regionální: řeky na středních a dolních tocích, dají se většinou předpokládat, voda teče pomaleji, škody –zaplavení budov, namočení věcí, bahno
morava '97, čechy 2002
bleskové: během několika desítek minut, horní toky, úzká koryta, menší řeky, strmý spád, velká rychlost povodně, velké škody na majetku a ztráty na životech
ochrana před povodněmi
nepřimování toků, hráze
technické: přehrady a nádrže, meandry, poldry, lužní lesy
předpověď:
využití statistických metod, založených na naměřených údajích
využití modelů a mapování již proběhlých povodní
monitorování vzniku a vývoje srážkové činnosti
příčiny vzniku:
srážky, nasycení půd, kapacita koryta, retenční kapacita krajiny
velikost a doba povodně:
tvar povodí
velikost povodí
itenzita a doba trvání deště
propustnost půdy
rozsah a druh vegetace
přirozené a umělé nádrže
SPA (stupeň povodňové aktivity)
Jednotlivé stupně povodňové aktivity jsou vyhlašovány vždy příslušnými pověřenýmiúřady, respektive orgány státní správy (veřejné správy), a to v případě, že je dosaženo předem stanovených limitů vodních stavů či předem určených mezních průtoků vodyv tzv. hlásných místech danéhovodního toku(nebo v případě, kdy dojde ke změně dalších relevantních parametrů vodního toku daných platným povodňovým plánem v příslušném konkrétním místě)
jsou 3(stav bdělosti, stav pohotovosti, stav ohrožení
hydrodynamické modely
ustálené (stacionární)
všechny charakteristiky proudu v čase konstantní a závisí pouze na poloze částice
rovnoměrné - kromě průtoku jsou konstantní i parametry koryta (tvar, drsnost, rychlost atd.)
nerovnoměrné proudění – průtok konstantní, ale všechny ostatní charakteristiky koryta jsou po jeho délce proměnné
neustálené (nestacionární proudění)
Za neustáleného proudění jsou základní veličiny funkcí času a polohy
při pomalu se měnícím neustáleném proudění dochází v korytě k šíření povodňové vlny
Saint Venantova rovnice
používá rovnici kontinuity a pohybové rovnici
implementována v hydrodynamických modelech (HEC-RAS, MIKE 11)
pohybová rovnice:
struktura: povrchový odtok, odtok v korytě, odtok ze sněhu, intercepce, srážky, evapotranspirace, proudění v nenasycené zóně, proudění v nasycené zóně
odtok: celkové množství vody, které proteče profilem za daný čas (m3, mm)
surface runoff:
voda, která po ploše odtéká po povrchu
vznik povrchového odtoku: překročení infiltrační nebo retenční kapacity a nebo opětovná exfiltrací vody v nižších částech svahu
metody: metoda kinematické vlny, rovnice kontinuity a zákona zachování energie a hybnosti, výpočet podle Manning-Strickera
direct runoff:
povrchový odtok + rychlá část odtoku v nenasycen zóně půdního profilu
metody: metoda jednotkového hydrogramu, metoda kinematické vlny
vliv F-G charakteristik na odtok:
předběžné faktory: nasycenost povodí, stav sněhové pokrývky
specifický odtok: množství vody, které v průměru odteče z jednotky plochy za jednu sekundu
aqualog
povodí Labe
hydrologický modelovací systém AQUALOG integruje srážko-odtokový model SACRAMENTO (SAC-SMA) včetně jeho sněhové komponenty SNOW17, dále model proudění vody korytem TDR, a model simulující průtok nádrží MAN
Speciální databáze AqauBase, která je napojena na operativní datovou základnu ČHMÚ a zpracovává potřebná data z různých zdrojů. AquaBase připravuje vstupní datový soubor pro chod modelu AquaLog.
Hydrologický předpovědní systém (model) se skládá zněkolika komponent (modelů), znichž každá popisuje některé děje vytvářející a ovlivňující celkový odtok zpříslušného povodí
SNOW17
při modelování sněhové pokrývky se jako vstupy používají charakteristiky sněhu (zejména tzv. vodní hodnota sněhu) a dalších meteorologických prvků (teploty a srážek) a to včetně předpovědí
ten umožňuje počítat přírůstek sněhové pokrývky v povodí i její následné tání
SNOW17 patří mezi takzvané degree-daysněhové modely (tání je dáno akumulací teploty a koeficientem intenzity tání v závislosti na ní)
model simulující chování nádrží (MAN)
vodní nádrže a jezy umožňují manipulovat svodou vtocích a tak ovlivňují přirozený režim toku, včetně průchodu povodňových vln
při průchodu vody nádrží platí jiné zákony než při proudění vody říčním korytem, musí se využít model simulující chování nádrží
Model pro operativní simulaci provozu nádrží MAN na tocích je hydrostatický model operující s přítokem, odtokem, výškou hladiny v nádrži a křivkou objemových charakteristik příslušné nádrže
Sofistikovanější verze modelu je použita pro simulaci Vltavské kaskády. V tomto případě jsou zohledněny jednotlivé odtokové objekty (elektrárny, dolní výpusti i přepady) a jejich nastavení
ČHMÚ v operativním provozu tento model nevyužívá a vkládá do předpovědního systému naměřeného a předpokládaného odtoku z nádrží podle údajů státních podniků Povodí
model proudění vody korytem
v předpovědních modelech mohou být použity hydraulické x hydrologické modely transformace vody korytem
hydraulické modely používají podrobné informace o terénu v okolí toku
hydrologické modely jsou jednodušší, ale stabilnější a mají menší nároky na vstupy
AquaLog používá komponentu TDR, založenou na rovnici Muskingam
srážkovo odtokový model
chceme-li předpovídat na delší časové období a v horních částech povodí, musíme použít srážko-odtokový model
ten používá jako vstupy údaje o naměřených srážkách
jako vstup je možné použít také předpověď srážek a ještě více tak prodloužit předstih předpovědi
v povodí Labe je používán systém Aqualog v němž je implementován srážko-odtokový model Sacramento (SAC-SMA
HEC-HMS
cíl -simulace procesu odtoku srážek z povodí
jedná se především o celistvý (lumped) model se soustředěnými parametry. Současný intenzivní vývoj směřuje k vývoji komponent s distribuovanými parametry
freeware
Na počátku devadesátých let se oddělila samostatná vývojová větev, model WMS, který směřuje více k modelům distribuovaným a také modelům, ve kterých se výrazně uplatňuje spolupráce s GIS. Model HEC-HMS je široce používaný srážko-odtokový model, který je možné využít k řešení celé řady hydrologických úkolů
klíčové prvky:
použití – simulace odtoku srážek → výška hladiny, předpověď proudění, vliv antropogenní činnosti, návrhy přepadů nádrží, redukci povodňových škod, regulaci toků
vstupy:
model povodí (povodí, dílčí povodí, úsek toku, soutok, zdroj, odběr, nádrž, odbočka)
meteorologický model (bodové nebo rastrové srážky, záznamy o průtocích, výšce vodní hladiny, teplotě, slunečním záření, …)
řízení (začátek a konec simulace, časový interval)
hlavní komponenty:
Srážky
Sněhový model
Evapotranspirace
Objem odtoku (Runoff-Volume Model)
Přímý odtok (Direct-Runoff Model)
Podzemní odtok(Baseflow Model)
Korytový odtok (Routing Model)
MIKE-SHE
koncepční, distribuovaný, případně semi-distribuovaný model
možné řešit širokou škálu hydrologických úkolů, např. analýzu, plánování a řízení v oblasti vodních zdrojů, posuzování vzájemných interakcí mezi povrchovou a podzemní vodou nebo řešení technických zásahů v povodí
komerční produkt
hlavní komponenty:
skládá z více komponent, které počítají objem a distribuci vody v jednotlivých fázích odtokového procesu
model akumulace a tání sněhu (energetická bilance i degree-day)
Povrchový odtok
Podpovrchový odtok v nenasycené zóně
Model proudění podzemní vody
nároky na vstupní data:
Srážko-odtokový model MIKE-SHE vyžaduje data, která jsou pro tento typ modelu běžná. Pracuje s ASCII formáty, případně využívá data z vlastní databáze půd a prostřednictvím GIS nadstaveb zpracovává i prostorová data
Důležité jsou vlastní data změřená přímo v povodí – odebrání půdních vzorků (komponenta proudění v nenasycené zóně), zaměření příčných profilů koryta, výpočet nebo odhad drsnostních součinitelů nebo data získaná analýzou satelitních a leteckých snímků (např. aktuální i historická data vegetačního pokryvu).
Sacramento-Soil Moisture Accounting (SAC-SMA)
srážko-odtokový model, který je součástí knihovny modelovacích technik systému NWSRFS (National Weather Service River Forecast System)
autoři -národní meteorologickou služba (NWS)
parametrizace charakteristik půdní vlhkosti
hlavní komponenty:
Povodí je rozděleno na několik zón, které jsou propojeny do systému nádrží.
-Evapotranspirace
-Vázaná (kapilárně vázaná) voda (TensionWatter)
-Volná voda (Free Watter)
-Povrchový odtok (SurfaceFlow)
-Horizontální odtok (LateralDrainige)
-Vertikální odtok –perkolace (VerticalDrainige)
Základem půdního modelu je horní a spodní zóna. Obě mohou obsahovat vázanou i volnou vodu. Jakmile se v horní zóně naplní nádrž vázané vody, začne se plnit nádrž obsahující volnou vodu a současně perkolujedo spodní zóny. Po překročení kapacity horní nádrže začne povrchový odtok. Voda proudící do spodní nádrže plní nejprve její „vázanou“ část a poté i „volnou“ část. Odtok z těchto dvou zón se nazývá základní (bazální) odtok. Celkový odtok je tvořen součtem odtoku ze všech dílčích zón.
nároky na vstupní data:
Vzhledem k tomu, že se jedná o model půdní vlhkosti, jsou velmi důležitá data vyjadřující hydrologické charakteristiky půdy (pórovitost, polní kapacita, nasycená hydraulická vodivost apod.)
srážko-odtokový model Sacramento umožňuje jak automatickou, tak manuální kalibraci parametrů. Těch je k dispozici celkem 26 a dají se rozdělit do několika skupin, které se vážou k určité zóně (spodní a horní zóna vázané nebo volné vody, přímý odtok, evapotranspirace
celý systém je navázán na další komponenty (sněhový model SNOW17, korytový model TDR, řízení nádrží MAN) a celou řadu programových prostředků od napojení na systémy automatického sběru dat, přes jejich databázové zpracování (v Aqualogu k tomu slouží databáze Aquabase) až po varovné systémy protipovodňové ochrany
hydrog
model určený k simulaci povodňových situací, vydávání operativních předpovědi průtoků
srážko-odtokový model HYDROG byl vyvinut pro potřeby spojité simulace odtoku z povodí s nádržemi
v ČHMÚ je využíván pro předpovědi v Ostravě (povodí Odry, Bečvy a horní Moravy) a v Brně (povodí Dyje)
vstupními daty jsou údaje o průtocích, srážkách (v zimě i údaje o teplotě a výšce sněhové pokrývky)
hlavní komponenty:
Na schematizaci povodí aplikuje HYDROG teorii grafů kde hrany představují koryta toku, uzly odběrná místa, místa řízení nebo uzly říční sítě
Plochy grafu pak tvoří povodí nebo jejich části. Charakteristiky, které se k plochám vztahují, jsou považovány za konstantní.
Podzemní odtok je zjednodušen tak, že v určitém časovém okamžiku je počítán jako poměr k celkovému podzemnímu odtoku v závěrovém profilu (vážen podle ploch dílčích povodí).
nároky na vstupní data:
potřeba obdobné datové vstupy jako v jiných modelech
model vyvíjen pro operativní předpověď a díky tomu klade důraz především na správný vstup a interpretaci srážek
radarové odhady nebo lze zakomponovat výstupy meteorologického předpovědního modelu ALADIN
data lze spravovat v Aquabase (součástí hydrologického předpovědního systému Aqualog)
stavové charakteristiky povodí (sklon a drsnost povrchu, půdní charakteristiky atd.)
Celkový podzemní odtok je simulován jako jedna nádrž a jeho časový průběh je dále řešen pomocí regresního modelu.
Model HYDROG nevyžaduje kontinuální provoz, je ho tedy možné spustit jen v případě výskytu povodně. Počáteční podmínkou je velikost podzemního odtoku.
HEC –RAS Hydrologic Engineering Centers -River Analysis System
nekomerční software vyvíjený U.S. Army
modelování průtoku vody říčním korytem
úpravy schématu říční sítě
úpravy příčných profilů
modelování překážek v korytě (mosty, propustky, jezů, …) a toku pod nimi
interpolace příčných profilů
výpočet transportu sedimentů
pro práci se doporučují znalosti hydrodynamiky
1-D matematický model proudění o volné hladině: ustálené a neustálené proudění
Geometrický model
základem -schematizace říční sítě
celá říční síť –> rozdělení na části
umožňuje řešit nerovnoměrné proudění ve větvené síti (síť může obsahovat jak rozdvojení tak i spojení větví)
výpočty vprofilech kolmo na směr toku
překážky (mosty, jezy) –podmínkou je existence příčného profilu bezprostředně nad i pod objektem
Kromě vytvoření geometrického modelu říční sítě včetně objektů je pro simulace nerovnoměrného proudění nutno zadat okrajové podmínky
Na prvním příčném profilu po směru toku je touto podmínkou vstupní průtok, na posledním příčném profilu pak výška hladiny odpovídající vlastnímu průtoku
Možnosti nastavení vstupních podmínek jsou podrobně zmíněny vuživatelském manuálu HEC-RAS
Výpočet nerovnoměrného proudění:
Pro výpočet je možné ukládat soubory obsahující kombinaci některého zvytvořených souborů sgeometrickými daty se souborem, který obsahuje data okrajových podmínek. Vkaždém plánu jsou tak uchovány potřebné údaje ke spuštění výpočtu nerovnoměrného proudění.
Je možné nastavit předpokládaný charakter proudění, tj. říční, bystřinné nebo smíšené
vstupní data:
možnost přípravy v ArcGIS (extenze HEC-GeoRAS)
příprava geometrických dat –velmi důležitá a náročná
možnost importu geometrických dat
možnost přípravy geodat vArcView 3.x pomocí nadstavby HecGeo-Rasa následné vytvoření importního souboru.
po provedení hydraulických výpočtů je možné geometrická data exportovat zpět do GIS
HAZUS
analýza říční a pobřežní povodně
odhad potenciální škody na všech typech budov, zařízeních, dopravních tepnách, dopravních prostředcích a zemědělském území
Model používá ArcGIS pro zobrazení dat srizikem povodní a výsledky výpočtů škod a ztrát na budovách a infrastruktuře
úrovně modelu:
1. využívá existující národní katalogy a datové sady hazardů
2. využívá uživatelsky podporovaná lokálními daty pro přesnější analýzy
3. dovoluje uživatelům doplnit jejich vlastní techniku speciálních podmínek a zlepšit národní katalogy datových sad
Povodňový model poskytuje uživatelům možnost:
Formulovat a ohodnotit metodu a vývoj obecných zmírňovacích strategických programů ke snížení povodňových ztrát
Odhadnout potřebné zdroje v reliéfu pro katastrofu
Plánovat odstranění trosek a pomoc následně po povodni
Odhadnout vystěhované domácnosti a požadavky na přístřeší
Provést vícenásobné úrovně analýz snárodní úrovní datové sady stejně jako uživatelskými a expertními daty
algoritmy
Model Algorithms for Rebalancing the Economy
The Time Dimension
Flow Regulation
Velocities
Riverine Flood Hazard (plocha povodí je rozdělena na pixly, pokud je výška pixelu menší než výška hladiny, je přiřazen do zátopové zóny)
Algorithms for estimating how the economy responds to these inputs (Algoritmy pro odhad, jak ekonomika reaguje na tyto vstupy)
SWAT (Soil and Water Assessment Tool)
hydrologický koncepční model vyvinutý USDA ARS (United States Department of Agricultural, Agriculture Research Service)
predikce dopadů zemědělského managementu na bilanci sedimentů, polutantů nebo živin ve vodním prostředí
SWAT má charakter hydrologického transportního modelu, který modeluje časové změny sledovaných veličin
hlavní komponenty:
Model rozděluje povodí na dílčí povodí, které jsou dále děleny na homogenní celky se stejným chováním –HRU (Hydrological Response Units)
Tyto jednotky jsou v daném měřítku homogenní z hlediska land use a půdních vlastností.
Infiltrace může být vypočtena distribuovanou metodou SCS CN (stejně jako to umožňuje HEC-HMS) nebo metodou Green-Ampt.
Pro transport sedimentů využívá modifikovanou rovnici USLE (MUSLE, Modified Universal Soil Loss Equation). Pomocí dalších metod mohou být do modelu začleněny výpočty vlivu nádrží, zavlažování a transportu živin a znečišťujících látek.
Model Green-Ampta
Model Green-Ampta je zjednodušeným fyzikálním popisem infiltrace. Půdní profil je rozdělen na dvě zóny, nasycenou (s úplnounasyceností) a nenasycenou (s nasyceností odpovídající počátečnímu stavupůdy). Přechod mezi zónami, čelo zvlhčení, je rovnoběžný s povrchem a s pokračující infiltrací postupuje do větší hloubky. Neuvažuje se vlivhladiny podzemní vodyči nepropustného podloží anitlakvodního sloupce na povrchu.
Výpočet potenciální infiltrace vychází zDarcyho zákona. Parametry modelu jsounasycená hydraulická vodivost,vlhkostní tlaková výška(sací tlak) na čele zvlhčení,efektivní pórovitosta počáteční nasycenost půdy.
vstupní data:
Klimatologická data představují časové řady srážek, teploty vzduchu, solární radiace, relativní vlhkosti vzduchu a rychlosti větru v časovém kroku, který odpovídá účelu aplikace a velikosti povodí.
K odvození parametrů je využívána databáze půd s informacemi o půdním typu, zrnitosti, hloubce půdy a hydrologické skupině půdy.
HBV
hydrologický model HBV je vyvíjen od počátku 70. let ve švédském meteorologickém a hydrologickém institutu
je součástí modelovacího systému IHMS (Integrated Hydrological Modelling System)
koncepční model využívaný jak pro krátkodobé tak kontinuální simulace odtoku z povodí není sice v Česku moc rozšířený
další modely
WaSiM-ETH (Water Flow and Balance Simulation Model)