Hydrologické modelování. Kateřina Růžičková

Transkript

1 Hydrologické modelování Kateřina Růžičková

2 Hydrologie Věda, která se systematicky a vlastními metodami zabývá zákonitostmi výskytu a oběhu vody v přírodě [Hubačíková, 2002] Vědní obor, pojednávající o zákonitostech časového a prostorového výskytu složek oběhu vody na Zemi a jejich vztazích k různým činitelům [Krešl, 2001]

3 Hydrologie Podle prostředí, kde se sleduje [Krešl, 2001]: hydrometeorologie (voda v atmosféře) potamologie (povrchová tekoucí voda) limnologie (povrchová stojatá voda) pedohydrologie (voda v půdě) geohydrologie (voda v geologických vrstvách zemské kůry) glaciologie (voda v ledovcích)

4 Hydrologie Stav vody v řekách: Nadbytek (povodně) Nedostatek (sucha) Kvalita (znečištění, zanášení vodních plocha a toků) Úpravy vodních toků zrychlení odtoku vody z povodí Velkoplošná odvodnění pozemků vysoké kulminace > rychlý pokles > nedostatek v.

5 Rozdělení podle účelu aplikace Dle WMO (World Meteorological Organisation) Operativní hydrologické předpovědi Návrhová a projekční činnost v oblasti vodního hospodářství Výzkumná činnost

6 Operativní hydrologické předpovědi Vstup - okamžité údaje z automatických meteorologických stanic nebo radarů Výstup - krátkodobé předpovědi vodního stavu či průtoku v určitém profilu (příp. šíření povodňové vlny a určení záplavového území) Rychlost jejich zpracování a převedení dat

7 Návrhová a projekční činnost v oblasti vodního hospodářství Dlouhodobější řešení protipovodňové ochrany (opatření) Řešení technických staveb (plavebních kanály, čističky odpadních vod... mosty)

8 Výzkumná činnost Zpřesňování popisu procesu Výzkum jednotlivých komponent procesu Experimentální povodí

9 Klasifikace dle typu procesu Vlhkost půdy, evapotranspirace Podzemní voda, hladina, průtok Průtok a vodní stav v korytě - s časovým krokem <1 den - s časovým krokem >1 den Teplota vody, ledové podmínky a další proměnné Splaveniny a související parametry Kvalita vody

10 Integrovaná protipovodňová ochrana (IPPO) Izolovaných opatření převážně technického rázu > Ochrana v rámci celého povodí Směrnice Evropského parlamentu a Evropské rady 2007/60/ES o vyhodnocování a zvládání povodňových rizik, jejímž cílem je snížit nepříznivé účinky... (MŽP ČR, 2009b)

11 Integrovaná protipovodňová ochrana (IPPO) Vyhodnocení povodňových rizik pro každou oblast povodí Mapy povodňového nebezpečí Mapy povodňových rizik Plány pro zvládání povodňových rizik

12 Oběh vody v přírodě Výpar vody z vodní hladiny, z půdy, povrchu rostlin Transport v atmosféře vlivem proudění vzdušné hmoty Kondenzace a vypadnutí srážek na povrch Země Vsakování, obohacování půdního profilu vláhou Růst množství podzemních vod, vody v jezerech, řekách a rybnících

13 Evapotranspirace 1. evaporace - fyzikální výpar z abiotických složek geosféry 2. transpirace - spotřeba vody vegetací Složití získávání dat > potenciální evapotranspirace (PET) = maximální možný výpar z volné vodní hladiny při aktuálních meteorologických podmínkách odtoku

14 Intercepce Dočasné zadržení srážek na vegetaci, odkud se vypaří nebo propadne na povrch > nádrž Naplnění nádrže = začátek odtoku

15 Oběh vody v přírodě Mezi pevninou a mořem Jen v rámci pevniny

16 Vodní bilance P = E + R + W P úhrn srážek E výpar (evapotranspirace) R odtoková výška (povrchový, podpovrchový) W změna objemu vody v povodí

17 Modelované území Elementární systém Hydrotop (elementární jednotka s konstantními charakteristikami) Méně až středně velké odtokové plochy Zvodnělé vrstvy Říční síť Nádrže a jezera Komplexní systémy Systém říčních sítí, nádrží a jezer Povodí nebo velké odtokové plochy

18 Hydrologické modely/1 Srážko-odtokové modely Hydrodynamické modely (Unucka)

19 Hydrologické modely/2 Sněhový model Model chování vodních nádrží Model toku vody v korytě Srážko-odtokové modely (Pechanec)

20 Sněhový model Modelování sněhové pokrývky Vstupy - charakteristiky sněhu (zejména tzv. vodní hodnota sněhu) a další meteorologické prvky (teplota a srážeky) a to včetně předpovědí Systém AquaLog - americký model SNOW17 Umožňuje počítat přírůstek sněhové pokrývky v povodí i její následné tání

21 Model chování vodních nádrží Vodní nádrže a jezy Manipulace s vodou v tocích - ovlivnění přirozeného režimu toku (včetně průchodu povodňových vln ) Platí jiné zákony než při proudění vody říčním korytem

22 Model toku vody v korytě Hydraulické x hydrologické modely transformace vody korytem Hydraulické modely používají podrobné informace o terénu v okolí toku Hydrologické modely jsou jednodušší, ale stabilnější a mají menší nároky na vstupy

23 1D modely + nízké náklady + široká nabídka na trhu + výsledky věrně odpovídající skutečnému stavu v terénu (kvalita přibližně jako u 2D modelů) + použitelné na rozsáhlé území

24 1D modely Stanovení soustavy příčných profilů v údolí řeky každý profil je reprezentován jedním výpočetním bodem bod charakterizován průměrnými vlastnostmi celého profilu a shrnuje jeho tvar a typ rozdíly mezi různými částmi profilu zanedbány

25 1D modely Ustálené proudění - zjednodušený stav Napouští se stálé množství vody, něž toto množství vody z území vytéká

26 1D modely Neustálené nerovnoměrné proudění Přítok se s časem mění Výpočet v předem stanovených chronologických úsecích, ve kterých se různí vodní stavy a průtoky Možnost pozorování průběhu kulminace vodního stavu a modifikace říčního průtoku s postupem v území

27 Odtok v korytě Ustálené proudění průtok v konstantní v čase (hloubka, průtočná plocha a průřezová, rychlost) Neustálené proudění změny průtoku (rovnice kontinuity a momentové rovnice)

28 Odtok v korytě Často používané modely: Muskingum Muskingum-Cunge Lag model Model kinematické vlny nebo transportní difuzní rovnice Řešení základních rovnic proudění v otevřených korytech rovnice kontinuity a momentové rovnice (označované jako St. Venantovy rovnice)

29 MIKE11 1D hydrodynamický model dánské firmy DHI Simuluje: Proudění Výšku hladiny vody Kvalitu vody Transport sedimentů V řekách, záplavových oblastech, zavlažovacích kanálech, nádržích apod.

30 Aplikace MIKE11 Povodňové analýzy Real-time předpovídání povodní Optimalizace nádrží Hodnocení kvality vody v řekách, mokřadů Transport sedimentů Studie morfologie říčních koryt Slanost řek (v ústí do moře)

31 MIKE11

32 HEC-Ras 1D hydrodynamický model Vývoj - americké Hydrologické inženýrské centra (HEC) Volně stažitelný (pro Windows) HEC-GeoRas nádstavba pro ArcGIS 10 (volně ke stažení)

33 HEC-Ras Výpočty ustáleného a neustáleného proudění v korytech toků a inundacích zahrnuje i technické stavby (mosty,odlehčovací kanály apod.) a podélné a příčné objekty v tocích (opevnění břehů, jezy, stupně apod.) Přenos sedimentů Modelování teploty vody

34 HEC-Ras Metody výpočtu - dle detailu výpočetního mechanismu, průměru zrn a typu materiálu v korytě (štěrková, písčitá apod.)

35 HEC-Ras [Sklenář, Marešová] Větvené a okruhové říční sítě

36 HEC-Ras [Sklenář, Marešová] zadání toku pomocí příčných profilů a řešení průběhu hladin mezi nimi (metoda po úsecích )

37 Výsledky HEC-Ras [Sklenář, Marešová]

38 Výsledky HEC-Ras [Sklenář, Marešová]

39 Výsledky HEC-Ras [Sklenář, Marešová]

40 Srovnání HD modelů [Unucka a kol. 2010]

41 Další možnosti [Sklenář, Marešová]

42 Srážko-odtokové modely

43 S-O modely Předpovědi na delší časové období a v horních částech povodí Vstupy - údaje o naměřených srážkách (příp. předpověď srážek)

44 Srážko-odtokový proces

45 Odtok z povodí

46

47 Povrchový odtok z povodí Nejrychlejší část odtoku Vznik: Překročení infiltrační kapacity Překročení retenční kapacity Opětovná exfiltrace vody v nižších částech svahu

48 Povrchový odtok z povodí Výpočet: Rovnice kontinuity a zákon o zachování energie Výpočet podle Manning-Stricklera Výpočet metodou kinematické vlny

49 Přímý odtok Metoda CN (Curve Number) křivek metoda číselných odtokových křivek Odvozeno v USA, kalibrováno pro ČR Přijatelná dle ČSN Odtok z povodí do 10km2

50 Podpovrchový odtok v nenasycené zóně půdního profilu = Interflow Často nejdůležitější komponenta koncentrace odtoku Vzniká prouděním v mikro- a makropórech

51 Podpovrchový odtok v nenasycené zóně půdního profilu Výpočet Aplikace Richardsových a Darcyho rovnic proudění porézním prostředí Např. SCS CN křivek (Soil Conservation Service Curve Number), Green-Ampt metoda) nebo SMA (Soil Moisture Accounting)

52 Podpovrchový odtok v nenasycené zóně půdního profilu SCS CN křivek, SMA (Soil Moisture Accounting). Metody jsou založeny na jednodušších i poměrně složitých postupech, od dvouvrstvého modelu, přes gravitační model proudění až po model založený na řešení Richardsovi rovnice (Bear, 1972).

53 Podzemní odtok (v nasycené zóně) Nejpomalejší část odtoku Často používané metody: model lineární nádrže model exponenciálního poklesu nebo konstantního odtoku 2D a 3D model proudění podzemní vody založený na metodě konečných diferencí

54 Základní odtok Podzemní odtok + zpomalená část odtoku v nenasycené zóně půdního profilu Výpočet - metoda jednotkového hydrogramu (UH Unit Hydrograph) Jednotkový hydrogram = hypotetická odezva povodí na jednotkový efektivní déšť, vždy stejná pro déšť dané doby trvání

55 Srážko-odtokové modely v ČR Povodí Labe - systém Aqualog implementován srážko-odtokový model Sacramento (SAC-SMA) Povodí Odry, Bečvy, horní Moravy a Dyje - (ČHMÚ v Ostravě a Brně) - HYDROG

56 Modelovací systém AQUALOG srážko-odtokový model SACRAMENTO (SAC-SMA) sněhové komponenty SNOW17 model proudění vody korytem TDR model simulující průtok nádrží MAN

57 HYDROG Součástí komplexnějšího předpovědního systému HYDROG-S Původ - spojité simulace odtoku z povodí s nádržemi (STARÝ, 1998) Napojení na automatizovaný přenos ze srážkoměrných stanic > předpovědi průtoků v reálném čase

58 HYDROG Aplikace teorie grafů Hrany = koryta toku Uzly = odběrná místa, místa řízení nebo uzly říční sítě Plochy grafu = povodí nebo jejich části Charakteristiky ploch považovány za konstantní.

59 HYDROG Půdní model - ztráty infiltrací podle Hortona Podzemní odtok - počítán jako poměr k celkovému podzemnímu odtoku v závěrovém profilu (vážen podle ploch dílčích povodí) Celkový podzemní odtok - simulován jako jedna nádrž a časový průběh řešen pomocí regresního modelu

60 HYDROG Proudění vody v korytě se počítá ze St.Venantových rovnic metodou kinematické vlny

61 HEC HMS (WMS) (Hydrologic Engineering Center Hydrologic Modeling system) Vyvýjen armádou USA (od 60-tých let) WMS (Watershed Modeling systém) nejvyšší verze HEC-1, komerční HEC HMS - freeware Základ - celistvý (lumped) model se soustředěnými parametry

62 HEC HMS (WMS) Spolupráce s GIS: HEC-GeoHMS a HEC-GeoHMS Add-In pro ArcView výpočet základních hydrologických charakteristik povodí hranice povodí, směry odtoku, akumulace vody tvorba hydrologicky korektního model terénu (vyplněné bezodtokové sníženiny) jednoduchý import do HMS

63 HEC HMS (WMS) Výpočet objemu odtoku (Runoff-volume models) zahrnuje několik modelů (metoda SCS CN křivek (Soil Conservation Service Curve Number) a další Výpočet přímého odtoku (Direct-runoff models) metoda jednotkového hydrogramu (Unit Hydrograph), její nejrůznější modifikace, model kinematické vlny

64 HEC HMS (WMS) Výpočet podzemního odtoku (Baseflow models) model lineární nádrže, exponenciálního poklesu, nebo konstantního odtoku Výpočet korytového odtoku (Routing models) model Muskingum-Cunge, Lag model, model kinematické vlny, případně modifikace těchto metod rovnice kontinuity a momentové rovnice

65

66 MIKE-SHE DHI (Dánsko) Kontinuální i epizodní modelování Distribuovaný model Spolupráce s GIS: Geomodel nadstavba ArcGIS 9.1, pro interpretaci geologických podkladů a vytváření geologických modelů DaisyGIS nadstavba ArcView 3.x., pro popis důležitých procesů vázaných na zemědělský ekosystém (transport vody, tepla nebo živin)

67

68 MIKE-SHE Srážky (dešťové i sněhové) Evaporace, včetně intercepce (z čas. řad) Povrchový odtok z povodí 2D metoda konečných diferencí šíření vlny Odtok v korytě metoda Muskingum, výpočet transportní difuzní, řešení St. Venantových rovnic proudění v korytě (rovnice kontinuity a momentová rovnice)

69 MIKE-SHE Podpovrchový odtok v nenasycené zóně půdního profilu jednoduchéhý dvouvrstvý modelu gravitační model proudění model založený na řešení Richardsovy rovnice Modely vyžadují zadání pórovitosti, nasycená hydraulické vodivosti, apod.)

70

71 Unucka, Židek, doktorandi GI, 2009

72 Unucka, Židek, doktorandi GI, 2009

73 Nástroje GRASS r.watershed, r.topmodel, r.flow, r.hydro.casc2d, SIMWE

74 Další modely (pro Grass) TOPMODEL predikce distribuovaných odtoků a půdní vlhkosti SWIM (Soil and Water Integrated Model) modelování hydrologického cyklu, eroze, růstu vegetace a transportu živin v povodích na úrovni mezoměřítka modelování regionálních dopadů změn klimatu a vegetace na hydrologické systémy

75 ArcHydro Nadstavba ArcGIS Původ spolupráce CRWR (Center for Research in Water Resources), University of Texas at Austin a ESRI Volně stažitelná

76 ArcHydro Komponenty ArcHydro Data model ArcHydro Tools

77 ArcHydro Nástroje: Terrain Preprocessing Terrain Morphology Watershed Processing Network Tools

78 ArcHydro Groudwater Toolkid (pro ArcGIS)

79 Hydrogeologické modelování 3-D model Visual MODFLOW verze 4.1 nástavbové programy MT3D, RT3D, SEAWAT a MODPATH

80 MODFLOW Založen na konceptu zvodní s napjatou hladinou a zvodní s volnou hladinou Simuluje stacionární i neustálené proudění podzemní vody Vstupní hydraulické parametry horizontální hydraulická vodivost storativita nebo pórovitost

81 MODFLOW Výstupy: mapy izolinií hydraulických výšek mapy izolinií snížení hydraulických výšek pro jednotlivé zvodně (při neustálené proudění pro jednotlivé tlakové a časové úrovně) vodní bilance - pro daný tlakový stav, časový krok a vymezenou lokalitu (kolik vody je drénováno, resp. infiltrováno) mapa trajektorií částic z libovolného bodu pravděpodobný směr pohybu kontaminantu

82 MODFLOW Řešení základní diferenciální rovnice (proudění podzemní vody) užita metoda konečných rozdílů s uzly umístěnými do středů bloků pravoúhlé sítě V každém uzlu sítě je možné zadat okrajovou podmínku 1.-3.typu.

83 Vodohospodářský informační portál

84 Literatura KREŠL, J. Hydrologie. Brno: Mendelova zemědlská a lesnická univerzita v Brně, s. HUBČÍKOVÁ, V. Hydrologie. Brno: Mendelova zemědlská a lesnická univerzita v Brně, s. LANGHAMMER, J. a kol. Zpráva o průběžných výsledcích projektu ve třetí etapě řešení v roce Praha:UK, s., akce=dokumenty&cislo=47

85 Literatura Unucka a kol. Modelování kvartérních fluviálních procesů s využitím GIS. < Sklenář, Marešová. Modelování proudění v otevřených korytech. ČVUT < HEC.pdf>

86 Literatura hydro.natur.cuni.cz/jenicek/ Unucka, Židek, doktorandi: 09/sbornik/Lists/Papers/037.pdf

87 Literatura VÚV. Vyhodnocení katastrofální povodně v srpnu 2002 a návrhu úpravy systému ochrany před povodněmi < UPOL: Hydrologické modely.

88 Děkuji za pozornost Konec