Modelování, simulace a predikce povodňových situací a jejich

FLOods REcognition
g
On the Net
pro modelování,, simulaci a predikci
p
p
povodňových situací
a jejich zprostředkování všem uživatelům
ve srozumitelné grafické podobě
(rozšířeno o znečištění ovzduší a dopravu)
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, 3D stereoprojekce)
(
y 3
p j
)
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, M. Radecký
Sekce geoinformatická a hydrologická
J. Unucka , P. Rapant , L. Hrubá, V. Jůchová
Externisté: ČHMÚ, Ústav informatiky AVČR‐Medard, Povodí Odry, Povodí Labe
Ú d
Úvod
y FLOREON
y Systém pro zprostředkování krizových (povodně, kvalita ovzduší a doprava) informací laickým i profesionálním uživatelům
y Předávání aktuálních informací y Ve srozumitelné grafické podobě pomocí 2D a 3D náhledů na PC, PDA, mobilech
y Doplňkové textové informace pro profesionály
y Dynamická konfigurace
y Otevřená modulární architektura
y Možnost využití výsledků různých modelů
y Výměna jednotlivých modulů
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Proč systém FLOREON:
y Předpověď průtoků prakticky pro libovolný
profil na povodí (tj
(tj. mimo hlásné profily HPPS)
y Využití pokročilých GIS a modelovacích
technologií využití HPC
technologií,
y Nástavbové informace jako mapy rozlivů,
nasycení povodí nebo zásob vody ve sněhové
pokrývce
y Zohlednění požadavků Flood Directive
2007/60/ES
y Nenahrazuje Hlásnou a předpovědní povodňovou
službu ČR dle zákona č. 254/2001 Sb., jedná se
nástroj pro její doplnění a rozšíření
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
Četnost přírodních extrémů
Vývoj četností povodní v dekádách
Proč používat hydrologické modely ?
y Jedná se o efektivní nástroj hydrologické prognózy
(v současnosti se rutinně používají na RPP ČHMÚ a
podnicích Povodí)
y Předpověď průtoků pro libovolný profil (i menší toky
a mimo síť hlásných a předpovědních profilů ČHMÚ)
y Protože pracují se srážkami (déšť
(déšť, sníh) a jejich
prognózou, je možné předpovídat změny hladin a Q
ještě před samotným započetím srážkové epizody
Sekce geoinformatická
g
a hydrologická
y
g
sběr dat o povodí s využitím nejmodernějších technologií
GIS a DPZ (radar, LIDAR, multispektrální snímky apod.)
¾ výstavba srážkoodtokových a hydrodynamických modelů
a jejich zapojení do infrastruktury FLOREONu (definice
rozhraní,, datových
ý formátů a konverzí apod.)
p )
¾
Úloha GIS
Úloha GIS
Digitální model terénu
Reálná krajina povodí
Půdní druhy
a typy
Družicové snímky
Úloha GIS
Podélnýý p
profil
Reálné koryto řeky
Příčný profil
Hodnoty čísel CN křivek
Modely pro předpověď počasí
ALADIN MEDARD
ALADIN,
Reálná vs. modelová orografie
NWFS ALADIN
Realita
Uzlové body NWFS ALADIN v Ms. kraji
Problém datových vstupů
8 km
8 km
0 km
0 km
Odrazivost [dBZ]
Od i
Odrazivost
t [dBZ]
RADAR
0 km
200 km
Problém datových vstupů
Hydrologické modely
Schematizace povodí, analýza dat
Srážko‐odtokový model
Počátteční okraajové
podm
mínky
Výpočet hydrogramů na ýpoče yd og a ů a
závěrových profilech
Výpočet průtoků a hladin po celé delce koryta
Výpočet inundace
1D – hydrodynamický SV model
2D – hydrodynamický SV 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
Srážkoodtokové modely
Vybudování s-o modelů povodí Olše (2-03-03) v programech
9, HEC-HMS
HEC HMS 3.1.0
HYDROG 9
3 1 0 a MIKE SHE
•
• Testování a kalibrace modelů na několika s-o epizodách o různé
vodnosti a extremitě ((např.
p 07/2002,, 09/2007 atd.))
• Finalizují se práce na schematizacích povodí Ms. kraje (Olše, Odra,
Opava, Ostravice, Bělá)
• Spolupráce s Povodím Labe, s.p. na povodí Jizery (HYDROG, MIKE
11)
• Vstupy
V t
z di
distančních
t č í h měření
ěř í (radar)
( d ) a atmosférických
t
fé i ký h předpovědních
ř d
ěd í h
modelů (ALADIN), nowcasting a kombinace s krátkodobou a
střednědobou numerickou předpovědí (předpovědi nad 48,
48 resp.
resp 54
hodin)
p j
hydrologických
y
g ý a hydrogeologických
y g
g ý modelů
• Napojení
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)
Hydrologické modely v ČR
Pokrytí ČR hydrologickými předpovědními modely
AQUALOG (pobočky ČHMÚ)
Praha
Ústí nad Labem
České Budějovice
Plzeň
Hradec Králové
HYDROG (pobočky ČHMÚ)
Brno
Ostrava
Povodí Odry (spolupráce s ČHMÚ)
MIKE 11 (pobočka Brno)
Srážko-odtokový model
Hydraulický model
40
0
40
80 km
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)
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 Srážkoodtokové modely
HEC-HMS 3.1.0. (freeware)
http://www.hec.usace.army.mil/software/he
c-hms/
HYDROG 9.0
Povodí Olše, událost 1.9.‐15.9.2007
Hydrodynamické
y
y
modely
y
y slouží k numerickému řešení pohybu vody v korytech,
nádržích a technických objektech (jezy, propustky
atd.)
y řeší spolu
p
s GIS i rozsahy
y záplavových
p
ý zón p
pro
jednotlivé n-letosti (Q5-Q100) – povodňové plány
y poměrně náročné na parametrizaci a provoz (velké
nároky na výpočetní výkon PC)
y existují freewarová i komerční řešení
y V ČR
Č jsou nejpoužívanější:
1. HEC-RAS – podniky Povodí, ČHMÚ, VŠB
2. MIKE 11 – V.Ú.V.
Ú
T.G.M., ČZU,
Č
VŠB
Š
3. HYDRUS 1-3D - ČVUT
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
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.
Hydrodynamické modely 4
HEC-RAS 4.0
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/
Hydrodynamické
y
y
modelyy 5
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 Modelování
M d l á í kkvality
lit a znečištění
čiště í povrchových
h ý h a podzemních
d
í h
y
y
y
y
y
vod
Modelování vodní eroze
eroze, plaveninového režimu a vývoje
říčních koryt
Bilanční modelování zásob vody ze sněhu a prognóza odtoku
tavných vod
Modelování vlivu extrémních odtokových situací (sucha,
povodně)
d ě) na hydrobiologii
h d bi l ii vodních
d í h út
útvarů
ů a pobřežní
bř ž í
ekosystémy
Vytvoření modelů šíření znečištění ovzduší
Nasazení modelů na výpočetní cluster s 16 procesory
y Možnost řešit více scénářů za stejný
j ý čas
y Stochastické modely
Modelování znečištění ovzduší