PWSZ w Tarnowie, GIS w ochronie środowiska, II rok, kierunek Ochrona Środowiska LABORATORIUM NR 13, Hydrologia analiza dem Analizę powierzchni numerycznego modelu terenu (dem) dokonuje się w ArcMap przy pomocy narzędzi hydrologicznych powierzchni zlokalizowanych w skrzynce narzędziowej Analiza Przestrzenna. Otwórz aplikację ArcMap > W Katalogu wybierz Podłącz Folder > w oknie Podłącz Folder wskaż na serwerze folder Nr 13 Hydrologia analiza dem z danymi > Jakie pliki zawiera ten folder i geobaza Hydrologia.gdb? (folder: TIN 1 : 10 000 - m-34-78-a-c-3, plik JPG arkusz M-34-78-A 1 : 50 000 z Mapy Podziału Hydrograficznego Polski udostępnionego przez KZGW w Internecie, Geoportal WMS Ortofotomapy.txt, arkusz Excela Obliczenie SSQ.xls; geobaza: wektorowa klasa obiektów Ramka, Zlewnia_MPHP2007oraz Przepuszcz_MHP_Brzes) > Po wyświetleniu i przeglądnięciu powyższych obiektów, zapisz w swoim folderze dokument mapy *.mxd pod nazwą Analiza_hydrologiczna, a także Uczyń Geobazę jako Domyślną. TIN to akronim do Triangulated Irregular Network; jest to wektorowa struktura danych składająca się z nieregularnych trójkątów; reprezentuje morfologię terenu) > Dokonasz zamiany TINu na powierzchnię dem będącą zestawem danych rastrowych,: ArcToolbox > Konwersja > 3D Analyst > z TINu > TIN na Raster; wynikowy raster o rozdzielczości 2-metry nazwij: dem-78-a-c-3_2m (dem Digital Elevation Model, numeryczny model terenu o rastrze kwadratowym) > Usuń TIN. Do dalszych analiz wykorzystasz tylko fragment utworzonego rastra dem-78-a-c-3_2m (skala 1: 10 000). Na obszar wyświetlania wrzuć plik m3478a.jpg - arkusz MPHP (Pełny Zasięg). > Powiększ Do Zasięgu Warstwy dem-78-a-c-3_2m i znajdź na jpg dopływ Uszwicy, zlewnię o numerze 2139631; położona jest ona na N i S od Uszwicy z demu wytniesz fragment obejmujący całą zlewnię Dopływu spod Wielkiej Drogi, która położona jest na północ od Uszwicy > ArcToolbox > Zarządzanie Danymi > Raster > Przetwarzanie Rastra > Wytnij (ang. Clip) - wykorzystaj do tego klasę obiektów Ramka - przygotowana wektorowa ramka zasięgu > Wycięty fragment modelu terenu nazwij 78-a-c-3_2m_Cl > Usuń dem-78-a-c-3_2m z Tabeli Zawartości. > Utwórz Zakładkę pod nazwą np. Potok > Narzędziem Stałe Powiększenie powiększ teraz pozostały dem do skali 1 : 4 000. Wyszukaj i zlokalizuj w dnie potoku obszary pikseli otoczone zewsząd pikselami o wyższych wartościach są to zagłębienia terenu, zwane po angielsku Sink odbiornik (w skrzynce Hydrologia (Spatial Analyst) znajduje się narzędzie Odbiornik, które identyfikuje dziury, odbiorniki, otoczone przez piksele wyżej położone - wewnętrzny drenaż). Aby uzyskać poprawną hydrologicznie powierzchnię dem (ciągły spływ wody w dolinie) należy wypełnić wszelkie dziury: Spatial Analyst > Hydrologia > Wypełnienie (Fill): wynikowy raster powierzchni nazwij tak, jak sugeruje program; np. Fill_dem_78. Włączając i wyłączając widok warstw 78-a-c-3_2m_Cl oraz Fill_dem_78 porównaj efekt wypełnienia dziur. Na następnym etapie utworzysz mapę rastrową Kierunek Przepływu (FlowDir), która jest wymagana do wszystkich pozostałych narzędzi powierzchni hydrologicznej. Program dokonuje analizy wysokości pikseli
rastra ustalając kierunek przepływu do sąsiadujących pikseli i wybierając kierunek o największym spadku, a następnie koduje je i wyświetla, jak na poniższej ilustracji: mapa kierunków spływu kierunki spływu Uruchom narzędzie Spatial Analyst > Hydrologia > Kierunek Przepływu > Raster wejściowy: Fill_dem_78. Wynikowy raster nazwij: FlowDir_Fill [bez wymuszania wypływu na zewnątrz]. W oparciu o utworzony raster kierunków przepływu program przeanalizuje teraz akumulację wody przepływającej przez każdy piksel (liczba pikseli z których woda spływa do danego piksela). Wskazanie pikseli o największej akumulacji umożliwi potem wyznaczenie linii spływu - cieków. W Hydrologii uruchom narzędzie Akumulacja Przepływu (Flow Accum) > Wejściowy raster kierunków przepływu FlowDir_Fill; raster wynikowy nazwij: FlowAcc_Flow; typ danych wynikowych: FLOAT. > Narzędziem Identyfikuj znajdź wartość piksela dla Dopływu tam, gdzie wpada do Uszwicy? W pole wyświetlania wrzuć z geobazy klasę obiektów Zlewnia_MPHP2007. Prezentuje ona północną część badanej zlewni do koryta Uszwicy. Wyświetl tylko dział wodny w kolorze np. czerwonym i przyglądnij się jego przebiegowi na tle rastra Fill_dem_78 w zbliżeniu w skali ok. 1 : 5000. > Teraz na tle rastra FlowAcc_Flow porównaj różnice w biegu rzeki Uszwicy - dodatkowo włączaj widoczność warstwy m3478a.jpg w Tabeli Zawartości. Jaka jest podstawowa przyczyna tych różnic? > Korzystając z usługi WMS przeglądania ortofotomap z Geoportalu porównasz, na ile bieg Uszwicy określony przez akumulację przepływu odpowiada rzeczywistemu. W oknie Katalog otwórz folder Serwery GIS > Dwuklik Dodaj Serwer WMS > W otwartym oknie wklej skopiowany z załączonego w Twoim folderze pliku tekstowego Geoportal WMS Ortofotomapy adres URL usługi WMS > Kliknij przycisk pobierz warstwy i poczekaj, aż zostaną załadowane warstwy, które będziesz mógł przeglądać w oknie aplikacji ArcMap > OK > Po załadowaniu usługi w oknie Katalogu rozwiń ją i wrzuć do obszaru wyświetlania ORTOFOTO. Porównaj przebieg Uszwicy na rastrze akumulacji przepływu i na zdjęciu lotniczym. W celu zdefiniowania granic badanej zlewni należy znaleźć wszystkie piksele, które należą do obszaru spływu do tzw. punktu zlewania (W tym przypadku jest to punkt ujścia Dopływu spod Wielkiej Drogi do Uszwicy). Musisz wstępnie utworzyć wektorową warstwę punktową, na którą wprowadzisz punkt zlewania, tzn. miejsce do którego spływa cała woda ze zlewni. > Prawy klik na nazwie geobazy > Nowa > Klasa Obiektów > W otwartym oknie Nowa Klasa Obiektów wpisujesz Nazwa pliku: Punkt_Zlewania; Typ Obiektów: Punkt; Wybierz układ współrzędnychxy : Importuj z klasy obiektów Ramka w geobazie > OK > Na tak utworzoną warstwę wprowadź w trybie edycji punkt połączenia obu cieków, czyli punkt zlewania
Przygotowałe(a)ś się do utworzenia rastra, na którym wyznaczone zostaną granice zlewni Dopływu spod Wielkiej Drogi. Otwórz narzędzie Zlewnia (w Hydrologii): Wejściowy raster kierunków przepływu: FlowDir_Fill; wektorowe dane punktów zlewania: Punkt Zlewania oraz raster wynikowy o nazwie: Watershed_Flow (zlewnia z przepływów) > OK. Wyznaczone zostały piksele zlewni Dopływu spod Wielkiej Drogi. > Włącz widoczność warstwy Zlewnia_MPHP2007 oraz porównaj zasięg obu zlewni. Jak myślisz, skąd wynikają równice? Która zlewnia jest bliższa rzeczywistości? Jak nazywa się część zlewni, z której następuje spływ wody bezpośrednio do Uszwicy z pominięciem Dopływu spod W.D? Dokonaj teraz konwersji rastra Watershed_Flow na poligon o nazwie: Watershed_Flow_RtP (Konwersja > Z Rastra > Raster na Poligon: Uprość poligony - tak). Wykorzystasz go potem do obliczenia średniego rocznego przepływu w zlewni (SSQ) wzorem Punzeta (Załącznik do instrukcji Laboratorium Nr 13). Jaka jest powierzchnia tej zlewni? Kolejnym etapem w hydrologicznej analizie dem-u będzie utworzenie rastra sieci rzecznej cieków, tzn. zdefiniowanie systemu sieci potoków z warstwy akumulacji przepływu, czyli FlowAcc_Flow. Otwórz Spatial Analyst > Warunkowe > Con (conditional - warunkowe jeśli / to;): Ustawienia jak na zrzucie ekranowym powyżej nazwa rastra cieków: Con_Flowacc (w tym przypadku zwracana jest wartość 1 - czyli piksel odpowiadający ciekowi - jeśli wartość piksela jest większa od 9000) Narzędzie Złączenie strumieni przyporządkuje unikalne ID do każdego segmentu cieku jaki został uwidoczniony na warstwie Con_Flowacc. Otwórz Spatial Analyst > Hydrologia > Złącznie Strumieni: Ustawienia jak na zrzucie ekranowym nazwa rastra wynikowego: StreamL_Con Zauważ, że raster przyjął wartości od 1-59, tzn. wydzielone zostało 59 odcinków cieków. Następnym etapem prowadzonej analizy będzie konwersja otrzymanego rastra cieków na wektorowe obiekty. Otwórz: Spatial Analyst > Hydrologia > Strumień na Obiekty: Wejściowy raster cieku - StreamL_Con; Wejściowy raster kierunków przepływu: FlowDir_Fill; Nazwa wynikowego obiektu StreamL_TStream (Uprościć polilinie? - Tak) > W tle utworzonych cieków wyświetl mapę MPHP m3478a.jpg - porównaj (realne cieki wyznaczone na mapie mają pierwszeństwo przed wyznaczonymi z analizy dem) > Połącz teraz odcinki cieku głównego - - po kolei wszystkie odcinki + Shift > Utwórz warstwę z wybranych w selekcji obiektów StreamL_TStream selekcja > Długość cieku do wzoru na spadek w zlewni odczytaj ze Statystyki kolumny Shape Length? >
Do obliczenia spadku w zlewni potrzebujesz także odczytać z dem-u skrajne wysokości analizowanej zlewni. Wyświetl z Tabeli Zawartości warstwę dem_78_a_c_3_2m_cl i narzędziem Identyfikuj znajdź przybliżone wartości (1) wysokości najwyżej położonego źródła w zlewni? (potok płynący na wprost na N, nie rozpoznany przez narzędzie Con jako strumień, ale uwidoczniony na rastrze m3478a.jpg z MPHP) (2) wysokości profilu zamykającego zlewnię ujście dopływu do Uszwicy? Wskaźnik nieprzepuszczalności gleb uzyskamy z porównania przepuszczalności gruntów z Mapy Hydrograficznej Polski, Arkusz Brzesko (do instrukcji Lab Nr 13 załączono legendę tej mapy, której przycięty fragment znajduje się w klasie obiektów Przepuszcz_MHP_Brzes) z tabelą 2.1 - Wartości wskaźnika nieprzepuszczalności wg mapy glebowej Gleby Polski, 1972, wg H. Czarneckiej (która dołączona została do Załącznika do instrukcji Lab Nr 13) > Wstępnie przytnij warstwę Przepuszcz_MHP_Brzes do zasięgu zlewni Watershed_Flow_RtP i nazwij wynikową klasę Przepuszcz_MHP_Brzes_Cl > Otwórz Tabelę Atrybutów; jakim narzędziem połączysz poligony o takim samym polu RODZAJ_ID..? > Użyj narzędzia Agreguj (Geoprzetwarzanie: Ustawienia: Pole(a)_Agregowania RODZAJ_ID; Utwórz obiekty wieloczęściowe tak!) i utwórz mapę klas przepuszczalności pod nazwą Przepuszcz_MHP_Brzes_Cl_Diss > Zasymbolizuj otrzymaną Warstwę tak, by uzyskać procentowy udział poszczególnych rodzajów przepuszczalności (Symbolizacja > Wielkości > Skala Barw > Shape Area jako Procent całości w 3 klasach; w Etykietach wpisz numery klas i ustaw zaokrąglenie do jednego miejsca po przecinku) > Porównaj największą powierzchniowo klasę przepuszczalności (i jej rodzaje gruntów, MHP) z przepuszczalnościami w Tab. 2.1 wg Czarneckiej i wybierz wartość wskaźnika N do wzoru Punzeta? Wielkość opadu (P) dla zlewni Dopływu spod Wielkiej Drogi ustalisz w oparciu o średnie roczne sumy opadów (1951-1970) zaprezentowane na mapie opadowej z monografii Dorzecze Górnej Wisły, która zamieszczona jest jako obraz rastrowy w pliku Zlewnia_MPHP2007 Obliczenie średniego przepływu rocznego wzorem Punzeta nastąpi poza ArcMapem > Otwórz na pulpicie swojego komputera przy pomocy programu Excel przygotowany w Twoim folderze arkusz do obliczeń Obliczanie SSQ.xls (wersja 97-2003). > Samodzielnie wprowadź odpowiednie formuły w zielone pola i dokonaj obliczeń SSQ korzystaj z Załącznika do lab. Nr 13. Ile wynosi średni roczny odpływ w zlewni Dopływu spod Wielkiej Drogi (podaj 3 miejsca po przecinku)? Na koniec zastanów się jaki czynnik przy tego typu analizie hydrologicznej decyduje o dokładności uzyskiwanych wyników np. obliczeń charakterystycznych przepływów..? Klik Nowy Plik Mapy > Pusta Mapa > klik OK, zapisz zmiany w dokumencie mapy > Wyłącz program ArcMap.
Wzór na obliczenie przepływu średniego rocznego w zlewni (SSQ) wzorem Punzeta SSQ = 10-3. SSq. A SSq = 0,00001151. P 2,05576. I 0,0647. N -0,04435 Gdzie: SSQ = przepływ średni roczny [m 3 /s]; SSq średni odpływ jednostkowy [l/s. km 2 ]; A powierzchnia zlewni [km 2 ]; P opad sredni roczny w zlewni [mm]; I spadek podłużny cieku [% o ], określany wzorem l = W / L, W różnica wysokości pomiędzy najwyżej położonymi źródłami rzeki, a profilem zamykającym w badanej zlewni [m]. L odległość od przekroju zamykającego do najdalej położonego źródła w zlewni [km]; N wskaźnik nieprzepuszczalności gleb [%] wg tabeli 2.1; Uwaga: Wzór na przepływ SSQ może być stosowany w całym dorzeczu Górnej Wisły dla zlewni o powierzchni do 500 km 2. Przepuszczalności gruntów wg Mapy Hydrograficznej Polski (MHP) Kl. Przepuszczalność Rodzaje gruntów Kl. Przepuszczalność Rodzaje gruntów 1 łatwa rumosze i żwiry 4 zmienna grunty organiczne 2 średnia piaski i skały lite silnie 5 zróżnicowana grunty antropogeniczne uszczelinione 3 słaba gliny i pyły 6 bardzo słaba skały lite słabo uszczelinione i iły