Využití radarových dat hydrologických modelech Prezentace diplomové práce Využití radarových dat hydrologických modelech Zpracovatel: Vedoucí : Martin JONOV Mgr. Jan UNUCKA Prezentace diplomových prací VŠB-TUO | Institut Geoinformatiky | Ostrava, květen 2005

Zhodnocení použitelnosti radarových měření srážek Cíle práce Zodpovězení otázky využití radarových odhadů srážek v hydrologickém modelování K zodpovězení by měly být využity výsledky, dosažené při simulačních epizodách S-O činnosti Zhodnocení použitelnosti radarových měření srážek Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 1

Pochopení S-O procesů a jejich modelování v mat. modelech Harmonogram prací Pochopení S-O procesů a jejich modelování v mat. modelech Problematika radiolokačních zařízení srážkových objektů Tvorba schematizovaného modelového povodí Tvorba hydrologického modelu Testovací provoz vlastních simulací Zhodnocení výsledků a použitelnosti metodiky Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 2

Problematika modelování S-O vztahů Modelování S-O vztahů se snaží vyjádřit časové a prostorové závislosti určitých veličin, charakterizující hydrologický režim modelovaného objektu K vyjádření modelovaných závislostí se v praxi pro prognózní a návrhové účely, používají matematické S-O modely Matematický model představuje algoritmus řešení soustavy algebraických a diferenciálních rovnic, kterými je popsána struktura a chování modelovaného objektu Nejrozšířenější matematické modely jsou založeny na principech deterministických a nejčastěji používané jsou konceptuální modely. Přesnost >> kvalita vstupních dat Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 3

Problematika modelování S-O vztahů II. Konceptuální model je založen na vzájemném propojení jednotlivých komponent: Modul transformace srážkových impulsů na povodí • povrchové procesy (povrchová retence, evapotranspirace, intercepce ) • podpovrchové procesy (infiltrace, půdní odtok) Modul transformace (pohybu) vody v korytech toků • korytové procesy (soustředěný odtok, transformace odtoku ) Matematická řešení: Povrchové odtoky: jednotkový hydrogram, Mod Clark Korytové odtoky: Kinematická vlnové aproximace, Saint Venant, Muskingum Cunge Infiltrace: Green-Ampt a metoda CN křivek USSCS Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 4

Meteorologické radiolokátory Meteorologické radary: detekce srážkové oblačnosti intenzita srážkové činnosti získání 3D informace o rozložení cílů v atmosféře na našem území : Brdy-Prahy a Skalky Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 5

Meteorologické radiolokátory II. princip radaru: získání odražené energie od objektů v atmosféře Radiolokační odrazivost Z lze určit pomocí radarové rovnice Přepočet odrazivosti Z na intenzity srážek I : Rozpoznávaní typických tvarů objektů : meteo cíle: konvektivní / vrstevnatý charakter nemeteo cíle: rušivé a pozemní cíle Z [dBZ] 7 23 39 55 I [mm/h] 0.1 1 10 100 Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 6

Uskutečňuje se ve srážkoměrných stanicích Klasická měření Uskutečňuje se ve srážkoměrných stanicích Síť srážkoměrných stanic ČHMÚ (hustota 1 stanice /80 km2 ) Výhoda srážkoměrů: poměrně značná přesnost v lokalitě měření Nevýhoda srážkoměrů: problém reprezentativnosti pro okolí, malá operativnost Stanice jsou připojeny k tel. síti Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 7

Multisenzorová analýza Radarová data jsou zatížena spoustou chyb bez korekcí by data byla pro hydrologické modely těžko použitelná >> M.a. metody korekcí dat : výpočet adjustačních koeficientů – odstranění systematické chyby kombinovaná analýza – vstup adjustov. radarových a dat ze srážkoměrných stanic Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 8

Multisenzorová analýza II. Kombinované odhady dávají poměrně přesné operativní odhady srážek a jsou tedy využitelné v hydrologických modelech s typem srážek a rozložení povodí se mění míra užitečnosti vlivu radarových odhadů systém do značné míry kontroluje měření srážkoměrných stanic Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 9

Data a program. prostředky Data srážkové činnosti a průtoků v závěrných profilech Dluhonice a Mikulovice DMT povodí (25m) Gridová vrstva CN (100m) Všechna data poskytl ČHMÚ Programové prostředky: ArcView 3.2 GIS a extenze HEC-GeoHMS a Add-In HEC-HMS 2.2.2. Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 10

Schematizace povodí Bělé Pro účely práce bylo použito jako modelové povodí – povodí Bělé povodí Bělé je situováno v nejsevernější části Olomouckého kraje Bělá pramení na severních svazích pohoří Jeseníků a po 28,4 km dosahuje státní hranice a opouští území České republiky na povodí se nacházejí pouze 3 srážkoměrné stanice Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 11

Schematizace povodí Bělé II: Produkt ArcView GIS 3.2 s extenzí HEC-GeoHMS předzpracování hydrologického modelu: vycházíme z DMT > procedury vedoucí k tvorbě říční sítě a říč. úseků určení závěrového profilu řešeného povodí určení finální podoby členění povodí a říční sítě – zjednodušení výpočet fyzicko-geografických charakteristik povodí sestavení a export hydrologického modelu povodí pro HEC-HMS Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 12

Schematizace povodí Bělé III: Produkt ArcView GIS 3.2 s extenzí HEC-GeoHMS Add-In Výpočet metod ztráty srážky na povodí Doplnění holého modelu o další parametry výpočet CN – parametr kterým se budou řídit výpočty pro odtokové ztráty ve S-O modelu (0-100) počáteční ztráta na odtoku doby koncentrace - čas, který je zapotřebí, aby voda z nevzdálenějšího místa povodí modelu dorazila do závěrného profilu povodí CN proto, že zohledňuje hydrologické vlastnosti půd počáteční stav nasycenosti půdy způsob užívání půdy ovlivnění infiltrace Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 13

Modelování v systému HEC-HMS Systém k modelování simulací S-O vztahů © Hydrologic Engineering Centre US Army / 2001 Basin model – import povodí, úprava všech import. charakteristik Meteorologic model – vstup dat do systému (přiřazení srážkoměrných stanic/radarových odhadů jednotlivým subpovodím) Control specifications – určení časového rozpětí pro který bude systém počítat Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 14

Schéma modelování a kalibrace HEC-HMS Optimalizační a kalibrační nástroje v HEC-HMS umožňují doladit výpočty průtoků parametry výrazně ovlivňující průtok na povodí jako: počáteční ztráta ze srážky a stanovení parametrů základního odtoku Závisí na efektivní srážce Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 15

Testovací provoz několika simulací HEC-HMS Průtoky vypočtené na základě radarových dat a srážkoměrných dat – dlouhý časový úsek - hydrogramy ukazující závislosti probíhající na daném území v určeném čase Hydrogram – radarová data Hydrogram – srážkoměrná data Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 16

Testovací provoz několika simulací HEC-HMS Průtoky vypočtené na základě radarových dat a srážkoměrných dat – krátký časový úsek Hydrogram – srážkoměrná data Hydrogram – radarová data Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 17

Platforma: MS DOS 5.0 / MS Windows 3.1 a vyšší Systém HYDROG - ČHMÚ Platforma: MS DOS 5.0 / MS Windows 3.1 a vyšší Poslední verze: 8.6.1. (MS Windows 9x / NT) Autor: Doc. Miloš Starý / Hysoft Brno ztráty na povodí infiltrací metodou Green & Ampt Schematizace diferencovaných úseků koryt pro změny drsností, sklonů, odtoků aj. Povodí Bečvy Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 18

Systém HYDROG - princip výpočtu Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 19

provoz několika simulací - ČHMÚ Hydrogram průtoku - srážkoměrná data Hydrogram průtoku - radarová data Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 20

HEC-HMS-lepší jsou krátké časové Zhodnocení simulací HEC-HMS-lepší jsou krátké časové Statistické srovnání vstupních dat a predikovaných průtoků za výpočetní časový interval Koeficient determinace – míra těsnosti, závislosti HYDROG-umožňuje lepší nastavení charakteristik >> simulace odpovídají více skutečnému stavu >> lepší predikce průtoku Q: R2=0.99 P: R2=(0.57-0.88) Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 21

Zhodnocení využití Srážko-odtokový systém je především závislý na srážkových dotacích a nastavených parametrech charakteristik povodí využívání radarových odhadů srážek je i v operativní praxi na ČHMÚ zatím „v plenkách“ (pouze testovací provoz na pobočkách Brno a Ostrava) ačkoli simulace s využitím radarových odhadů nebyly natolik přesné, prokázaly potenciál pro použití v každodenní praxi simulací srážkoodtokových modelů jsou zatíženy tolika faktory, že ani u jedné z metod nemůžeme očekávat stoprocentně přesné výsledky zohlednit faktory chyb měřících zařízení a dále také předpovědi T a srážek, které jsou intervalového charakteru. i na detailně schematizovaném povodí osazeném hustou měřící síti můžeme mluvit pouze o pravděpodobnostních rozmezích predikovaných průtoků Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 22

Zhodnocení využití II Na základě zhodnocení modelovaných simulací můžeme usoudit, že operativní využití radarových distančních měření v hydrologické praxi (pro předpovědní povodňovou službu) je stejně dobře použitelné, jako využití stávajících stacionárních měření Obecně lze říci, že radarová měření nemohou konkurovat srážkoměrným stanicím ale i naopak. Je dobré, aby oba druhy se vzájemně doplňovaly a simulace, ale hlavně predikce takto vzniklé budou pro operativu kvalitnějšími podklady U nás používání radarových dat v praxi ještě není běžnou součástí (příčinou je vlastní charakter odhadů - nepřímé měření, složité zpracování dat a komplikované charakteristiky chyb radarových odhadů) Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 23

Použitá literatura [1] Beven, K. J.: Rainfall-runoff modelling. J. Wiley & Sons, 2001, 360 stran. ISBN 0-470-86671-3 [2] Briš R.: Speciální metody analýzy dat, Učební materiál, HGF VŠB-TU,Ostrava, 2003. [3] Cyhelský L., Kahounová J., Hindls R.: Elementární statistická analýza. Management Press, Praha 1996, 302 stran. ISBN 80-85943-18-2 [4] Havránek P.: Radiolokátor jako zdroj meteorologických dat. Školící seminář ČHMU, Radostovice, 2003. [5] Hrádek F. , Kuřík.: Hydrologie. Skriptum ČZU Praha, 2002, 280 stran. ISBN 80-213-0950-4 [6] Kráčmar J.: Meteorologické radiolokátory. Interní materiál ČHMÚ, 2004. dostupné na http://www.chmi.cz/meteo/rad/ [7] HEC-DSSVue User´s Manual. [PDF], 2002. Dostupné na http://www.hec.usace.army.mil/ [8] HEC-HMS 2.2.2 Documentation. [PDF]. 2002. Dostupné na http://www.hec.usace.army.mil/ [9] Novák R.: Radarová meteorologie. Interní materiál ČHMÚ, 2004. [10] Roub R.: Matematické modely. Interní materiál ČHMÚ, 2003 [11] Starý M.: Hydrog 8.6.1. Manuál programu,Hysoft Brno1995. [12] Šálek M., Březková L., Unucka J.: Použití kombinované analýzy srážek z meteorologických radiolokátorů a pozemních srážkoměrných měření v hydrologických modelech. Interní materiál ČHMÚ, 2004. [13] Štorcl P.: Odvození fyzicko-geografických charakteristik povodí v GIS. Interní materiál ČHMÚ, 2004. [14] Unucka J.: Hydrologické modely a srážko-odtokový model Hydrog. Interní materiál ČHMÚ, 2004. Radarové odhady srážek v hydrologických modelech 24

Děkuji za pozornost Martin JONOV martin.jonov.hgf@vsb.cz