Piotr Nowakowski, Jarosław Chormański, Stefan Ignar
Zakład Hydrologii i Zasobów Wodnych, Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie
Wstęp
Praca przedstawia zastosowanie pakietu programowego WMS do modelowania wpływu zmian uŜytkowania na wielkość odpływu powierzchniowego w małej zlewni rolniczej. Watershed Modeling System jest pakietem zintegrowanego modelowania hydrologicznego w zlewni z systemem GIS. Pakiet ma budowę modułową. Moduły GIS pozwalają na obliczanie przestrzennie rozłoŜonych parametrów wejściowych do modeli hydrologicznych. Model był juŜ stosowany w przeszłości, wykazując swą przydatność w prognozowaniu odpływu ze zlewni i uŜytkowanych rolniczo [CHORMAŃSKI i in. 1998;
DUONG VAN i in. 1999; IGNAR 2002]. Obecna praca omawia zastosowanie modelu do badań wpływu zmian środowiskowych na wielkość odpływu na obszarze zlewni Olszanki.
Charakterystyka zlewni rzeki Olszanki
Badana zlewnia połoŜona jest na Wysoczyźnie śelechowskiej będącej częścią makroregionu Niziny Południowopodlaskiej w podprowincji Niziny Środkowopolskiej.
Rzeka Olszanka jest lewobrzeŜnym dopływem Wilgi, która z kolei stanowi prawobrzeŜny dopływ Wisły (rys. 1). Obszar zlewni wynosi 24,2 km2. Zlewnia ma charakter rolniczy. Szczegółowe rozpoznanie warunków hydrogeologicznych [MACIOSZCZYK, BIENIASZEWSKA 1967] wyróŜnia trzy poziomy zalegania wód podzie-mnych, oraz duŜą zgodność działów wodnych podziemnych i powierzchniowych. W zlewni występuje przewaga gleb wytworzonych z glin zwałowych. Są to na ogół piaski gliniaste i gliny lekkie, a w podłoŜu gliny. Doliny rzek wysłane są torfami i glebami murszowymi.
Opracowanie cyfrowej bazy danych dla określania strat opadowych Istotą badań wpływu zmian uŜytkowania na odpływ jest wykonanie przestrzennej bazy danych umoŜliwiającej szybkie wprowadzanie zmian. Przestrzenną bazę danych wykonano w środowisku GIS, wykorzystując moŜliwości pakietu WMS i programu ArcView GIS 3.3. Objęła ona mapę granic zlewni, oraz mapy glebową i typów uŜytkowania, niezbędne do określenia strat opadowych metodą krzywej CN SCS
[RALLISON, MILLER 1981]. Zasięg zlewni wyznaczono automatycznie w oparciu o analizę wysokości i spadków Numerycznego Modelu Terenu zlewni Olszynki, oraz przebieg cieków wodnych. Tak wyznaczony obszar niemal całkowicie pokrywał się z granicami zlewni wyznaczonymi w oparciu o mapę topograficzną.
Rys. 1. Zlewnia Olszanki
Fig. 1. The Olszanka River catchment
Mapa uŜytkowania
Dane o uŜytkowaniu przygotowano w programie ArcView GIS i zaimportowano do WMS w postaci pliku graficznego z jednoczesnym przypisaniem informacji o rodzaju uŜytkowania, pochodzącej z kolumny tabeli ArcView GIS, zawierającej indywidualne numery identyfikacyjne poszczególnych typów terenu wg nomenklatury zgodnej z metodą SCS. Wartościom tym przyporządkowywane są parametry w tabeli CN.
Mapa glebowa
Podobnie, jak przy mapie uŜytkowania, importowana mapa glebowa została wcześniej zdefiniowana tym razem jako „Soil type”. Przydzielono jej równieŜ kolumnę zawierającą informacje o grupach glebowych wg metody CN. W programie WMS określane są one poprzez przydzielenie kaŜdemu z poligonów oznaczenia literowego (A, B, C, D), lub odpowiadającej im cyfrowej wartości identyfikacyjnej (0, 1, 2, 3).
Przy tworzeniu mapy glebowej postanowiono wykorzystać informacje z trzech
OCENA WPŁYWU ZMIAN UśYTKOWANIA ZLEWNI ... 185 poziomów glebowych, które wyodrębniane są na państwowych mapach glebowych.
Wymagało to opracowania własnej metody pozwalającej wyznaczyć klasę gleby wg CN na podstawie trzech warstw. W metodzie tej kaŜdą z gleb sklasyfikowano stosując podział gleb dostosowany do nazw wg Polskiego Towarzystwa Gleboznawczego [IGNAR
1988]. KaŜdy z typów gleb otrzymał swą wagę (tab. 1), podobnie wagi otrzymały teŜ poziomy glebowe (tab. 2). Po uwzględnieniu obu elementów otrzymywano wartość liczbową, która decydowała o wartości CN danego obszaru, a wartości graniczne danej grupy ustalono jako średnie pomiędzy poszczególnymi wagami gleb.
Tabela 1; Table 1 Wagi dla kompleksów glebowych zastosowane w metodzie CN
Weights the for soil types in the CN method Wyszczególnienie
Specification
Kompleks glebowy wg metody CN Soil type (CN method)
A B C D
Waga; Weight (-) 1 2 4 8
Tabela 2; Table 2 Wagi dla kolejnych warstw zastosowane w metodzie CN
Weights for the soil layers in CN method Wyszczególnienie
Specification
Numer i miąŜszość warstwy gleby Number and thickness of soil layer I
0-50 cm
II 50-100 cm
III 100-150 cm
Waga; Weight (%) 60 25 15
Tabela wartości CN została utworzona w pliku tekstowym, w formacie zgodnym z programem WMS, którym podano kolejno numery identyfikacyjne uŜytków, ich nazwę, oraz wartości CN dla poszczególnych grup glebowych. Przykładowy zapis pojedynczego uŜytku przedstawiono poniŜej:
8, „łąka”, 30,58,71,78
Opad o 1% prawdopodobieństwie pojawienia się
Opad P1%,6h = 62,2 mm odczytany z mapy opadów dobowych [FAL, PLENZER 1981;
STACHY 1987] rozłoŜono na 6 godzin według rozkładu proponowanego przez DVWK [DVWK 1984]. Wybrano rozkład na 6 godzin, poniewaŜ najbardziej odpowiadał on przeciętnemu opadowi wywołującemu analizowane fale.
Modelowanie fal wezbraniowych w programie WMS
W pierwszym etapie modelowania wyznaczono hydrogramy odpływu powie-rzchniowego pojedynczych wezbrań opadowych. Zarejestrowany opad całkowity
rozdzielono na straty i opad efektywny według załoŜeń metody SCS [RALLISON,MILLER
1981]. Parametr CN dobierano tak, aby objętość opadu efektywnego była równa objętości hydrogramu wezbrania. Transformację opadu w odpływ wykonano metodą hydrogramu jednostkowego. W pracy analizowano dwie metody wyznaczania hydrogramu jednostkowego: wg metody SCS [RALLISON, MILLER 1981] wyznaczane w programie WMS, oraz model hydrogramu jednostkowego Wackermana w modyfikacji IGNARA [1993]. Optymalizację parametrów modelu Wackermanna i SCS przeprowadzono łącznie dla sześciu róŜnych fal. Weryfikację modelu przeprowadzono na materiale zaleŜnym, dokonując tzw. weryfikacji wstępnej modeli. Przeprowadzono ją, porównując rzędne wyliczonego hydrogramu wezbrania z rzędnymi hydrogramu obserwowanego, oraz stosując tzw. miary zgodności. Do oceny zgodności posłuŜono się specjalnym współczynnikiem korelacji - RS według klasyfikacji wartości podanej przez DELLEURA, SARMĘ i RAO [1973]. Okazało się, Ŝe w kaŜdym z przypadków wierniejsze odwzorowanie kształtu fal otrzymujemy metodą Wackermana. Specjalny współczynnik korelacji RS w przypadku kaŜdej z fal wykazywał większą zgodność hydrogramu Wackermanna niŜ SCS (tab. 3).
Tabela 3; Table 3 Specjalne współczynniki korelacji policzone
dla modeli hydrogramów jednostkowych Wackermanna i SCS Special corellation coefficient calculated
for the Wackermnann and SCS IUH models Numer fali
Flood numer
1 2 3 4 5
RS (%) Wackermann 99,051 99,670 95,843 99,750 98,849
RS (%) SCS 92,353 93,112 85,304 81,442 71,555
Stosując model Wackermanna w przypadku 3 fal osiągnięto zgodność znakomitą a w dwóch przypadkach bardzo dobrą, podczas gdy model SCS pozwolił uzyskać odpowiednio zgodność dobrą w dwóch przypadkach, w jednym zadowalającą a w dwóch niezadowalającą. Wizualna analiza hydrogramu odpływu równieŜ potwierdziła wyŜszość metody Wackermanna nad hydrogramem jednostkowym SCS (rys. 2). W związku z tym do następnego etapu modelowania wybrano metodę Wackermanna.
OCENA WPŁYWU ZMIAN UśYTKOWANIA ZLEWNI ... 187
t (godz.; h)
Rys. 2. Porównanie wyników pomiarów z rezultatami modelowania fal wg programu WMS, fala 2 Fig. 2. Comparison of measured data with flood modeling results by WMS program, flood No 2
Po wyznaczeniu wartości CN dla kaŜdego z wariantów uŜytkowania, przy zadanym deszczu jednoprocentowym o czasie trwania 6 godzin, modelowano przebieg hydrogramów wezbraniowych.
Analiza wpływu zmian uŜytkowania na odpływ Analizę zmian uŜytkowania w zlewni na wielkość odpływu przeprowadzono dla sześciu wariantów analizowanych (tab. 4).
Tabela 4; Table 4 Wartości CN wyliczone dla analizowanych wariantów uŜytkowania
CN values calculated for analyzed use variants
Numer wariantu; Variant number 1 2 3 4 5 6
Rośliny okopowe; Staple plants 15% 25% 25% 0% 30% 15%
Rośliny zboŜowe; Cereal plants 62% 64% 30% 0% 4,5% 62%
Rośliny motylkowe; Legume plants 5% 5% 5% 0% 5% 5%
Ugór; Fallows 2,5% 0,5% 5% 29,5% 20% 2,5%
Pastwiska; Pastures 15% 5% 24% 70% 40% 15%
Drogi gruntowe; ground roads 0,5% 0,5% 1% 0,5% 0,5% 0,5%
Średnia wartość CN; Mean CN value 67 70 69 65 70 57
Wariant pierwszy to sytuacja obecna. Aktualna mapa uŜytkowania terenu opracowana została w oparciu o zdigitalizowane mapy topograficzne w skali 1: 25 000.
Struktura gruntów rolnych została określona na podstawie obserwacji poczynionych w czasie kartowania terenowego.
Wariant drugi zakłada stopniowy rozwój wsi. Część terenów leśnych zastąpiona Q (m3⋅s-1)
Q (m3⋅s-1)
została przez grunty orne. Jednocześnie w strukturze upraw zwiększył się udział roślin pastewnych i zboŜowych kosztem pastwisk.
W wariancie trzecim załoŜono, iŜ na terenie zlewni powstała duŜa firma przemysłowa. Nowe miejsca pracy spowodowały rozwój infrastruktury mieszkalnej.
Sama firma zdecydowała się na budowę niewielkiego osiedla mieszkaniowego dla swych pracowników. W sąsiedztwie zakładu stworzono strefę ochronną, w obrębie której ziemia nie jest uprawiana. W związku z duŜą liczbą miejsc pracy w pobliskim zakładzie przemysłowym, produkcja rolna zmieniła swój charakter: zmniejszył się udział zbóŜ, wzrósł natomiast pastwisk. Jednocześnie zmniejszyła się równieŜ powierzchnia obszarów leśnych.
Rys. 3. Hydrogramy wezbrań otrzymane dla obliczonych wariantów uŜytkowania Fig. 3. Floods hydrographs calculated for analyzed use variants
Wariant czwarty zakłada pesymistyczny rozwój sytuacji w rolnictwie. Brak zbytu na lokalne produkty rolne doprowadza do masowego porzucania produkcji rolnej.
Większość ziemi leŜy odłogiem, uprawa ogranicza się do potrzeb własnych gospodarstw, wskutek czego nastąpił wzrost udziału roślin pastewnych, pastwisk i łąk.
Część mieszkańców pracuje, bądź całkowicie przenosi się do miasta. Inni próbują two-rzyć małe firmy usługowe bądź produkcyjne.
Wariant piąty powstał po otrzymaniu wyników dla wariantu drugiego i trzeciego.
Wtedy okazało się, Ŝe wskazana byłaby analiza jeszcze jednej moŜliwości rozwoju sytuacji. Podobnie, jak w wariancie trzecim, załoŜono powstanie duŜego zakładu przemysłowego i związanego z nim rozwoju infrastruktury mieszkaniowej, przy czym struktura upraw nie ulega tu zmianom, co przejawia się wyznaczeniem wartości CN dla uŜytków rolnych identycznie, jak w wariancie pierwszym.
W wariancie szóstym przeanalizowano sytuację, w której w wyniku polityki zalesiania obszarów o małym zainteresowaniu rolnictwa charakter zlewni jest bliski
OCENA WPŁYWU ZMIAN UśYTKOWANIA ZLEWNI ... 189 stanowi naturalnemu. Liczba ludności oraz powierzchnia zamieszkiwanych przez nią terenów ulega zmniejszeniu. RównieŜ udział terenów uŜytkowanych rolniczo ulega zmniejszeniu. Większość obszaru dotychczas traktowanego jako pola jest zalesiona.
Dla powyŜszych scenariuszy zmian wykonano mapy uŜytkowania terenu i zaimportowano je do programu WMS. Następnie stosując analizę nałoŜenia map określono wielkość parametru CN dla kaŜdego z analizowanych wariantów zmian (tab.
4). Wyniki obliczeń symulacyjnych dla przyjętych wariantów w postaci fal wezbraniowych przedstawiono na rysunku 3.
Dyskusja wyników i podsumowanie
Zgodnie z oczekiwaniami zmiany struktury uŜytkowania zlewni wpłynęły na zmianę kształtu fali wezbraniowej objawiające się obniŜaniem, bądź podwyŜszaniem kulminacji wezbrania. Falę o najwyŜszym przepływie maksymalnym otrzymano w wariantach drugim i szóstym. Głównym czynnikiem powodującym wzrost kulminacji fali była zmiana struktury upraw oraz zmniejszenie powierzchni lasów. Istotny wpływ terenów leśnych potwierdza równieŜ wynik dla wariantu szóstego, gdzie wzrost zalesienia skutkował falą o najniŜszej kulminacji wezbrania.
Z analizy wyników dla wariantów drugiego, trzeciego i piątego moŜna zauwaŜyć, iŜ zmiany w strukturze upraw mają bardzo istotny wpływ na wysokość kulminacji wezbrania. Planowany w wariancie trzecim zakład przemysłowy i wiąŜący się z nim wzrost powierzchni słabo przepuszczalnych wywołały falę o niŜszym przepływie maksymalnym, dla deszczu jednoprocentowego, niŜ zmiany w strukturze upraw wprowadzone w wariancie drugim. Natomiast przy wariancie piątym z zakładem przemysłowym, ale bez zmian struktury upraw w stosunku do istniejących pierwotnie, otrzymano falę o kulminacji identycznej, jak w wariancie drugim.
Podsumowując, zmiana upraw, zaleŜna od sytuacji na rynku rolnym, ma na wysokość kulminacji wezbrania wpływ tak istotny, jak budowa duŜego zakładu przemysłowego i wiąŜącego się z nim rozwoju infrastruktury mieszkalnej.
Program WMS okazał się skutecznym narzędziem, które łącząc w sobie moŜliwości obliczeniowe programu GIS z modelem hydrologicznym, moŜe być z powodzeniem stosowany w hydrologicznych pracach prognostycznych.
Literatura
CHORMAŃSKI J., DUONG VAN K., GROT T., IGNAR S. 1998. Zastosowanie „Systemu Mo-delowania Zlewni” (WMS - Watershead Modeling System) do badań hydrologicznych.
Zesz. Probl. Post. Nauk Roln. 458: 185-194.
DUONG VAN K., CHORMAŃSKI J., IGNAR S. 1999. Application of WMS Package for Flood Flows Modelling in small agricultural watershed. Roczn. AR w Poznaniu, Melioracje i InŜ. Środ. 20: 383-390.
DVWK 1984. Arbeitsanleitung zur Anwendung Niederschlag-Abfluss-Modellen in kleinen Einzugsgebieten. Regeln 113, Teil II: Synthese, Verlag Paul Parey, Hamburg: 16 ss.
FAL B., PLENZER W. 1981. Intensywność zasilania opadowego w Polsce (mapa maksy-malnych sum opadów dobowych o prawdopodobieństwie p = 1%). Wiadomości IMUZ 1-2: 55-60.
IGNAR S. 1988. Metoda SCS i jej zastosowanie do wyznaczania opadu efektywnego.
Przegląd Geofizyczny XXXIII(4): 451-455.
IGNAR S. 1993. Metodyka obliczania przepływów wezbraniowych w zlewniach nie-obserwowanych Wyd. SGGW, Warszawa: 55 ss.
IGNAR S. 2002. Application of rainfall-runoff model for evaluation of flood mitigation by storage reservoir. Annals of Warsaw Agricultural University 33: 103-107.
MACIOSZCZYK T., BIENIASZEWSKA H. 1967. Warunki hydrogeologiczne zlewni górnej Wilgi. Katedra Hydrogeologii Uniwersytetu Warszawskiego, maszynopis, IMGW Warszawa.
RALLISON R.E., MILLER N. 1981. Past, present and future of SCS runoff precedure. Int.
Symp. On Rainfall-Runoff Modeling. Missisipi State University: 353-364.
STACHY J. 1987. Atlas hydrologiczny Polski. Praca zbiorowa wykonana w IMiGW. Wyd.
Geologiczne, Warszawa.
Słowa kluczowe: hydrologia, zlewnia, modelowanie opad-odpływ, GIS Streszczenie
W opracowaniu przedstawiono wykorzystanie pakietu WMS, będącego po-łączeniem hydrologicznego modelu HEC-1 o parametrach dyskretnie rozłoŜonych z interfejsem Geograficznego Systemu Informacyjnego (GIS), w małej zlewni rolniczej.
Model wykorzystano do modelowania fal wezbraniowych na rzece Olszance.
W pracy analizowano dwie metody wyznaczania hydrogramu jednostkowego.
Pierwsza z nich bazowała na parametrach hydrogramu jednostkowego dla metody SCS wyznaczonych w programie WMS. Metoda druga opierała się o hydrogramy jednostkowe Wackermana, wyliczone w dodatkowym programie autorstwa S. Ignara.
Wybrano drugie z wymienionych rozwiązań. Skalibrowany model wykorzystano do analizy wpływu róŜnych wariatów uŜytkowania, na fale wezbraniowe. Przeanalizowano sześć wariantów. Zmiany w strukturze uŜytkowania przekładały się na zmianę parametru CN. Modelowanie przeprowadzono w programie WMS dla opadu o 1%
prawdopodobieństwie pojawienia się.
ASSESSMENT OF THE LANDUSE CHANGE INFLUENCE ON THE FLOOD WAVES IN A SMALL
AGRICULTURAL CATCHMENT
Piotr Nowakowski, Jarosław Chormański, Stefan Ignar Department of Hydraulic Engineering and Environmental Restoration,
University of Life Sciences, Warszawa
Key words: hydrology, watershead, rainfall-runoff modelling, GIS
OCENA WPŁYWU ZMIAN UśYTKOWANIA ZLEWNI ... 191
Summary
This paper describes an application of the WMS software - complete integration GIS and partially distributed hydrological model (HEC-1) in a small agricultural watershed. The model was used for modelling floods on the Olszanka river.
Transformation of an effective rainfall into a runoff was performed using a unit hydrograph model. Two formula of the unit hydrograph were used. First was based on the SCS method (appointed in the WMS program). The second method was based on the Wackerman unit hydrograph. This was calculated in external programme by S.
Ignar. The second solutions was chosen.
Calibrated model was used for modeling with six different variants of a landuse.
The landuse influence on floods was analysed. The changes in the landuse structure were transformed on the change of the CN parameter. Modelling was conducted in the programme of WMS for rainfall with 1% of probability of occurrence.
Mgr Piotr Nowakowski
Zakład Hydrologii i Zasobów Wodnych
Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego
ul. Nowoursynowska 159 02-787 WARSZAWA
e-mail: p.nowakowski@levis.sggw.waw.pl