MĚŘENÍ SRÁŽEK 3/ DRUHY SRÁŽEK

Transkript

1 OBSAH PŘEDNÁŠKY / ÚČEL MĚŘENÍ SRÁŽEK / TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA - klasická filosofie - současná filosofie MĚŘENÍ SRÁŽEK / DRUHY SRÁŽEK / ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY DEŠTĚ / POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA 6/ UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU 7/ PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK ÚČEL TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA K čemu jsou srážková data v městském odvodnění? - Návrh stokového systému (objektů) / Odhad množství povrchového odtoku Qmax = q.. A Klasická filosofie Současná filosofie (X dešťů) Statistické zpracování návrh dimenzí potrubí - Posouzení funkce stokového systému (objektů) X efektů v síti Syntetický déšť (určitá periodicita výskytu) / Kalibrace a verifikace simulačních prostředků / Posouzení funkce - zatížení kalibrovaného modelu srážkou či řadou srážek / Orientační posouzení funkce - zatížení screeningového (nekalibrovaného) modelu Efekt v síti (stejná periodicita výskytu) Statistické zpracování - Řízení systému v reálném čase TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA Klasická filosofie ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ definují vztah mezi srážkou charakterizovanou její dobou trvání a úhrnem (a tedy intenzitou, resp. vydatností) a její periodicitou výskytu RAINFALL [my-m/s]..... vychází ze statistického zpracování historické dešťové řady Statistické zpracování použití pro návrh stokových sítí racionální metodou Qmax = q.. A => ztráta informací Syntetický déšť (určitá periodicita výskytu) pro Čechy a Moravu odvozeny v.letech Ing.Truplem pro Znojmo 96 stanic Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba Efekt v síti (stejná periodicita výskytu) vydatnost [l/s/ha] p=, p=, p=, p=, p= p= p= 6 8 doba trvání t [t] t Intenzity v l/s ha při periodicitě p

2 ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ SYNTETICKÉ DEŠTĚ odvozeny z čáry náhradních vydatností pro zachycení časového průběhu intenzity jednoho deště řada typů blokový déšť Šifaldův déšť Chicago Čížkův déšť Dorsch Consult Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba Blokový déšť RAINFALL [my-m/s] vydatnost [l/s/ha] :: --9 8:: 8:: 8:: 8:: p=, p=, p=, p=, p= p= p= 6 8 doba trvání t [t] TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA STATISTICKÉ ZPRACOVÁNÍ Veškeré statistické výpočty, bez ohledu na to jak sofistikované, redukují množství informací obsažených v původním záznamu. Syntéza, která je výsledkem veškerých statistických operací, je pouze užitečným nástrojem pro praktické aplikace. (Arnell a kol., 98) RAINFALL [my-m/s]. Současná filosofie... (X dešťů) Ztráta informací o: tvaru, objemu, době trvání deště, maximální intenzitě, srážkové historii povodí simulační prostředek! nutná kalibrace, verifikace! Důsledek: nereálný průběh odtoku, objem hydrogramu, špičkového průtoku OK Simulační prostředek recipient hladinoměr/průtokoměr Q, v, h v OK porovnání Q, v, h v OK DÉŠŤ JAKO ZATĚŽOVACÍ STAV Statistika deště Statistika efektu dešťoměr Statistické zpracování Statistika Reálný efektu efekt KALIBRACE A VERIFIKACE X efektů v síti čáry náhradních vydatností blokový déšť - ztráta informace o tvaru deště - ztráta informace o maximální intenzitě - ztráta informace o objemu deště jiné syntetické deště - snaží se potlačit uvedené nevýhody reálná dešťová událost - výběr jedné reprezentativní události historická dešťová řada - kontinuální simulace - výběr dešťů

3 TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA Návrh stokového systému Čáry náhradních vydatností Čáry náhradních vydatností a syntetické deště jednoduché Syntetické deště statistika deště statistika efektu dtto; lepší popis transformace vlny Reálné deště / hist.dešť.řada ZDROJE SRÁŽKOVÝCH DAT problematické použití nekalibrovaného modelu Trupl, 98 - Intensity krátkodobých dešťů v povodích Labe, Odry a Moravy Čerkašin, 96 - průměrné hodnoty pro povodí Labe, Odry a Moravy Němec, 96 - teoretické křivky pro různé oblasti podrobnosti viz např.: Kemel (996) - Klimatologie, meteorologie a hydrologie Kalibrace simulačního prostředku Reálné deště Čáry náhradních vydatností nelze použít Syntetické deště Reálné deště jediná možnost Syntetické deště podrobnosti viz např.: tento předmět Historické dešťové řady Posouzení chování stokového systému Čáry náhradních vydatností Vlastní střednědobý monitoring zpravidla jedna sezóna posuzuje fiktivní situaci, nevypovídá o dlouhodobém chování stokového systému Český hydrometeorologický ústav Povodí Labe, Vltavy atd. Výzkumný ústav vodohospodářský TGM reálné výsledky, vypovídá o dlouhodobém chování DRUHY SRÁŽEK ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY Podmínky vzniku i, q Kondenzace vodní páry při výstupu adiabatické ochlazování Přítomnost kondenzačních jader Vznik oblaků vodní, ledové Vypadávání srážek h T Druhy podle typu - padající srážky (vertikální): déšť, sníh, kroupy, mrholení, - usazené srážky (horizontální): rosa, jinovatka, námraza, podle proudění - cyklonální (ne/frontální) prostorově rozlehlé >* km - konvektivní vesměs lokální (několik km), rozdílná intenzita, krátká doba trvání (< hod.) tzv. bouřky z tepla - orografické vázány na geografii, lokální x regionální, intenzita a doba trvání značně rozdílná POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA Ideálně doba záznamu: let a víc (posouzení) dvojnásobek zkoumané četnosti - sezóny (kalibrace, verifikace) časový krok záznamu: minuta hustota dešťoměrných stanic stanice/km dle velikosti povodí a financí časová synchronizace < minuta objemová chyba < % mezery v záznamech žádné intenzita/vydatnost okamžitá/průměrná jednotky intenzity: mm/min, mm/hod, m/s jednotky vydatnosti: l/s/ha srážkový úhrn jednotky: mm i=h/t trvání deště jednotky: min Pozor na přepočty!!! x m l x s s.ha m s m.s.ha m.ha,m. m, l s.l l, m, s.ha DOBA ZÁZNAMU monitoring probíhá sezónně - cca březen až listopad - sněhové srážky jen vyhřívané dešťoměry - použití záznamů sněhových srážek problematické - trvání deště cca % roku (tj. cca 8 dní) historické dešťové řady - v ČR nejdelší z Klementina let (od 8) - reálně použitelné řady (dostatečné rozlišení) cca let - např. Telč od roku 89 Praha Karlov od roku 9 - velký rozvoj po roce 99 dlouhá řada ze vzdálené stanice vs. krátká řada z blízké stanice - záleží na účelu měření - Praha průměr mm (z let 9 99) min Radotín 7 mm; max Průhonice 97 mm

4 ČASOVÝ KROK ZÁZNAMU omezen možnostmi přístrojů Plošné rozdělení deště má největší vliv na kvalitu výsledků povrchového odtoku vliv na výpočet mírně senzitivní pro výpočet proteklého objemu a doby koncentrace středně senzitivní pro výpočet průtoků značně senzitivní na špičkový průtok Qmax (> %) nemá vliv na úlohy hledání extrémních návrhových hodnot pro jednotlivé efekty na stokové síti starší typy dešťoměrů (např. ombrograf) jemnost kroku dána kvalitou surových dat a způsobem digitalizace jeho znalost je nutná pro práci s jednotlivými dešťovými událostmi (posouzení, přetížení) moderní přístroje záznam ekvidistantní srážkové výšky kontinuální měření časové rozložení Příklad z výzkumu (Lei, ) RAINFALL [my-m/s] povodí Schwamendingen , km celkové plochy -, km nepropustné plochy - 8 dešťoměrů - zachyceno dešťových událostí... prostorové rozložení B :: :: :: :: :: :: 6 Počet událostí s chybou > % % % % 6% % % Počet událostí s chybou > % 9 % 6 9% 8 % 7 % 9% 7% Počet dešťoměrů. :: A Vzdálenost dešťoměrných stanic od povodí Vliv hustoty dešťoměrných stanic na kalibraci modelu nejednoznačné výzkumy, zkušenosti Q (l/s) hydrologické metody pro stanovení srážkové výšky na povodí ze sítě dešťoměrných stanic metoda aritmetického průměru Thiessenova metoda metoda izohyet. real realreal real thiessen vodojem Aqua ČOV.8.6. ČOV čas čas

5 ČASOVÁ SYNCHRONIZACE bez synchronizace zpravidla horší výsledky než z stanice pozor na letní vs. zimní čas nemožná zpětná kontrola OBJEMOVÁ CHYBA až % chyba v objemu srážky kalibrace dešťoměru před měřením ověření kalibrace po skončení měření MEZERY V ZÁZNAMECH pravidelná údržba v terénu UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU správná volba počtu stanic - dešťoměr pro velmi malá povodí - dešťoměry neumožňují popis prostorového rozložení druhý dešťoměr je záložní - dešťoměry minimum pro popis prostorového rozložení - více dešťoměrů pro rozsáhlejší povodí správné umístění stanic - dešťoměr pokud možno v centru (těžišti) povodí - dešťoměry nepříliš daleko od sebe, podobné lokality - dešťoměry do trojúhelníku (pokud možno rovnostranný) - více dešťoměrů dle konfigurace území, nejlépe do mřížky ochrana stanic - instalovat do chráněných území ČOV, vodojemy, školy apod. pravidelná údržba a opravy mezi sezónami UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU Zásady instalace volné prostranství - pozor na zavlažovací zařízení - pozor na otřesy pokud možno větrný stín - těžko odhadnutelné vzdálenost okolních objektů min. dvojnásobek jejich výšky nad sběrnou plochou (raději - násobek) vodorovné ustavení sběrné plochy sběrná plocha alespoň m nad terénem lepší instalace v úrovni terénu než na střeše TOTALIZÁTOR PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK totalizátory - záznam úhrnu za určité časové období ombrografy - kontinuální záznam součtové čáry intenzit člunkové dešťoměry - záznam srážkového úhrnu s ekvidistantním krokem váhové dešťoměry - kontinuální záznam součtové čáry objemu deště meteorologické radiolokátory (dešťové radary) - prostorová informace!!! - záznam odrazivosti cíle, skládající se z velkého množství vodních a ledových částic disdrometry - kontinuální záznam velikosti a rychlosti hydrometeorů TOTALIZÁTOR těžko přístupná místa bez možnosti pravidelné obsluhy a dálkového přenosu dat zachycuje veškeré srážky přídavek CaCl (nemrznoucí směs) přídavek vazelínového oleje (omezení vypařování) pro účely MO nevyužitelný (nezachycuje intenzitu, pouze úhrn)

6 OMBROGRAF nejčastěji využívaný přístroj v ČR do 9.let.století Truplovy čáry náhradních vydatností odvozeny s historických řad měřených ombrografy Doba trvání min Srážková výška deště [mm] nepřesné vyhodnocení záznamů plovákový princip min. mm min.9 mm Doba trvání deště [h] častá poruchovost zastavení hodin, ucpání násosky, porucha plováku dnešní elektronické typy spolehlivější dnes se od použití tohoto typu upouští plocha / cm rozlišení, /, mm vytápěný / nevytápěný Zásady provozu kalibrace před umístěním do terénu a po demontáži - statická kalibrace - dynamická kalibrace Chyby měření špatná/žádná kalibrace - až >% ucpaný ustalovací válec - mezera v záznamech špatně umístěný přístroj - nereprezentativní data přesnost přístroje venkovní vlivy - nejistota měření ZDROJ SYSTEMATICKÝCH CHYB VÝZNAM vítr smáčení evaporace rozstřik mechanická funkce - % - % - % - % - % Error of measurement ERR i [%] % bez kalibrace, % kalibrace %, Discharge Q [m /s] - rozdílná strmost křivek Vývoj chyby Q v čase % -% -% Generated intensity ip [mm/h] Stárnutí mechaniky musí být uvažováno Neexistuje univerzální kalibrační křivka,, Relative error [-] - rozdílný tvar křivek (Rauch, 998) Vliv na srážko-odtokové simulace % - srovnatelná stat. kalibrace člunek Stárnutí srážkoměrů nálevka - zvyšuje se s intenzitou srážky - postihuje se dynamickou kalibrací - kalibrační křivka Chyba překlopení Kalibrační Průměrné křivky ustalovací válec Systematické chyby měření pravidelná údržba - výměna baterií - čištění ustalovacího válce kalibrace vs. Další systematické chyby : PM, : PM : PM : PM : PM Relativní chyba Date & time 6

7 Název grafu / - výpočet objemu člunku - záchytná plocha / cm - rozlišení člunku,/, mm / - změření současného objemu člunků - vyrovnání dešťoměru - změření objemu biretou rozlišení, ml / - kalibrace objemu - kalibrace objemu člunku stavěcími šrouby / - ověření kalibrace - po finálním nastavení x změřit každý člunek, statisticky vyhodnotit výsledky (chyba ± %) Dynamická kalibrace 8% Error no static Polynomický (Error no static) 6% y = -E-7x +.x + 6E-7 R =.996 % zachycení chyby plynoucích z mechaniky dešťoměru % Chyba [%] Statická kalibrace kalibrace objemu člunku při překlopení % 8% 6% % % % dešťoměr Dávkovací čerpadlo Vydatnost [l/s/ha] Datalogger data porovnání Váha VÁHOVÝ DEŠŤOMĚR DEŠŤOVÝ RADAR kontinuální záznam hmotnosti nádoby s akumulovanou srážkou vysílač krákých vysokoenergetických elmg. pulsů ( kw) (mikrovlny) problém s filtrací jevů ovlivňujících vážení - nečistoty v záchytném válci - vítr (větrné zábrany) - výpar (přidání oleje) odraz vlnění od překážek, vyhodnocení intenzity a doby návratu signálu prostorová informace popisuje situaci na ploše (ostatní typy poskytují pouze bodovou informaci!!!) dosah - km vysoká citlivost měření až, mm rozlišení ČHMÚ x km snímkování ČHMÚ x min experiment x m experiment x min komplikovaná instalace mnoho rušivých vlivů pro MO velký potenciál do budoucna, ALE DEŠŤOVÝ RADAR DEŠŤOVÝ RADAR pro MO velký potenciál do budoucna, ALE jedná se o nepřímé měření převod odrazivosti na intenzitu - nutná kalibrace tzv. Z/R vztahu - závisí např. na rovnoměrnosti rozložení hydrometeorů v prostoru, jejich velikosti a tvaru měření probíhá v určité úrovni nad terénem - prevence odrazu od budov a jiných pevných překážek - ve městském povodí významné anomální propagace paprsku - lom paprsku za určitých podmínek - např. velký vertikální teplotní gradient (noční inverze) - v důsledku lomu náraz paprsku do země falešné echo Skalky u Protivanova Brdy Praha 7

8 SLOVNÍČEK DISDROMETER mikrovlnná či laserová technologie umožňuje měřit úhrn a intenzitu deště, velikost hydrometeorů (>,6mm) a jejich rychlost D video technologie umožňuje měřit tvar kapek/vloček Srážka Déšť Dešťová událost Návrhový déšť Blokový déšť Dešťová řada Čáry náhradních vydatností umožňuje rozlišit mrholení, déšť, krupobití, sníh atd. rozsah měřených vydatností:, 7 l/s/ha problémy - hmyz, prach - kapka na zrcadle v MO dosud nevyužívány, ale Plošné rozdělení Úhrn Trvání Intenzita, vzdatnost Dešťoměr Totalizátor Ombrograf Člunkový dešťoměr Dešťový radar Deštník Precipitation Rain / Storm Rain event / Storm event Design storm Uniform storm Rain series Intensity-Duration-Frequency Curves (IDF curves) Spatial distribution Depth Duration Intensity Rain gauge Totalisator Ombrometer Tipping bucket rain gauge Weather radar Umbrella ZDROJE INFORMACÍ Český hydrometeorologický ústav Výzkumný ústav vodohospodářský TGM Povodí Labe Povodí Vltavy World Meteorological Organisation VÝROBCI Anemo - ČR Fiedler elektronika pro ekologii ČR Meteoservis - ČR Ott - Německo Thies - Německo SEBA - Německo Vaisala Finsko a je po dešti 8