GENEZA SI CARACTERIZAREA VIITURILOR 3. PRECIPITATII Variabilitatea precipitatiilor Prelucrarea precipitatiilor punctuale Curbe Intensitate Durata Frecventa (IDF) Modele ale ploii de calcul derivate din curbele IDF Structura ploii Precipitatia medie pe bazin Regionalizarea precipitatiilor Precipitatia Maxima Probabila

Motto:Sa stii ca stii ceea ce stii si ca nu stii ceea ce nu stii, iata adevarata stiinta.

Confucius

PrecipitatiiPloile constituie elementul meteorologic principal de intrare intr-un bazin considerat ca un sistem.In general, orice ploaie care cade pe un bazin prezinta o variatie a cantitatii totale adesea importanta de la un punct la alt punct. Un mod de punere in evidenta a variatiei spatiale a cantitatii totale a ploii este harta cu izohiete trasate pe un domeniu dat. De cele mai multe ori se constata ca intr-un spatiu bazinal de marime mijlocie (2000- 5000 km2) exista anumite zone in care in mod aproape sistematic se formeaza nuclee cu cantitatile de ploaie cele mai mari.Variatia spatiala a ploii, adesea foarte semnificativa, conduce la o serie de efecte asupra modului de formare a scurgerii in general si a formarii viiturilor in special.Pe de o parte, in zonele cu nuclee de valori maxime, scurgerea va fi evident mai bogata, iar pe de alta parte, intensitatea hidrografelor va fi mai mare datorita procesului neliniar de integrare a scurgerii pe bazin.

PrecipitatiiO alta caracteristica importanta a ploilor este variatia temporala a acestora. Cu unele exceptii, curba de distributie in timp a cantitatilor de ploaie difera substantial de la un punct la altul al unui spatiu oarecare, aceasta variatie fiind cu atat mai pronuntata cu cat aria la care ne referim este mai intinsa.De asemenea, curbele de distributie in timp sunt cu atat mai diferite cu cat gradul de torentialitate al ploii este mai mare.Variatia temporala a ploii se poate pune in evidenta cu ajutorul hietogramei (distributia temporala a cantitatilor de ploaie cazuta pe intervale discrete de timp) sau utilizand curba integrala a distributiei. Pe baza analizei unui numar foarte mare de hietograme de ploi mari s-a observat ca este posibila o oarecare tipizare a distributiei temporale a ploilor care produc viituri semnificative. In majoritatea cazurilor, la inceputul ploii, cantitatile de ploaie cazute sunt relativ mici, avand efecte hidrologice neinsemnate. In continuare, ploaia devine relativ progresiv mai intensa pe o perioada continua de timp, de durata care variaza intre cateva ore la o zi si chiar mai mult. Aceasta perioada se numeste nucleul ploii si are o importanta foarte mare in producerea viiturilor. Dupa nucleu urmeaza ploi secundare de slaba intensitate cu efecte mici asupra scurgerii. Retine deci atentia nucleul ploii, care produce practic viitura.

Precipitatia prognozata de modelul ALADIN

PrecipitatiiExaminand nucleele de ploaie, se constata ca exista 2 tipuri:-un prim tip, in care maximul de ploaie cazuta se produce in prima jumatate a duratei nucleului. Acest tip se va numi ploaie cu asimetrie pozitiva.-un al doilea tip, in care maximul de ploaie cazuta se produce in a doua jumatate a duratei nucleului. Acest tip se va numi ploaie cu asimetrie negativa.

O a treia caracteristica a ploilor este nesincronizarea caderii acestora.Fronturile atmosferice care genereaza ploi puternice se deplaseaza pe anumite directii cu viteze diferite. In cazul in care bazinul hidrografic are o suprafata de receptie mare sau o forma alungita, descarcarea norilor nu are loc simultan pe tot bazinul, ci numai pe masura avansarii acestora; intereseaza mai ales ploile cu deplasarea generala fie de la izvor catre varsare, fie de la varsare catre izvor. In general, pentru aceeasi cantitate de ploaie, cu aceeasi distributie temporala, debitul de varf al hidrografului obtinut dintr-o ploaie care se deplaseaza pe directia izvor-varsare este mai mare decat cel obtinut dintr-o ploaie care se deplaseaza pe o directie inversa.

PrecipitatiiPe de alta parte, viteza frontului care se deplaseaza pe o directie data are o influenta asupra debitului maxim.Forma hidrografului este influentata intr-o masura mai mare de directia de deplasare a frontului de ploaie decat de viteza de deplasare a acestuia. In situatia in care frontul se deplaseaza de la varsare la izvor, hidrograful viiturii are 2 varfuri (considerand o ploaia uniform distribuita in timp), primul din acestea produs de afluentii din aval care se scurg mai rapid in timp ce afluentii din amonte nu au fost inca afectati de ploaie.Al doilea varf este produs de afluentii din amonte care se propaga prin albie, dupa un anumit timp, pana in sectiunea de inchidere.

PrecipitatiiDin cele mai sus aratate rezulta ca pentru orice ploaie individuala care constituie elementul de intrare in modelul matematic hidrologic, in vederea simularii hidrografului unei scurgeri concrete, trebuie sa se ia in considerare cele 3 aspecte caracteristice:

variatia spatiala variatia temporala nesincronicitatea (variatie spatio- temporala).

Aceste trasaturi caracteristice exercita o actiune combinata cu efecte complexe asupra modului de formare a scurgerii intr-un bazin hidrografic.Folosirea in modelare a unei cantitati de ploaie ca valoare medie pe un bazin de mare intindere, distribuita uniform in timp si considerata ca a cazut simultan pe toata suprafata bazinala (eveniment deosebit de rar in realitate) poate conduce la un hidrograf calculat, mult diferit de cel real inregistrat.

Celule convective

Prelucrarea precipitatiilor punctualeCantitatea de precipitatii cazuta intr-un anumit interval de timp se masoara in mm coloana de apa sau litri pe metru patrat, cele doua unitati de masura fiind echivalente:

Precipitatiile la statii se inregistreaza cu pluviometre care furnizeaza valorile totale inregistrate pentru un anumit interval de timp (de regula 24 de ore la statiile hidrometrice, 6 ore la statiile meteorologice, orar, 10 sau 15 minute in cazul statiilor automate), sau cu pluviografe care permit inregistrarea continua, cumulativa a stratului precipitat sub forma unei curbe numita pluviograma. In momentul in care rezervorul pluviografului s-a umplut (ceea ce corespunde unui strat precipitat de 10 mm coloana de apa) continutul sau este evacuat prin sifonare sau basculare, avand ca rezultat coborarea acului de inregistrare la valoarea 0, graficul obtinut capata astfel o alura de tip dinti de fierastrau.

Prelucrarea precipitatiilor punctuale

Cantitatile de precipitatii cazute in intervale egale de timp constituie o forma de reprezentare des folosita in hidrologie, denumita hietograma. Hietograma constituie de fapt graficul intensitatii precipitatiei.

Prelucrarea precipitatiilor punctuale

Hietograma este derivata pluviogramei, respectiv pluviograma este integrala hietogramei.Raportul dintre stratul precipitat si durata ploii defineste intensitatea medie a precipitatiei.

In functie de scopul prelucrarilor, intensitatea ploii se poate exprima in urmatoarele unitati (ex. mm/minut; mm/n ore; etc.).Cantitatile de precipitatii cazute in 24 de ore sunt utilizate pentru a determina precipitatia lunara (stratul precipitat total in decurs de o luna) sau anuala.Valorile respective sunt apoi prelucrate cu metodele statistice standard, de exemplu pentru a obtine valorile de precipitatii pentru o anumita perioada (24 de ore, lunare, anuale) si cu o anumita perioada de revenire (100 ani, 50 ani, 20 de ani, etc.)Valorile zilnice ale precipitatiilor sunt utilizate de regula pentru calculul de dimensionare a lucrarilor hidrotehnice sau a lucrarilor de evacuare a apelor meteorice, cele lunare la stabilirea cantitatilor de apa pentru irigatii, iar cele anuale pentru bilantul de ansamblu la nivelul bazinului hidrografic.

Curbe Arie Strat - Durata Un alt mod de a pune in evidenta variatia spatiala a ploii il constituie asa numitele curbe arie-strat-durata.Pentru o ploaie individuala de durata data Dp se calculeaza, incepand din nucleul maxim, valori medii succesive hi pe spatii delimitate de fiecare izohieta. Fiecare din aceste spatii are o anumita arie Fi la care se raporteaza valoarea medie a ploii hi rezultand o curba h=f(F) pentru un Dp dat. Operatia se repeta pentru diferite durate ale ploii, obtinandu-se o familie de curbe h=f(F, Dp). Evident ca se va obtine o alta famile de curbe pentru o alta ploaie individuala.In vederea obtinerii pe un teritoriu oarecare a unei familii de curbe sintetice arie-strat-durata o valoare curenta h se raporteaza la valoarea maxima a nucleului hmax.

Curbe Intensitate Durata Frecventa (IDF)La proiectarea lucrarilor de evacuare a apelor meteorice, a celor de corectare a torentilor, sau a constructiilor si instalatiilor hidrotehnice, este necesar calculul ploilor maxime.In acest scop se utilizeaza curbele intensitate-durata-frecventa (IDF) stabilite la statii si extinse pe teritoriul tarii (ex. STAS 9470-73).Intensitatea ploii de calcul se evalueaza in functie de frecventa normata si de durata ploii de calcul.Frecventa normata reprezinta numarul mediu anual de ploi de durata t, a caror intensitate depaseste intensitatea de calcul.Frecventa normata se stabileste in functie de clasa de importanta a obiectivului analizat.In exprimarea frecventei, numaratorul reprezinta numar de ploi, iar numitorul numar de ani.(ex. 1/5 pentru centre populate si unitati industriale aflate in clasa de importanta I)Aceste curbe au un caracter local, referindu-se la punctul de inregistrare. In proiectare se admite implicit valabilitatea curbelor IDF pe toata suprafata de receptie (bazinului hidrografic aferent sectiunii de calcul).

Precipitatia medie pe bazin Determinarea campului precipitatiilor lichide si implicit, valoarea medie pe bazin a ploii pe intervale succesive de timp se poate face utilizand o retea de statii de masura la sol care furnizeaza cantitatile de ploaie cazuta la momente oarecare de timp. Precizia de evaluare a intensitatii ploii mediate pe un bazin depinde de densitatea statiilor pluviometrice de pe teritoriul considerat. Totodata, eficacitatea utilizarii datelor obtinute de la statiile pluviometrice depinde de scopul urmarit. In cazul in care se urmareste o simulare prin modelare matematica a scurgerii produsa in trecut se utilizeaza ca date de intrare in model cantitatile de ploaie inregistrate in reteaua de statii.Pentru necesitatile de modelare/prognoza hidrologica in timp real, densitatea statiilor de la care se transmit date in timp cvasireal este in general mai mica decat cea a statiilor disponibile istoric datorita costului ridicat al unui asemenea sistem informational automat precum si dificultatilor de exploatare si mentinere a fiabilitatii sale in special in zonele de mare altitudine care sunt nepopulate/greu accesibile.

Precipitatia medie pe bazin

Utilizarea radarelor meteorologice, cu lungimi de unda adecvate masurarii precipitatiilor (10 cm) combinate cu o retea optim conceputa ca densitate si distributie pe teritoriu, poate oferi o supraveghere continua a ploilor permitand evaluarea caracteristicilor acestora- cantitate, intensitate si durata- cu o precizie superioara.In comparatie cu reteaua clasica , radarul are urmatoarele avantaje:

-masurarea intensitatii precipitatiilor lichide in timp real dintr-o singura locatie-continuitatea spatiala a observatiilor care asigura determinarea unor valori

maxime in nuclee (in special de natura convectiva, care nu se pot prinde de reteaua de statii) precum si evaluarea corecta a influentei unor maxime nereprezentative care ar putea altfel conduce la supraevaluarea valorilor medii pe bazin

-posibilitatea colectarii, stocarii si prelucrarii automate a datelor-masuratorile imbraca o variatie considerabila a suprafetei bazinale cuprinsa

intre 5000- 10000 km2.Principalul dezavantaj al sistemelor de masurare radar consta in precizia in general mai scazuta decat cea obtinuta cu aparatele pluviometrice, astfel incat este necesara o ajustare dinamica a radarelor prin folosirea lor in mod combinat cu o retea de masurare conventionala.Masurarea intensitatii precipitatiilor lichide cu ajutorul radarului se bazeaza in principiu pe relatia dintre aceasta si intensitatea semnalelor retransmise catre radar (reflectivitate) de un camp de precipitatii.

Evolutia precipitatiei estimata de RADAR

Evolutia precipitatiei estimata prin utilizare date

satelitare

Precipitatia medie pe bazin Procedurile clasice de determinare a ploii medii pe un bazin:- metoda integrarii pe izohiete;- metoda poligoanelor Thiessen;- metoda grilei rectangulare

Ploaia medie pe bazin in intervalul de timp dat este media aritmetica a valorilor Pj din fiecare nod de grila j. Procedeul se repeta

pentru fiecare interval de timp pana la terminarea ploii, obtinandu-se hietograma

ploii medii pe bazin.

Metoda integrarii pe izohiete

Izohietele ploilor din 22.06.1998 a) i 20.08.1998 b) B.R. Iedu

Precipitatia medie pe bazin - metoda poligoanelor ThiessenMetoda poligoanelor Thiessen consta in a atribui fiecarei statii o zona de influenta, pe care se considera ca precipitatiile au aceleasi valori ca cele de la statia aferenta.Zonele de influenta reprezinta poligoane convexe, care se obtin ducand mediatoarele segmentelor care unesc statia considerata cu statiile vecine cele mai apropiate. Se noteaza prin Wi rapoartele Wi=Fi/F, unde:Fi reprezinta ariile poligoanelor Thiessen cuprinse integral sau partial in cadrul bazinului considerat, a carui suprafata totala este F.Volumul de apa aferent fiecarei suprafete este: Vi = Fi * hi; unde hi este precipitatia inregistrata la statia i.Raportand volumul total precipitat pe bazin (care se obtine prin insumarea volumelor partiale) la suprafata F a bazinului rezulta valoarea medie a stratului precipitat.

Valorile Wi au semnificatia unor ponderi, care sunt direct proportionale cu suprafata poligoanelor Thiessen corespunzatoare.

Precipitatia Maxima ProbabilaPloaia maxima probabila (PMP) este definita ca cel mai mare strat teoretic de precipitatie pentru o durata data care este fizic posibil sa se produca pe un bazin intr-o anumita perioada data a anului. Pentru cele mai avantajoase conditii, dintr-un nor saturat pseudoadiabatic avand inaltime de 14000 m nu se pot precipita teoretic la sol decat 124 mm. In realitate, in intervale suficient de mari in timp (de exemplu 24 de ore) s-au masurat precipitatii mult mai mari.Explicatia acestor cantitati mari produse in 24 de ore consta in faptul ca in acest interval de timp norul se incarca in permanenta cu umiditate advectata intr-un proces de circulatie ascensionala cu viteze foarte mari.Aerul are o miscare ascensionala uscat- adiabatica. Maximizarea umiditatii atmosferei se face prin considerarea punctului de roua la inaltimea de 1000 mb (altitudinea de 400 m) ca indice de umiditate. Acesta este definit prin temperatura la care trebuie racit aerul umed sub presiune constanta si cu un continut constant de vapori pentru a obtine saturarea in raport cu o suprafata plana de apa pura.Pentru a obtine valori caracteristice necesare in special in proiectarea lucrarilor hidrotehnice de mare importanta, se utilizeaza ca element de intrare in modelele matematice dinamice ploaia maxima probabila.

Analiza precipitatiilor

Hietografele fiecrei precipitaii generatoare de viituri istorice de la fiecare staie meteorologic trebuiesc desenate i analizate din punct de vedere al consistenei i continuitii lor.

Cantitatea total i distribuia n timp a ploilor nregistrate de la fiecare staie meteorologic din bazin trebuiesc comparate pentru a detecta eventualele inconsistene.

Datele de precipitaii care lipsesc la o anumit staie pot fi estimate prin corelaii cu date de la alte staii nvecinate. Deoarece cea mai mare parte a datelor vor proveni de la posturile pluviometrice unde sunt disponibile cantiti de precipitaii la 12 sau 24 ore este necesar distribuirea n timp a acestei cantiti totale pe baza datelor de la cea mai apropiat staie meteorologic.

Pe baza datelor de la toate staiile i posturile meteorologice existente se pot ntocmi hrile cu izohiete pentru fiecare precipitaie care a determinat producerea unei viituri istorice. Pentru zonele influenate de efecte orografice i unde nu exist o densitate suficient de mare a staiilor meteorologice pentru trasarea izohietelor acestea vor fi trasate paralel cu curbele de nivel.

De asemenea se va face o comparaie ntre hietograma ploii i hidrograful undei de viitur pentru a identifica eventualele neconcordane ntre momentele/timpii caracteristici ai acestora (momentul de ncepere a ploii i a viiturii, momentul de nceput i de sfrit al nucleului ploii i momentul producerii debitului de vrf, momentul de sfrit al ploii i al viiturii).

Stratul de zapadaIn cazul bazinelor pentru care viiturile istorice au fost viituri mixte sunt necesare o serie de date

referitoare la poriunile din bazin acoperite cu zpad, echivalentul de ap din stratul de zpad, temperaturi orare sau valorile maxime i minime zilnice precum i viteza vntului.

Pentru determinarea echivalentului de ap din stratul de zpad se ntocmesc relaii ntre aceti parametrii i altitudine. Dac nu se dispune de suficiente date pentru trasarea acestor relaii se pot utiliza date din alte bazine cu orientare i expunere similar.