Hidrológiai Közlöny 2007 (87. évfolyam)

3. szám - Telbisz Tamás: Digitális domborzatmodellekre épülő csapadék-lefolyás modellezés

53 Digitális domborzatmodellekre épülő csapadék-lefolyás modellezés Telbisz Tamás ELTE TTK Természetföldrajzi Tanszék, 1117. Budapest, Pázmány Péter sétány 1/C. telbisztom(S)ludens.elte.hu Kivonat: A digitális domborzatmodellek ma már nagy területekre elérhetők, viszonylag jó felbontással, így a hidrológiai modellezés egyes lépéseit (pl. részvízgyűjtők, lefolyási pályák, lejtőszög, kitettség meghatározása) jelentősen megkönnyítik. A nemzetközileg elterjedt modellek bemutatása után egy térinformatikai környezetben kialakítható csapadék-lefolyás modellt mutatunk be a Zagyva 2006-os vízjárás adataira alkalmazva. Kulcsszavak: Csapadék-lefolyás modell, DDM, vízgyűjtő-karakterisztika, Zagyva Bevezetés A csapadékadatok alapján történő lefolyás modellezés a hidrológia egyik alapfeladata, amely számos vízgazdálkodási feladat megoldásához nélkülözhetetlen. A nagyobb vízfolyásokon hosszú idő óta végzett mérések lehetőséget adnak a sztochasztikus modellek kialakítására, azonban a kisebb vízfolyások esetében általában nem áll rendelkezésre megfelelő adatsor, így napjainkban a determinisztikus, ún. „fizikai alapú" {physically based) modellek is egyre nagyobb szerephez jutnak (BEVEN, 1989). Fontos kutatási területnek számít a „mérce nélküli vízgyűjtők" (ungauged basins) hidrológiai viselkedésének feltárása is (KONTUR, 2003), amelynek eredményeit például a fejlődő világ gyorsan népesedő, ám mérési kapacitással nem rendelkező térségeiben lehet kamatoztatni. A fizikai folyamatokból kiinduló modellek fejlődéséhez az alkalmazási igények mellett jelentős mértékben hozzájárult a hidrológiai körfolyamat egyes lépéseit leíró matematikai modellek gyarapodása, a bővülő térinformatikai adatbázisok és a rohamléptekben fejlődő számítástechnikai háttér (hardver és szoftver egyaránt). Az adatbázisok közül elsősorban a távérzékeléssel nyert adatok (pl. felszín-borítottság, domborzat) bővülését emelhetjük ki, ehhez képest a helyszíni mérésekkel nyert adatok tekintetében már kevésbé egyértelmű és országonként igen eltérő a kép. Emiatt egyes szerzők figyelmeztetnek arra, hogy modelljeink máris „túl jók" az adatokhoz képest, és hogy nem szabad megfeledkezni az adatgyűjtés fontosságáról sem (JOLÁNKAI, 2004; SILBERSTEIN, 2006). A fizikai alapú csapadék-lefolyás modellekben a domborzat igen fontos szerepet játszik és a nemzetközi szakirodalomban, szoftverekben számtalan példát találhatunk a digitális domborzatmodellek (továbbiakban: DDM) ilyen irányú felhasználására (ld. később). Ezzel szemben a Hidrológiai Közlöny vagy a Vízügyi Közlemények hasábjain szinte elvétve sem találtam erre példát, jóllehet BÁLINT G. szóbeli közlése szerint néhány hazai tudományos/műszaki műhelyben (pl. VITUKI, BME, Pécsi Egyetem) szintén foglalkoznak (foglalkoztak) ezzel a témakörrel. Mindezek miatt úgy gondolom, hogy érdemes bemutatni, hogy a DDM-ek miként építhetők be a csapadék-lefolyás modellekbe. A jelen cikkben a szakirodalmi áttekintést követő, kidolgozott példa egy egyszerű alkalmazás, amely elsősorban az oktatást és a tudományos megértést szolgálja, lévén, hogy a szerző többek között a Hidrológiai Modellezés c. tárgy oktatásában vállal részt az ELTE TTK-n. Szakirodalmi áttekintés A DDM-ekre épülő hidrológiai modellezés első része a domborzat alapján történő vízgyűjtő-lehatárolással, a vízhálózat, a lefolyási irányok és a lefolyáshosszak meghatározásával foglalkozik. Ennek igen szerteágazó publikációs háttere van (

BURROUGH, MCDONNELL

, 1998; FAIRFIELD, LEYMARIE, 1991; FREEMAN, 1991; MARTZ, GARBRECHT, 1992 O'CALLAGHAN, MARK, 1984; QUINN et al, 1991), amelynek áttekintését és az alkalmazott példák bemutatását külön cikkben tervezzük megjelentetni, de a fontosabb lépések röviden szerepelnek a következő alfejezetben is. A modellezés második fő részének a lefolyás-idősorok előállítását tekinthetjük. Ehhez számos modell esetében kapcsolódik hordalék-szállítást is vizsgáló modul. A fizikai alapú modellek fejlesztőinek célja, hogy minden részfolyamatot (evapotranszspiráció, intercepció, felszíni lefolyás, felszín alatti lefolyás, mederbeli lefolyás, beszivárgás, szivárgás a talajvízig, stb.) olyan matematikai formába öntsenek, amelyhez a szükséges paraméterek elvileg mérhetők, és amennyiben ez sikerül, akkor a modell akár kalibrálás nélkül is (!) alkalmazható más vízgyűjtőkre (

KENWARD, 2000). Ez természetesen a gyakorlatban szinte soha nem valósítható meg, ezért a kalibráció és verifikáció továbbra is a modellezés fontos lépése marad. A túlságosan kifinomult modellek alkalmazásának egyik gátja éppen a túl sok paraméter, így jól érzékelhető törekvés van az ún. „valós léptékű", viszonylag könnyen előállítható adatbázisokra építő modellek felé (

ARNOLD et al, 1998; JOLÁNKAI, 2004). A DDM alapú hidrológiai modellek közös jellemzője, hogy osztott paraméteresek (

distributed), tehát a vízgyűjtő egyes részeit különböző paraméterekkel veszik számításba az egyenletek megoldásakor. Míg korábban az alapegységek rendszerint a részvízgyüjtők voltak, addig napjainkban a cellaméret határozza meg a vízgyűjtő felbontását, hiszen a DDM-ekben rejlő lehetőségeket így lehet igazán kibontani. A DDM-ből levezethető és akár cellánként eltérő értéket vehet föl a lejtőszög és a lejtőkitettség, amelyek a csapadék-lefolyás modellekben fontos paraméterek, de ugyanígy a görbületértékek is könnyen meghatározhatók. Az osztott paraméterek másik csoportját nem a DDM-ből, hanem például légi felvételekből nyerhetjük, amelyek közül leginkább a felszínborítottság játszik kulcsszerepet a hidrológiai folyamatokban. Mindezek miatt a csapadék-lefolyás modellek és a térinformatikai (GIS) rendszerek közti integráció egyre erősebb (WILSON, 1996). Ezen a szinten már nemcsak a paraméter osztott, hanem az eredmény is, azaz a lefolyásgörbe számos modell esetében a vízgyűjtő tetszőleges pontjára lekérdezhető. A valós folyamatok azonban nem feltétlenül a cellák szintjén zajlanak és az egyes paraméterek értéke a felbontástól függően módosulhat. Közismerten ilyen például a lejtőszög, amely a cellaméret növekedésével átlagosan csökkenő értékeket mutat (bizonyos küszöbérték fölött). Ennélfogva a lejtőszögből származtatott mennyiségek (mint pl. a lefolyás sebessége) meghatározásakor el-