OBSAH PŘEDNÁŠKY 1/ ÚČEL MĚŘENÍ SRÁŽEK 2/ TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA - klasická filosofie - současná filosofie
MĚŘENÍ SRÁŽEK
3/ DRUHY SRÁŽEK 4/ ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY DEŠTĚ 5/ POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA 6/ UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU 7/ PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK
ÚČEL
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
• K čemu jsou srážková data v městském odvodnění? - Návrh stokového systému (objektů) 1/ Odhad množství povrchového odtoku
Qmax = q . . A
Klasická filosofie
Současná filosofie
Historická dešťová řada
Historická dešťová řada (X dešťů)
Statistické zpracování
návrh dimenzí potrubí
- Posouzení funkce stokového systému (objektů)
X efektů v síti
Syntetický déšť (určitá periodicita výskytu)
1/ Kalibrace a verifikace simulačních prostředků 2/ Posouzení funkce - zatížení kalibrovaného modelu srážkou či řadou srážek 3/ Orientační posouzení funkce - zatížení screeningového (nekalibrovaného) modelu
Efekt v síti (stejná periodicita výskytu)
Statistické zpracování
- Řízení systému v reálném čase
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA Klasická filosofie
ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ • definují vztah mezi srážkou charakterizovanou její dobou trvání a úhrnem (a tedy intenzitou, resp. vydatností) a její periodicitou výskytu
RAINFALL [my-m/s]
35.0
30.0 25.0 20.0
Historická dešťová řada
15.0
• vychází ze statistického zpracování historické dešťové řady
10.0 5.0 0.0 14-9-1922
Statistické zpracování
27-1-1924
10-6-1925
• použití pro návrh stokových sítí racionální metodou Qmax = q . . A
=> ztráta informací Syntetický déšť (určitá periodicita výskytu)
• pro Čechy a Moravu odvozeny v 50.letech Ing.Truplem pro Znojmo 96 stanic
Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba 500 450 400
Efekt v síti (stejná periodicita výskytu)
vydatnost [l/s/ha]
350 300 250 200 150
p=0,05 p=0,1 p=0,2 p=0,5 p=1 p=2 p=5
100 50 0 0
20
40
60
80
doba trvání t [t]
100
120
140
t 5 10 15 20 30 40 60 90 120
5 123 78.4 56.7 44.6 31.9 25.4 18.1 13 10.1
Intenzity v l/s ha při periodicitě p 2 1 0.5 0.2 198 260 320 404 133 180 228 294 98.9 136 175 229 79.2 110 143 188 57.9 81.5 106 141 46.3 65.1 85.2 113 33.2 46.9 61.4 82 23.7 33.5 44.1 59.2 18.8 26.4 34.9 46.7
0.1 467 345 271 223 167 134 97.9 70.5 55.7
0.05 529 397 313 258 193 156 114 82.3 64.9
1
ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ
SYNTETICKÉ DEŠTĚ • odvozeny z čáry náhradních vydatností pro zachycení časového průběhu intenzity jednoho deště řada typů – blokový déšť – Šifaldův déšť – Chicago – Čížkův déšť – Dorsch Consult
Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba 500
Blokový déšť
450 400
RAINFALL [my-m/s] 14.0 13.0 12.0 11.0 10.0 9.0 8.0
vydatnost [l/s/ha]
350
7.0 6.0 5.0
300
4.0 3.0 2.0
250
1.0 0.0 17:50:00 5-5-1923
200
18:00:00
18:10:00
18:20:00
150
18:30:00
p=0,05 p=0,1 p=0,2 p=0,5 p=1 p=2 p=5
100 50 0 0
20
40
60
80
100
120
140
doba trvání t [t]
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
STATISTICKÉ ZPRACOVÁNÍ Veškeré statistické výpočty, bez ohledu na to jak sofistikované, redukují množství informací obsažených v původním záznamu. Syntéza, která je výsledkem veškerých statistických operací, je pouze užitečným nástrojem pro praktické aplikace. (Arnell a kol., 1984)
RAINFALL [my-m/s]
35.0
Současná filosofie
30.0 25.0 20.0
Historická dešťová řada (X dešťů)
15.0
10.0 5.0 0.0 14-9-1922
Ztráta informací o: tvaru, objemu, době trvání deště, maximální intenzitě, srážkové historii povodí
27-1-1924
10-6-1925
simulační prostředek ! nutná kalibrace, verifikace !
Důsledek: nereálný průběh odtoku, objem hydrogramu, špičkového průtoku
OK Simulační prostředek recipient hladinoměr/průtokoměr
Q, v, h v OK
porovnání
Q, v, h v OK
DÉŠŤ JAKO ZATĚŽOVACÍ STAV Statistika deště ≠ Statistika efektu
dešťoměr
Statistické zpracování
Statistika Reálný efektu efekt
KALIBRACE A VERIFIKACE
X efektů v síti
• čáry náhradních vydatností – blokový déšť - ztráta informace o tvaru deště - ztráta informace o maximální intenzitě - ztráta informace o objemu deště
• jiné syntetické deště - snaží se potlačit uvedené nevýhody
• reálná dešťová událost - výběr jedné reprezentativní události
• historická dešťová řada - kontinuální simulace - výběr dešťů
2
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA Návrh stokového systému Čáry náhradních vydatností
Čáry náhradních vydatností a syntetické deště jednoduché
Syntetické deště
statistika deště ≠ statistika efektu dtto; lepší popis transformace vlny
Reálné deště / hist.dešť.řada
ZDROJE SRÁŽKOVÝCH DAT
problematické použití nekalibrovaného modelu
Trupl, 1958 - Intensity krátkodobých dešťů v povodích Labe, Odry a Moravy Čerkašin, 1963 - průměrné hodnoty pro povodí Labe, Odry a Moravy Němec, 1965 - teoretické křivky pro různé oblasti …podrobnosti viz např.: Kemel (1996) - Klimatologie, meteorologie a hydrologie
Kalibrace simulačního prostředku Reálné deště
Čáry náhradních vydatností
nelze použít
Syntetické deště Reálné deště
jediná možnost
Syntetické deště Historická dešťová řada
…podrobnosti viz např.: tento předmět
Historické dešťové řady
Posouzení chování stokového systému Čáry náhradních vydatností
Vlastní střednědobý monitoring – zpravidla jedna sezóna
posuzuje fiktivní situaci, nevypovídá o dlouhodobém chování stokového systému
Český hydrometeorologický ústav Povodí Labe, Vltavy atd. Výzkumný ústav vodohospodářský TGM
reálné výsledky, vypovídá o dlouhodobém chování
DRUHY SRÁŽEK
ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY
Podmínky vzniku • • • •
i, q
Kondenzace vodní páry při výstupu – adiabatické ochlazování Přítomnost kondenzačních jader Vznik oblaků – vodní, ledové Vypadávání srážek
h T
Druhy • podle typu - padající srážky (vertikální): déšť, sníh, kroupy, mrholení, … - usazené srážky (horizontální): rosa, jinovatka, námraza, … • podle proudění - cyklonální (ne/frontální) – prostorově rozlehlé >1*102 km2 - konvektivní – vesměs lokální (několik km2), rozdílná intenzita, krátká doba trvání (< 1 hod.) tzv. bouřky z tepla - orografické – vázány na geografii, lokální x regionální, intenzita a doba trvání značně rozdílná
POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA Ideálně • doba záznamu:
20 let a víc (posouzení) dvojnásobek zkoumané četnosti 1-2 sezóny (kalibrace, verifikace)
• časový krok záznamu:
1 minuta
• hustota dešťoměrných stanic
1 stanice/km2 dle velikosti povodí a financí
• časová synchronizace
< 1 minuta
• objemová chyba
< 3%
• mezery v záznamech
žádné
…intenzita/vydatnost okamžitá/průměrná …jednotky intenzity: mm/min, mm/hod, m/s …jednotky vydatnosti: l/s/ha …srážkový úhrn …jednotky: mm i=h/T …trvání deště …jednotky: min
Pozor na přepočty !!!
x
1
m l x s s.ha
m 2 s m.s.ha m.ha 0,000001m.10000 m 0,01 10 l s.l l 0, 001m 3 0,001 s.ha
DOBA ZÁZNAMU • monitoring probíhá sezónně - cca březen až listopad - sněhové srážky jen vyhřívané dešťoměry - použití záznamů sněhových srážek problematické - trvání deště cca 3 – 5% roku (tj. cca 11 – 18 dní) • historické dešťové řady - v ČR nejdelší z Klementina 200 let (od 1804) - reálně použitelné řady (dostatečné rozlišení) cca 100 let - např. Telč od roku 1895 Praha–Karlov od roku 1921 - velký rozvoj po roce 1990 • dlouhá řada ze vzdálené stanice vs. krátká řada z blízké stanice - záleží na účelu měření - Praha průměr 541 mm (z let 1951 – 1990) min Radotín 507 mm; max Průhonice 597 mm
3
ČASOVÝ KROK ZÁZNAMU
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
• omezen možnostmi přístrojů • Plošné rozdělení deště má největší vliv na kvalitu výsledků povrchového odtoku
• vliv na výpočet – mírně senzitivní pro výpočet proteklého objemu a doby koncentrace – středně senzitivní pro výpočet průtoků – značně senzitivní na špičkový průtok Qmax (>20 %)
• nemá vliv na úlohy hledání extrémních návrhových hodnot pro jednotlivé efekty na stokové síti
• starší typy dešťoměrů (např. ombrograf) – jemnost kroku dána kvalitou surových dat a způsobem digitalizace
• jeho znalost je nutná pro práci s jednotlivými dešťovými událostmi (posouzení, přetížení)
• moderní přístroje – záznam ekvidistantní srážkové výšky – kontinuální měření
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
časové rozložení
Příklad z výzkumu (Lei, 2000) RAINFALL [my-m/s]
• povodí Schwamendingen
17.0 16.0 15.0
- 0,4 km2 celkové plochy - 0,15 km2 nepropustné plochy - 8 dešťoměrů - zachyceno 55 dešťových událostí
14.0 13.0 12.0
prostorové rozložení
11.0 10.0 9.0 8.0 7.0 6.0 5.0
3.0
B
2.0 1.0 0.0 -1.0 11:00:00 1-8-1997
11:15:00
11:30:00
11:45:00
12:00:00
12:15:00
1
2
3
4
5
6
Počet událostí s chybou > 20 %
13 24%
11 20%
1 2%
3 6%
1 2%
0 0%
Počet událostí s chybou > 10 %
29 53%
16 29%
8 15%
7 13%
5 9%
4 7%
Počet dešťoměrů
4.0
12:30:00
A
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
Vzdálenost dešťoměrných stanic od povodí
Vliv hustoty dešťoměrných stanic na kalibraci modelu
• nejednoznačné výzkumy, zkušenosti 1.8 1.6 1.4 1.2 Q (l/s)
• hydrologické metody pro stanovení srážkové výšky na povodí ze sítě dešťoměrných stanic – metoda aritmetického průměru – Thiessenova metoda – metoda izohyet
1.0
real realreal real thiessen vodojem Aqua ČOV
0.8 0.6 0.4
ČOV
0.2 0.0 1
11 11
21 21
31 31
41 41
51 51
6161 61
7171 71
čas čas
4
ČASOVÁ SYNCHRONIZACE • bez synchronizace zpravidla horší výsledky než z 1 stanice • pozor na letní vs. zimní čas • nemožná zpětná kontrola
OBJEMOVÁ CHYBA • až 25% chyba v objemu srážky • kalibrace dešťoměru před měřením • ověření kalibrace po skončení měření
MEZERY V ZÁZNAMECH • pravidelná údržba v terénu
UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU • správná volba počtu stanic - 1 dešťoměr pro velmi malá povodí - 2 dešťoměry neumožňují popis prostorového rozložení druhý dešťoměr je záložní - 3 dešťoměry minimum pro popis prostorového rozložení - více dešťoměrů pro rozsáhlejší povodí • správné umístění stanic - 1 dešťoměr pokud možno v centru (těžišti) povodí - 2 dešťoměry nepříliš daleko od sebe, podobné lokality - 3 dešťoměry do trojúhelníku (pokud možno rovnostranný) - více dešťoměrů dle konfigurace území, nejlépe do mřížky • ochrana stanic - instalovat do chráněných území – ČOV, vodojemy, školy apod.
• pravidelná údržba a opravy mezi sezónami
UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU Zásady instalace • volné prostranství - pozor na zavlažovací zařízení - pozor na otřesy • pokud možno větrný stín - těžko odhadnutelné • vzdálenost okolních objektů min. dvojnásobek jejich výšky nad sběrnou plochou (raději 3-5 násobek) • vodorovné ustavení sběrné plochy • sběrná plocha alespoň 1 m nad terénem • lepší instalace v úrovni terénu než na střeše
TOTALIZÁTOR
PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK • totalizátory - záznam úhrnu za určité časové období • ombrografy - kontinuální záznam součtové čáry intenzit • člunkové dešťoměry - záznam srážkového úhrnu s ekvidistantním krokem • váhové dešťoměry - kontinuální záznam součtové čáry objemu deště • meteorologické radiolokátory (dešťové radary) - prostorová informace!!! - záznam odrazivosti cíle, skládající se z velkého množství vodních a ledových částic • disdrometry - kontinuální záznam velikosti a rychlosti hydrometeorů
TOTALIZÁTOR • těžko přístupná místa bez možnosti pravidelné obsluhy a dálkového přenosu dat
• zachycuje veškeré srážky • přídavek CaCl2 (nemrznoucí směs) • přídavek vazelínového oleje (omezení vypařování) • pro účely MO nevyužitelný (nezachycuje intenzitu, pouze úhrn)
5
OMBROGRAF
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
• nejčastěji využívaný přístroj v ČR do 90.let 20.století • Truplovy čáry náhradních vydatností odvozeny s historických řad měřených ombrografy Doba trvání 10 min Srážková výška deště [mm]
• nepřesné vyhodnocení záznamů
• plovákový princip
20
10 min 3.5 mm
15 10 min
10
4.9 mm
5 0
0
1
2
3
4
Doba trvání deště [h]
• častá poruchovost – zastavení hodin, ucpání násosky, porucha plováku • dnešní elektronické typy spolehlivější • dnes se od použití tohoto typu upouští
• plocha 200 / 500 cm2 • rozlišení 0,2 / 0,1 mm • vytápěný / nevytápěný
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
Zásady provozu
• kalibrace před umístěním do terénu a po demontáži - statická kalibrace - dynamická kalibrace Chyby měření • špatná/žádná kalibrace
- až >25%
• ucpaný ustalovací válec
- mezera v záznamech
• špatně umístěný přístroj
- nereprezentativní data
• přesnost přístroje • venkovní vlivy
- nejistota měření
ZDROJ SYSTEMATICKÝCH CHYB
VÝZNAM
vítr smáčení evaporace rozstřik mechanická funkce
0 - 30% 2 - 10% 0 - 4% 1 - 2% 0 - 15%
Error of measurement ERR i [%]
30%
5
bez kalibrace
0,20
20%
kalibrace 2001
4
10%
0,15
Discharge Q [m 3/s]
- rozdílná strmost křivek
Vývoj chyby Q v čase
0%
-10%
-20%
0
50
100
150
Generated intensity iP [mm/h]
Stárnutí mechaniky musí být uvažováno Neexistuje univerzální kalibrační křivka
3 0,10
2 0,05
Relative error [-]
- rozdílný tvar křivek
(Rauch, 1998)
Vliv na srážko-odtokové simulace
40%
- srovnatelná stat. kalibrace
člunek
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
Stárnutí srážkoměrů
2001
nálevka
- zvyšuje se s intenzitou srážky - postihuje se dynamickou kalibrací - kalibrační křivka
Chyba překlopení
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR Kalibrační “Průměrné” křivky 2005
ustalovací válec
Systematické chyby měření
• pravidelná údržba - výměna baterií - čištění ustalovacího válce
kalibrace 2005
vs. Další systematické chyby
1
0 2:30 PM
0,00
3:00 PM
3:30 PM
4:00 PM
4:30 PM
Relativní chyba
Date & time
6
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR Název grafu
1/
- výpočet objemu člunku - záchytná plocha 200/500 cm2 - rozlišení člunku 0,2/0,1 mm
2/
- změření současného objemu člunků - vyrovnání dešťoměru - změření objemu biretou – rozlišení 0,1 ml
3/
- kalibrace objemu - kalibrace objemu člunku stavěcími šrouby
4/
- ověření kalibrace - po finálním nastavení 5x změřit každý člunek, statisticky vyhodnotit výsledky (chyba ± 3%)
Dynamická kalibrace
18%
Error no static Polynomický (Error no static)
16%
2
y = -3E-07x + 0.0005x + 6E-07 2 R = 0.9916
14%
• zachycení chyby plynoucích z mechaniky dešťoměru
12%
Chyba [%]
Statická kalibrace • kalibrace objemu člunku při překlopení
10% 8% 6% 4% 2% 0% 0
50
100
dešťoměr Dávkovací čerpadlo
150 200 250 Vydatnost [l/s/ha]
350
400
Datalogger
data porovnání
Váha
VÁHOVÝ DEŠŤOMĚR
300
DEŠŤOVÝ RADAR
• kontinuální záznam hmotnosti nádoby s akumulovanou srážkou
• vysílač krákých vysokoenergetických elmg. pulsů (100 kW) (mikrovlny)
• problém s filtrací jevů ovlivňujících vážení - nečistoty v záchytném válci - vítr (větrné zábrany) - výpar (přidání oleje)
• odraz vlnění od překážek, vyhodnocení intenzity a doby návratu signálu • prostorová informace – popisuje situaci na ploše (ostatní typy poskytují pouze bodovou informaci !!!) • dosah 100-200 km
• vysoká citlivost měření až 0,01 mm
• rozlišení
ČHMÚ 2 x 2 km
• snímkování ČHMÚ 1 x 15 min
experiment
100 x 100 m
experiment
1 x 5 min
• komplikovaná instalace • mnoho rušivých vlivů
• pro MO velký potenciál do budoucna, ALE…
DEŠŤOVÝ RADAR
DEŠŤOVÝ RADAR
• pro MO velký potenciál do budoucna, ALE… • jedná se o nepřímé měření – převod odrazivosti na intenzitu - nutná kalibrace tzv. Z/R vztahu - závisí např. na rovnoměrnosti rozložení hydrometeorů v prostoru, jejich velikosti a tvaru • měření probíhá v určité úrovni nad terénem - prevence odrazu od budov a jiných pevných překážek - ve městském povodí významné • anomální propagace paprsku - lom paprsku za určitých podmínek - např. velký vertikální teplotní gradient (noční inverze) - v důsledku lomu náraz paprsku do země – falešné echo
Skalky u Protivanova
Brdy Praha
7
SLOVNÍČEK
DISDROMETER • mikrovlnná či laserová technologie • umožňuje měřit úhrn a intenzitu deště, velikost hydrometeorů (>0,16mm) a jejich rychlost • 2D video technologie umožňuje měřit tvar kapek/vloček
Srážka Déšť Dešťová událost Návrhový déšť Blokový déšť Dešťová řada Čáry náhradních vydatností
• umožňuje rozlišit mrholení, déšť, krupobití, sníh atd. • rozsah měřených vydatností: 0,01 – 700 l/s/ha • problémy - hmyz, prach - kapka na zrcadle
• v MO dosud nevyužívány, ale…
Plošné rozdělení Úhrn Trvání Intenzita, vzdatnost Dešťoměr Totalizátor Ombrograf Člunkový dešťoměr Dešťový radar Deštník
Precipitation Rain / Storm Rain event / Storm event Design storm Uniform storm Rain series Intensity-Duration-Frequency Curves (IDF curves) Spatial distribution Depth Duration Intensity Rain gauge Totalisator Ombrometer Tipping bucket rain gauge Weather radar Umbrella
ZDROJE INFORMACÍ Český hydrometeorologický ústav Výzkumný ústav vodohospodářský TGM Povodí Labe Povodí Vltavy World Meteorological Organisation
www.chmu.cz www.vuv.cz www.pla.cz www.pvl.cz www.wmo.ch
VÝROBCI Anemo - ČR Fiedler elektronika pro ekologii – ČR Meteoservis - ČR Ott - Německo Thies - Německo SEBA - Německo Vaisala – Finsko
www.anemo.cz www.fiedler-magr.cz www.meteoservis.cz www.ott-hydrometry.de www.thiesclima.com www.seba.de www.vaisala.com
…a je po dešti
8
