prezentace diplomové práce

Využití radarových dat hydrologických modelech

Prezentace diplomové práce

Zpracovatel:

Vedoucí :

Martin JONOVMgr. Jan UNUCKA

Prezentace diplomových prací VŠB-TUO | Institut Geoinformatiky | Ostrava, květen 2005

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

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


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


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


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


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

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


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


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


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.


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


Schematizace povodí Bělé II:


Bělá 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

Schematizace povodí Bělé III:


Bělá 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

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


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


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

Testovací provoz několika simulací HEC-HMS

₪ Průtoky vypočtené na základě radarových dat a srážkoměrných dat – krátký časový úsek


Hydrogram – radarová data

Hydrogram – srážkoměrná data

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 Brnoztráty na povodí infiltrací metodou Green & Ampt

Schematizace diferencovaných úseků koryt pro změny drsností, sklonů, odtoků aj.


Povodí Bečvy

Systém HYDROG - princip výpočtu


provoz několika simulací - ČHMÚ


Hydrogram průtoku - srážkoměrná data

Hydrogram průtoku - radarová data

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


Korelace Becva

y = 0.9252x + 0.0113

R2 = 0.8842

y = 0.9252x + 0.0113

R2 = 0.8842

0

0.2

0.4

0.6

0.8

1

1.2

1.4

0 0.2 0.4 0.6 0.8 1 1.2 1.4 1.6

Horni Becva srazkomer

Ho

rni

Bec

va r

adar

Korelace predikovaných Q pro povodí Bečvy v závislosti na vstupních datech (srážkách)

y = 1.1762x + 0.2614

R 2 = 0.9981

5.29

5.3

5.31

5.32

5.33

5.34

5.35

5.36

5.37

5.38

4.28 4.29 4.3 4.31 4.32 4.33 4.34 4.35 4.36

Bečva srážkoměrné stanice

Beč

va k

alib

rova

ný

rad

ar

P: R2=(0.57-0.88)

Q: R2=0.99

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


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)


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.


http://www.chmi.cz/meteo/rad/







http://www.hec.usace.army.mil/










Děkuji za pozornost

Martin JONOV

[email protected]

prezentace diplomové práce

Documents