Průvodce informacemi Hlásné a předpovědní povodňové služby ČHMÚ		|	Pro veřejnost	|	Pro povodňové orgány	|	Pro vodohospodáře

Průvodce informacemi Hlásné a předpovědní povodňové služby ČHMÚ pro vodohospodáře

Modelové deterministické předpovědi

Modelové deterministické hydrologické předpovědi jsou počítány na předpovědních hydrologických pracovištích Českého hydrometeorologického ústavu pravidelně jednou denně. Za normální odtokové situace se počítají jednou denně a na stránkách Hlásné a předpovědní povodňové služby (HPPS) jsou zveřejňovány nejpozději v 9:30. V případě nutnosti, při očekávaném výrazném vzestupu vodních hladin či při povodňové situaci, je výpočet modelu prováděn několikrát denně a počítány jsou i různé možné varianty vývoje.

Na území České republiky se v současné době využívají dva předpovědní systémy. V povodí Odry a Moravy se používá předpovědní systém HYDROG-S , v povodí Labe se využívá předpovědní systém AQUALOG . Předstih předpovědi dosahuje 48 hodin a v roce 2011 byly vydávány pro celkem 88 hydrologických profilů.

Oba hydrologické předpovědní systémy počítají, jak velká část srážkové vody z krajiny odteče bezprostředně po srážce a jak rychle se koncentruje do vodních toků. K tomu jsou použity matematické rovnice, které zjednodušeně popisují realitu procesů intenzity infiltrace do půdy, proudění vody po povrchu a v půdě a dalších hydrologických procesů (například akumulace a tání sněhu, evapotranspirace, pohyb vody v korytech toků, vliv nádrží aj.).

Postup zpracování předpovědi

Prvním a velmi důležitým krokem při výpočtu modelové předpovědi je příprava a zpracování vstupních dat. To je prováděno v interní databázi obou předpovědních systému (u AQUALOGu se tato databáze nazývá AquaBase, u HYDROG-S to je databázová aplikace SOMDATA). Tyto databáze jsou napojeny na operativní datovou základnu ČHMÚ a zpracovávají potřebná data z různých zdrojů.

Interní databáze umožňují kontrolu vstupních dat a jejich editaci a také vkládání hodnot předpovídaných prvků (srážky, teplota a předpokládané manipulace na nádržích). Obsluhující hydrolog při kontrole dat identifikuje chyby, nejčastěji vizuální kontrolou grafů průběhu jednotlivých veličin, opravuje a doplňuje chybějící data. Chyby v průtokových datech bývají způsobeny poruchou měřících přístrojů nebo změnou průtočnosti koryta, která komplikuje odhad průtoku (například v zimě zámrz řeky). U meteorologických vstupních dat chyby vznikají při automatickém měření srážek v důsledku jejich ucpání, namrzání apod. Hlavním zdrojem nejistoty hydrologických předpovědí jsou však nepřesné předpovědi srážek přebírané z meteorologických modelů. V praxi jsou většinou hodnoty udávané meteorologickými modely korigovány odbornými meteorology při zohlednění dalších meteorologických modelů a také podle vlastních znalostí regionu a zkušeností. Důležitým vstupem manuálně zadávaným do databáze jsou rovněž plánované manipulace na vodních nádržích, které hydrologům ČHMÚ předávají dispečinky státních podniků Povodí.

Zkontrolovaná a opravená data vstupují do vlastního předpovědního systému, který při výpočtu postupuje stejně jako voda, tedy od povodí ležící v pramenné oblasti do dolních úseků řek. Výpočet probíhá interaktivně a hydrolog-prognostik na základě shody mezi výpočtem a realitou v minulém období upravuje nastavení modelu (úprava počátečních podmínek výpočtu, jako je nasycenost povodí, množství sněhu, úprava vybraných parametrů modelu) nebo přímo edituje předpovědní hydrogram. Ani tak však dokonalá shoda mezi simulací modelem a realitou není, kvůli nezbytnému zjednodušení popisu reality modelem, možná.

Posledním krokem v procesu tvorby hydrologické předpovědi je příprava a kontrola výstupů a jejich distribuce uživatelům. Kromě vlastních předpovědních hydrogramů je vytvářena i textová verze předpovědi pro jednotlivá povodí doplněná komentářem hydrologa o očekávaném vývoji hydrologické situace.

Předpovědi pro vybrané profily poskytovány přímo dispečinkům státních podniků Povodí a pro ostatní uživatele jsou přístupny na internetových stránkách Hlásné a předpovědní a povodňové služby ČHMÚ.

Schéma hydrologických systémů AQUALOG a HYDROG-S

Předpovědní systém HYDROG-S

HYDROG-S je srážkoodtokový distributivní model určený k simulaci povodňových situací v povodí, vydávání operativních předpovědí průtoků v říční síti povodí a operativnímu řízení vodohospodářských děl. V ČHMÚ je používán pro výpočet předpovědí na regionálních předpovědních pracovištích v Ostravě a v Brně pro povodí Moravy a Odry. Model používá schematizaci povodí, které je popsáno prostřednictvím grafů s vyznačením tzv. zavěšených ploch, hran a vrcholů, jejich pozice a funkce v grafu je dobře patrná z následujícího schématu.

V grafu hrany představují koryta, vrcholy reprezentují uzly říční sítě nebo místa vodohospodářských zařízení, plochy odpovídají jednotlivým dílčím povodím (mezipovodím), z nichž je odtok realizován do příslušného úseku koryta toku. Schématizované plochy grafu zachovávají velikost plochy povodí a jsou jim přiřazeny i další parametry povodí (sklon, drsnost povrchu, délka povrchového odtoku a hydrologická vodivost), které jsou považovány za konstantní v dané ploše. Hodnota parametrů drsnosti a hydrologické vodivosti se mění v průběhu roku v závislosti na vývoji vegetace.

HYDROG-S při srážkoodtokovém modelování respektuje počáteční ztrátu infiltrací. Ostatní srážky pak tvoří plošný odtok, který je transformován za použití jednotkového hydrogramu do koryta toku. Povrchový odtok z povodí se skládá z plošného odtoku ze zavěšených ploch a koncentrovaného odtoku v říční síti. Numericky je odtok řešen kinematickou vlnovou aproximací Saint-Venantových rovnic pro neustálené proudění. Podzemní (bazální) odtok je počítán koncepčním regresním modelem, který v povodí uvažuje jedinou podzemní nádrž. Velikost odtoku z této nádrže je v každém časovém kroku rozpočítána do dílčích povodí (ploch) na základě poměru jejich velikostí.

Pro simulaci chování vodních děl (nádrží) HYDROG-S využívá metodu Runge-Kutta IV. řádu. Simulace tání sněhu je řešena kalibrovaným degree-day modelem.

Model HYDROG-S je koncipován tak, aby nevyžadoval kontinuální provoz a bylo ho možné spustit pouze v případě výskytu povodňové situace. Počáteční podmínkou výpočtu je proto znalost velikosti a rozdělení podzemního odtoku. Zároveň počáteční povrchový odtok vody na zavěšených plochách musí být roven nule. Počátek výpočtu tedy musí spadat do bezesrážkového období před vznikem povodně.

Při vlastním výpočtu se spouští algoritmus určený pro předpovědi průtoku vody ve vybraných profilech říční sítě. Model nejprve simuluje chování celého povodí (systému) v minulém období, jehož délka je závislá na situaci v povodí a nejbližším předchozím období. Simulace musí začínat v období ustáleného proudění a je ukončena v čase výpočtu předpovědi, kdy je znám průběh průtoků ve všech úsecích systému a stav hladin ve všech nádržích. HYDROG-S v tomto okamžiku provádí updating stavových proměnných v modelu dle aktuálního měření. Po updatování dojde ke spuštění výpočtu předpovědi průtoku (v budoucím období).

Předpovědní systém AQUALOG

V povodí Labe je pro operativní předpovědi průtoků používán hydrologický předpovědní systém AQUALOG , který byl do pravidelného provozu postupně uváděn mezi roky 1999 až 2001. Systém byl vyvinut pro ČHMÚ firmou AquaLogic a je inspirován předpovědním systémem NWSRFS (National Weather Service River Forecasting Systém) americké National Weather Service (NWS, 2011).

Operativně je AQUALOG používán od roku 2001. Jednotlivé regionální předpovědní pracoviště ČHMÚ (v Plzni, Českých Budějovicích, Hradci Králové, Ústí nad Labem a Praze) provozují příslušné části modelu pro povodí v jejich správě.

Vlastní systém AQUALOG se skládá z dílčích modulů simulujících jednotlivé hydrologické procesy v povodí.

Model sněhu

Pro simulaci akumulaci a tání sněhové pokrývky je používán model SNOW17. Model kombinuje oba hlavní přístupy k modelování sněhové pokrývky. Jednoduchá energetická bilance je používána v případě vypadávání kapalných srážek. V ostatních případech je používán přístup typu degree-day (tání je dáno akumulací teploty a koeficientem intenzity tání v závislosti na ní). Obě varianty vyžadují jako vstupy pouze teplotu vzduchu a množství srážek. Ostatní prvky energetických procesů jsou dopočítávány právě na základě teploty, množství srážek a odvozených parametrů (NWS, 2011)

Pro potřeby modelu mohou být povodí rozdělena do několika výškových zón, pro něž je množství vody akumulované ve sněhové pokrývce simulováno odděleně. Model tak dokáže lépe vystihnout distribuci sněhových zásob v povodí. Modelované množství sněhu v povodí je aktualizováno podle pravidelného týdenního měření a vyhodnocování zásob vody ve sněhu.

Srážkoodtokový model

Systém AquaLog používá srážkoodtokový model SACRAMENTO (SAC-SMA). Sacramento patří mezi nejznámější a nejrozšířenější modely ve světě. Jde o koncepčně fyzikální model založený na principech pohybu vody v povodí. Model operuje se soustavou vertikálně a horizontálně uspořádaných zón, resp. nádrží. Voda vstupující do systému v podobě srážek je v jednotlivých zónách buď zadržována, odčerpávána vegetací při evapotransporaci, infiltruje do v systému níže položených zón, anebo odtéká do říční sítě. Odtok tvoří šest různých složek:

• • přímý odtok, tj. odtok z ploch, jež jsou dočasně nepropustné - po dosažení nasycenosti půdní zóny,
• • odtok z nepropustných ploch,
• • povrchový odtok, míněn je odtok jako plošný jev,
• • podpovrchový odtok, tj. odtok vytvořený přebytkem vody v zónách spojených s vegetačním krytem,
• • dodatkový podzemní odtok, tj. sezónní složka celkového podzemního odtoku. Relativně proměnlivý, vytvářený z mělkých kolektorů podzemních vod (zóna mělkého proudění),
• • primární podzemní odtok, vytvářený ze zásob s dlouhou dobou zdržení v povodí, tj. odtok především z hlouběji uložených kolektorů (zóna hlubokého proudění).

Úspěšnost modelu je závislá na kvalitě vstupních dat a na dobré kalibraci hodnot parametrů, které je možné v operativním provozu v případě nutnosti dále upravovat. Model je v operativě ČHMÚ provozován kontinuálně v hodinovém výpočetním kroku. Počáteční podmínky (naplnění jednotlivých zón modelu) jsou přenášeny mezi jednotlivými výpočty modelu. V operativním provozu je prováděna jejich interaktivní optimalizace na základě asimilace pozorovaných průtoků (Daňhelka, 2007).

Model 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. Model může být dále rozšířen o definování odtokových objemů na vodních dílech. ČHMÚ v operativním provozu tento model nevyužívá a vkládá do předpovědního systému hodnoty naměřeného a předpokládaného odtoku z nádrží poskytované s.p. Povodí.

Modely pohybu vody korytem toku

Simulace pohybu vody v korytě toku je v systému AquaLog řešena většinou modely TDR a Muskingum-Cunge, nebo ve vybraných úsecích 1D hydraulickým modelem FLDWAV.

Model TDR využívá translačně-difusní rovnici se třemi parametry (C – postupivost v km.h-1, K – intenzita deště v mm.h-1, D – délka říčního úseku v km). Tyto parametry je možné definovat pro několik intervalů velikosti průtoku. Lze tedy zjednodušeně postihnout efekt změny rychlosti postupu a postupové doby mezi jednotlivými profily právě v závislosti na velikosti průtoku.

Model Muskingum-Cunge využívá linearizovanou kombinaci klasické rovnice kontinuity a zjednodušeného tvaru rovnice momentů. Tato kombinace umožňuje řešení včetně transformace povodňové vlny, avšak není použitelná pro speciální jevy typu zpětného vzdutí, či průlomových vln.

Model FLDWAV je hydraulický model pro stromové i okružní říční sítě. Je standardním hydraulickým modelem nestacionárního proudění ve stromové říční síti, využívající implicitní schéma Preismana. Pracuje pro stromové i okružní sítě a umožňuje aktualizaci (updating) řešení v dolním uzávěrovém profilu.

Interaktivní nástroje systému AQUALOG

Interaktivní režim předpovědi v systému AquaLog umožňuje hydrologům tři základní možnosti ovlivnění průběhu výpočtu a jeho výsledků: změnu (optimalizaci) počátečních podmínek výpočtu, změnu parametrů modelu a interaktivní updating předpovědi.

• Optimalizace počátečních podmínek je založena na předpokladu, že předchozí výpočet není zcela přesný. Jeho výsledky jsou však použity jako počáteční podmínky pro následující výpočet modelu. Výpočet modelu je prováděn pro 10denní období (osm dní před okamžikem výpočtu a dva dny vlastní předpovědi). Automatický optimalizační proces spočívá v iteračním pokusu o odhad počátečních podmínek (v jistých nastavených mezích) tak, aby simulovaná průtoková řada co nejlépe odpovídala řadě pozorované v prvních osmi dnech výpočtu.
• Modul MODS umožňuje manuální změnu některých počátečních podmínek (nasycení jednotlivých zón, množství sněhu) a vybraných parametrů (například velikost faktoru tání sněhu) modelu hydrologem. Změny jsou prováděny na základě vyhodnocení aktuální situace, když hydrolog usoudí, že modelem předpokládané počáteční podmínky nejsou v souladu s reálnou situací v povodí, nebo, že je nezbytné učinit dočasnou změnu parametrů modelu, protože se situace odlišuje od „typického“ stavu či průběhu hydrologických procesů, na něž je model nakalibrován
• Modul Update slouží k řešení problematiky updatingu. Updatováním se rozumí úprava předpovědi takovým způsobem, aby plynule navazovala na poslední naměřenou hodnotu. Úprava je nezbytná zejména z pohledu plynulého průběhu průtoku v níže ležících profilech. Updating je většinou prováděn prostým vertikálním posunem celé předpovídané řady. V některých specifických případech však prostý vertikální posun hydrogramu může být zavádějící a hydrolog má proto možnost editovat celý průběh předpovědního hydrogramu.

Průvodce informacemi Hlásné a předpovědní povodňové služby ČHMÚ		|	Pro veřejnost	|	Pro povodňové orgány	|	Pro vodohospodáře