Zpracování hydrologických dat RNDr. Milada Matoušková, Ph.D. Katedra fyzické geografie a geoekologie, PřF UK v Praze matouskova@natur.cuni.cz
HYDROMETRIE měření hydrologických jevů (monitoring) počítačové (databázové) zpracování vyhodnocení dat Rakovnický potok, foto Matoušková odtokový režim (vodní stavy, průtoky) výskyt a chod ledových jevů teplotní režim hladina podzemních vod jakost povrchových vod jakost podzemních vod
Metody hodnocení variability a trendů odtokového režimu Hodnocení odtokového režimu (vodních stavů a průtoků) metody: grafické statistické sledování velikosti změn, časového průběhu, četnosti výskytu a variability jevů Změny odtokového režimu: neustálé okamžitý H, Q - maximální H max, Q max průměrný denní Hd, Qd - minimální H min, Q min průměrný měsíční Hm, Qm - medián H 182,5 Q 182,5 průměrný roční Hr, Qr - modus dlouhodobý Ha, Qa HYDROMODUL - rozpětí mezi maximálním a minimálním vodním stavem
Hodnocení průměrných denních vodních stavů/průtoků (Hd, Qd) 1) čáry průměrných denních průtoků 1,20 Vývoj průměrných denních průtoků v roce 1999 Profil: Rakovník 1,00 0,80 Qd (m 3 /s) 0,60 0,40 0,20 0,00 11 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 měsíc Zdroj dat: ČHMÚ
1994 1995 1996 1997 1998 1999 1992 1993 Čáry průměrných denních průtoků Profile Rakovník 1901, average daily discharge 1970-99 60 50 40 30 20 10 0 1969 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 year Zdroj dat: ČHMÚ discharge m3/s
Hodnocení průměrných denních vodních stavů/průtoků (Hd, Qd) 2) čáry překročení průměrných denních průtoků 1,200 Křivka překročení Qd 1997, 1998, 1999 Profil: Rakovník 1,000 0,800 průtok Qd (m 3 /s) 0,600 0,400 0,200 0,000 1 31 61 91 121 151 181 211 241 271 301 331 361 dny překročení Zdroj dat: ČHMÚ
M denní průtoky, profil Rakovník, 1970-99 Průtok Q30 Q60 Q90 Q120 Q150 Q180 Q210 Q240 Q270 Q300 Q330 Q355 Q360 m3/s 1,21 0,86 0,68 0,575 0,52 0,453 0,41 0,38 0,34 0,3 0,25 0,195 0,179 Křivka překročení Qd 1970-99 průtok Qd (m3/s) 15 14 13 12 11 10 9 8 7 6 5 4 3 2 1 0 0 30 60 90 120 150 180 210 240 270 300 330 360 dny překročení Zdroj dat: ČHMÚ
Ukázka databáze Qd profil rok mesic den prutok m3/s 1901 1969 11 1 0,400 1901 1969 11 2 0,380 1901 1969 11 3 0,380 1901 1969 11 4 0,380 1901 1969 11 5 0,380 1901 1969 11 6 0,380 1901 1969 11 7 0,360 1901 1969 11 8 0,440 1901 1969 11 9 0,600 1901 1969 11 10 0,600 1901 1969 11 11 0,600 1901 1969 11 12 0,640 1901 1969 11 13 0,640 1901 1969 11 14 0,560 1901 1969 11 15 0,520 1901 1969 11 16 0,440 1901 1969 11 17 0,440 1901 1969 11 18 0,440 1901 1969 11 19 0,440 1901 1969 11 20 0,440 1901 1969 11 21 0,410 1901 1969 11 22 0,380 1901 1969 11 23 0,380 1901 1969 11 24 0,380 profil rok mesic den prutok m3/s poradi 1901 1981 7 20 53,200 1 1901 1970 8 22 49,800 2 1901 1980 7 22 32,600 3 1901 1978 5 8 30,100 4 1901 1981 7 21 25,700 5 1901 1981 8 10 24,400 6 1901 1970 8 4 20,400 7 1901 1972 7 30 17,500 8 1901 1970 8 23 16,000 9 1901 1970 8 3 14,400 10 1901 1970 6 11 14,200 11 1901 1979 3 5 14,000 12 1901 1970 8 21 13,600 13 1901 1978 5 9 13,600 14 1901 1980 4 26 13,200 15 1901 1978 8 8 12,800 16 1901 1980 4 27 12,600 17 1901 1977 8 23 12,400 18 1901 1979 3 4 12,200 19 1901 1970 6 10 12,100 20 1901 1981 7 19 11,500 21 1901 1970 6 12 10,800 22 1901 1977 8 22 10,400 23 1901 1980 4 25 10,400 24 Zdroj dat: ČHMÚ
Statistické míry variability Qd Decilová odchylka (D) průměr odchylek jednotlivých sousedních decilů, tj. hodnot průtoků, které rozdělují uspořádanou řadu průtoku na deset skupin o stejném počtu členů platí, čím je hodnota decilové odchylka vyšší, tím je vyšší variabilita souboru D = ( Q30 Q60) + ( Q60 Q90) +...( Q300 Q330) Q30 Q330 = 10 10 Variační koeficient (Cv) platí, čím je hodnota variačního koeficientu vyšší, tím je vyšší variabilita souboru C v = = Q a ( Q d Q a) n Q a 2 δ... směrodatná odchylka Qa... dlouhodobý průměrný průtok Qd... průměrný denní průtok n... počet členů řady
Statistické míry variability Qd Poměr průměrné odchylky k mediánu platí, čím je hodnota variačního koeficientu vyšší, tím je vyšší variabilita souboru V med = n i = 1 / Q d n Q Q 182,5 182,5 / Tetřívčí potok, monitoring vodních stavů Foto: Matoušková
Hodnocení průměrných měsíčních průtoků (Qm a ) Profil Rakovník, průměrné měsíční průtoky 1970-99 1,00 0,90 0,80 0,70 Qma (m 3 /s) 0,60 0,50 0,40 0,30 0,20 0,10 0,00 11. 12. 1. 2. 3. 4. 5. 6. 7. 8. 9. 10. měsíc Zdroj dat: ČHMÚ
Hodnocení průměrných měsíčních průtoků (Qm a ) Podíl Qm na celkovém ročním odtoku 1970-99 Profil: Rakovník 8. 10% 7. 9% 6. 8% 9. 6% 5. 10% 10. 7% 11. 7% 12. 7% 1. 6% 4. 10% 2. 8% 3. 12% měsíc Q ma % ročního odtoku 11. 0,53 6,58 12. 0,53 6,61 1. 0,52 6,44 2. 0,66 8,23 3. 0,97 12,06 4. 0,83 10,37 5. 0,76 9,51 6. 0,67 8,37 7. 0,70 8,69 8. 0,80 10,00 9. 0,49 6,18 10. 0,56 6,97 Qm p% = 100 Q m Podíl ročních období na celkovém odtoku 1970-99 Profil: Rakovník Podíl ročních období na odtoku: >80 % velmi nevyrovnaný 50-80% značně nevyrovnaný 30-50 % mírně nevyrovnaný 20-30 % vyrovnaný podzim 20% zima 21% léto 27% jaro 32% Zdroj dat: ČHMÚ
Hodnocení průměrných měsíčních průtoků (Q m ) Průměrné měsíční průtoky, profil Rakovník v letech 1997,1998,1999 0,80 0,70 0,60 0,50 Qm (m3/s) 0,40 1997 1998 1999 0,30 0,20 0,10 0,00 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 měsíc Zdroj dat: ČHMÚ
Změny sezónnního rozložení odtoku 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% XI X IX VIII VII VI V IV III II I XII 10% 0% 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 2005 2007 Rolava, profil: Chaloupky, 1967-2003, zdroj dat: ČHMÚ, Ledvinka 2008
Statistické míry variability Qm Koeficient Kr Kr = 0 ideálně vyrovnaný odtok Kr = 22 maximálně nevyrovnaný odtok Kr = ( pi 8, 3) 8, 3 pi... % podíl Qm Variační koeficient (Cv) -platí, čím je hodnota variačního koeficientu vyšší tím je vyšší variabilita souboru Cv = = Q a ( Q m Q a) n Q a 2... směrodatná odchylka Qa... dlouhodobý průměrný průtok Qm... průměrný měsíční průtok n... počet členů řady
Změny průměrných ročních průtoků v čase (Qr) Profil Rakovník, průměrné roční průtoky Qr (m 3 /s) 1970-99 1,80 1,60 1,40 1,20 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 1970 1971 1972 1973 1974 1975 1976 1977 1978 1979 1980 1981 1982 1983 1984 1985 1986 1987 1988 1989 1990 1991 1992 1993 1994 1995 1996 1997 1998 1999 Q (m 3 /s) rok Qr Qa Klouzavý průměr/2 (Qr) Zdroj dat: ČHMÚ
Hodnocení vývoje Qr 1,4 1,2 1 y = 0,0105x + 0,5305 0,8 0,6 0,4 0,2 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 2003 m 3 /s 2005 2007 Qr Qa (1969-2003) Lineární trend Qr (1969-2003) Roky Rolava, profil: Chaloupky, 1967-2003, zdroj dat: ČHMÚ, Ledvinka 2008
Statistické míry variability Qr Procentuélní podíl (p) Qr p% = 100 Qa Qa... dlouhodový průměrný průtok Pravděpodobnost překročení (P) P % = m n + 0, 3 0, 4 1 0 0 m... pořadí Qr uspořádaných sestupně n... počet členů řady Qr Slovní hodnocení pravděpodobnosti: 0-10 % mimořádně vodný rok MV 11-40 % vodný rok V 41-60 % průměrně vodný rok P 61-90 % málo vodný rok S 91-100 % mimořádně málo vodný rok MS N - doba opakování, tzv. N-letá voda N = 100 P%
Průměrné roční průtoky a jejich vodnost rok Qr (m3/s) p % vodnost rok Qr (m3/s) p % vodnost 1970 1,61 5,59 MV 1985 0,44 64,80 S 1971 1,40 8,88 MV 1986 0,54 45,07 P 1972 0,73 25,33 V 1987 0,65 31,91 V 1973 0,68 28,62 V 1988 0,53 48,36 P 1974 0,46 58,22 P 1989 0,41 74,67 S 1975 0,52 54,93 P 1990 0,37 81,25 S 1976 0,38 77,96 S 1991 0,30 91,12 MS 1977 0,59 38,49 V 1992 0,29 94,41 MS 1978 1,10 18,75 V 1993 0,27 97,70 MS 1979 1,27 15,46 V 1994 0,36 84,54 S 1980 1,35 12,17 V 1995 0,57 41,78 P 1981 1,62 2,30 MV 1996 0,52 51,64 P 1982 0,83 22,04 V 1997 0,45 61,51 S 1983 0,59 35,20 V 1998 0,34 87,83 S 1984 0,43 68,09 S 1999 0,41 71,38 S Vysvětlivky: MV - mimořádně vodný rok, V - vodný rok, P- průměrně vodný rok, S - málo vodný rok, MS - mimořádně málo vodný rok
Grafické hodnocení pravděpodobnosti překročení Qr Křivka pravděpodobnosti překročení Qr 1970-99 2,00 1,80 y = -0,427Ln(x) + 2,2197 R 2 = 0,943 1,60 1,40 1,20 Qr (m 3 /s) 1,00 0,80 0,60 0,40 0,20 0,00 0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 pravděpodobnost (%) Zdroj dat: ČHMÚ
Povodně (režim velkých vod) výrazné stoupnutí hladiny způsobené náhlým zvětšením průtoku nebo zmenšením průtočnosti koryta tvar povodně: pata povodňové vlny, kulminační průtok Qmax, ukončení povodně trvání povodně objem povodně rychlost průběhu povodně N - doba opakování (tzv. N-letá voda) N = 100 P%
Roční období - výskyt Qd>N1, profil Kolinec 9 8 Analýza výskytu extrémů četnost 7 6 5 4 3 2 Četnost výskytu Qd>N1, profil 0 Kolinec 1 podzim zima jaro léto roční období 3 15,5 19 2 četnost 11,5 9,8 15,1 39,7 10,9 1 0 1949 1951 1953 1955 1957 1959 1961 1963 1965 1967 1969 1971 1973 1975 1977 1979 1981 1983 1985 1987 1989 1991 1993 1995 1997 1999 2001 20,8 13 14 14,8 12,2 12,2 13,8 20,6 15,9 9,79 datum podzim zima jaro léto Qd>=9,5 m3/s Zdroj dat: ČHMÚ
Analýza trendů odtokového režimu Povodí Otavy - lokalizace vybraných modelových povodí Klatovy Plánice Kocelovice Chanovice Čachrov Kolinec Sušice Nalžovské Hory Horažďovice Sedlice Katovice Katovice Strakonice Kestřany Vráž Temešvár Hartmanice Heřmaň Paseky Železná Ruda Strašín Němětice Kašperské hory Paračov Volyně Prášily Protivín Vacov Javorník Srní Boohumilice Zálezly Bavorov Antýgl Churáňov Chelčice Modrava Vimperk Filipova Huť Kvilda Hracholusky Podedvorský mlýn Husinec Frantoly Horní Vltavice Blanický Mlýn Lenora Mlynářov Lhenice 0 10 kilometers 20 Stážný Stožec Zbytiny Brloh
Jednoduché součtové čáry Jednoduché součtové čáry Qd pro modelová povodí, 1952-2002 100 90 80 70 60 50 40 30 20 10 0 1952 1954 1955 1956 1957 1958 1960 1961 1962 1963 1965 1966 1967 1968 1969 1971 1972 1973 1974 1976 1977 1978 1979 1980 1982 1983 1984 1985 1987 1988 1989 1990 1991 1993 1994 1995 1996 1998 1999 2000 2001 Modrava Blanický mlýn Kolinec Kliment, Matoušková 2008, zdroj dat: ČHMÚ
Podvojné součtové čáry Podvojné součtové čáry Qr, Hr pro modelová povodí (1962-2002) 100 80 1993 Qr-souč. (%) 60 40 1981 20 1974 Vydra (Modrava) Blanice (Blanický Mlýn) Ostružná (Kolinec) 0 0 20 40 60 80 100 Hr-souč. (%) Kliment, Matoušková 2008, zdroj dat: ČHMÚ
Statistická analýza trendů Wilcoxonův jednovýběrový a dvouvýběrový test Mann-Kendalův test Interpretace trendů hydrometeorologických charakteristik na základě MK-S Tok-profil Ostružná-Kolinec Blanice-Blanický Mlýn Vydra-Modrava Opava-Krnov Opavice-Krnov Opava-Opava Rolava-Chaloupky Rolava-Stará Role Qm Hm Tm 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Stanice Klatovy Kašperské hory Churáňov Krnov Žáry Praděd Chaloupky Stará Role Kliment, Matoušková 2008, zdroj dat: ČHMÚ Vysvětlivky:červená barva- výrazný pokles, modrá barva výrazný nárůst, oranžová barva nárůst teplot, světle zelená barva pokles teplot
Zadání práce: Zhodnocení variability odtokového režimu pomocí základních grafických a statistických metod Zdroj dat: ČHMÚ, průměrné denní průtoky Qd (m 3 /s) Řešení zahrnuje: 1. jméno autora, studijní obor, ročník, datum zpracování 2. zadání 3. vybrané hodnocené hydrologické roky 1) Hodnocení variability odtoku pomocíčar překročení průměrných denních průtoků 1.graf čar překročení Q d pro 2 vybrané hydrologické roky 2.odečtení M-denních průtoků Q30, Q60, Q90, Q120, Q180, Q210, Q240, Q270, Q300, Q330, Q360 3.výpočet decilové odchylky 4.slovní zhodnocení variability odtoku z pohledu tvaru křivek překročení, M-denních průtoků a decilové odchylky 2) Hodnocení rozložení měsíčních průtoků (Q m ) v průběhu roku a zhodnocení rozkolísanosti průměrných měsíčních průtoků 1.tabulky jednotlivých Q m s výpočtem jejich procentuelního podílu P i 2.hydrogramy Q m 3.zhodnocení variability odtoku z pohledu Q m a jednotlivých ročních období 4.výpočty koeficientů Kr 5.výpočet variačních koeficientů Cm 6.zhodnocení variability odtoku z pohledu Q m na základě grafů a vypočtených hodnot 7.srovnávací analýza rozložení odtoku z pohledu Q m dvou vybraných hydrologických roků 3) Hodnocení odtokového režimu z pohledu Qr Hydrogram Qr za celé období sledování Výpočet pravděpodobnosti výskytu P Qr Zhodnocení vodnosti jednotlivých Qr na základě vypočtené pravděpodobnosti výskytu Forma odevzdání práce: -písemné, tj. vytištěné
Děkuji za pozornost