ENMO1 - Přednáška č. 1 Úvod do problematiky, programové prostředky

Proč environmentální modelování? Jedná v současnosti o nejefektivnější nástroj studia chování geosystémů (zejména ve spolupráci s GIS) v podstatě experiment ve virtuální realitě bez nutnosti zásahů do reálného systému (odlesnění, umělá injektáž kontaminantů apod.) Výhodou je možnost predikce budoucího chování těchto systémů (využívá se zejména v předpovědi počasí, prognóze vývoje klimatu či hydrologickým předpovědím) Didaktický (výuka, osvěta v ochraně přírody) a prezentační nástroj (podpora rozhodování v krizovém řízení, územním plánování apod.)

Základní motivace: Potřebujeme informace (včasné a dostatečně kvalitní), abychom minimalizovali rizika a škody.

Co je to environmentální model? Jedná o specializovaný typ software (programového prostředku), který simuluje chování určitého environmentálního problému v prostorově vymezeném území (může být i celá Země) a jeho vybraných doménách (vodní prostředí, půda, vegetace) a jejich kombinacích Vycházejí z prvních hydrologických modelů (postupné doplňování funkcionalit) Masivnějšímu rozšíření doposud bránil výkon počítačů (dnes již neplatí) a odborná náročnost práce s tímto typem SW (teoretické znalosti, informatická zběhlost uživatele)

Pojem model Jedná se tedy o abstrakci a matematické vyjádření klíčových vlastností prvků zájmové domény (systému) - povodí, svahu, vodní nádrže, troposféry + stratosféry, oceánu Snaha o zachování klíčových prostorových entit a jejich vzájemných vazeb (např. hydrografická síť, břehový porost u vodoteče, vegetační kryt apod.) Přesnost je dána primárně měřítkem a parametrizací (nejdůležitějším faktorem je zde dostupnost dat)

Percepční model Konceptuální model srážky intercepce infiltrace povrchový odtok Matematický model

Srážkoodtokový (s-o) proces

Modelované domény odtoková ztráta srážky intercepce evapotranspirace akumulace infiltrace nenasycená zóna povrchový odtok hypodermický odtok odtok v korytech podzemní (základní) odtok nasycená zóna celkový odtok

Obecný koncept propojení GIS a modelů 1 GIS: analýza a schematizace povodí HYDROLOGICKÉ MODELY Srážkoodtokové modely VÝSTUPY Hydrogramy interpolace hydrometorologických dat apod. Hydrodynamické modely Hladiny, rozlivy atd.

Obecný koncept propojení GIS a modelů 2 GIS postprocessing: vizualizace 2D & 3D, další úprava parametrů povodí

Typy hydrologických modelů přehled nejznámějšího software ve světě a v ČR 1. MIKE family (DHI - Danish Hydraulics Institute) OS: Win / (UNIX/Linux) 2. HEC-HMS (USACE - U.S. Army Corps of Engineers) OS: Win/Solaris/Linux 3. HEC-RAS (USACE - U.S. Army Corps of Engineers) OS: Win 4. EPA BASINS (EPA), HSPF + SWAT OS: Win 5. SWAT (USDA) OS: Win, částečně UNIX/Linux 6. SAC-SMA Sacramento Soil Moisture Accounting Model (Riverside Technology Inc.,/NWS) OS: Win 7. GRASS a SAGA modules (r.topmodel, r.hydro.casc2d, SIMWE, IHACRES) OS: Linux/UNIX/Win (Cygwin) 8. TOPMODEL (Beven) OS: Win/Linux/UNIX (GRASS) 9. WMS 8.0 (GSSHA, HEC, HSPF) (AquaVeo) OS: Win 10. EPA SWMM (EPA) OS: Win Česká republika: AquaLog ČHMÚ povodí Vltavy a Labe OS: Win HYDROG ČHMÚ povodí Odry a Moravy, Povodí Odry OS: Win MIKE 11 podniky Povodí, ČHMÚ Brno OS: Win

HEC-HMS http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-hms/

HEC-HMS Historie: 1967 předchůdce HEC-1 (celistvý SO model USACE) 1981 zásadní revize, přidání funkcionalit 1984 částečná portace na PC (MS-DOS) 1988 úplná portace na PC (MS-DOS) 1990 NextGen projekt (HMS, RAS), nové GUI (OS Windows) 1998 první oficiální verze HEC-HMS 1.1 2015 verze 4.0

HEC-HMS Charakteristika modelu Výrobce webové stránky Platforma OS Ovládání Distributivnost Napojení na GIS Import/správa časových řad Editace schematizace Kalibrace Možnost schematizace VH nádrží Radarové odhady srážek Metody hydrologické transformace Popis HEC-USACE http://www.hec.usace.army.mil/ OS Windows 98-8, OS Solaris, OS Linux grafické uživatelské rozhraní / skriptování celistvý/semidistribuovaný/distribuovaný model HEC-GeoHMS / ArcView GIS 3.2 / ArcGIS 8.x-10.x HEC-DSSVue grafická/tabelární poloautomatická bez optimalizace řízení odtoku k centroidům subpovodí / grid SCS CN, Green-Ampt, SAC-SMA, Clarkův, Snyderův UH, recesní metoda, metoda lineární nádrže ad. Metody hydraulické transformace Licence Dokumentace lag, Muskingum, Muskingum-Cunge, kinematická vlnová aproximace 1D & 2D freeware uživatelské a technické manuály, FAQ, případové studie

HEC-HMS Výhody: Freeware Snadná schematizace povodí v GUI či GIS Přímé napojení na GIS pomocí extenze HEC- GeoHMS Možnost výběru více metod řešení transformace srážky a pohybu v korytech Skriptování Nevýhody: Absence metod řízení VH soustav (HEC-ResSim) Absence API

HEC-HMS HEC-HMS od verze 3.3 je možné provozovat i pod OS UNIX/Linux

HEC-HMS Schematizace povodí v GIS extenzi HEC-GeoHMS Do verze 1.1 pro ArcView GIS 3.2 od verze 4.2.92 pro ArcGIS 9.2 a vyšší (pro x32 i x64 OS Windows XP, Vista, 7). Vyžaduje extenze Spatial Analyst a Network Analyst, pro ArcGIS i ArcHydro.

HEC-HMS Tvorba kompletní schematizace a legendy v GIS projektu.

MIKE SHE http://mikebydhi.com/products/waterresources/mikeshe.aspx

MIKE SHE Asi nejpokročilejší s-o model v současnosti. Možnost práce v semi- i distribuovaném režimu. Napojení na MIKE 11, MODFLOW, FEFLOW, MOUSE. Integrace GIS funkcí Správa a konverze geodat (vektorová, rastrová) Dávkové spouštění Náročný na systémové prostředky

MIKE SHE

Model MIKE SHE 1977 konsorcium institucí The Institute of Hydrology of U.K., SOGREAH France a Danish Hydraulic Institute prezentuje první verzi of SHE (Systéme Hydrologique Europeén), primárně výpočetní jádra pro OS UNIX V 80. letech vyvíjen spolu s dalším komplexním modelem SWAT V 90. letech distribuován jako komerční SW DHI pro OS Windows 2012-2015 znovu návraty některých funkcionalit a knihoven pro OS UNIX/Linux (MPI apod.), tendence k zefektivnění využívání GPU (CUDA)

Koncepce MIKE SHE

Charakteristika MIKE SHE Charakteristika modelu Výrobce, aktuální verze webové stránky Platforma OS Ovládání Popis DHI, 2012 SP1 http://www.dhigroup.com OS Windows 98 Windows 7/8, Windows Server x86/x64 grafické uživatelské rozhraní / DHI Simulation Engine (od verze 2007) Distributivnost celistvý, semidistribuovaný/distribuovaný model Napojení na GIS MIKE Zero, ESRI knihovny Import/správa časových řad editor MIKE Zero, úprava ASCII souborů Editace schematizace GUI interaktivní / tabelární (polo)automatická Kalibrace poloautomatická Možnost schematizace VH nádrží Podporováno (MIKE 11) Radarové odhady srážek k definovaným souřadnicím bodů, import rastru Metody hydrologické transformace Kristensen-Jensen, Richardsova rovnice, Green-Ampt, nasycená zóna pomocí 3D metody konečných prvků, MODFLOW, FEFLOW, degree/day, nepřímá podpora metody SCS-CN Metody hydraulické transformace St.Venant / kinematická vlnová aproximace / MIKE 11 (KW, DyW, DiW) pro neustálené, energy equation (Bernoulli) pro ustálené pr. Licence Dokumentace komerční software, demo uživatelské a technické manuály, FAQ, případové studie

MIKE SHE povrchový odtok a transpirace

MIKE SHE Krom grafických výstupů (grafy, hydrogramy) disponuje MIKE SHE i možnostmi produkovat rastrové výstupy, které je pak možno exportovat do GIS nebo animovat.

Případové studie - NP České Švýcarsko a povodí Kamenice, Křinice, Ploučnice

Vybrané parametry zájmových povodí (Subpovodí Kamenice, Křinice) Název povodí Hydrologické pořadí Hypsometrický integrál Meltonův index Plocha [ha] Střední výška [m n.m.] Lesnatost [%] Červený potok 1-15-01-0100-0-00 0.566 0.084 783.4 388.3 99.5 Suchá Bělá 1-14-05-0260-0-00 0.535 0.249 252.5 378.7 99.2 Jetřichovická Bělá 1-14-05-0200-0-00 0.349 0.085 12.0 291.0 99.0 Jetřichovický potok 1-15-01-0120-0-00 0.377 0.066 1377.0 335.5 99.5 Koutský potok 1-14-05-0220-0-00 0.435 0.120 558.0 289.7 97.0 Dlouhá Bělá 1-14-05-0260-0-00 0.432 0.156 797.5 313.2 98.1 Grosser Zschandbach - 0.423 0.118 978.4 350.4 95.2 Bílý potok 1-14-05-0080-0-00 0.578 0.109 435.7 419.5 79.0 Kachní potok 1-14-05-0240-0-00 0.343 0.209 484.4 316.7 92.3

Vybrané parametry zájmových povodí (Subpovodí Ploučnice) Robečský potok Bobří potok Plocha povodí (km 2 ) 136.8 126.7 Délka údolnice (m) 23184 27321 Průměrná nadmořská výška (m n. m.) 303 376 Průměrný sklon povodí 0.07336 0.10109 Tvar povodí 0.24 0.17 Průměrná srážka (mm) 80.2 80.5 Počáteční ztráta I_LOSS (mm) 24.7 17.3 Průměrná hodnota CN 67.3 74.6 Doba koncentrace (h) 8.97 7.14 Lesnatost (%) 52 28

Povrchový odtok z polí, povodí Kamenice 6/2009 Černá brána, ústí Jetřichovického potoka do Křinice (4/2013)

Ploučnice pod Č. Lípou Stružnice, 2010 Kamenice u Jánské, 2010

Bílý potok u Jánské, 2009 Kamenice v Hřensku, 2010

Měření ADCP na Chřibské Kamenici v profilu Všemily Kamenice v Srbské Kamenici

Epizoda 7/2009 Průběh hladin ve stanicích ČHMÚ na Kamenici 24h odhady srážek z meteorologického radaru od 4.7.2009 8:00 do 5.7.2009 8:00 hod. (adjustovaný radar, kombinace radar-srážkoměr)

Epizoda 6/2010 Průběh vodních stavů na stanicích ČHMÚ na Kamenici Adjustovaný radarový odhad plošné srážky (od 17:00 do 20:00)

Epizoda 8/2010 Výstup modelu AquaLog, tok Ploučnice, profil Česká Lípa Hodinové úhrny srážek ze dne 7. a 8. 8. 2010

Výběr z výsledků Jetřichovický p.

Výběr z výsledků Červený p.

Výběr z výsledků - Kamenice

Výběr z výsledků - Ploučnice

Případové studie Hustopeče, Milotice

GRASS GIS Hydrologické moduly: http://grass.osgeo.org/ http://grass.itc.it/intro/modelintegration.html 1. r.runoff generuje mapy odtoku z map srážek a CN křivek 2. r.watersed generuje subpovodí z DEM 3. r.topmodel fyzik. distribuovaný hydrol. model 4. r.hydro.casc2d 5. r.runoff 6. r.terraflow 7. r.kineros 8. r.stage3 (NEXRAD) 9. r.water.fea 10. r.sim.water

GRASS GIS Podpora velkého množství datových formátů pro rastr i vektor Napojení na NVIZ & ParaView

GRASS GIS Pokročilé moduly pro morfometrické a hydrologické analýzy, schematizaci povodí, RUSLE. Např.: r.terraflow, r.flow, r.watershed, f.slope.aspect

SAGA GIS Výkonný GIS s přímou podporou environmentálního modelování Primárně pro OS UNIX/Linux, v současnosti i stabilní verze pro OS Windows Podpora formátu grib (např. EUMETSAT, nebo výstupy NWFS ALADIN) Implementace modelů TOPMODEL nebo IHACRES

http://www.saga-gis.org/en/index.html SAGA GIS

SAGA GIS

Testy v extrémním reliéfu Modely SIMWE a TOPMODEL jsou implementace hydrologických modelů v GRASS GIS. Výpočet je ve srovnání s ostatními prostředky GIS a numerických modelů enormně rychlý a platformně nezávislý OS Windows, UNIX/Linux.

Výsledky GIS analýz SAGA GIS, GRASS GIS

SAGA GIS / TOPMODEL

TOPMODEL GLUE - citlivostní analýza a odhad parametrů modelu metodou Monte Carlo.

Charakteristika TOPMODEL Charakteristika modelu Výrobce webové stránky Platforma OS Ovládání Distributivnost Napojení na GIS Import/správa časových řad Editace schematizace Kalibrace Možnost schematizace VH nádrží Radarové odhady srážek Metody hydrologické transformace Popis Keith Beven / Lancaster University http://www.es.lancs.ac.uk/hfdg/freeware/hfdg_freeware_top.htm OS Windows 98, ME, 2000, XP, Vista, UNIX/Linux, MacOS grafické uživatelské rozhraní a skripty GRASS semidistribuovaný/distribuovaný model GRASS, SAGA GIS úprava ASCII souborů grafická / tabelární poloautomatická, GLUE nepodporována rastr recesní metoda poklesu infiltrace v závislosti na topografii terénu a průběhu simulace Metody hydraulické transformace kinematická vlnová aproximace Licence Dokumentace freeware uživatelské a technické manuály, FAQ, případové studie

GRASS GIS / SIMWE

nová verze modulů r.sim.water a r.sim.sediment GRASS GIS víceměřítková simulace implementace 2D difuzní vlnové GRASS GIS / SIMWE

GRASS GIS / SIMWE

Charakteristika SIMWE Charakteristika modelu Popis Výrobce webové stránky Platforma OS MEAS/ITC http://grass.itc.it UNIX / Linux / Windows / MacOS Ovládání grafické uživatelské rozhraní GRASS / skriptování Distributivnost distribuovaný model Napojení na GIS GRASS od verze 6.2.2 Import/správa časových řad ASCII, GRASS rastr / map calculator Editace schematizace editace rastru v GRASS Kalibrace Poloautomatická Možnost schematizace VH nádrží Nepodporováno Radarové odhady srážek Rastr Metody hydrologické transformace Green-Ampt Metody hydraulické transformace difúzní vlnová aproximace 1D & 2D Licence Dokumentace freeware uživatelské a technické manuály, GRASS help, případové studie

HYDROG Původní OS platforma: MS DOS 5.0 / MS Windows 3.1 a vyšší Poslední verze: 9.1. (OS Windows 9x / 2000 / XP / Vista / 7 - x32) Autor: Prof. Miloš Starý / Hysoft Brno http://www.hysoft.cz/?id=2

HYDROG Program je primárně určen pro operativní hydrologickou prognózu a řízení VH soustav. Výhody: kalibrační koeficienty, automatická kalibrace řízení VH soustav rychlý výpočet Nevýhody: absence API neexistuje přímé napojení na GIS obtížná schematizace povodí v GUI programu

Charakteristika HYDROG Charakteristika modelu Výrobce webové stránky Platforma OS Ovládání Distributivnost Napojení na GIS Import/správa časových řad Editace schematizace Kalibrace Možnost schematizace VH nádrží Radarové odhady srážek Popis HySoft http://www.hysoft.cz/?id=2 OS Windows 98 7/8 x86, MS-DOS grafické uživatelské rozhraní celistvý/semidistribuovaný model nepodporováno vnitřní editor tabelární poloautomatická, automatická, kalibrační koeficienty optimalizace řízení odtoku, fuzzy regulátory k centroidům subpovodí Metody hydrologické transformace Horton, metoda lineární nádrže Metody hydraulické transformace kinematická vlnová aproximace 1D & 2D Licence Dokumentace komerční software uživatelské a technické manuály, FAQ, případové studie

SWAT Hydrologický a dynamický erozní model pro ArcView GIS a ArcGIS. Výhody: freeware práce v GIS projektu komplexnost modelu kvalitní dokumentace Nevýhody: absence API absence dávkového spouštění komplikovaná editace databází komplikovaná správa hydrometeorologických dat

SWAT http://swatmodel.tamu.edu/software/swat-model

WMS Rozhraní (GUI) a preprocesor pro s-o a hydraulické modely Podpora HEC (HEC-1, HEC-RAS) Dále modely GSSHA, HSPF, TR-55 ad. Podpora ESRI shapefile Podpora GIS funkcionalit http://www.aquaveo.com/wms

EPA SWMM Validovaný a rozšířený model urbánní hydrologie Otevřený zdrojový kód Poměrně komfortní uživatelské rozhraní Kvantita i kvalita vody Součástí projektů EPA BASINS nebo MIKE URBAN http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/wq/models/swmm/index.htm#applications

HEC-RAS 1D hydrodynamický model Nástupce modelu HEC-2 GUI

HEC-RAS Výhody: freeware nenáročný na systémové prostředky možnost kombinace s HEC-HMS (okrajové podmínky atd.) napojení na GIS pre- a postprocesing v HEC- GeoRAS pro ArcView GIS a ArcGIS pokročilé GUI řešení transportu sedimentů a stability koryt vodních toků Nevýhody: absence API absence dávkového spouštění

HEC-RAS

MIKE 11 1D hydrodynamický model Výhody: nenáročný na systémové prostředky kombinace s ostatními modely DHI (MIKE SHE, MIKE 21c) GIS pre- a postprocesing v MIKE 11 GIS pokročilé GUI řešení transportu sedimentů, kvality vod a stability koryt vodních toků Nevýhody: www.dhisoftware.com, www.dhi.cz/czech/ absence API cena

MIKE 11 GIS

Výsledky hydrodynamických modelů MIKE 11 a HEC-RAS Případ rekonstrukce rozlivu 24. června 2009 se zaměřením na soutok Vojtovického potoka se strouhou

MIKE 21c

MIKE FLOOD

DHI ECO Lab http://www.mikebydhi.com/products/ecolab.aspx

HEC-EFM Freeware alternativa DHI ECO Lab Napojení na HEC-RAS Nový produkt rodiny SW USACE/HEC http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-efm/index.html