Martin Jonov
Institut geoinformatiky
VŠB– Technická univerzita Ostrava
tř. 17. Listopadu
708 33 Ostrava –Poruba
E – mail:
martin.jonov.hgf@vsb.cz
This diploma thesis will be answer to query, that radar estimation of rainfall in hydrological modelling is possible with intelligent use. Basic on meteorologic rainfall data used at modeling in hydrologic models of rainfall - runoff operation, was accomplished model results, which are to ensure verify this problem. Among general assignments of this diploma thesis should be: understanding problems of rainfall - runoff operation, modeling this process under use mathematically models, acquaint oneself with radar equipment and understanding methodology extraction of meteorologic data, compose training schematic of models catchment and test in hydrological modelling together with rainfall data of remote measurement compare with classical stationary measurement.
Tato diplomová práce by měla poskytnout odpověď na otázku, zda se dají efektivně využít radarové odhady srážek v hydrologickém modelování. K zodpovězení tohoto měly být použity výsledky, kterých jsem dosáhl při modelování v hydrologických modelech S-O činnosti na základě meteorologických srážkových dat. Hlavními úkoly vedoucí k cíli práce mělo být pochopení složitého problému srážkoodtokových procesů a jejich modelování pomocí matematických modelů, seznámit se s radiolokačním zařízením srážkových objektů a pochopit jejich funkci při sběru meteorologických dat, vytvořit si cvičné schematizované modelové povodí a otestovat jej v modelovacím hydrologickém procesu spolu se srážkovými vstupy z distančních radarových měření, proti klasickým stacionárním měřením.
Hydrologické modelování představuje důležitý nástroj při správě vodních toků a řízení povodí. Je rovněž velmi důležitý při předpovídání chování vodního toku a povodí v blízké budoucnosti na základě předpovědi srážek, případně ovlivnění odtokových poměrů (manipulace na vodních objektech apod.). Tento typ hydrologického modelování se označuje jako S-O modelování. S-O modelování se v současnosti provozuje na základě matematických rovnic obsažených v programových prostředcích umožňujících simulovat chování vodních toků na povodí. Takovéto modely jsou schopny podávat předpovědi průtoků (množství) a vodních stavů (výšky hladin toků). Na jejich základě mohou příslušné orgány vydávat upozornění a varování, následně krizové štáby mohou rozhodovat o přijímání potřebných preventivních i operativních úkonů vedoucích k ochraně zdraví a života osob a ochraně či minimalizování dopadu na majetek. Spolehlivost S-O modelů je samozřejmě v první řadě determinována vstupními daty pro modelování. Kvalita těchto dat však bývá různorodá a především množství dat (množství měřících stanic) nedostatečné. Radarové odhady srážek mohou přispět ke zpřesnění odhadů srážek na sledovaných územích a tak zlepšit výsledky modelování. Hydrologické modely však nikdy nemohu vytvořit skutečný obraz budoucího stavu na vodním toku a povodí. Dávají tedy pouze jakési pravděpodobnostní řešení, které může vzniknout na daném území za jistých podmínek, ale ke kterému také nemusí dojít. Hydrologické modely nikdy nemohou obsáhnout velmi složitý komplex přírodních a fyzikálních podmínek, kterými se chování vody na povodí a v tocích řídí.
Cílem diplomové práce by mělo být zhodnocení využitelnosti meteorologických radiolokátorů v oblasti hydrologického modelování a zhodnocení odhadu srážek při S-O modelování.
Meteorologická data sloužící jako vstup do procesů modelování pocházejí z různých zdrojů, v různých typech formátů a v různých kontinuálních i diskontinuálních časových řezech. Data mají také různou kvalitu a není ojedinělým jevem, že měřící stanice v daných časových úsecích neměří správně, nebo nepodávají data žádná.
Datové zdroje:
1. srážkoměrné stanice
2. radarová měření
3. vodoměrné stanice
K vyjádření modelových 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 (fyzikálně geometrické vlastnosti) a chování (reakce systému na vstup, transformační funkci povodí) modelového systému.
Nejrozšířenější matematické modely jsou založeny na principech deterministických a nejčastěji používané jsou konceptuální modely.
Meteorologické radiolokátory slouží ke detekování rozmístění okamžitých intenzit atmosférických srážek. Dále také k výskytu jevů spojených s oblačností a do vzdálenosti 100-200 km od radiolokátoru.
Funkce radaru je založena na schopnosti srážkových částic v atmosféře (vodních kapek, sněhových vloček, ledových krup a oblačných částic) reflektovat radiovlny. Zachycené odražené záření nás tak informuje o výskytu a rozmístění zmiňovaných srážkových částic.
Radarová data jsou zatížena spoustou chyb a bez korekcí by data byla pro hydrologické modely těžko použitelná. Tento problém řeší multisensorová analýza. Mezi její metody korekcí dat patří: výpočet adjustačních koeficientů a kombinovaná analýza.
Při tvorbě srážkoodtokového modelu je nutné dané povodí převést do podoby, která bude obsahovat informace nutné k výpočtu chování povodí na srážkovou dotaci. Proces tvorby modelu lze rozdělit do několika fází:
1. Schematizace povodí
2. Stanovení metod transformace srážek
3. Vstup meteorologických dat a jejich úprava
Hydrologický model jsem tvořil pro povodí Bělé. Pro tvorbu kompletního modelu určeného pro modelování v systému HEC-HMS mi byly poskytnuty ČHMÚ tyto podklady:
- Digitální model povodí Bělé (gridová vrstvu ve formátu shapefile s rozlišením 25m)
- Vrstvu představující hodnoty CN křivek (grid s rozlišením 25m)
Obr č. 1 Povodí Bělé - digitalní model terénu
Statistické srovnání jsem prováděl na datech srážkoměrných a predikcích průtoků, které stanovil Hydrog na povodí Bečvy.
Pro srovnání kvality naměřených srážkoměrných dat mezi radarem a stanicemi srážkoměrek, jsem vybral z povodí Bečvy čtyři polygony.
Jako srovnávací metodu jsem použil korelační analýzy se stanovením koeficientu determinace. Koeficient determinace udává míru těsnosti, vhodnosti regresní funkce.
Koeficient udává, jaká část disperze znaku Y je způsobena závislostí na znaku X. Nabývá hodnot z intervalu
<0;1>
. Doplněk koeficientu determinace do jedné, znamená podíl náhodné složky na disperzi. Výpočet je proveden v MS-EXCEL.
Další srovnání se týká tabelových výstupů predikcí průtoků, stanovených Hydrogem.
Srovnání se týká průtoků stanovených na základě :
- vstupu ze srážkoměrných stanic
- vstupu z radarových měření
Srovnání proběhlo na základě testování hypotéz, kdy jsem stanovil nulovou hypotézu o rovnosti středních hodnot pro výběry s normálním rozdělením.
Tedy H0: Mean(Becva_sra) = Mean(Becva_rad)
Výpočet byl proveden ve statistickém programu STATGRAPHIC Plus.
Testovací provoz byl proveden v programovém produktu HEC-HMS 2.2.2. na schematizovaném povodí Bělé s daty srážkoměrných a radarových měření.
Obr č. 2 Hydrogram průtoků - simulace sřážkoměrných dat
Obr č. 3 Hydrogram průtoků - simulace radarových dat
V této práci měla být zformulována hypotéza, zda-li se dá v hydrologické praxi a modelování využít radarových odhadů srážek. Na základě systémů HYDROG a HEC-HMS byla prozkoumána možnost modelovat srážkoodtokové vztahy na povodí prostřednictvím datových souborů srážkové činnosti.
Výsledky byly v tomto ohledu povzbudivé, protože ačkoli simulace s využitím radarových odhadů nebyly natolik přesné, prokázaly potenciál pro použití v každodenní praxi. Z předešlých kapitol je patrné, že výsledky simulací srážkoodtokových modelů jsou zatíženy tolika faktory, že ani u jedné z metod nemůžeme očekávat stoprocentně přesné výsledky. V neposlední řadě také musíme zohlednit faktory chyb měřících zařízení a dále také předpovědi T a srážek, které jsou intervalového charakteru. Z toho je zřejmé, že i na detailně schematizovaném povodí osazeném hustou měřící síti můžeme mluvit pouze o pravděpodobnostních rozmezích predikovaných průtoků.
Obecně lze konstatovat, že shoda naměřených srážek mezi srážkoměrnou stanicí a radarovým odhadem v příslušném bodě či polygonu je ovlivněna celou řadou faktorů. V prvé řadě samotné měření srážkoměrné stanice nemusí být reprezentativní přes veškerou snahu o zodpovědné umístění. Zvláště v horských oblastech je vliv morfometrických parametrů terénu výrazný. Rovněž v případě výskytu smíšených srážek či drobných kapek na rozmezí vertikálních a horizontálních srážek v nadmořských výškách nad 800 m n. m. se může chyba v měření stanice pohybovat i kolem hodnoty 30 %.
Tato diplomová práce měla poskytnout odpověď na otázku, zda se dají efektivně využít radarové odhady srážek v hydrologickém modelování. K zodpovězení této měly být použity výsledky, kterých jsem dosáhl při modelování v hydrologických modelech S-O činnosti na základě meteorologických srážkových dat.
Hlavními úkoly vedoucí k cíli práce mělo být pochopení složitého problému srážkoodtokových procesů a jejich modelování pomocí matematických modelů, seznámit se s radiolokačním zařízením srážkových objektů a pochopit jejich funkci při sběru meteorologických dat, vytvořit si cvičné schematizované modelové povodí a otestovat jej v modelovacím hydrologickém procesu spolu se srážkovými vstupy z distančních radarových měření, proti klasickým stacionárním měřením.V rámci zhodnocení jsem provedl také statistická srovnání výsledků jednotlivých simulací obou typů meteorologických dat.
Celý hydrologický sytém, kterým se řídí infiltrace srážky a pohyb vody na povodí, stejně tak jako struktura povodí (fyzicko-geografické charakteristiky) je nesmírně složitý proces a jeho převedení pomocí matematických diferenciálních rovnic do matematických modelů je jen hrubým obrysem zachycujícím jeho hlavní objekty, vazby a vztahy mezi nimi. Je tedy patrné, že simulace produkované matematickými modely jsou výrazně závisle právě na rovnicích podle kterých se výpočty řídí.
Toto ale není hlavní problém modelování S-O vztahů na povodí. Už dle názvu srážko-odtokových je jasné, že nejenom odtok, ale i srážky na povodí jsou velmi výrazným, ale dost dobře i nejvýraznějším faktorem ovlivňujícím výsledky simulací modelů. Také srážky a jejich infiltrační proces do půd jsou popsány rovnicemi a zakomponovány do modelů. Pokud si uvědomíme další faktory ovlivňující hydrologickou bilanci (evapotranspirace, změny zásob v podzemních vodách, podzemní (základní) odtok) je více než zřejmé, že získat přesné vteřinové hodnoty množství protékající vody v rámci např. závěrového profilu pro povodí o ploše v řádu stovek km2 je nad míru složitý problém.
Dalším velmi důležitým faktorem jsou měřiče srážkové činnosti a jejich rozmístění na ploše povodí. Dá se říci že právě rozmístění měřicích zařízení na povodí je velký problém. Stanice jsou nákladné na pořízení, provoz a údržbu a proto není divu, že jejich počet není dostačující pro potřeby modelování, ať už v ČR nebo v zahraničí (Norsko, Francie, USA). A právě zde se nabízí využití distančních měření, jako jsou radarové odhady meteorologických srážek.Pro srovnání radarových měření se srážkoměrnými daty a reakci modelu na tyto datové vstupy je důležitým krokem matematický model dokalibrovat. Toto je proces časově velni náročný a vyžaduje velkou dávku zkušeností. V modelech však jsou i pomocné optimalizační nástroje pro jednotlivé charakteristiky modelu, kterých jsem také využil. Výsledkem byly modely, které v porovnání s měřenými daty reagovaly velmi slušně na oba typy srážkových měření. Rovněž sezónní variabilita jednotlivých komponent hydrologické bilance (evapotranspirace, infiltrace, základní odtok) tuto optimalizaci vyžaduje.
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. V některých lokalitách, z důvodu malého počtu měřících stanic, je dokonce efektivnější použití radarových 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 není používání radarových dat v praxi ještě běžnou součástí (příčinou je vlastní charakter odhadů - nepřímé měření, složité zpracování dat a komplikované charakteristiky chyb radarových odhadů), ale věřím, že podobně jako je tomu ve skandinávských zemích či ve Velké Británii, se tak v blízké budoucnosti stane. Zkušební provoz na brněnské a ostravské pobočce ČHMÚ zatím přináší optimistickou vizi.Nakonec je zde i možnost interpretace radarových odhadů v S-O simulacích metodami umělé inteligence (neuronové sítě).