Matematické modelování pro simulaci odtoků na malých vodních tocích

Matematické modelování pro simulaci odtoků na malých vodních tocích Příprava a realizace PB PPO a možnosti jejich financování Benešov 20.6.2017 page 1

Hydroinformatika oblasti zájmu Významné vodní toky (Labe, Vltava, Morava, Odra, Ohře aj.) Malé vodní toky (Jevanský potok, Benešovský potok) simulační prostředky(1d,2d,3d) procesy (HD,WQ, ST) page 2

Povodňové škody a jejich klasifikace Povodně představují 31% z počtu katastrof 390.000 usmrcených za uplynulé 2 dekády celkem, v důsledku povodní 58% 130mld USD celkové ekonomické škody, 33% v důsledku povodňových škod Klasifikace přírodních katastrof - pojišťovny - musí zasahovat federální nebo státní orgány- page 3 počet klasifikovaných povodní 5x vyšší než v 50 letech škody způsobené klasifikovanými povodněmi 10x vyšší

Kde aplikovat povodňové modely Intravilán Globální řešení - povodňové modely obcí Lokální řešení - hydraulické řešení objektů Extravilán Globální řešení - řešení uceleného povodí Lokální řešení - řešení lokálního zásahu do inundačního území page 4

Matematické modely simulace Hydrologického cyklu Aplikace MM - příčina - důsledek zpracování metodami statistiky MM - nástrojem analýzy PPO MM pro PB PPO každé opatření má hydraulický popis funkce Standardizace, verifikace, - hydrologické modely x hydrodynamické modely Procesy hydrologického cyklu Zjednodušené metody - lokální posudek parametr v převaze vlivů - u MVT především nedochází-li ke změnám objemů v čase page 5

MM - pro simulace v korytech a inundačních územích Výběr modelu HG x HD Kde použijeme MM -?: hydrodynamickou analýzu zájmové oblasti předpověď vlivu staveb paralelní projektování ověření konceptu plánování a příprava územních plánů řízení v reálném čase řešení kritických situací, statika objektů v inundaci page 6

Matematické modely na MVT Proč - povodňové modely mvt Kde - povodňové modely mvt Jak - povodňové modely mvt Aplikace - povodňových modelů mvt page 7

Požadavky na stanovení návrhových kriterií Posudky vlivu staveb na stávající protipovodňovou ochranu PPO v lokalitě a okolí - pozor na zjednodušené posudky posudek vlivu staveb na PPO v uceleném povodí důsledky překonání stávající PPO poskytnutí základních podkladů pro org.opatření v důsledku inundace podklady pro ověření vlivu povodňové situace na navrhované objekty tvorba strategie povodňové ochrany v povodích

Povodňové škody a jejich klasifikace Důvody zvýšeného výskytu povodňových rizik: nárůst počtu obyvatel v kritických oblastech - urbanizace zvýšení cen nemovitostí a služeb v exponovaných oblastech zvýšení zranitelnosti územních celků a objektů infrastruktury - vyšší vybavenost podcenění rizik - dlouhé období bez povodní stavební nekázeň v inundačním území klimatické změny - vliv urbanizace a industrializace page 9

Protipovodňová opatření - zmírnění povodňových rizik Povodně byly, jsou a budou Mnoho faktorů vzniku povodňových situací meteorologické jevy lze těžko předvídat srážko-odtokové charakteristiky jsou závislé na předchozím vývoji hydrologické situace v povodí nahodilé jevy zhoršují situaci (spláví, havárie objektů, ledochod, pohyb splavenin, eroze) změna způsobu údržby vodních toků PB a jejich dopad Důslednou analýzou povodňových rizik lze škody eliminovat nebo snižovat page 10

Analýza povodňové situace nástroji Hydroinformatiky Ekonomické aspekty PP ve vazbě na MM page 12 Přímé finanční škody (doba, hloubka, rychlost, teplota, možnost včasné likvidace) lidské životy životy hospodářských a volně žijících zvířat a živočichů škody na majetku a vybavení škody na úrodě a vegetaci Nepřímé škody (i nás podceňované) produkce průmyslu škody v oblasti obchodu škody v dopravě škody v infrastruktuře náklady na zabezpečení kritické situace

Analýza povodňových rizik prostředky hydroinformatiky Klasický přístup k projektu PPO vychází z aplikace jednoduchých výpočetních postupů a schematizace - bez přelití objektů ochrany Detailní řešení - page 13 nestacionární řešení inundace hydrodynamicky model a digitální model reliéfu mapy povodňového rizika (hloubky, rychlosti, hladiny, průtoky) mapy rozložení majetku, hustoty obyvatel křivky přímých a nepřímých škod analýza přínosů a rizik PPO

Integrované modely v povodí Neovlivněná povodí page 14 Modelová integrace pro popis všech podstatných procesů Srážko-odtokové modely hydrologické modely Hydraulické modely /2D 1D/ Modely podzemních vod Ekologické modely a modely WQ Městská povodí Srážko-odtokové modely Hydraulické modely systémů odvodnění /1D/ Hydraulické modely povodňové /2D / Modely podzemních vod Modely objektů (2D nebo 3D)

Povodně - stanovení parametrů Kulminační průtoky Maximální vodní stavy Povodeň je časově omezené zvýšení hladiny v důsledku zvýšení průtoků Hydrogram - tvar, maximální hodnota, objem Analýza povodňových vln - empirické vzorce Statistické vyhodnocení extrémních průtoků - překročení - doba opakování jevu page 15

Povodně byly a budou - dvě generace povodňové paměti Povodně v Praze 5500 2002 5000 4500 1845 4000 1862 1890 Q100-3710 m3/s Praha Karlín, 1845 discharge m3/s 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 1827 1833 1872 1839 1845 1851 1857 1863 1869 1875 1881 1887 1893 1899 1905 1911 1917 1923 1929 1935 1941 1947 1953 1959 1965 1940 1500 m3/s dangerous level 1981 1971 1977 1983 1989 1995 2001 Praha Karlín, 2002 page 17

Povodňová směrnice 2007/ 60 EC Povodně neomezíme, musíme se s nimi naučit žít page 18

Povodňová směrnice 2007/ 60 EC Data z pozorování povodňových jevů jsou neúplná, nepřesná nebo chybí úplně - mvt Úslava Koterov (průtoky) - povodeň 08/2002 300 Q (m 3.s -1 ) Q max = 260 m 3.s -1 250 200 150 100 3. SPA 50 2. SPA 1. SPA 0 5.8. 6.8. 7.8. 8.8. 9.8. 10.8. 11.8. 12.8. 13.8. 14.8. 15.8. 16.8. 17.8. 18.8. 19.8. 20.8. 21.8. 22.8. 23.8. 24.8. 25.8. zdroj dat: ČHMÚ page 20

MM - pro simulace v korytech a inundačních územích Výběr modelu významné VT a malé VT VVT vliv inundačního území proudění 2D, manipulace s VD MVT významný vliv objektů, změna chování objektů (spláví, sedimentace, přelití rybníků) Kde použijeme MM -?: hydrodynamická analýza zájmové oblasti předpověď vlivu staveb paralelní projektování plánování a příprava územních plánů řešení kritických situací, statika objektů v inundaci

Návrhová kritéria Statistické metody vyžadují dlouhé řady pozorování Hydrologické údaje - ČHMU - n-leté vody, historické povodňové vlny, syntetické návrhové vlny Zásady návrhových metod hydrotechnických staveb - záruka neškodného průchodu povodně - stanovení pravděpodobnosti překročení návrhových parametrů povodňových vln (Q100) Co se stane po překonání ochrany normy x směrnice page 24

1. Průlomová vlna - Příklady

2. Průlomová vlna - Příklady

3. Povodňová vlna Litovel 1997 - Příklady page 27

4. Synchronizace Příklady Polder Teplice page 28

Matematická schematizace Jednorozměrná schematizace - 1D uzavřená údolí ohrázované toky page 29

Jednorozměrná schematizace

Matematická schematizace Jednorozměrná schematizace - 1D uzavřená údolí ohrázované toky Rozšířená 1D schematizace - 1D+ úseky s komplikovanou sítí inundačních proudnic městské aglomerace page 31

Rozšířená 1D schematizace

Rozšířená 1D schematizace -1059700 Untitled -1059800-1059900 -1060000-1060100 -1060200-1060300 -1060400-1060500 -1060600-1060700 -1060800-1060900 -1061000-648600 -648400-648200 -648000-647800 -647600-647400 -647200-647000 -646800 page 33

Matematická schematizace Jednorozměrná schematizace - 1D uzavřená údolí ohrázované toky Rozšířená 1D schematizace - 1D+ úseky s komplikovanou sítí inundačních proudnic městské aglomerace Dvojrozměrná schematizace - 2D detailní řešení kritických lokalit page 34

Dvourozměrná schematizace

Podklady pro stavbu modelu příčné profily koryta toku údolní profily inundačního území technická mapa města letecké snímky, orto-foto snímky mapy 1:10 000 mapy (CUZAK, jiné) digitální model terénu dokumentace objektů hydrologická data page 36

Vstupy nq100 - Varianta I. 1050.0 1000.0 950.0 900.0 850.0 LABE pod Chrudimkou nq100 (m3/s) LABE pod Loučnou nq100 (m3/s) CHRUDIMKA pod Novohradkou nq5-10d (m3/s) 800.0 750.0 700.0 650.0 600.0 Q [m3/s] 550.0 500.0 450.0 400.0 350.0 300.0 250.0 200.0 150.0 100.0 50.0 0.0 0 24 48 72 96 120 144 168 192 216 240 264 T [hod] page 37

Vstupy

Výstupy - aplikace Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami page 40

Podélné profily Labe : srovnání HIF - současný stav a původní studie 225,00 220,00 Jez Srnojedy Most u Svítkova silnič. a žel. most silniční most silniční most jez Pardubice ústí Chrudimky 5,00 4,00 Z [m n. m. ] 215,00 210,00 205,00 3,00 2,00 1,00 Rozdíl HIF - současný stav - původní 200,00 0,00 ÚSEK 1 ÚSEK 2 ÚS 3 4 ÚSEK 5 ÚSEK 6 ÚSEK 7 195,00 118,00 120,00 122,00 124,00 126,00 128,00 130,00 132,00 134,00 Staničení [km] -1,00 Levý břeh Dno Pravý břeh HIF Obálka Původní = HIF obálka - Původní page 41

Podélné profily

Výstupy - aplikace Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami Mapy zátopové čáry page 43

Mapy zátopové čáry

Výstupy - aplikace Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami Mapy zátopové čáry Mapy hladin page 45

Mapy hladin

Výstupy - aplikace Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami Mapy zátopové čáry Mapy hladin Mapy kategorizace rizika page 47

Mapy kategorizace rizika

Výstupy - aplikace Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami Mapy zátopové čáry Mapy hladin Mapy kategorizace rizika Mapy hloubek page 49

Mapy hloubek

Mapy hlobek

Výstupy - aplikace page 52 Výsledkové soubory, umožňující v kterémkoliv místě modelu v kterémkoliv časovém bodě simulace odečíst hladinu, průtok, rychlosti, hloubky atd. Podélné profily se zakreslenými hladinami Mapy zátopové čáry Mapy hladin Mapy kategorizace rizika Mapy hloubek Mapy rychlostního pole

Mapy rychlostního pole

Schema propojení HG a HD modelů page 55

1 -ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ MM a jejich aplikace na ověření vlivu antropogenních jevů v globálním pohledu - mapování povodňových rizik MM pro optimalizaci technických parametrů PP MM pro analýzu návrhů opatření provizorního a trvalého charakteru MM zajistí podklady pro PPO a SOP, generely : prezentace výsledků založená na bázi GISů a DB simulace, měření monitoring MM pro ověření dopadu revitalizačních zásahů Optimalizace manipulačních řádů a příprava investic page 59

2 -ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ Výhody realizovaného hydroinformatického nástroje: MM lze simulovat dosud neregistrované povodně lze rychle zohlednit změny do existujícího stavových veličin uživatel dostává pouze informace, které vyžaduje výsledky jsou prezentovány jak ve standardním formátu, tak ve formě, která je pochopitelná neodborníkům výsledky jsou přenositelné do GIS a projekčních systémů významným aspektem HIS jsou db a v nich ošetřená data page 60

3. ZÁVĚREČNÉ SHRNUTÍ Silný nástroj pro rozhodovací proces úspory v investiční výstavbě ochrana majetku a lidských životů Digitální forma vstupů i výstupů snadné použití pro další aplikace možnost implementace do IS KVALITA VÝSTUPŮ ODPOVÍDÁ KVALITĚ VSTUPŮ page 61

Za pozornost děkuje Doc. Ing. Evžen Zeman, CSc page 62