FLOods REcognition On the Net g

FLOods REcognition
g
On the Net
pro modelování, simulaci a predikci
povodňových situací
a jjejich
j
zprostředkování
p
všem uživatelům
ve srozumitelné grafické podobě
Financováno z rozpočtu MS kraje
Ob h
Obsah
y Úvod
y Architektura systému
y GIS a zpracování vstupních dat
hd
y Hydrologické modely, ukázky
y Vizualizace
y Závěr (video ukázky)
(
y)
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Řešitelský tým
ý ý
y Hlavní koordinátor y
y
y
y
I. Vondrák
Sekce matematického modelování
Z. Dostál, V. Vondrák, T. Kozubek, P. Kubíček
Externisté: ZČU M. Brandner, J. Egermaier, H. Kopincová
Externisté: ZČU ‐
M Brandner J Egermaier H Kopincová
Sekce informatická (architektura webové rozhraní, databáze, vizualizace)
D. Ježek., D. Fedorčák, P. Gajdoš, J. Kožusznik, J. Martinovič, P. Moravec, L. k d
k G d k Návrat, S. Štolfa, J. Platoš, T. Kocyán
Sekce geoinformatická a hydrologická
P. Rapant, J. Unucka , D. Vojtek, L. Hrubá
Externisté: ČHMÚ, Ústav informatiky AVČR‐Medard, Povodí Odry, Povodí Labe
Ú d
Úvod
y FLOREON
y Systém pro zprostředkování povodňových informací laickým i profesionálním uživatelům
y Předávání aktuálních informací y Ve srozumitelné grafické podobě pomocí 2D a 3D V it l é fi ké d bě í D D náhledů na PC, PDA, mobilech
y Doplňkové textové informace pro profesionály
y Dynamická konfigurace
y Otevřená modulární architektura
Ot ř á d lá í hit kt
y Možnost využití výsledků různých modelů
y Výměna jednotlivých modulů
Vý ě j d li ý h d lů
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Architektura systému
y
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Scénář – koordinace výpočtů
Výsledkem
ý
jjsou:
Simulovaná záplavová jezera a
výšky hladin a průtoky ve
specifikovaných místech.
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Scénář zobrazení povodňových informací koncovému uživateli
informací koncovému uživateli
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Použité technologie
g
y Analýza systému byla provedena s využitím:
y Jazyka UML pro specifikaci, analýzu a návrh systému
J k UML ifik i lý á h té
y
Nástroj IBM Rational Software Architect
y Vý
Vývoj systému je založen na technologiích:
j té j l ž t h l ií h
y Visual Studion 2005
y MS SQL Server
MS SQL S
y Oracle
y Webové služby
W b é l žb
y Vlastní profilovací nástroje pro sledování běhu aplikace
lik
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Úloha GIS
Digitální model terénu
Reálná krajina povodí
Půdní druhy
a typy
Družicové snímky
Úloha GIS
Podélnýý p
profil
Reálné koryto řeky
Příčný profil
Schematizace povodí s využitím GIS
Hodnoty čísel CN křivek
Modely pro předpověď počasí
ALADIN MEDARD
ALADIN,
Měření srážek radarem
Měření srážek radarem
Hydrologické modely
Srážko‐odtokový model
Schematizace povodí
Počátteční okraajové
podm
mínky
Výpočet hydrogramů na ýpoče yd og a ů a
závěrových profilech
Výpočet hydrogramů po celé delce koryta
Výpočet inundace
1D – Saint Venantův model
2D – Saint Venantův model
Schéma srážkoodtokového procesu
kondenzace
srážky
evapotranspirace
povrchový
po
c o ý odtok
odto
infiltrace
dotace kolektoru
H S = H O + H ET ± ΔW ± R
odtok v korytech
1.
2.
hydrologická transformace
hydraulická transformace
Parametry hydrologických a hydrogeologických modelů
mezní vrstva atmosféry a aktivní povrch: teplota,
teplota vlhkost,
vlhkost
srážky (úhrn/typ), tlak, rychlost a směr větru, evaporace
vegetace: LAI (Leaf Area Index), typ (HRU), land cover,
land use, transpirace
povrch: geomorfologie (sklon, expozice atd.), drsnost,
parametry povodí
nenasycená zóna: hloubka a typ půdního profilu,
profilu
granulometrie, poréznost, hydraulická vodivost, CN křivka,
stupeň/deficit nasycení, kapilární sání, polní kapacita (FC)
nasycená zóna: mocnost kolektoru Z a
její průběh v X,Y, poréznost horninového
prostředí koeficient filtrace,
prostředí,
filtrace transmisivity,
transmisivity
storativity, průběh a typ hladiny podzemní
vody (volná/napjatá), hydraulický gradient
koryta
k
t ttoků:
ků příčný
říč ý (průřez
( ůř mezii bř
břehy)
h ) a podélný
dél ý profil
fil ((průběh
ůběh
dna, břehových linií a hladin od pramene po ústí), drsnost,
soutoky, bifurkace, inundace, VH objekty (jezy, stupně apod.)
vodní p
plochy
y (jezera,
(j
, vodní nádrže):
) g
geometrie,, hladiny,
y,
transformační funkce, VH přehrady pak manipulace, parametry
výpustí a přepadů
Hydrologické modely
Hydrologické modely
1.
2.
3.
4.
5
5.
6.
DHI/MIKE (Danish Hydraulics Institute) S: Win
HEC-HMS
HEC
HMS (U.S. Army Corps Of Engineers) S: Win/Solaris
HEC-RAS (U.S. Army Corps Of Engineers) S: Win
Floodworks (Wallingford Software) S: Win
Waterware (ESS)
S: UNIX/Linux/FreeBSD
SAC-SMA Sacramento Soil Moisture Accounting Model
(Riverside Technology Inc.,/NWS) S: Win
7 GRASS modules
7.
d l (r.topmodel,
( t
d l r.hydro.CASC2D,
h d CASC2D r.runoff,
ff
r.watershed, r.fill.dir, r.topidx, SIMWE) S: Linux/FreeBSD/Win
(Cygwin)
8. Topmodel (Beven, implementace v GRASS GIS)
9. WMS (Environmental Modeling Systems)
Česká republika:
• AquaLog – ČHMÚ povodí Vltavy a Labe
• Hydrog – ČHMÚ pro povodí Odry a Moravy, Povodí Odry,
Povodí Labe, Povodí Ohře
• MIKE – podniky povodí (hydraulika), ČHMÚ Brno (Morava)
Základní komponenty hydrologických modelů
1. Modul transformace srážkových impulsů na povodí
Precipitation transformation and infiltration module
(G
(Green
& Ampt,
A t Soil
S il Conservation
C
ti Service,
S i
M d Clark,
Mod
Cl k UH)
2. Modul transformace (pohybu) vody v korytech toků
Channel routing module (Saint Venant, Muskingum Cunge, KW)
3. Model transformace odtoku nádrží a bilance nádrží
Reseirvoir (dam) module (Storage-Elevation)
4. Model tání sněhu a odtoku tavných vod
Snowmelt module (Anderson, Ven Te Chow, Rutger Dankers)
Povodí Olše, událost 1.9.‐15.9.2007
SCS metoda
y Vhodná, pokud máme nedostatek dat, stačí pouze
y plošná znalost čísel CN odtokových křivek
y nasycenost povodí pro případnou korekci CN
y specifický odtok y digitální mapa terénu y Výpočet přímého odtoku se provádí pomocí konvolučního
ýp
p
p
p
integrálu z jednotkového hydrogramu a efektivní intenzity srážek, y Odtok podzemních vod se běžně počítá recesní metodou (v naší Od k d
í h d běž ě čí á í d ( ší verzi zatím zjednodušeně opět pomocí konvolučního integrálu) y Jednoduché vztahy, jednoduchá implementace Jednoduché vztahy jednoduchá implementace Závislost průběhu hydrogramu na Zá
i l t ůběh h d
srá kovém úhrnu
srážkovém úhrnu
Matematický popis pomocí M
i ký
i
í
Saint‐Venantových
Saint
Venantových rovnic v 1
rovnic v 1‐D
D
∂h ∂ ( hv )
+
=0
∂t
∂x
∂ ( hv ) ∂ ( hv 2 + 12 gh 2 )
∂ 2v
∂B
+
= γ h 2 − gh
∂t
∂x
∂x
∂x
y h=h(x,t) … hloubka vody
y v=v(x,t) … rychlost
v=v(x t) rychlost proudění
y B=B(x) … tvar dna
y γ=γ(x) … drsnost dna
y g=9,81 ... gravitační zrychlení
Výška hladiny
Průtok
Vtok (0m)
Výtok (1000m)
Výpočet rozlivu
ýp
vody z koryta řeky
y
y
y
Rozliv v příčném profilu koryta
Zátopové jezero
h(t)
h(t0)
Vý č t li ů
Výpočet rozlivů
Modelování proudění ve 2‐D
p
Popis úlohy rozlivu na segmentu řeky
Hledáme časově proměnné pole rychlostí v(x,y;t) a výšky hladiny h(x,y;t).
vrstevnice terénu
zadaná
p
vstupní
rychlost
a výška
vypočtené rychlosti podél volné hranice, h=0
vrstevnice dna
vypočtené rychlosti podél volné hranice, h=0
zadaná
výstupní
rychlost
a výška
Saint‐Venantovy rovnice ve 2‐D
y
Hledáme časově proměnné pole rychlostí v(x,y;t) a výšky hladiny h(x,y;t)
∂h
1
+ ∇ ⋅ (h ⋅ v) = ⋅ q
∂t
ρ
v celé oblasti
∂v
− ν ⋅ ∇ 2 v + ( v ⋅ ∇) v + g ⋅ ∇h = − g ⋅ ∇hdno v celé oblasti
∂t
v = v in / out
na vstup.-výstup.
t
ý t
hranici
h i i
h = hin / out
na vstup.-výstup. hranici
h=0
na volné hranici
v ... viskozita, g ... gravitační konstanta, ρ ... hustota vody, q ... srážkové zdroje.
zdroje
Hranice výpočetní oblasti se v každém časovém kroce mění podle vypočtených rychlostí na volné hranici.
Modelový příklad
ýp
Modelový příklad
ýp
Vizualizace
y 2D 2D rastrové náhledy
rastrové náhledy, SVG
, SVG
y 3D vizualizér
y 3D s
3D stereo
tereo projekce pomocí brýlí
pomocí brýlí
2D obrazová vrstva
Zpracování
p
požadavků
p
uživatele
Záplavové jezero
Budovy
Komunikace
Řeky, vodní plochy
Porosty
Fotomapa
Webová aplikace
2D obrazová vrstva (úroveň detailů)
Nejmenší podrobnost
Filtrace na základě
GIS dat (s-typy)
Filtrace na základě
Vlastností objektů
(šířka)
3D náhled scény
Datové struktury
y Kvadrantové & binární stromy
y ROAM
y Real
Real--time Optimally
Adapting Meshes
Meshes
y SOAR
y Stateless One-pass
Adaptive Refinement
Stereo projekce
y Aktivní projekce
y Pasivní projekce
16 procesorový cluster
Paralelní řešení
Neurčitosti ve vstupních datech
Další práce
y Napojení vyvinutých modelů na reálná data s p j
y
ý
možností autokalibrace
y Vytvoření modelů tání sněhu a vodních nádrží
y Nasazení 2D modelu na reálný terén
y Další zpřesňování a zrychlování modelů
y Vytvoření modelů šíření znečištění y Nasazení modelů na výpočetní cluster s 16 procesory
N
í d lů ý č t í l t 6 y Možnost řešit více scénářů za stejný čas
y Stochastické modely
h
k
d l