Wykorzystanie numerycznych modeli terenu do generowania systemu drenażu powierzchniowego, funkcjonującego podczas opadów nawalnych. Podstawy metodyczne na podstawie studium przypadku zlewni Zalasówki (Pogórze Ciężkowickie) = Use of digital terrain models to generate the surface drainage network functioning during heavy rainfall. Methodological aspects based on the Zalasówka catchment (Ciężkowickie foothills)

Kroczak, Rafał; Bryndal, Tomasz

doi:0033-2143 (print)

- ris
- BibTeX
- EndNote
- Csv

Wykorzystanie numerycznych modeli terenu do generowania systemu drenażu powierzchniowego, funkcjonującego podczas opadów nawalnych. Podstawy metodyczne na podstawie studium przypadku zlewni Zalasówki (Pogórze Ciężkowickie) = Use of digital terrain models to generate the surface drainage network functioning during heavy rainfall. Methodological aspects based on the Zalasówka catchment (Ciężkowickie foothills) Kroczak, RafałBryndal, Tomasz

Object structure

Przegląd Geograficzny T. 89 z. 1 (2017)

Kroczak, Rafał ; Bryndal, Tomasz

digital terrain model ; drainage network ; flash flood ; Carpathians

In considering the process by which flash floods form, core information concerns the parameters of an area’s surface drainage system. That system is composed of elements of natural origin (rivers and valleys), as well as those of an anthropogenic nature (roads, ditches and rills), which together operate as a single drainage system at times of heavy rainfall. In line with this understanding, the work underpinning this article has focused on: 1) a characterisation of different types of DTM in the context of their application to detailed surface drainage system generation in small Carpathian catchments, 2) methodological aspects of DTM modification allowing elements of anthropogenic origin, such as roads, ditches and rills to be included within the surface drainage system, 3) a characterisation of the differences between the river system operating year-round and the surface drainage system functioning at times of heavy rainfall. The results reveal that the most popular DTMs, such as the SRTM, ASTER, TBD and SMOK, do not allow detailed surface drainage systems (including anthropogenic origin elements such as roads, ditches, etc.) to be generated. Such a goal may be achieved by analysis of a DTM generated on the basis of LiDAR (Light Detection And Ranging) data. However, such a DTM includes certain “obstacles” (bridges, culverts, etc.) that modify real concentrated flow paths. A methodology for LIDAR-type DTM modification was therefore proposed, with this including: 1) selection and digitisation (as line-type vector data) of the said “obstacles” (on the basis of field data and analyses of aerial photographs), 2) characterisation of the vectors (“obstacles”) by reference to the four attributes of buffer, incision, channel and resolution) – Fig. 2, and 3) modification of the DTM through burning of the “obstacles” using the attributes mentioned above. Such an approach allows for the generation of a surface drainage system similar to that observed in the terrain. The surface drainage system in question was generated using the D8 algorithm, with the threshold values required for first-order stream generation being calculated on the basis of field studies following on from a rainfall event (26/27-06-2009). The methodology proposed in this study seems to be correct. The surface drainage system generated on the basis of the DTM in the Zalasówka catchment was composed of elements of anthropogenic and natural origin, and was comparable with the system operating at the time of the rainfall event examined. The results for the period of heavy rainfall revealed a surface drainage system 9 times more developed (at 13.7 km·km–2) than the river system (1.5 km·km–2). There were significant changes in the stream pattern reflected in the Horton and Schumm ratios. There was also increases in the maximum stream order, the bifurcation ratio RB, the length ratio RL and the area ratio RA; as well as a decrease in the mean length and mean area of the first-order stream.

1. Affek A., 2014, Lotnicze skanowanie laserowe (ALS) w modelowaniu rzeźby terenu - nowe możliwości i pułapki, Problemy Ekologii Krajobrazu, 38, s. 217-236.
2. Bryndal T., 2014, Identyfikacja małych zlewni podatnych na formowanie gwałtownych wezbrań w Karpatach polskich, Prace Monograficzne Uniwersytetu Pedagogicznego, 690, Kraków.
3. Bryndal T., Cabaj W., Gębica P., Kroczak R., 2010, Gwałtowne wezbrania spowodowane nawalnymi opadami deszczu w zlewni potoku Wątok (Pogórze Ciężkowickie), [w:] T. Ciupa, R. Suligowski (red.), Woda w badaniach geograficznych, Instytut Geografii Uniwersytet Jana Kochanowskiego, Kielce, s. 307-319.
4. Bucała A., 2012, Współczesne zmiany środowiska przyrodniczego dolin potoków Jaszcze i Jamne w Gorcach, Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 231, Warszawa.
5. Cebulski J., 2015, Naziemny skaning laserowy jako narzędzie do określenia aktywności osuwiska, Prace Studenckiego Koła Naukowego Geografów Uniwersytetu Pedagogicznego w Krakowie, 4, s. 12-20.
6. Chavan S, Srinivas V., 2015, Effect of DEM source on equivalent Horton–Strahler ratio based GIUH for catchments in two Indian river basins, Journal of Hydrology, 528, s. 463-489.
https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2015.06.049 -
7. Gil E., 1998, Spływ wody i procesy geomorfologiczne w zlewniach fliszowych podczas gwałtownej ulewy w Szymbarku w dniu 7 czerwca 1985 roku, Dokumentacja Geograficzna, 11, s. 85-107.
8. Gudowicz, J., 2008, Metoda modelowania zasięgu wód wezbraniowych na równinie zalewowej na przykładzie doliny Parsęty, Landform Analysis, 8, 29–32.
9. Hengl T., Reuter H.I. (red.), 2008, Geomorphometry: Concepts, Software, Applications, Elsevier, Amsterdam.
10. Horton, R. E., 1945, Erosional development of streams and their drainage basins; hydrophysical approach to quantitative morphology, Geological Society of America Bulletin, 56, 3, s. 275-370.
https://doi.org/10.1130/0016-7606(1945)56[275:EDOSAT]2.0.CO;2 -
11. Jasiewicz J., 2010, Analiza topologiczna sieci drenażu w programie GRASS, [w:] Z. Zwoliński (red.), GIS – woda w środowisku, Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań, s. 87-119.
12. Jaskulski M., Szmidt A., 2015, Transformations in morphometry of valley bottom as a result of the creation of a reservoir illustrated with the example of Sulejów Lake, Landform Analysis, 27, s. 15-21.
13. Julian J.P., Elmore A.J., Guinn S.M., 2012, Channel head locations in forested watersheds across the mid-Atlantic United States: a physiographic analysis, Geomorphology, 177-178, s. 194-203.
https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2012.07.029 -
14. Kroczak R., 2010, Geomorfologiczne i hydrologiczne skutki funkcjonowania dróg polnych na Pogórzu Ciężkowickim, Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 225, Warszawa.
15. Kroczak R., Bryndal T., 2015, An attempt to assess the influence of road network on flash flood wave parameters. The case study of the Carpathian Foothills, [w:] Z. Jasiewicz, Z. Zwoliński, H. Mitasova, T. Hengl (red.), Geomorphometry for Geosciences, Adam Mickiewicz University in Poznań, Institute of Geoecology and Geoinformation, International Society for Geomorphometry, Poznań, s. 197-200.
16. Kroczak R., Bryndal T., Bucała A., Fidelus J., 2016, The development, evolution and environmental influence of an unpaved road network on mountain terrain - an example from the Carpathian Mts. (Poland), Environmental Earth Sciences, 75, 3, s. 1-14.
https://doi.org/10.1007/s12665-015-5055-6 -
17. Kurczyński Z., Bakuła K., 2013, Generowanie referencyjnego numerycznego modelu terenu o zasięgu krajowym w oparciu o lotnicze skanowanie laserowe w projekcie ISOK, Archiwum Fotogrametrii, Kartografii i Teledetekcji, wydanie specjalne: Monografia Geodezyjne Technologie Pomiarowe, s. 59-68.
18. Lorenc H., Cebulak E., Głowicki B., Kowalewski M., 2012, Struktura i występowanie intensywnych opadów deszczu powodujących zagrożenie dla społeczeństwa, środowiska i gospodarki Polski, [w:] H. Lorenc (red.), Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo. Tom 3., Klęski żywiołowe a bezpieczeństwo wewnętrzne kraju, IMGW-PIB, Warszawa, s. 7-32.
19. Moore I.D., Grayson R.B., Ladson A.R., 1991, Digital terrain modelling: a review of hydrological, geomorphological, and biological applications, Hydrological Processes, 5, 1, s. 3-30.
https://doi.org/10.1002/hyp.3360050103 -
https://doi.org/10.1002/hyp.3360050102 -
20. O'Callaghan J.F., Mark D.M., 1984, The extraction of drainage networks from digital elevation data, Computer Vision, Graphics, and Image Processing, 28, 3, s. 323-344.
https://doi.org/10.1016/S0734-189X(84)80011-0 -
21. Olszewski R., Berezowski T., Świtaj K., 2008, System zarządzania danymi wysokościowymi LPIS, TBD i SMOK zgromadzonymi w PZGiK, Roczniki Geomatyki, 6, 4, s. 83-88.
22. Persendt F.C., Gomez C., 2015, Assessment of drainage network extractions in a low-relief area of the Cuvelai Basin (Namibia) from multiple sources: LiDAR, topographic maps, and digital aerial orthophotographs, Geomorphology, 260, s. 32-50.
https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2015.06.047 -
23. Płaczkowska E., Górnik M., Mocior E., Peek B., Potoniec P., Rzonca B., Siwek J., 2015, Spatial distribution of channel heads in the Polish Flysch Carpathians, Catena, 127, s. 240-249.
https://doi.org/10.1016/j.catena.2014.12.033 -
24. Prokop P., 2007, Degradacja środowiska przyrodniczego południowego skłonu Wyżyny Meghalaya, Indie, Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 210, Warszawa.
25. Przybyła C., Pyszny K., 2013, Porównanie numerycznych modeli terenu SRTM i ASTER GDEM oraz ocena możliwości ich wykorzystania w modelowaniu hydrologicznym w obszarach o małych deniwelacjach, Rocznik Ochrona Środowiska, 15, s. 1489-1510.
26. Pyka K., 1994, Opracowanie cyfrowego modelu terenu dla części województwa krakowskiego, Archiwum Fotogrametrii Kartografii i Teledetekcji, 2, s. 40-49.
27. Schumm S.A., 1956, Evolution of drainage systems and slopes in badlands and Perth Amboy, NJ, Geological Society of America Bulletin, 67, s. 597-646.
https://doi.org/10.1130/0016-7606(1956)67[597:EODSAS]2.0.CO;2 -
28. Soja R., 2002, Hydrologiczne aspekty antropopresji w polskich Karpatach, Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 186, Warszawa.
29. Strahler A.N., 1957, Quantitative analysis of watershed geomorphology, Transactions of American Geophysical Union, 38, 6, s. 913-920.
https://doi.org/10.1029/TR038i006p00913 -
30. Śleszyński P., 2009, Wykorzystanie danych georadarowych SRTM-3 w analizie zróżnicowania ukształtowania terenu Polski, Polski Przegląd Kartograficzny, 41, 3, s. 237-25.
31. Turcotte R., Fortin J.P., Rousseau A.N., Massicotte S., Villeneuve J.P., 2001, Determination of the drainage structure of a watershed using a digital elevation model and a digital river and lake network, Journal of Hydrology, 240, 3-4, s. 225-242.
32. Urbański J., 2008, GIS w badaniach przyrodniczych, Wydawnictwo Uniwersytetu Gdańskiego, Gdańsk.
33. Wałek G., 2013, Wykorzystanie programów Quantum GIS i SAGA GIS do budowy cyfrowego modelu wysokościowego zlewni Grajcarka, Acta Universitatis Lodziensis, Folia Geographica Socio-Oeconomica, 14, s. 133-144.
34. Wężyk P., Szostak M., Rysiak P., Zięba K., Hawryło P., Ratajczak M., 2015, Dąb Bartek 3D – naziemne skanowanie laserowe 3D pomników przyrody – nowy wymiar edukacji przyrodniczej, Studia i Materiały Centrum Edukacji Przyrodniczo-Leśnej, 17, 2 (43), s. 7-15.
35. Wiejaczka Ł., Kroczak R., Kijowska-Strugała M., 2012, Methods for the assessment of changes in the bottom morphology of a mountain reservoir, Studia Geomorphologica Carpatho-Balcanica, 46, 1, s. 41-50.
36. Witek M., Jeziorska J., Niedzielski T., 2013, Możliwości wykorzystania bezzałogowej fotogrametrii lotniczej do identyfikacji przekształceń antropogenicznych w korytach rzecznych, Landform Analysis, 24, s. 115-126.
https://doi.org/10.12657/landfana.024.012 -