Časopis Spektrum 2010

Časopis Spektrum 2010 ___________________________________________________________________________

Návrh prototypu komplexního systému včasného varování před povodněmi z přívalových srážek Design of early warning complex system prototype for flash flood events Jan Unucka, Doc. RNDr., Ph.D.1, Veronika Říhová, Ing.1, Michaela Hořínková, Ing. Mgr. 2, Ondřej Malek, Ing.1, Boris Šír, RNDr., Ing.2, Michal Podhorányi, Ing.2, Vladimíra Kolářová, Mgr.2, Vladimír Těthal, Mgr.2, Branislav Devečka, Ing.2, Marie Vyležíková, Bc.1, Dušan Židek, Ing.3, Vladimír Fárek, Ing.4 1

Institut geologického inženýrství, Hornicko-geologická fakulta, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR {jan.unucka, veronika.rihova, ondrej.malek, marie.vylezikova.st}@vsb.cz 2 Institut geoinformatiky, Hornicko-geologická fakulta, VŠB-TU Ostrava, 17. listopadu 15, 708 33 Ostrava-Poruba, ČR {michaela.horinkova, sir.boris, michal.podhoranyi, vladimira.kolarova, vladimir.tethal, branislav.devecka}@vsb.cz 3 Český hydrometeorologický ústav, pobočka Ostrava K myslivně 3/2182, 708 00 Ostrava-Poruba [email protected] 4 Český hydrometeorologický ústav, pobočka Ústí n. Labem Kočkovská 18/2699, 400 11, Ústí nad Labem [email protected] Abstrakt Náhlé povodně z přívalových srážek z roku 2009 a 2010 přinesly značné materiální škody a často představovaly bezprostřední riziko pro zdraví či životy obyvatel. Mechanismy hydrologické prognózy ve vztahu k regionálním srážkám a povodním jsou již několik let využívány a validovány, avšak co se týče povodní vyvolaných právě přívalovými dešti, je prognóza stále velice obtížná. Přívalové srážky jsou z hlediska prostorového rozlišení numerických meteorologických modelů jevem mimoměřítkovým. Významným problémem je taktéž fakt, že odtok srážkové vody se za takovýchto situací často odehrává mimo koryta toků. Jako vhodné východisko pro včasné varování před výskytem tohoto typu přírodního rizika se proto jeví řešení založené na komplexní analýze rizikových faktorů a jejich konfrontace s aktuální či predikovanou hydrosynoptickou situací. Výstupem práce autorského týmu je návrh metodiky a systém včasného varování na základě efektivních analýz vstupních dat z NWFS a meteorologických radarů pomocí GIS a distribuovaných hydrologických modelů, jehož hlavní výhodou je časová, prostorová a kvalitativní škálovatelnost.


Abstract Flash floods from the severe storms that have occurred in years 2009 and 2010 brought huge material damages and risk for the health and life of the affected areas inhabitants. Hydrologic forecast systems are quite well established and validated for the regional floods but flash floods from severe storms are quite complicated issue in the sense of their proper prediction. Flash floods are beyond the resolution of the numerical weather forecast systems (NWFS). Another big issue is fact, that runoff of flash floods is frequently outside of the river channels. The complex and multi-perspective analysis of the landscape response to the severe storm and high precipitation intensity seems to be effective basis. Results of our work is the prototype of methodology and application of the early warning system based on GIS, hydrological modeling and effective analysis of the radar and NWFS products, which main advantage is principle of spatial, temporal and qualitative scalability. Klíčová slova: přívalová srážka, blesková povodeň, GIS, hydrologické modely, varovné systémy Keywords: convective rainfall, flash flood, GIS, hydrologic models, warning systems Úvod, motivace Přívalové srážky a bleskové povodně byly ve středoevropském prostoru často považovány za určitou anomálii, jejíž výskyt patří spíše do tropických oblastí a u nás nastane jen s malou pravděpodobností. Přesto situace z minulých let jasně naznačují, že je to jev, s jehož výskytem je lépe počítat (červen 1987 - Dřevnice a Vsetínská Bečva, červen 1995 - Litavka, červen 1996 - povodí Opavy na Bruntálsku, červenec 1998 - Dědina a Bělá na Rychnovsku, srpen 2005 Olše, červen 2009 - Luha a Jičínka v povodí Odry a konečně červen 2010 - Kamenice v povodí Labe). Přívalové srážky neboli srážky konvektivní (často také označovány jako přívalové deště) jsou jevem prostorově a časově omezeným a tedy problematickým hned z několika hledisek, přičemž ta nejdůležitější hlediska jsou (upraveno podle Řezáčová et al. 2007, Wohl ed. 2000): - obtížná lokalizace místa a času spadu přívalových dešťů pomocí numerických atmosférických modelů (NWFS) typu ALADIN, WRF/MM5, GFS - obtížná měřitelnost přesného úhrnu takového typu srážky srážkoměrnou sítí z důvodu omezeného prostorového dosahu srážkoměrů či reprezentativnosti jejich umístění Z hlediska meteorologické prognózy a numerických atmosférických modelů se jedná o tzv. mimoměřítkový jev (jev pod prostorovou rozlišovací schopností


numerických modelů), což se často řeší pomocí tzv. downscalingu a změnami prostorového rozlišení modelových domén. Tyto faktory vedou nutně k tomu, že záchranné profesionální či dobrovolnické sbory reagují na kusé a nepřesné informace o výskytu, charakteru a dalším vývoji této situace, což často snižuje možnosti efektivního a včasného plánovaní zásahů. Z výše uvedeného je tedy zřejmé, že se jedná o fenomén, který nelze podceňovat a hledání adekvátního mechanismu pro včasné varování a zmírnění dopadů je zde plně na místě. Existuje několik přístupů, jedním z hojně zmiňovaných jsou lokální varovné systémy. Ty mohou vcelku dobře posloužit v rámci menšího územního rozsahu (obec, malé povodí), pro větší území (aglomerace, okres, povodí 3. řádu) nebo ČR jako celek je však nutno hledat jiné efektivní a provozuschopné řešení. Toto řešení musí být dostatečně přesné, rychlé a robustní, tedy relativně nenáročné na operativní vstupní data. Přídavnou hodnotou by pak měla být modularita řešení, tzn. možnost dalšího rozšíření dle aktuálních potřeb provozovatele či odběratele informace. Důležitým faktorem je rovněž i časová, prostorová a kvalitativní škálovatelnost celého řešení, tzn. možnost změn časového kroku importu dat a produkce výsledků, změna rozlišení pro územní celky různého řádu (povodí) či rozlohy (km2) a konečně i možnost volby typu a komplexity nástroje v relaci na časovou a prostorovou škálu – viz obrázek 1.

Obr. 1. Princip časové, prostorové a kvalitativní škálovatelnosti systému Tato hlediska byla zohledněna při vývoji metodiky stanovení zranitelnosti území vůči přívalové srážce transformované finálně do vývoje prototypu aplikace pro operativní stanovení zranitelnosti území během různých hydrosynoptických


situací a tedy různých variant výskytu přívalových srážek. Tato aplikace svou podstatou a zaměřením tedy podporuje vznik operativního varovného systému využívaného kompetentním orgánem s elementárním odborným zázemím na úrovni geoinformačních technologií. Práce výzkumného týmu na metodice a prototypu finální aplikace lze rozdělit do základních 4 skupin: 1. zpracování dat o území s pomocí geografických informačních systémů (dále jen GIS), tvorba specializovaných odvozených GIS vrstev v ArcGIS, GRASS GIS a SAGA GIS 2. výstavba distribuovaných hydrologických modelů s využitím vrstev vytvořených v bodě 1 3. simulace vlivu přívalové srážky na území s pomocí GIS a hydrologických modelů a stanovení koeficientů pro jednotlivé faktory ovlivňující zranitelnost území vůči přívalové srážce 4. výstavba a testování finálního prototypu aplikace Prototyp aplikace je schopen determinovat zranitelnost území vůči nadcházející či probíhající srážce v rozsahu celé ČR a v míře detailu dle potřeb zadavatele/uživatele. Výpočet je relativně rychlý v závislosti na hardwarovém vybavení. Na běžné pracovní stanici může výpočet trvat pouze několik minut, s potenciálním využitím technologií HPC (High Performance Computing) a paralelních výpočtů se efektivita a rychlost této technologie znásobuje. Výstupem je pak GIS mapa či obrázek zranitelnosti území, kde jsou klasifikovány nejvíce ohrožené oblasti povrchovým odtokem a dalšími doprovodnými jevy (např. odtokem erodovaných půdních částic či hrubší frakce apod.). Příslušný orgán pak bude moci včas vytipovat nejvíce ohrožená území a vydat výstražné zprávy v souladu s legislativním rámcem Hlásné a předpovědní povodňové služby (HPPS). Hlavní výhodou tohoto přístupu je kontinuální pokrytí libovolného území (na rozdíl od lokálních varovných systémů) a rychlost výpočtu i pro větší územní celky. Další výhodou tohoto přístupu je prakticky neomezená možnost aktualizace vstupních dat a možnost importu dat z různých zdrojů (staniční síť ČHMÚ, podniků Povodí, lokální varovné systémy, meteorologické radary, předpovědi NWFS) - tedy naplnění požadavku udržování aplikace ve stavu reflektujícím aktuální přírodní a hydrologické podmínky na povodí. Aplikaci lze pak v tomto kontextu finálně charakterizovat jako nástroj včasného varování a vytipování zranitelných míst, na které se lze v další iteraci zaměřit v analýzách pomocí distribuovaných hydrologických modelů.


Jako vstup srážek pro větší území (např. povodí 3. řádu) může být implicitně používán radarový snímek díky jeho nejlepšímu podchycení prostorové variability srážky. Ten může být kombinován s měřením ve staniční síti. Na úrovni predikce je vstupem predikovaná srážka z NWFS modelu typu ALADIN, popř. dalšího při dodržení formátu dat (rastr, souřadný systém atd.). Interpolovaný rastr srážek naměřených staniční sítí může do aplikace vstoupit taktéž, byť tato varianta vstupních dat není pro konvektivní srážky příliš vhodná. Konečným výsledkem je tedy nástroj, který s využitím primárních a odvozených GIS vrstev, koeficientů stanovených s pomocí hydrologických modelů a datovou vrstvou vstupní srážky určité intenzity a trvání odvodí zranitelná území. Tedy území, kde se dá s velkou měrou pravděpodobnosti očekávat deficit v kapacitě území pojmout tuto srážku a transformovat ji na méně ničivé formy odtoku (odtok podpovrchový, soustředěný odtok v korytech toků a inundacích). Také nechráněná zemědělská půda nebo půda s nevhodnou kulturou může finální jev zhoršit zvýšenou erozí během přívalové srážky a transportem erodovaných sedimentů do nižších poloh. Potenciál GIS na úrovni analýz zranitelnosti území Geografické informační systémy se v hydrologii a vodním hospodářství používají již delší dobu a bez nadsázky lze konstatovat, že zejména v kombinaci s hydrologickými modely představují jednu z nejpokročilejších aplikací geoinformačních technologií. Tento potenciál ještě umocňuje využití dálkového průzkumu Země (DPZ). Pokud proces vzniku bleskové povodně z přívalových dešťů abstrahujeme do základních mechanismů a parametrů, lze jeho charakter a průběh označit za výslednici parametrů reliéfu, půd, vegetačního krytu, intenzity a délky trvání příčinné srážky a předchozích hydrologických podmínek na povodí. Tento základní soubor determinuje výšku povrchového odtoku a jeho případnou extremitu. Zároveň pro všechny tyto parametry či procesy představuje GIS vhodný a efektivní nástroj, přičemž nelze zanedbat i grafickou úroveň výstupů a jejich geografický aspekt, což mj. interpretaci sledovaného jevu či parametru i pro laiky. Úlohu GIS lze tedy rozdělit do čtyř základních skupin: 1. předběžné analýzy území a stanovení zranitelnosti území 2. zpracování operativních geodat pro účely hydrologického modelování (např. radarové odhady srážek, interpolace bodových měření) 3. schematizace povodí pro hydrologické modely (semidistribuované a distribuované), tzv. preprocessing


4. vizualizace výstupů hydrologických modelů, tzv. postprocessing Povrchový odtok je spolu s podpovrchovým odtokem, jenž se dále dělí na hypodermický odtok (interflow) a odtok v nasycené zóně (tzv. základní odtok neboli baseflow) jedním ze základních mechanismů srážkoodtokového procesu v povodí. Jak již bylo zmíněno výše, povrchový odtok vzniká překročením infiltrační kapacity půdy (infiltration excess, tzv. Hortonův odtok neboli Hortonian flow), překročením retenční kapacity (odtok ze saturace, saturation excess neboli Dunneho odtok) a opětovnou exfiltrací vody v nižších částech svahu (return flow). Pokud je překročena infiltrační kapacita půdy, je charakter povrchového odtoku ovlivňován zejména morfometrií terénu. Pro stanovení hlavních morfometrických charakteristik lze využít analytických nástrojů ArcGIS a jeho extenzí, GRASS GIS a SAGA GIS. Existují i další produkty a nástroje, jako je např. TAPES či SEXTANTE GIS (extenze pro OpenJUMP), přesto lze označit první tři zmíněné softwarové produkty za ty nejrozšířenější, mimo jiné také proto, že mají přímou vazbu na srážkoodtokové modely, což je nezanedbatelný faktor. Pomocí různých algoritmů se z digitálního výškového modelu území (dále DEM) získávají mimo jiné parametry Flow direction (dále FD) - směr odtoku a následně Flow accumulation (dále FA) – akumulace odtoku. FD určuje způsob, směr jakým je uskutečněn odtok z buňky do další/dalších níže položených buněk a globálně tak modeluje tok materiálu terénem. Takto lze hovořit o cestě, dráze odtoku – tzv. flowpath. FA potom určuje, kolik materiálu (vody) proteče každou buňkou. Čili kolik buněk je odvodňováno přes konkrétní buňku. Protože jsou buňky navzájem spojené, lze určit kumulativní množství materiálu, který projde každou buňkou. Je-li hodnota každé buňky rovna jedné, lze hovořit o tzv. upstream element map. Po vynásobení každé buňky patřičným akumulačním operátorem lze určit množství materiálu, který projde buňkou v (kvazi)reálném prostředí (Wilson et Gallant 2000, Fárek et Unucka 2010). Krom těchto základních analytických operací je pro tvorbu relevantních vrstev zranitelnosti území vůči přívalovým srážkám a také preprocessing dat pro potřeby srážkoodtokových modelů provést i další analýzy pomocí specializovaných nástrojů, jako jsou např. moduly r.watershed, r.terraflow, r.topidx nebo r.slope.aspect pro GRASS GIS či skupina modulů Terrain Analysis v SAGA GIS. Pomocí těchto nástrojů lze odvodit další důležité parametry terénu a případně připravit data pro srážkoodtokové modely typu TOPMODEL či SIMWE. Přímou schematizaci povodí pro potřeby srážkoodtokových modelů pak umožňují nástroje ArcGIS/HEC-GeoHMS (pro model HEC-HMS), SAGA GIS (pro modely TOPMODEL a IHACRES), specializované extenze ArcView GIS 3.x (pro modely SWMM, HEC-HMS) nebo WMS (pro modely GSSHA, HEC-1 a HSPF).


Možnosti modelování bleskových povodní v hydrologických modelech Pro tento typ analýz se bezesporu nejvíce hodí distribuované srážkoodtokové (so) modely. Distribuovaný srážkoodtokový model představuje ve své podstatě systém, kdy je modelovaná doména (území) rozděleno na rastr (grid) s buňkami o určité velikosti (rozlišení gridu) a těmto buňkách jsou přiřazovány parametry z hlediska srážkoodtokového procesu, výpočet probíhá na úrovni horizontální a vertikální komunikace těchto buněk a konečně jsou pro jednotlivé buňky vizualizovaný i výsledky modelu (simulace). Výhodou distribuovaných modelů je tedy zejména detailnější parametrizace území a dále pak menší zatížení chybou na úrovni vstupních srážek – primárně prostorová data např. z družic nebo meteorologických radarů se neinterpolují, ale jsou reprezentována dalším souborem buněk s hodnotami vstupní srážky. Nevýhodou je často absence dat o dostatečné kvalitě, což je faktor, u kterého lze pozorovat zejména v posledních letech znatelné zlepšení. Mezi tento typ modelů lze zařadit např. programové prostředky MIKE SHE, GSSHA, SIMWE, TOPMODEL s tím, že se jedná o srážkoodtokové modely různého stupně komplexity z hlediska simulovaných procesů a uživatelského rozhraní. Dalším faktorem je i platforma OS a GIS, na které jsou uvedené programové prostředky schopny provozu. Některé modely jsou primárně určeny pro OS Windows a platformu ESRI, jiné pro OS UNIX/Linux a platformu GRASS či SAGA. Některé semidistribuované modely typu HEC-HMS umožňují i částečný distribuovaný režim pro vybrané hydrologické parametry nebo srážkové vstupy – např. import gridů radarových odhadů srážek ze sítě NEXRAD či parametry metody Green-Ampt (Unucka 2010). V poslední době se v oblasti kombinace GIS a hydrologických modelů uplatňuje i open source řešení MapWindow, které v současnosti existuje pro hydrologické a erozní modely SWAT, AGNPS a BASINS. Dalším důležitým faktorem je i možnost komunikace konkrétního programového prostředku s ostatními moduly infrastruktury a matematickými modely. V tomto ohledu nabízejí nejpokročilejší možnosti produkty DHI / MIKE a USACE / HEC. Programové prostředky těchto konsorcií umožňují vzájemnou komunikaci srážkoodtokových a hydrodynamických modelů a to jak na úrovni uživatelských, tak na úrovni serverových řešení. Nejkomplexnější nástroje v tomto ohledu z pohledu uživatelů představují platformy ArcHydro (ESRI + HEC) a MIKE FLOOD. Na úrovni serverových řešení je to opět ArcHydro (Maidment et al. 2002, Unucka 2010), a nebo systém Floreon+ (Vondrák et al. 2007, Martinovič et al. 2008, Unucka et al. 2009), na jehož vývoji se podílí i kolektiv autorů. MIKE FLOOD představuje nedocenitelný potenciál zejména v urbanizovaných územích, kdy se do výsledné hydrologické situace propaguje i vliv kanalizačních systémů.


Obrázek 2 demonstruje možnosti nejkomplexnějšího s-o modelu MIKE SHE. Výhodou tohoto integrovaného prostředí je zejména to, že projekt s-o modelu lze budovat modulárně. Lze postupovat od nejjednodušší varianty pouze s DMR a vstupní srážkou, která zanedbává spoustu komponent s-o procesu (intercepce, evapotranspirace, infiltrace, perkolace, základní odtok) až po variantu, která všechny tyto komponenty implementuje a numericky či analyticky řeší, popř. přímo komunikuje s hydrodynamickým modelem MIKE 11 nebo modelem urbánních stokových sítí MIKE URBAN. Rastrové výsledky je přitom možné exportovat do GIS a dále vizualizovat či analyzovat. Další typy výsledků lze uložit ve formě ESRI shapefile či CAD formátech (DXF, DWG apod.).

Obr. 2. Výstup z modelu MIKE SHE (rastr povrchového odtoku), horní část povodí Odry a epizoda červen 2009. TOPMODEL (angl. TOPography based hydrological MODEL) je vyvíjen od 70. let minulého století a hlavní ideou tvůrce tohoto modelu prof. Keitha Bevena je, aby byl model transparentní a snadno přizpůsobitelný požadavkům uživatele tak, aby parametrizace modelu a simulace vybraných jevů co nejvíce reflektovala podmínky aktuálního povodí. Je tedy zjevné, že primární roli zde hraje topografie povodí, byť jsou ostatní parametry (hydraulické vlastnosti půdního profilu ad.) v dostatečné míře parametrizovány a v simulaci zahrnuty rovněž. TOPMODEL je vyvinut nejen jako modul pod GRASS GIS a SAGA GIS (nebo dále i hydrologické modely jako WIS nebo HyGIS), ale i jako samostatný programový prostředek. Jeho demo verze a zkušební balík dat je volně ke stažení na www stránkách Lancaster University: http://www.es.lancs.ac.uk/hfdg/freeware/hfdg_freeware_top.htm . Modul r.topmodel je již implicitně zahrnut jako modul TOPMODEL ve verzi GRASS GIS 5.3.0 a vyšší, popř. jako modul TOPMODEL v SAGA GIS. Tento


srážko-odtokový model řeší predikci překročení retenční a infiltrační kapacity a následně vznik povrchového a hypodermického odtoku. Jedná se o plně distribuovaný (GRASS) nebo semidistribuovaný model (samostatná instalace mimo prostředí GIS). Mezi hlavní kapacity modelu patří i možnost kalibrace parametrů pomocí simulace Monte Carlo a metodikou GLUE (Beven 2002, 2009). Vstupní parametry modelu zahrnují hydrologická a topografická data a parametry. Požadovaná hydrologická data jsou srážky, evapotranspirace a údaje o proudění. Základním topografickým vstupem je DEM simulovaného povodí, který dále slouží pro výpočet topografického indexu a některých dalších charakteristik povodí. Výstup z modelu TOPMODEL ilustruje obrázek 3.

Obr. 3. Výstupy z programového prostředku TOPMODEL, povodí Červíku v Beskydech

Obr. 4. Výstup z modelu SIMWE v GRASS, povodí horní Ostravice


Výběr z výsledků pro srážkovou epizodu červen 2009 V poslední červnové dekádě se vytvořila situace, při které se k nám od východu dostával vlhký a teplý vzduch. Tyto situace jsou v letním období méně četné. Ve střední Evropě v této části roku všeobecně spíše převládá přenos vzduchových hmot od západu na východ. V uvedeném případě šlo o tzv. východní cyklonální situaci (Vc), kdy se kolem středu tlakové níže nad Středozemním mořem (Balkánským poloostrovem) dostává do střední Evropy vzduch nasycený vodní parou ze Středomoří nebo i z oblasti Černého moře (viz obr. 5). Tlaková níže se středem nad Balkánským poloostrovem zůstávala téměř bez pohybu na stejném místě až do konce měsíce, po jejím severním okraji k nám proudil teplý a velmi vlhký vzduch od Černého moře ve všech hladinách atmosféry. Úvod období je možno vymezit teplou frontou dne 22. 6., která přes naše území přešla od východu. V následujícím období od 23. 6. byla denně zaznamenána v regionu bouřková činnost s výskytem lokálních povodní typu flash flood.

Obr. 5. Synoptická situace 26. června 2010. Zdroj dat: ČHMÚ

Obr. 6. Srážkové úhrny 25.6.2010. Zdroj dat: ČHMÚ


Povětrnostní situace se vyskytovala po celé období trvání na přelomu června a července 2009 a způsobila téměř čtrnáctidenní období se silnými bouřkami nejen v České republice, ale i v jejím širším okolí (viz obr. 6). Výsledky z distribuovaných a semidistribuovaných srážkoodtokových modelů pak ilustruje obrázek 7.

Obr. 7. Povrchový odtok v povodí Ostravice, výstup z modelu MIKE SHE Obrázky 7 a 8 demonstrují možnosti uvedeného prototypu a výsledky jeho testování mj. na srážkové epizodě z června 2009. Semidistribuované modely typu HEC-HMS a HYDROG primárně generují informace o průtocích ve zvolených profilech hydrografické sítě (jako jsou závěrové profily subpovodí, hlásné a předpovědní profily HPPS ČR) a výstupem je především hydrogram (graf změn průtoku v čase). Existuje zde tedy určitý předpoklad znalosti území ze strany uživatele, aby byl schopen profil územně lokalizovat v hydrologickém či inženýrském kontextu. Plně distribuované modely typu MIKE SHE, TOPMODEL a SIMWE produkují rastrová či vektorová GIS data, které lze jednak zobrazit v GIS uživatele různého typu (hydrologická prognóza, CTV IBC, orgán územní samosprávy) a jednak lze kombinací vhodných geografických dat bezprostředně lokalizovat konkrétní hydrologický jev, a to včetně povrchového odtoku mimo koryta toků apod. Přesnost výpočtu semidistribuovaných modelů HEC-HMS a HYDROG pro tuto epizodu


demonstruje obrázek 8, přesnost plně distribuovaných modelů MIKE SHE a SIMWE je plně srovnatelná. Epizoda červen 2009 140 Měřený průtok 120

Simulace HYDROG Simulace HEC-HMS

průtok [m 3.s-1]

100

80

60

40

20

27.6.2009

26.6.2009

25.6.2009

24.6.2009

23.6.2009

22.6.2009

21.6.2009

20.6.2009

19.6.2009

18.6.2009

17.6.2009

16.6.2009

15.6.2009

0

datum

Obr. 8. Srovnání výsledků modelů HEC-HMS a HYDROG s měřeným průtokem. Závěrový vodoměrný profil povodí Ostravice. Možnosti modelování povodní z přívalových srážek v řešení typu klientserver Toto řešení má své silné opodstatnění vyplývající zejména z následujících hledisek: 1. přenesení náročných výpočtů z pracovní stanice na výkonný server či cluster 2. minimalizace nároků na (geo)informatické znalosti uživatele (odběratele informace) 3. možnost paralelních výpočtů a scénářů (např. „co se stane, když bude srážkový úhrn dvojnásobný“) 4. modulární řešení a logika systému minimalizují chyby vzniklé z nízkého stupně uživatelské erudice či faktoru stresu během extrémní situace


I když nelze v tuto chvíli rozhodně tvrdit, že je toto řešení příslovečným všelékem, projekty typu ArcHydro, FAS3 či Floreon+ poukazují na jeho životaschopnost. Další informace o projektu ArcHydro lze nalézt na odkazu: http://resources.esri.com/arcHydro/ O projektu FAS3 pak lze nalézt informace na odkazu: http://fas3.flood-alert.org/#Home:Home V poslední době je zajímavou aktivitou Flash Flood Guidance NOAA, jejíž stěžejní principy reflektuje i aktuální přístup ČHMÚ ve vztahu k bleskovým povodním: http://www.srh.noaa.gov/rfcshare/ffg.php Zatímco zahraniční projekty ArcHydro či FAS3 jsou do značné míry závislé na platformě OS či GIS řešení (ESRI), projekt Floreon+ byl od svého začátku definován a budován jako modulární. Každý GIS nástroj i hydrologický model je zde pouze modulem, který má definována svá komunikační rozhraní v rámci architektury systému, která je otevřená a odehrává se pomocí webových služeb. To značnou měrou usnadňuje paralelizaci výpočtů, popř. distribuci systému na více strojů. Tyto faktory pak umožňují splnit to základní kritérium – rychlost výpočtu a vydání předpovědi. (Vondrák 2007, Unucka, Martinovič et al. 2009). Další informace lze nalézt na odkazu: http://www.floreon.cz/Web/About/cz/Base%20info.aspx Takto navržené a vybudované řešení pak splňuje několik důležitých vlastností ve vztahu k bleskovým povodním: 1. rychlost výpočtu (HPC, clustery) 2. paralelní výpočty (současný výpočet několika srážkoodtokových modelů či modelu s různými parametry) 3. automatická oprava chyb a výpadků ve vstupních datech, náhrady vstupních dat apod. 4. možnost budování znalostní báze pro zvýšení spolehlivosti a kapacit expertního systému 5. automatická produkce GIS vrstev pro vizualizace na straně klientů 6. možnost nastavení uživatelských profilů a tím i styl komunikace klienta se serverem, popř. možností jeho zásahu do výpočtu V tomto systému je tedy hydrologický model jako HYDROG, HEC-HMS, MIKE SHE, SIMWE, GSSHA či TOPMODEL jen dalším výpočetním modulem


a po návrhu jeho komunikačních rozhraní je pak plně provozuschopný v rámci celé infrastruktury systémy.

Závěr, diskuze Výše uvedené se snažily ilustrovat potenciál GIS a numerických modelů pro analýzy odezvy povodí na konvektivní (přívalovou) srážku. Pokud se tento potenciál vhodně kombinuje s adekvátními výstupy z NWFS (Numerical Weather Forecast Systems) typu GFS a ALADIN či metodami velmi krátkodobé předpovědi (tzv. nowcastingu), jaké v ČR představuje systém COTREC, lze vybudovat prediktivní nástroj, který má ve srovnání s lokálními varovnými systémy hned několik výhod. Tou nejdůležitější je právě onen prediktivní prvek, který představuje výhodu časové rezervy před nástupem samotné přívalové srážky a její propagace v povodí. Další výhodou je prostorová nezávislost a neomezenost podobného systému – je přenositelný na jiná území a velikost modelovaného území je omezena prakticky jen výkonem pracovní stanice či serveru. Jakkoliv lokální varovné systémy nelze zavrhovat, mj. i pro jejich „psychologický efekt“ v opakovaně postižených oblastech, systémové řešení založené na interoperabilitě GIS a hydrologických modelů je pro větší územní celky v současnosti to nejefektivnější. Systémy jako ArcHydro, FAS3 nebo Flash Flood Guidance NOAA v zahraničí na tuto skutečnost dostatečným způsobem poukazují. Je proto nasnadě, že tyto komplexní systémy jsou minimálně vhodným doplňkem lokálních varovných systémů. Vybudování i provoz podobného systému pro větší územní celky je daleko levnější než budování a propojení lokálních varovných systémů. Důležitým argumentem je i fakt, že čidlo jakéhokoliv typu představuje bodové měření, kdežto systémy využívající GIS a numerické modely měření prostorové a zároveň možnost importu predikce klíčových meteorologických prvků. Autorský kolektiv se snažil poukázat na principy a potenciál kombinace GIS a hydrologických modelů na úrovni varovných systémů pro bleskové povodně. Dosavadní testy na pracovních stanicích a snaha o postupnou implementaci těchto nástrojů do serverového řešení dle jejich názoru pomůže zkoumat tyto fenomény a také chránit obyvatelstvo, majetek i krajinu jako takovou. Pozn.: Příspěvek vznikl díky podpoře z grantového úkolu VŠB-TUO SP/2010101, za což by autoři rádi poděkovali.

Literatura 1. Bedient, P.B., Huber, W. C., Vieux, B. E. (2007): Hydrology and Floodplain Analysis. Lodnon, Prentice Hall


2. 3. 4.

5. 6.

7. 8. 9.

10.

11.

12.

13. 14. 15.

Beven, K. (2002): Rainfall-runoff modelling. The Primer. Chichester, Wiley. Beven, K. (2009): Environmental Modelling: An Uncertain Future ? London, Routledge, 310 s. ISBN: 978-0-415-46302-7 Fárek, V., Unucka, J. (2010): Modelování povrchového odtoku v extrémním reliéfu. In Sborník sympozia GIS Ostrava. 2010. 9 s. ISBN 978-80-248-2171-9 Chalupa, J., Šenovský, M. (2005): Ochrana kritické infrastruktury, NATO a EU. Časopis Spektrum, SPBI. 3 s. ISSN: 1211-6920. Martinovic, J., Vondrak, I., Kozusznik, J., Stolfa, S., Unucka, J. (2008): FLOREON - System for flood prediction. In ECMS. Ed. Louca LS; Chrysanthou Y; Oplatkova Z; Al Begain K . Nottingham University: European Council of Modeliling & Simulation, School Computing & Mathematics. ISBN: 978-0-9553018-5-8 Neteler M., Mitasova H. (2008): Open Source GIS; A Grass GIS Approach – Third Edition“. Springer Science Řezáčová, D. et al. (2007): Fyzika oblaků a srážek. Praha, Academia. 574 s. ISBN: 978-80-200-1505-1 Sir, B., Richnavsky, J., Bobal, P., Duricha, M., Podhoranyi, M., Unucka, J. (2009): Modelling of erosion-sedimentaion processes caused by extreme hydro-meteorological situation using GIS. Acta Montanistica Slovacica Unucka, J. (2008): Modeling of the Forest Impact on the Rainfall-Runoff Relations and Water Erosion with the GIS Support. In Vodní hospodářství, 7/2008, 2008 Unucka, J., Martinovic, J., Vondrak, I., Rapant, P. (2009): Overview of The Complex and Modular System FLOREON+ for Hydrologic and Environmental Modelling. In BREBBIA C.A. ed. (2009): River Basin Management V (Transactions on Ecology and the Environment). Wessex, WIT Press. 432 s. ISBN: 978-1845641986 Unucka, J. et al. (2010): Bleskové povodně - návrh metodiky stanovení ohrožení území a varovného systému. In Sborník sympozia GIS Ostrava. 2010. 9 s. ISBN 978-80-248-2171-9 Vondrák, I. et al. (2007): Internetové technologie a modelování krizových situací. In časopis Spektrum. SPBI. 4 s. ISSN: 1211-6920 Wilson, J.P., Gallant, J.C. (2000): Terrain Analysis. Principles and Applications. London, John Wiley & Sons. 479 s. ISBN: 978-0471321880 Wohl, E.E. ed. (2000): Inland Flood Hazards. Human, riparian and aquatic communities. Cambridge, Cambridge University Press. 498 s. ISBN: 0-521-62419-3

Časopis Spektrum 2010

Recommend Documents