Modelování hydrologických procesů I

Transkript

1. Úvod - modelování přírodních procesů
Úvodní přednáška
1
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Organizace přednášky
Přírodní ohrožení a rizika
Modelování přír. procesů
Dělení s-o modelů
Možnosti použití
Náplň přednášky
1. Přírodní ohrožení a rizika, modelování přírodních procesů, statistický vs. deterministický
přístup, model a modelový systém, dělení hydrologických modelů, možnosti použití
2. Hydrologický model - obecná struktura s-o modelu, schematizace povodí, koncept lineární
nádrže, prostorová schematizace, přehled nejčastěji používaných modelů
3. Data - zdroje dat (stavové veličiny, časové řady, DMT), analýza (kontrola časových řad,
doplnění chybějících hodnot), interpretace, zdroje chyb, role GIS při zpracování dat
4. Srážky, intercepce, evapotranspirace - vznik srážek a měření srážek, sněhové modely,
odhady intercepce, metody výpočtu potenciální a aktuální evapotranspirace
5. Povrchový odtok - efektivní srážky, teorie jednotkového hydrogramu a jeho varianty, model
kinematické vlny
6. Proudění v nenasycené a nasycené zóně půdního profilu - kapilární model, retenční čára,
potenciál půdní vody, měření půdní vlhkosti, infiltrace, metody SCS CN, Green-Ampt, SMA,
stanovení základního odtoku
2
Možnosti použití
Náplň přednášky
7. Proudění v korytě - odpor proudění, pohybové rovnice, hydrologický a hydraulický routing,
vliv drsnosti koryta a údolní nivy, metody Muskingum a Muskingum-Cunge
8. Kalibrace a verifikace - nejistota v hydrologii, metody kalibrace parametrů, objektivní
kritéria, počáteční a okrajové podmínky, citlivostní analýza
9. Využití hydrologických dat pro návrhové účely - kontrola časových řad, základní statistika,
korelační a regresní analýza, N-letost, geostatistika
10. GIS v hydrologických a hydrodynamických modelech - základní koncept, příklady použití
11. Příklady aplikace hydrologických a hydrodynamických modelů
Přednášky jsou ve formátu pdf ke stažení na http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/ sekci „výuka“
3
Možnosti použití
Podmínky zkoušky
•
•
vypracování a prezentace referátu na zadané téma – prezentace budou probíhat od 3.
přednášky (19.10.2010)
písemný test, případně ústní dozkoušení
Michal Jeníček
e-mail: [email protected], www:http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Horská 3 (vchod z Hlavovy, kancelář na severním konci chodby u kuchyňky),
tel: 221 951 372 (linka 1372)
konzultační hodiny: kdykoliv po předchozí domluvě
4
Možnosti použití
Referáty
Téma:
Prezentace výsledků vybrané odborné studie, ve které byl jako hlavní analytický nástroj použit
hydrologický model
Postup:
1. V databázích Web of Science nebo Science Direct vyhledání cizojazyčného odborného
článku, ve kterém byl jako hlavní analytický nástroj použit hydrologický model a byl
aplikován na konkrétním povodí (case study)
2. Poslat mi do mailu citaci článku (do 12. 10. 2010)
3. Představení daného projektu, popis metodiky, ukázka výsledků a závěrů studie
Nápověda:
Možná témata: vliv množství a rozložení srážek na odtok, modelování tání sněhu, vliv změny
landuse na odtok, modelování infiltrace, modelování podzemního odtoku, modelování inundací,
vliv protipovodňových opatření na odtok, dopady klimatické změny na odtok, porovnání
různých modelů a jejich přístupů
5
Možnosti použití
1.část
Modelování přírodních procesů
Možnosti použití
Obsah
• Obecně, přírodní ohrožení a rizika, postup při výzkumu
• Modelování přírodních procesů
• Matematický model, definice
• Dělení S-O modelů
• Možnosti použití
7
Možnosti použití
Zdroj: NASA Earth Observatory
(http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/)
8
Možnosti použití
Povodeň, Indus, Pakistan 11. 8. 2010
Zdroj: NASA Earth Observatory (http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/)
9
Možnosti použití
Vulkán, Eyjafjallajökull, Island, 7. 5. 2010
10
Možnosti použití
Řecko, 26. 8. 2007
(http://earthobservatory.nasa.
gov/NaturalHazards/)
Rusko, 2. 7. 2010
11
Možnosti použití
Tajfun Melor, Pacifik, Filipíny, 5. 10. 2009
12
Možnosti použití
Hurikán Gustav – 31 8. 2008
Zdroj: NASA Earth Observatory, 2008
(http://earthobservatory.nasa.gov/Natu
ralHazards/)
Hurikán Katrina – 28. 8. 2005
Zdroj: NASA Earth Observatory, 2008
13
Možnosti použití
Egypt, 25. 9. 2008
(http://earthobservatory.nasa.gov/Natural
Hazards/)
14
Možnosti použití
Tornádo na Chrudimsku dne 25.6.2008
15
Možnosti použití
Zdroj: Darthmouth Flood Observatory
(http://www.dartmouth.edu/~floods/)
16
Možnosti použití
Riziko (Risk) – pravděpodobnost vzniku škod
způsobených ohrožením
Riziko = f(Ohrožení, Expozice, Zranitelnost)
Ohrožení (Hazard)
Expozice (Exposure)
Zranitelnost (Vulnerability)
17
Možnosti použití
Přírodní ohrožení (Hazard)
• rychlé pohyby hmot (zemětřesení, svahové
pochody)
• uvolnění hlubinné zemské energie (sopečná
činnost, zemětřesení)
• zvýšení hladiny řek, jezer a moří (povodně,
Tsunami)
• vyrovnávání rozdílů (teplotních) v atmosféře
(orgány, tropické cyklóny)
18
Možnosti použití
Expozice (Exposure)
19
Možnosti použití
20
Možnosti použití
21
Možnosti použití
Obecné zásady a postup výzkumu
aplikovaný výzkum
základní výzkum
Metody:
• vlastní dílčí disciplíně, přejaté (z jiného oboru), nově vyvinuté
• často použití stávajících metod novým způsobem (např. s použitím nových technik, přístrojů)
Kde hledat informace?
• odborné knihy, články v časopisech (využití databází WoS, SCOPUS, Science Direct),
konference, workshopy
22
Možnosti použití
Geografické nástroje a metody hodnocení přírodních procesů
• Mapa
• Monitoring veličin
• monitoring srážko-odtokového režimu
• Terénní průzkum
• mapování upravenosti, geodetická měření, monitoring sněhu atd.
• Dálkový průzkum Země
• analýza obrazových dat (satelitních, leteckých) o území
• Nástroje GIS
• nástroj ke zpracování, analýze a vizualizaci prostorových a časových dat
• Statistická analýza
• analýza časových řad, hledání rozdílů, trendů, cyklů, struktur
• Matematické modelování
• založené na pozorovaných datech (modelling based on data) nebo na popisu procesů
probíhajících v daném systému (modelling based on process description)
23
Možnosti použití
Matematický model, modelový systém
„In mathematical expression represents model an algorithm of equation system solutions,
which describe a system structure and its behavior “.
Clarke, 1973
„Mathematical model is an abstract system interrelating in given time reference a sample of
input, cause or stimulus of matter, energy, or information, and a sample of output, effect,
or response information, energy, or matter“.
Fleming, 1975
Model je zjednodušením reality. Diskretizuje původně spojitý systém v prostoru a čase.
Deterministický model vs. procedura (metodika)
jednoznačně definovaný proces
(např. jednotkový hydrogram)
souhrn na sebe navazujících kroků
(modelů nebo dalších programů)
24
Možnosti použití
Modely přírodních procesů
zvyšující se zjednodušení
Vjemový model (perceptual model)
naše (individuální) představa o přírodních procesech
Koncepční model (conceptual model)
rozhodnutí, jaké rovnice použít
Procedurální model (procedural model)
vytvoření kódu (programu)
Kalibrace modelu (model calibration)
odvození parametrů modelu
Validace modelu (model validation)
ověření modelu – v praxi obtížné
25
Možnosti použití
Historie
První s-o model
Thomas James Mulvaney (Irsko) - 1851, tzv. racionální metoda (rational method)
Qk = CiA
A další...
•
C. N. Ross (1921) - Metoda izochron (funkce time-area) – prostorová distribuce
racionální metody v podstatě první distribuovaný model
•
Leroy Sherman (1932) - Unit Hydrograph UH (původně: Unitgraph)
•
Robert Horton (1933) – teorie vzniku povrchového odtoku
•
N. H. Crawford a R. K. Linsley (1966) – Stanford Watershed Model
•
Soil Conservation Service (1972) - metoda čísel odtokových křivek (CN),
26
Možnosti použití
Modely přírodních procesů
• Modely klimatu a klimatických systémů
• Půdní modely a modely svahového odtoku
• Modelování fluviálních procesů
• Modely eroze a transportu sedimentů
• Modely svahové stability
• Modelování ekologie rostlin
• Populační modely (fauna a flóra)
• Modely změny land use
• Modelování chování ekosystémů
• Biochemické modely
• Modely pro management (podpora rozhodování ve vodním hospodářství, lesním
hospodářství, ochrana půdního fondu, atd.)
27
Možnosti použití
Porozumění vs. rozhodování
Modely jsou nástrojem k pochopení
zákonitostí přírodních procesů.
Pomáhají při rozhodování (výstavba
přehrad, podpora krizového řízení, atd.)
Fyzikální vs. matematické modely
Popisují reálné procesy ve zmenšeném
měřítku (laboratorní pokusy)
Jsou zjednodušením reality popsané
matematickými rovnicemi.
Analytické vs. numerické
Sledují jednoznačné řešením známých
rovnic (funkcí) pomocí postupných úprav.
Řeší úlohy pro konkrétní číselné hodnoty.
Příkladem je regrese, aproximace, metoda
konečných prvků, interpolace, iterace
28
Možnosti použití
Dělení hydrologických modelů (Becker a Serban, 1990)
•
účel aplikace modelu
•
typ systému, který je simulován
•
zohlednění hydrologického procesu, který je modelován
•
princip příčiny a důsledku
•
míra časové a prostorové diskretizace
•
více o klasifikaci hydrologických modelů v materiálu stránkách přednášky na
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek
29
-
Možnosti použití
zohlednění hydr. procesu, který je modelován
1. modely používané v operativní hydrologii
2. modely aplikované pro návrhovou a projekční činnost v oblasti vodního hospodářství
3. modely využívané ve výzkumu
30
-
Možnosti použití
Číslo
Typ simulovaného systému
ID
1.
Elementární systém
1.1
Hydrotop (elementární jednotka s konstantními charakteristikami)
HU
1.2
Méně až středně velké odtokové plochy
SA
1.3
Zvodnělé vrstvy
AQ
1.4
Říční síť
RR
1.5
Nádrže a jezera
RL
2.
Komplexní systémy
2.1
Systém říčních sítí, nádrží a jezer
CS
2.2
Povodí nebo velké odtokové plochy
CB
Tab.: Typy hydrologických systémů (podle WMO in Daňhelka et al., 2003)
31
Možnosti použití
- účel aplikace modelu
- typ systému, který je simulován
- zohlednění hydr. procesu, který je
modelován
- princip příčiny a důsledku
- míra časové a prostorové diskretizace
Číslo
Hydrologické parametry a procesy
ID
1.
Vlhkost půdy, evapotranspirace
ES
2.
Podzemní voda, hladina, průtok
SG
3.
Průtok a vodní stav v korytě
3.1
- s časovým krokem <1 den
QF
3.2
- s časovým krokem >1 den
QM
4.
Teplota vody, ledové podmínky a další proměnné
TW
5.
Splaveniny a související parametry
QS
6.
Kvalita vody
WQ
Tab.: Hydrologické procesy a související proměnné použité při klasifikaci modelů (podle WMO in DAŇHELKA et al., 2003)
32
-
Deterministické modely
(D)
Hydrodynamické
modely (white-box)
(DL)
Koncepční modely
(grey-box)
(DC)
Distribuované modely
Modely s dělenými parametry
(I)
Model
s parametry
vztahující se
k polím gridu
(elementární
odtokové
plochy)
(IG)
Model
s parametry
vztahující se
k větším
odtokovým
plochám
homogenních
vlastností
(IS)
Možnosti použití
Black-box modely
(DB)
Celistvé (lumped) modely
Modely se soustředěnými
parametry
(L)
Statistická
distribuce
parametrů
v lumped
modelu
(LS)
Žádná distribuce
parametrů
(LO)
Obr.: Klasifikace deterministických modelů
(Zdroj: Becker a Serban, 1990)
33
-
Možnosti použití
Stochastické modely (Stochastic models)
SP (Stochastic Probabilistic)
Pravděpodobnostní modely. Jednotlivé
hydrologické parametry jsou
charakterizovány určitým
pravděpodobnostním rozdělením.
ST (Stochastic Time series generation)
Modely generování časových řad. Používají se
při extrapolaci časových řad pozorovaných
parametrů (např. ARMA modely Autoregressive Moving Average).
34
-
Časová diskretizace
12,0
Možnosti použití
Qskut
10,0
Qsim 1hod
Qsim 6hod
Q [m3.s-1]
8,0
6,0
4,0
• Modelování v různém časovém
2,0
kroku (15 min, hodina, den,
0,0
4.7.96
5.7.96
6.7.96
7.7.96
8.7.96
9.7.96
10.7.96
11.7.96
12.7.96
13.7.96
14.7.96
měsíc)
• Rozdílné nároky na vstupní data
Datum
Obr.: Hydrogram odtoku na Černé Vodě (záv. profil Černý potok) od
4.7. do 14.7 .1996 v kroku 1 a 6 hodin ve srovnání se skutečnou
odtokovou křivkou
Matematické modely
kontinuální modely (simulují delší období)
epizodní modely (modelování kratších událostí)
35
-
Prostorová diskretizace
Možnosti použití
Celistvé (lumped)
Matematické modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
36
-
Možnosti použití
Celistvé (lumped)
Matematické modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
37
-
Možnosti použití
Celistvé (lumped)
Matematické modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
0
0,5
1
2 km
¯
38
Možnosti použití
Možnosti použití, příklady
1. modely používané v operativní hydrologii
2. modely aplikované pro návrhovou a projekční činnost v oblasti vodního hospodářství
3. modely využívané ve výzkumu
Konkrétní možnosti aplikace
• operativní hydrologické předpovědi
• simulace průchodu povodňových vln v libovolném časovém kroku jak na přírodních tak na
urbanizovaných povodích (včetně např. návrhových průtoků pro posouzení bezpečnosti
vodních děl)
• vypracování projektů protipovodňové ochrany, podpora systémů krizového řízení
• modelování nízkých průtoků například pro výpočet šíření znečištění ve vodních tocích
• podpora řízení a manipulací na vodohospodářských objektech (přehrady, poldry, kanály,
odběry vody, zavlažování)
• stanovení hydrologické bilance
• scénáře dlouhodobého vývoje založené na modelech klimatických změn
• výpočet statistických veličin (N-letost, M-denní průtoky)
39
Použitá literatura
• BECKER, A., SERBAN, P. (1990): Hydrological models for water – resources system design and operation.
Operational Hydrology Report No. 34, WMO, Geneva, 80 s.
• DAŇHELKA, J., KREJČÍ, J., ŠÁLEK, M., ŠERCL, P., ZEZULÁK, J. (2003): Posouzení vhodnosti aplikace srážkoodtokových modelů s ohledem na simulaci povodňových stavů pro lokality na území ČR. ČZÚ, Praha, 214 s.
• Darthmouth Flood Observatory [online]. [cit. 2008-10-08]. <http://www.dartmouth.edu/~floods/>.
• KŘÍŽEK, M. (2010). Metody FG výzkumu II. Podklady k přednášce Metody ve fyzické geografii II, Praha: PřF
UK.
• NASA Earth Observatory [online]. [cit. 2010-09-01]. http://earthobservatory.nasa.gov/NaturalHazards/
Související literatura
• BEVEN, K.J. (2001): Rainfall-Runoff Modelling, The Primer. John Wiley & Sons, Chichester, 360 s.
• BUCHTELE, J. (2002): Úvod k metodám a modelům hydrologických předpovědí. In: Patera, A. et al.:
Povodně: prognózy, vodní toky a krajina. ČVUT, Praha, s. 33 - 35
• KLEMEŠ, V. (1983): Conceptualization and scale in hydrology. Journal of Hydrology, 65, s. 1-23
• KULHAVÝ, Z., KOVÁŘ, P. (2002): Využití modelů hydrologické bilance pro malá povodí. VÚMOP, Praha, 123 s.
• REED, S.M, KOREN, V.I., SMITH, M.B., ZHANG, Z., MOREDA, F., SEO, D-J. and DMIP Participants (2004):
Overall distributed model intercomparison project results. Journal of Hydrology, 298, s. 27-60
• WAINWRIGHT, J., MULLIGAN, M. (eds.) (2004): Environmental Modelling. John Wiley & Sons, Chichester,
408 s.
• WMO-No. 168 (1983): Guide to hydrological practices, Volume II – Analysis, Forecasting and other
aplication. WMO, Geneva
40

Modelování hydrologických procesů I

Transkript

Podobné dokumenty

kategorie D zadání - Zeměpisná olympiáda

Plně distribuované modely nejen pro flash floods

1.část Model HEC-HMS

Aplikace matematického modelu NASIM pro simulaci srážko

Reference ()

Modelovaní hydrologických procesů I. (rozšířený sylabus)

Seznam knih

(Meteorological Model) a parametry simulace

Obecně Model Materiály Světla Kamery

kategorie D řešení - Zeměpisná olympiáda

hydrologie malého povodí 2008

Základní popis

Fyzika ve fyziologii rostlin