.

Wymagane są następujące cyfrowe warstwy tematyczne:

• cyfrowy model terenu w siatce kwadratowej (raster) – NMT (z ang. DTM),

• sieć hydrograficzna z nadanymi rzędnymi wysokości źródeł,

• struktura i rodzaj gleb (miana poszczególnych obszarów definiowane są według polskiej klasyfikacji gleb lub wprowadzane na potrzeby modelu umownego podziału gruntów),

• struktura przestrzenna zagospodarowania terenu (z nadanymi mianami według przyjętej w modelu klasyfikacji),

• rozmieszczenie posterunków pomiarowych, identyfikowanych według ich numeracji (nazw).

Dane hydrometeorologiczne zarejestrowane w przedziale godzinowym lub dobowym są wprowadzane bezpośrednio przez odpowiednio sporządzoną do tego celu procedurę narzędziową. Pierwszą czynnością jest przeprowadzenie przetworzenia warstw cyfrowych GIS, czyli wygenerowanie zbioru parametrów obliczeniowych. Wszystkie warstwy cyfrowe muszą być wygenerowane w jednolitym układzie współrzędnych i z tą samą rozdzielczością.

Cyfrowe warstwy tematyczne wykorzystywane w toku obliczeń modelu WISTOO

Struktura modelu

Struktura modelu WISTOO bazuje na przyjętym hydrologicznym schemacie obiegu wody w zlewni, w którym wyróżniono następujące procesy:

Ë    intercepcję,

Ë    ewapotranspirację,

Ë    infiltrację,

Ë    spływ powierzchniowy,

Ë    odpływ podpowierzchniowy,

Ë    odpływ z sieci koryt rzecznych.

Schemat procesów uwzględnionych w modelu WISTOO

Opracowane procedury obliczeniowe opisują hydrodynamikę poszczególnych procesów na przyjętym poziomie dokładności ich odwzorowania.

Schemat obiegu wody w zlewni

Podstawowe założenia metodyczne

Podstawową, zastosowaną w modelu metodą rozkładu parametrów meteorologicznych jest metoda odwrotnych odległości. Umożliwia ona oszacowanie poszczególnych parametrów meteorologicznych w postaci funkcji ciągłej. W obliczeniach wykorzystuje się wartości zmierzone w najbliżej położonych stacjach pomiarowych lub ze wszystkich istniejących na danym terenie, niekoniecznie położonych na obszarze zlewni.

Metoda odwrotnych odległości opiera się na założeniu, że wpływ obserwacji w punkcie pomiarowym na dowolny punkt zlewni jest odwrotnie proporcjonalny do odległości dzielącej dany punkt obliczeniowy od stacji pomiarowej. Odległość jest współczynnikiem wagowym wpływu poszczególnych stacji pomiarowych na wartość rozkładanego przestrzennie parametru. Im bardziej punkt pomiarowy jest oddalony od punktu obliczeniowego, tym bardziej jego wpływ maleje. Wartości obliczeniowe poszczególnych parametrów meteorologicznych w dowolnym punkcie zlewni określone są z zależności

Wartość wykładnika n jest przyjmowana w zależności od topografii terenu. Dla obszarów płaskich najczęściej przyjmowana jest wartość 1, a dla górzystych wartość 3.

Struktura programu komputerowego modelu WISTOO

Program komputerowy składa się z części odpowiedzialnej za przygotowanie danych do obliczeń oraz z właściwej części obliczeniowej. Prowadzenie obliczeń poprzedzone jest przygotowaniem danych wejściowych przy użyciu następujących procedur:

{     procedury tworzącej cyfrowy model terenu,

{     procedury generującej parametry zlewni z poszczególnych warstw tematycznych,

{     procedury opracowującej dane meteorologiczne.

Procedura tworząca cyfrowy model terenu

Pierwsza z tych procedur ma charakter pomocniczy. Wykorzystuje się ją tylko w przypadku braku cyfrowego modelu terenu. Na potrzeby modelu zostały opracowane algorytmy obliczeniowe, które na podstawie zdigitalizowanych map topograficznych generują cyfrowy model terenu.

Do uruchomienia tej procedury potrzebne są dane zapisane w formacie AutoCAD-a (DXF), obejmujące następujące warstwy tematyczne:

v     warstwice, o nadanym atrybucie wysokości,

v     sieć rzeczna, dla każdego cieku nadany atrybut wysokości źródeł, zdigitalizowany od źródła do ujścia,

v     punkt określający przekrój zamykający zlewnię z atrybutem wysokości,

v     wysokościowe punkty charakterystyczne zlewni z atrybutem wysokości,

v     granica zlewni,

v     linie szkieletowe, czyli linie opisujące skomplikowane układy topograficzne jak: pasma wzniesień, przebieg jarów lub suchych koryt, a także granice zlewni cząstkowych.

Do konwersji układu wektorowego na rastrowy zastosowano transformację liniową, w której wartość poszukiwana jest określana na podstawie najmniejszej odległości między znanymi punktami (warstwice, punkty wysokościowe, rzędne rzeki, linie szkieletowe itp.). Istotne dla prawidłowego funkcjonowania modelu są dalsze dwie procedury opracowujące wejściowe parametry obliczeniowe oraz dane meteorologiczne.

Procedura generująca parametry zlewni

Każdy raster musi mieć zdefiniowany zestaw parametrów niezbędnych w obliczeniach. Parametry te uzyskuje się z poszczególnych warstw tematycznych. Specjalnie przygotowana procedura narzędziowa na podstawie tych warstw wyznacza odpowiednie parametry oraz porządkuje je w określonej kolejności. Podstawą do uszeregowania parametrów jest kolejność rastrów ustawiona według ruchu wody po powierzchni zlewni i w sieci koryt rzecznych. Wszystkie rastry opisujące powierzchnię zlewni są dzielone na rzędy zasilania według kryterium kolejności zasilania.

Schemat wymiany wody pomiędzy rastrami w układzie quasi-dwuwymiarowym i dwuwymiarowym

Rząd 0 zostały ustalony dla rastrów, w których rozpoczyna się ruch wody. Z rastrów tych zasilane są rastry rzędu 1, a z nich z kolei zasilane są rastry rzędu 2 itd. Na końcu łańcucha znajdują się rastry, z których zasilane są cieki. Podobnie usystematyzowane są rastry opisujące cieki. W rastrach rzędu 0 znajdują się źródła, w których rozpoczyna się bieg cieków, a ostatni rząd dotyczy rastra znajdującego się w przekroju zamykającym zlewnię. Poszczególne rastry zapisywane są w zbiorze wynikowym według hierarchii wynikającej z rzędu zasilania. W pierwszej części zbioru umieszczane są wszystkie rastry związane z powierzchnią zlewni, w drugiej części rastry związane z ciekami. Każdemu rastrowi zostaje nadany indywidualny numer kolejny oraz identyfikator określający jego pozycję w zbiorze. Powstały zbiór określa kolejność prowadzenia obliczeń w poszczególnych krokach czasowych.  

W układzie quasi-dwuwymiarowym ruch wody ustalony jest na podstawie kierunku największego spadu, czyli najniżej położonego rastra. Z góry zakłada się, że odpływ występuje tylko w jednym kierunku. W dwuwymiarowym układzie woda opuszcza raster we wszystkich możliwych kierunkach, czyli z danego rastra zasilane są wszystkie rastry o niższych wysokościach. Schemat wymiany wody w układzie dwuwymiarowym jest wykorzystywany głównie do symulacji przestrzennego rozkładu procesów hydrologicznych na terenie zlewni. W większości przypadków do obliczeń hydrogramów jest wykorzystywany układ quasi-dwuwymiarowy, ze względu na skrócenie czasu obliczeń, przy wynikach niewiele odbiegających od pełnego układu dwuwymiarowego.

Z poszczególnych warstw tematycznych odczytywane są informacje, przetwarzane następnie na parametry obejmujące:

v     położenie – współrzędne x, y określone z warstwy DTM,

v     numer kolejny rastrów, z których dany raster jest zasilany,

v     lokalny spadek podłużny cieku i powierzchni terenu (wyznaczany z warstwy DTM),

v     moduły prędkości a dla fali kinematycznej, oraz współczynnik oporu hydraulicznego (określany z warstwy tematycznej zagospodarowanie przestrzenne),

v     współczynniki rozdziału opadu p oraz retencji pokrycia s wykorzystywane w procedurze określającej rozkład opadu netto (wyznaczane z warstwy tematycznej zagospodarowanie przestrzenne),

v     współczynniki porowatości gruntu oraz maksymalnej przewodności gruntu w strefie aeracji warstwy gleby i podglebia (określany z warstwy struktura i rodzaj gleb),

v     miąższości warstwy gleby oraz typy gruntów,

v     parametr określający stopień przepuszczalności gruntu; parametr określony jest w ośmiu kategoriach:

û       0 – powierzchnia naturalna (niezagospodarowana),

û       1 – ujście wody, np. kratka kanalizacyjna, pobór wody,

û       2 – powierzchnia całkowicie nieprzepuszczalna,

û       3 – powierzchnia w 75% nieprzepuszczalna,

û       4 – powierzchnia w 50% przepuszczalna,

û       5 – powierzchnia w 25% przepuszczalna,

û       6 – powierzchnia bez warstwy gleby, np. droga polna,

û       7 – bariera uniemożliwiająca poziomy ruch wody w strefie gleby.

Stopień przepuszczalności powierzchni gruntu został określony na podstawie zagospodarowania przestrzennego.

Dla warstwy tematycznej dotyczącej zagospodarowania przestrzennego wprowadzono umowne wartości liczbowe, które odpowiadają określonym oznaczeniom mapowym.