Srážko-odtokové modely Kateřina Růžičková

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

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

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

Výzkumná činnost Zpřesňování popisu procesu Výzkum jednotlivých komponent procesu Experimentální povodí

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

Klasifikace dle typu systému 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

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)

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

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

Srážko-odtokový proces

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

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

Odtok z povodí

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

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

= Interflow Často nejdůležitější komponenta koncentrace odtoku Vzniká prouděním v mikro- a makropórech 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) 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).

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

Základní odtok Povrchový odtok + rychlá 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

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)

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)

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

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

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

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

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 Na ČHMÚ Brno a Ostrava

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.

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

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

MIKE-SHE DHI (D ánsko) 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)

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)

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.)

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

Unucka, Židek, doktorandi GI, 2009

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