Česká zemědělská universita v Praze. Simulační modelování vodohospodářských soustav

Česká zemědělská universita v Praze Fakulta životního prostředí Katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování

Simulační modelování vodohospodářských soustav

Ing. Jiří Sovina, Ph.D. 2010

Ing. Jiří Sovina, Ph.D. Simulační modelování vodohospodářských soustav Vydavatel:

Česká zemědělská univerzita v Praze, fakulta životního prostředí, katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování. Tisk: ČZU v Praze Náklad: 200 Stran: 101 Vydání: první Rok vydání: 2010 ISBN: 978-80-213-2044-4

Klíčová slova: Vodohospodářská soustava, matematický model, změny klimatu, hydrologické extrémy, povodeň, sucho, operativní řízení, krizové řízení, dispečerské řízení, vodohospodářský dispečink, manipulace na vodních dílech, HEC-ResSim, povodí Ohře, srážko-odtokový model, monitoring hydrometeorologických veličin Název v angličtině: Simulation Modeling of Water Resources Systems Keywords: Water resources system, mathematical model, climate changes, hydrological extremes, floods, droughts, operative management, crisis management, supervisory control, dispatching centers' control, manipulation on water schemes, HEC-ResSim, river - basin of Ohre, rainfall-runoff model, flow monitoring.

Anotace: Monografie se zabývá posouzením současných možností matematického modelování procesu řízení vodohospodářských soustav. Speciálně se zaměřuje na problematiku operativního řízení za krizových situací vyvolaných hydrologickými extrémy. Vychází z rešerše dosud používaných metod a uplatňovaných principů řízení, včetně nástrojů pro modelování řídicích procesů v podmínkách neurčitosti. Přináší přehled a charakteristiku dostupných programových prostředků, využitelných pro modelování funkcí vodohospodářských soustav. Pro ověření teoretických předpokladů se monografie dále zabývá tvorbou experimentálního modelu vodohospodářské soustavy v povodí Ohře, který zahrnuje všechna významná vodní díla v povodí se závěrovým profilem pod VD Nechranice. Jako modelovací nástroj byl zvolen program HEC-ResSim v aktuální verzi 3.0 s podporou HES-DSSVue. Cílem této části je co nejpřesnější dekompozice a popis reálné vodohospodářské soustavy prostředky matematického modelování. Vytvořený model byl ověřen na Dispečerských hrách konaných na Povodí Ohře, s.p. v listopadu 2008. Byl testován pro povodňové řízení i pro teoretické krizové řízení v podmínkách hydrologického sucha. V závěru monografie je příklad možného systémového řešení s využitím modelu tohoto typu pro optimalizaci krizového řízení vodohospodářské soustavy.

1

OBSAH

Obsah: ÚVOD ........................................................................................................................................ 4 1.

PŘEHLED PROBLEMATIKY .......................................................................................................................... 4

TEORETICKÉ ZÁKLADY MODELOVÁNÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH SOUSTAV . 6 1. 2.

ZÁKLADNÍ POJMY Z TEORIE ŘÍZENÍ ............................................................................................................ 6 APLIKACE TEORETICKÝCH ZÁKLADŮ MODELOVÁNÍ ŘÍDICÍCH PROCESŮ NA ŘÍZENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH SOUSTAV ........................................................................................................................................................... 10 2.1. Všeobecně...................................................................................................................................... 10 2.2. Problematika řízení v podmínkách neurčitosti .............................................................................. 11 3. DALŠÍ METODY VYUŽITELNÉ V MATEMATICKÝCH MODELECH PRO VODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ ...................... 13 3.1. Petriho sítě ..................................................................................................................................... 13 3.2. Neuronové sítě ............................................................................................................................... 17 3.3. Genetické algoritmy ...................................................................................................................... 20

VÝBĚR DOSTUPNÝCH PROSTŘEDKŮ PRO VYTVÁŘENÍ MATEMATICKÝCH MODELŮ VYUŽITELNÝCH PRO VODOHOSPODÁŘSKÉ SOUSTAVY................... 26 1. 2. 3. 4. 5.

AQUALOG ................................................................................................................................................ 26 HYDROG .................................................................................................................................................. 29 MATLAB, SIMULINK ................................................................................................................................. 30 TIRS.NET ............................................................................................................................................... 31 PROGRAM HEC-RESSIM 3.0, JEHO ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI A MOŽNOSTI VYUŽITÍ ................................... 32 5.1. Souborová databáze DSS............................................................................................................... 39

MODEL SOUSTAVY VODNÍCH DĚL V POVODÍ OHŘE V PROGRAMU HECRESSIM 3.0 ............................................................................................................................. 41 1.

ÚVOD ....................................................................................................................................................... 41 1.1. Zdůvodnění volby modelové vodohospodářské soustavy ............................................................. 41 1.2. Povodí řeky Ohře, základní údaje a charakteristiky ...................................................................... 42 1.3. Soustava vodních děl v povodí Ohře ............................................................................................. 43 1.3.1. Základní údaje o vodních dílech ............................................................................................... 44 1.3.2. Dosavadní způsob řízení VS, poznatky a zkušenosti ................................................................ 50 2. PODKLADY PRO SESTAVENÍ MODELU V PROGRAMU HEC-RESSIM 3.0 ..................................................... 52 2.1. Mapové podklady .......................................................................................................................... 52 2.2. Vstupní údaje vodních děl ............................................................................................................. 53 2.3. Další podklady z manipulačních řádů ............................................................................................ 54 2.4. Podklady o korytech vodních toků ................................................................................................ 55 2.5. Podklady pro běh simulace – vodní stavy, předpovědi, měřené průtoky ....................................... 55 3. POSTUP VYTVOŘENÍ MODELU................................................................................................................... 56 3.1. Práce s mapovým podkladem ........................................................................................................ 56 3.2. Vytvoření základních komponent a topologie systému ................................................................. 58 3.3. Definování charakteristik nádrží a jejich objektů .......................................................................... 60 3.4. Práce s říčními úseky ..................................................................................................................... 64 3.5. Definování zón nádržního prostoru a pravidel řízení..................................................................... 64 3.6. Využití logických konstrukcí a skriptů .......................................................................................... 67 3.7. Definování součinnosti v soustavě vodních děl ............................................................................. 69

OBSAH

4.

2

SPOUŠTĚNÍ SIMULAČNÍCH VÝPOČTŮ A VYUŽITÍ MODELU ......................................................................... 71 4.1. Definování alternativ a okrajových podmínek ............................................................................... 71 4.2. Spouštění simulací ......................................................................................................................... 72 4.3. Simulace operativních opatření při extrémních situacích .............................................................. 73 4.3.1. Problematika povodňového řízení ............................................................................................. 73 4.3.2. Problematika sucha ................................................................................................................... 74 4.4. Kalibrace a testování modelu ......................................................................................................... 75 4.5. Zkušenosti s tvorbou a aplikací modelu VS v povodí Ohře ........................................................... 77 4.6. Kritické zhodnocení funkcí programu HEC-ResSim ver. 3.0 ........................................................ 80 4.7. Závěr .............................................................................................................................................. 82

MOŽNOSTI OPTIMALIZACE ŘÍZENÍ SOUSTAVY VODNÍCH DĚL S VYUŽITÍM PROGRAMU HEC-RESSIM 3.0 ......................................................................................... 84 1. 2. 3. 4. 5.

ÚVOD ....................................................................................................................................................... 84 KRIZOVÉ UDÁLOSTI – DEFINICE................................................................................................................ 85 PROBLEMATIKA OPTIMALIZACE S VYUŽITÍM MODELU VS ........................................................................ 86 DISKUSE ................................................................................................................................................... 92 ZÁVĚRY ................................................................................................................................................... 94

SOUHRNY.............................................................................................................................. 95 1. 2. 3.

POUŽITÁ LITERATURA A PODKLADY ......................................................................................................... 95 SEZNAM TABULEK .................................................................................................................................. 100 SEZNAM VYOBRAZENÍ ............................................................................................................................ 100

OBSAH

3

Seznam zkratek: ČS DIBAVOD DMÚ 25

Čerpací stanice Digitální Báze Vodohospodářských Dat (provozuje VÚV TGM Praha) Digitální model terénu 1 : 25 000, mapové dílo Vojenského geografického a hydrometeorologického úřadu (VGHMÚř) FSv Fakulta stavební ČVUT v Praze FŽP Fakulta životního prostředí ČZU v Praze GA Genetcké algoritmy GIS Geografický informační systém HEC Hydrologic Engineering Center IT Informační technologie KAGÚP Katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování, ČZU v Praze, FŽP KHH Katedra hydrauliky a hydrologie ČVUT v Praze, FSv KHT Katedra hydrotechniky ČVUT v Praze, FSv KMŘ Komplexní manipulační řád KPK Krajská povodňová komise LG Limnigraf MŘ Manipulační řád MVE Malá vodní elektrárna NS Neuronová síť PN Petriho sítě (Petri Net) POP Plán oblasti povodí (v tomto případě Ohře a Dolního Labe) RPP Regionální předpovědní pracoviště (pracoviště ČHMÚ) SPA Stupeň povodňové aktivity TBD Technickobezpečnostní dohled TIN Nepravidelná trojúhelníková síť (Triangulated Irregular Network) UI Umělá inteligence UNS Umělá neuronová síť USACE U.S. Army Corps of Engineers USNWS U.S. National Weather Service US NWSRFS U.S. National Weather Service River Forecasting System) VD Vodní dílo VHD Vodohospodářský dispečink VS Vodohospodářská soustava

Úvod

4

Úvod 1. Přehled problematiky Ochrana před povodněmi a účelné využívání vodních zdrojů se stává stále více diskutovaným tématem nejen v odborných kruzích. Zejména v důsledku povodňových událostí v posledních letech se toto téma dostává do širokého společenského povědomí. Po relativně dlouhém období bez významných klimatických extrémů ve 2. polovině 20. století přicházejí v létě 1997 první ničivé povodně na Moravě a krátce na to následují další (srpen 2002, zejména v povodí Vltavy a na dolním Labi, jarní povodně roku 2006 a letní lokální povodně z přívalových dešťů v roce 2009). Menší pozornost naše společnost prozatím věnuje problematice sucha, nicméně i v této oblasti dochází ve stejném období k extrémním situacím. Příkladem může být rekordně dlouhé období s teplotami nad dlouhodobým průměrem v létě 2003 a opět v roce 2007. V těchto letních obdobích se rozhodující objem srážek realizoval v přívalových deštích. Důsledkem bylo silně nerovnoměrné rozdělení srážek, vznik hydrologického sucha v rozsáhlých regionech a současný výskyt lokálních ničivých povodní na malých tocích v jiných lokalitách. Zvýšená četnost výskytu extrémních meteorologických jevů i klimatických extrémů v posledních letech potvrzuje prognózy přicházejících klimatických změn, jako důsledku globálního oteplování. V podmínkách, které vývoj v posledních letech předznamenává, budou požadavky na manipulace na vodních dílech (především operativní) a na řízení vodohospodářských soustav (dále jen VS) náročnější než dosud. Optimalizace všech funkcí jak jednotlivých vodních děl (VD) tak i vodohospodářských soustav, bude vyžadovat zdokonalení modelů řízení, bude třeba se vyrovnat s vyšší mírou neurčitosti. Z tohoto pohledu vzniká potřeba přehodnocení dosavadních metod řízení VS i přístupu k využívání a interpretaci dat z dlouhodobého měření vodních stavů, průtoků i meteorologických pozorování. Využití metod umělé inteligence v procesu řízení VS se zejména v současných podmínkách stává velice naléhavým, právě tak jako těsné provázání řídicích systémů VS na hydrometeorologickou prognózní službu. Analýza všech událostí se musí zpětně promítnout do řídicích funkcí systému. Systémy řízení musí mít ve svém základu zakotvenu schopnost průběžného zdokonalování a vývoje. V současné době je k dispozici dostatek poznatků z oblasti matematické teorie, hydroinformatiky, geoinformatiky a dalších souvisejících teoretických disciplín, byly vyvinuty kvalitní softwarové nástroje i dostatečně výkonné hardwarové prostředky, které vytvoření funkčního systému řízení VS umožňují. Rezervy a další možnosti lze spatřovat v hlubším propracování a detailním dořešení funkčních řídicích systémů.

Úvod

5

Do popředí zájmu se zcela zákonitě a oprávněně dostala problematika řízení VS za povodní. V souladu s dokumentem Komise evropských společenství ve svém "sdělení radě, evropskému parlamentu, evropskému hospodářskému a sociálnímu výboru a výborům regionů" (Kom2004-472 ze dne 12.07.2004), je kladen mimo jiné důraz na připravenost na povodňové jevy, které mohou být optimalizací řízení VS omezeny ve své ničivé síle a o jejichž očekávaném průběhu může být obyvatelstvo včas a s větší konkrétností informováno. Vzhledem k oboustranně extrémním klimatickým jevům posledního desetiletí nelze opomíjet ani řízení VS zaměřených na optimální hospodaření s vodou v obdobích sucha, na zajištění dostatečné akumulace pro zachování vodních zdrojů pro obyvatelstvo, energetiku, plavbu a ochranu ekosystémů v tocích. Sucho se od ostatních přírodních rizik, např. povodní, liší v mnoha směrech. Začátek a konec sucha lze velmi obtížně stanovit. Účinky sucha mají kumulativní charakter, neboť intenzita sucha se zvyšuje s jeho délkou. Ztráty způsobené suchem tak dosahují značných rozměrů. (Blinka 2002) Funkční řídicí systém musí být navržen tak, aby zvládl obě zmíněné polarity krizového řízení. Musí mít propracovány metody analýzy každého překonaného krizového stavu a zpětný přenos zkušeností z předchozích analýz do procesů navazujícího řízení VS. Současná praxe v řízení VS a hydrologických systémů obecně preferuje deterministické metody vycházející ze schválených manipulačních řádů, postrádající flexibilitu v reakci na mimořádné situace. Tato praxe má pevnou oporu ve vodoprávní legislativě a vodohospodářské dispečinky nemají možnost překročit limity dané pravidly zakotvenými v manipulačních řádech. Tato pravidla však často nezohledňují situace, které po dobu sledování na určitém povodí dosud nenastaly. To platí zejména o extrémních situacích posledních let, které nebylo možné optimálně zvládat prostředky standardního řízení, a žádné předem připravené postupy krizového řízení pro takovéto extrémy k dispozici nebyly. V těchto situacích selhávala i některá uplatnění metod umělé inteligence, např. metod umělých neuronových sítí, pro které nebyly při katastrofických povodních v roce 2002 ještě v potřebném rozsahu k disposici trénovací množiny. Řízené hydrologické systémy obecně a VS především sestávají z většího počtu matematicky neslučitelných procesů. Sjednocení formulací těchto podsystémů, pokud je to v reálných podmínkách vůbec možné, bývá založeno na některé z metod dekompozice přírodních a technologických procesů. Nedostatek vhodných nástrojů, potřebných pro takovou abstrakci znehodnocuje využitelnost modelů dílčích procesů, byť sebelépe funkčních při absenci zpětných vazeb. Z hlediska nových směrů bychom měli dát proto přednost metodám řízení, které zohledňují podmínky neurčitosti hydrologických a technologických procesů, využívají metody umělé inteligence a jsou v dnešní době po stránce teoretické dostatečně rozpracovány.

Teoretické základy modelování vodohospodářských soustav

6

Teoretické základy modelování vodohospodářských soustav 1. Základní pojmy z teorie řízení Zásadní význam pro řízení mají matematické modely řízeného objektu (nebo soustavy) a zpětná vazba. Podle stupně automatizace rozlišujeme následující režimy řízení: -

Off line - Pro řízení se používá počítač který není spřažen s řízeným procesem. Vkládání dat probíhá přes běžná periferní zařízení. Proces neprobíhá v reálném čase. Výsledky zpracování slouží až pro následné operarace.

-

On line – Počítač je přímo napojen na řízený proces odkud snímá přes číslicové převodníky hodnoty měřených veličin. Počítač určuje optimální provozní režim řízeného objektu, stanoví příslušné nastavení regulačních prvků a informaci o této činnosti a pokyny pro obsluhu předá na displeji operátorovi. Ten reaguje podle vlastního uvážení v závislosti na situaci a nastaví hodnotu řízené veličiny. Počítač tak funguje jako rádce operátora. Tento systém se nejčastěji používá pro řízení na vodních dílech a pro řízení VS.

-

In line – Systém pracuje v reálném čase bez přímé účasti člověka. Při využití počítače se jedná o tzv. přímé číslicové řízení; probíhá pak nespojitě v předem stanovených časových intervalech - cyklech. Využití in-line číslicového řízení je ve vodním hospodářství typické pro technologické procesy nebo izolované samostatné objekty.

Základním prvkem řídicích systémů je zpravidla regulační obvod, který na základě zjištěné regulační odchylky generuje hodnotu akčního zásahu tak, aby regulovaná hodnota byla udržována na stanovené úrovni. Vazby mezi vstupními a výstupními veličinami regulačního obvodu mohou být statické a dynamické. Statické vlastnosti vyjadřují závislost mezi vstupní a výstupní veličinou po doznění všech přechodových procesů. Dynamické chování celého regulačního obvodu při reakci na regulační odchylku se nazývá regulačním pochodem a lze ho obecně vyjádřit diferenciálními rovnicemi popisujícími vztah regulované veličiny a řídicí veličiny nebo regulované veličiny a poruchy. Rozhodující pro správnou funkci regulačního obvodu je jeho stabilita, která se hodnotí podle toho, v jak krátkém čase dosáhne regulovaná veličina hodnoty určené veličinou řídicí. Podle vztahu mezi akční veličinou a aktuální hodnotou odchylky se zpravidla rozlišují tři typy regulátorů: proporcionální, derivační a integrační. Jejich kombinací se získávají další typy regulátorů, např. proporcionálně integrační, atd. Aplikace jednoduchých regulačních obvodů není příliš vhodná pro podmínky řízení ve vodním hospodářství, protože nepostihuje fenomén tzv. dopravního zpoždění. Proto další vývoj směřoval k dynamickým systémům řízení. Dynamický systém je chápán jako systém, jehož okamžité hodnoty výstupních veličin závisejí nejen na okamžitých hodnotách vstupních veličin, ale též na hodnotách vstupních, popřípadě i výstupních veličin v minulých cyklech.

7


Takový systém musí disponovat pamětí, která se podílí na jeho vývoji a umožňuje predikci jeho chování. Formalizace dynamiky chování takových regulačních obvodů je rozpracována v dostupné literatuře. Jako příklad je uvedena rovnice pro model ve tvaru lineární regrese s konečnou pamětí: N

N

N

i 1

i 1

i 1

y (k )  a(k )   qi y (k  i )   pi u (k  i )   si z (k  i )  e(k )

(1)

Kde N je počet předcházejících hodnot výstupní veličiny y, u představuje akční veličiny a z poruchové veličiny, e je náhodná odchylka a k vyjadřuje diskrétní krok řízení. Pro operativní řízení VS jsou při použití výkonných počítačů vhodné simulační modely, které zobrazují realitu na principu podobnosti mezi systémy. Z hlediska matematické teorie rozlišujeme mezi izomorfními a homomorfními systémy. Na izomorfní systém je kladen požadavek aby si všechny prvky a jejich vazby u obou systémů, reálného i modelovaného, jednoznačně odpovídaly . Vektory vstupů jednoho systému tedy musí odpovídat vektorům vstupů systému druhého. U systémů homomorfních si část vstupů a tudíž i výstupů odpovídat nemusí. Homomorfní systémy jsou tedy méně dokonalé. Odvodit izomorfní model reálného systému v oblasti vodního hospodářství, zvláště pak pro systém celé VS je z důvodu složitosti skutečných jevů a procesů nereálné. Homomorfní modely umožňují přibližně řešit i velmi složité problémy. Samy o sobě nejsou optimalizačním nástrojem, mohou být ale k optimalizaci řízení s výhodou použity neboť umožňují mnohonásobné testování předpokládaného chování systému při různých scénářích řízení a jsou tedy využitelné pro operativní řízení v podmínkách neurčitosti. Na modelu je možné prověřit velký počet variant rozhodování podle podmínek, které by v budoucnosti mohly nastat a rovněž využít archivovaná data z minulosti. Na základě statistického vyhodnocení vygenerovaných výstupů pak lze vybrat optimální variantu pro řízení v reálném čase. Následující vývojové schéma představuje příklad vývoje řídicího systému s využitím matematického modelu.

8


START

Identifikace systému, formulace: 1) cílů a omezení 2) kritérií (účelových funkcí)

Formulace variant řešení Vstupy řešení

Sestavení modelů řízení Podrobné řešení variant

Změna parametrů řízení nebo další varianta

Výstupy modelového řešení

NE Vyhodnocení vhodnosti variant řízení podle daných kriterií a technické proveditelnosti variant

Splnění požadovaných cílů?

ANO KONEC

Obr. 1 Jednotlivé fáze vývoje řídicího systému (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)

Využívání matematických modelů vede postupně k vývoji prostředků pro inteligentní řízení, tedy plného uplatnění UI. Inteligentní řídicí systém podle Burnse zahrnuje tři hlavní subsystémy: Subsystém vnímání, který shromažďuje informace o regulované soustavě a prostředí a zpracovává je do formy srozumitelné subsystému poznávání. Takový systém je tvořen


9

konvenčními moduly (automatizovaného) informačního systému IS (AIS), jako např. senzory, jež poskytují primární naměřená data, systémy zpracování signálu, prostředky analýzy dat (zpravidla multikriteriální), s cílem representace regulované soustavy a jejího prostředí. Klíčovou technologií je teorie rozpoznávání - „recognition“. Subsystém poznávání v inteligentním řídicím systému využívá rozhodovacích procesů v podmínkách neurčitosti. Klíčové technologie zahrnují logickou dedukci, tvorbu znalostních bází, adaptivní vyhledávání, genetické algoritmy a učení. Tyto technologie zařazujeme rovněž do bloku získávání informací, v porovnání s předchozími však na vyšší úrovni informatiky, která je specifická právě pro inteligentní řídicí systémy. Subsystém ovládání zahrnuje akční členy řídicích systémů, které využívají signály ze subsystémů poznávání (IS) s cílem řídit regulovanou soustavu k určitým požadovaným cílům. V případě selhání akčního členu (popřípadě snímače) by inteligentní řídicí systém měl být schopen překonfigurovat svou strukturu i systém řízení. Ve své podstatě představuje tento třetí subsystém například prostředky, pro něž byl v minulosti formulován termín automatizovaných systémů dispečerského řízení (ASDŘ). Prostředkem pro snížení neurčitosti v operativním řízení jsou hydrologické předpovědi. Předpovědní modely na rozdíl od simulačních modelů odhadují budoucí stav sledovaného jevu v reálném čase. V hydrologii se uplatňují krátkodobé, střednědobé a dlouhodobé předpovědi. Spolehlivost předpovědí se rychle snižuje s délkou předstihu. Podle příručky Světové meteorologické organizace (WMO, 1994) se předpovědní techniky člení do čtyř kategorií : -

modely empirické a fyzikálně založené, konceptuální

-

metody založené na procesech výměny tepla ve vodním prostředí

-

empirické a fyzikální modely pro výpočty pohybu povodňové vlny a translaci

-

modely založené na analýze procesů cirkulace v atmosféře

Již počátkem 80. let 20. století vznikl autoregresní předpovědní model Szölossy-Nagy. Jeho schéma je označováno jako self-tuning algoritmus, neboť základní myšlenkou je využití předchozí předpovědní chyby jako proměnné modelu, která se opravuje v dalším kroku. Z dalších metod se zmiňuje např. rozšířená předpověď průtoků – „Extended Streamflow Prediction (ESP)“ vyvinutá americkou Národní službou počasí (USNWS). Vychází z předpokladu pravděpodobného opakování zaznamenaných jevů a dává středně až dlouhodobou předpověď hydrologických stavových veličin.

10


2. Aplikace teoretických základů modelování řídicích procesů na řízení vodohospodářských soustav 2.1. Všeobecně

Z hlediska matematické abstrakce můžeme VS považovat za dynamický systém (dále jen DS), k jehož základním vlastnostem patří spojitost při změně jeho stavů, které jsou z obecného pohledu charakterizovány výměnou energií, případně i médií - hmoty, v případě VS vody. Další charakteristickou vlastností DS je setrvačnost a závislost výstupů na vnitřních stavech systému. DS je možné popsat dvěma způsoby: Vnější popis vycházející z relace vstup - výstup. Vnitřní popis vycházející z relace vstup - stav - výstup. Vnější popis DS se omezuje na vyjádření dynamických vlastností systému závislostí mezi jeho vstupem a výstupem. Systém tak hodnotíme jako "černou skříňku" s počtem vstupů - n a výstupů - m, nezabýváme se vnitřním uspořádáním systému a předpokládáme jeho "nulový" počáteční stav. Pro vnější popis systému stačí rozbor experimentálně získaných vstupních a výstupních veličin. Vnější popis jednoduchého lineárního DS s jednou vstupní a výstupní veličinou může být vyjádřen např. diferenciální rovnicí nebo přenosem, např. pomocí Laplaceovy transformace, ale i dalšími způsoby.

Obecný popis diferenciální rovnicí má tvar:

an y ( n ) (t )  an y ( n 1) (t )  ...  a1 y´(t )  a0 y (t )  b0u (t )  b1u´(t )  ...  bn 1u ( n 1) (t )  bn u ( n ) (t ) (2) Kde ai a bi jsou konstantní parametry, u(t) je vstupní veličina a y(t) je výstupní veličina. (Tůma F., 2005) Konkrétní diferenciální rovnici popisující systém můžeme získat, např. když vyjádříme fyzikální vztahy systému, pokud jsou nám známy, pomocí obecně platných fyzikálních zákonů (např. St.Venantových rovnic, apod.) a podaří se nám eliminovat veškeré proměnné, kromě vstupní a výstupní veličiny. Přenos lineárního spojitého DS s jedním vstupem a výstupem je poměr Laplaceova obrazu výstupní veličiny a Laplaceova obrazu vstupní veličiny při nulových počátečních podmínkách, čemuž obecně odpovídá následující vztah: F ( p) 

L y(t) Y ( p)  L u(t) U ( p)

(3)

Diferenciální rovnici popisující systém pak získáme zpětnou Laplaceovou transformací pro konkrétně definovaný přenos. (Tůma F., 2005) Jako jednoduché systémy podobné výše obecně popsaným mohou být representovány např. dílčí komponenty modelů VS.

11


Vnitřní popis DS dovoluje zahrnout stav systému a jeho strukturu. Systém je možné popsat stavovou rovnicí a výstupní rovnicí, které se nazývají dynamické rovnice systému. Stavovou rovnici systému je možné zapsat ve tvaru: x=A(t)x+B(t)u

(4)

Výstupní rovnici je možné zapsat ve tvaru: y=C(t)x+D(t)u

(5)

Kde A, B, C, D jsou matice s konstantními parametry a proměnná x představuje stav systému, u vstup a y výstup. (Tůma F., 2005) Jde o nejobecnější matematické vyjádření, z něhož bychom mohli vyjít například při vytváření modelů jednotlivých komponent v některém programovacím jazyce nebo obdobném nástroji, jakými je třeba prostředí Matlab se svými rozšířeními – Simulink, Stateflow, Control System Toolbox, apod., které je rovněž možné považovat za vysokoúrovňový programovací jazyk. Cílem monografie není však postup vytváření programových komponent matematických modelů, ale analýza možnosti využití již vytvořených modelovacích nástrojů. Modelovací nástroje můžeme obecně rozdělit na deterministické a stochastické. Pro modelování VS se dosud téměř výhradně využívají deterministické modely, neboť fyzikální podstata dynamických dějů ve VS je dobře formulovatelná řídicími rovnicemi jednotlivých procesů jako např. průtoků v korytech, průtoků běžně používanými přelivy a uzávěry na vodních dílech, apod. Chování určitých komponent modelů VS může být určeno vnějšími vstupy časových řad měřených nebo předpovídaných veličin. Funkce vodních nádrží je pak možné popsat základní diferenciální rovnicí úkonu nádrže: F.d h  P d t  O d t

(6)

Kde F je plocha hladiny nádrže při výšce h, P je přítok do nádrže v čase t a O odtok v čase t. (Votruba L., Broža V., 1980) Další otázkou je již jen, jakou numerickou metodou provedeme řešení této a jiných řídicích diferenciálních rovnic, které model využívá. V ucelených modelovacích nástrojích pro vytváření modelů VS se uplatňují převážně koncepční přístupy (zahrnují jistou míru empirických vztahů) a fyzikální komponentně distribuované (0D) modely, případně propojené hydrodynamickými modely říční sítě (1D) . 2.2. Problematika řízení v podmínkách neurčitosti

Neurčitost je chápána jako vlastnost některých jevů a procesů vyznačujících se nahodilostí nebo vágností. Při rozhodování v oblasti vodního hospodářství se s neurčitostí rozličného původu a míry pravidelně setkáváme prakticky na všech rozhodovacích úrovních. Neurčitost pochází v první řadě ze složitostí a nahodilostí přírodních jevů a procesů, které figurují nejčastěji v oblasti vstupů pro následné procesy rozhodování a řízení. V druhé řadě jsou zdrojem neurčitosti nutné abstrakce a zjednodušení, které musí být přijaty, aby mohl být


12

vytvořen např. funkční numerický model pro řízení VS a které nemohou v celé šíři postihnout složitost a nahodilost přírodních a fyzikálních procesů. Zdrojem neurčitosti mohou být i neúplnosti časových řad měření, nepřesnosti měření, výpadky, poruchy a také údaje o stavových veličinách vyjádřitelné pouze verbálně. Hodnocení neurčitosti plynoucí z nutných zjednodušení při vytváření matematických modelů představuje složitou problematiku z oblasti teorie systémů, která studuje vztahy mezi složitostí, důvěryhodností a neurčitostí modelu. Teorie rozhodování rozlišuje dvě základní rozhodovací situace – -

rozhodování v podmínkách neurčitosti, kdy neznáme pravděpodobnosti rizikových faktorů.

-

rozhodování za rizika, kdy dovedeme pravděpodobnosti rizikových faktorů odhadnout.

Teorií neurčitosti dat a znalostí se zabývají následující teorie: teorie fuzzy množin a fuzzy logika, teorie fuzzy řízení, teorie fuzzy míry, Dempsterova – Shaferova teorie, teorie možnosti, teorie informace, teorie integrace neurčitých znalostí. V problematice vodního hospodářství se v našich podmínkách doposud pracovalo s teorií fuzzy množin a fuzzy logiky, byly studovány možnosti aplikace fuzzy řízení a v oblasti hydrologie se aplikují metodické postupy teorie informace. Teorie fuzzy množin a fuzzy logika je zobecněním klasické Cantorovy teorie množin. Zkoumá zejména vlastnosti vágních významů termínů přirozeného jazyka, pravdivostní hodnoty a jazykové modely. Teorie fuzzy řízení využívá metody teorie fuzzy množin a fuzzy logiky k odvození rozhodovacích pravidel a modelů pro potřeby řízení systémů v podmínkách neurčitosti. Teorie informace zkoumá neurčitost daného typu rozložení pravděpodobnosti pomocí entropie. Entropii lze využít pro srovnávací analýzu neurčitosti skryté v různých časových řadách a úsecích časových řad, jako kriterium uspořádanosti výstupů řízených systémů nebo jako míru uspořádanosti struktury složitých vícerozměrných dynamických systémů. Ve vodním hospodářství se široce využívají matematické modely pracující na různých matematických principech s různou přesností, mírou podrobnosti řešení a s různým stupněm kalibrace a verifikace. Pokud chceme matematický model využít pro rozsah hodnot stavových veličin a parametrů, ležících mimo oblast pro niž byl odvozen a verifikován (někdy se může jednat i o řádové rozdíly), je třeba provést analýzu spolehlivosti výstupu. Doporučuje se (Beven 1989), aby se odhad neurčitosti stal součástí výstupů z matematických modelů. Při stanovení míry neurčitosti je třeba vzít v úvahu následující faktory: 1. Neurčitosti ve stavbě modelu, způsobené např. nevhodnou volbou numerických metod využitých při simulaci procesu, jejich vzájemných vazeb a způsobu jejich vyjádření (zpětné vazby mezi hydrologickými procesy, topologické rozhraní komponent).


13

2. Neurčitosti v hodnotách parametrů modelu, které byly získány ve fázi identifikace a kalibrace a měly být spolehlivě verifikovány. 3. Manipulace na vodních dílech způsobují nehomogenitu výchozích podkladů a vedou tudíž rovněž k jejich neurčitosti. 4. Neurčitosti v hodnotách měření vlivem nepřesností nebo poruch pozorovací sítě. K těm dochází při poruchách měření, při přenosu dat a jejich primárním zpracování, často v extrémních hydrologických situacích. 5. Neurčitosti spojené s odhadem budoucího chování hydrologických systémů a vodohospodářských objektů. Do této oblasti patří obtížně předpovídatelné povodně, dopady vývoje klimatu, dopady antropogenních změn v povodí a pod. 6. Neurčitost mohou ovlivňovat také systémové změny v národohospodářské oblasti, které mohou znamenat jiné požadavky na vodní hospodářství. Výše uvedené problémové okruhy je třeba posuzovat ve vzájemných souvislostech, kde se mohou kombinovat s různými vahami v lineárním i nelineárním průběhu. Tento stav vede obecně k zásadnímu požadavku na řešení UI – vyvozování globálních závěrů z dílčích neurčitých faktorů. Dále stručně popíši problematiku využití matematických modelů pro řízení VS v podmínkách neurčitosti. V souladu s moderní teorií řízení se řízením rozumí účelové působení na systém, aby se dosáhlo jeho požadované funkce. Pojem řízení je v současnosti široce pojímán a zpravidla se rozlišuje: řízení strategické (vrcholové), taktické, operativní a operativní v reálném čase. Řídicí působení v oblasti VH se zpravidla realizuje v kratších časových intervalech, které mohou být voleny jako pravidelné nebo nepravidelné. Z matematického hlediska jde o diskrétní řízení. Tomu odpovídá diskrétní matematický model. Diskrétní charakter je základním rysem činnosti všech zařízení pracujících na digitálním principu.

3. Další metody využitelné v matematických modelech pro vodní hospodářství 3.1. Petriho sítě

Algoritmy Petriho sítí (Petri Net, dále PN) obecně poskytují nástroje pro modelování struktury systémů. Ve vodním hospodářství pak zejména pro nestacionární kódování topologie řízených, řídicích i neřízených objektů vodohospodářských soustav (hydrotechnické stavby, turbogenerátory, vodní nádrže, odtokové procesy v povodí, v říční síti ad.). Tyto metody směřují k automatizované dekompozici systému a k uživatelsky nezávislé numerické simulaci jeho chování, tedy k automatizovanému výpočtu. Řešený systém, složený z takových objektů lze vyjádřit bipartitním grafem. Potřeba nestacionárního kódování grafu vyplývá jednak z případné nedostupnosti vstupních dat způsobené výpadky systémů jejich sběru (obvykle při řešení soustav v reálném čase), jednak z charakteru řízení vodního díla se záměrem dosažení cílové funkce jeho chování a udržování řízených veličin dle předem stanoveného předpisu.

14


Metody Petriho sítí prvně popsané Petrim v jeho „Kommunikation mit Automaten“ 1962, otevřely objevením okamžitého kauzální vztahu příčina-důsledek (event-fire up) novou generaci nástrojů řešení nestacionárních grafů. Od té doby jsou PN v mnoha oborech (teorie sítí, robotika, kybernetika, procesy řízení ad.) považovány za vysoce účinné formální prostředky při řešení asynchronních procesů prostorově rozdělených, deterministických i stochastických. Sítě PN jsou založeny na principu autonomních nezávisle operujících konečných automatů. Jsou využívány v architektuře paralelních počítačových systémů jako např. při návrhu počítačových sítí, databází, kompilátorů (např. sémantika jazyka SmallTalk) i jinde v telekomunikačním inženýrství, strojnictví a ekonomii. Obdoba mezi elektronickými, technologickými a ekonomickými metodami řízení na jedné straně a řízením vodních zdrojů na straně druhé je zřejmá. U řídicích systémů, pracujících dle principu PN je třeba se však zmínit o důležitém detailu: o úloze času a z toho vyplývajících problémů při toku informace různými subsystémy díky tzv. dopravnímu zpoždění. Zatímco elektronické regulátory reagují okamžitě, časový faktor v hydrologických systémech hraje zásadního roli. Petriho síť může být chápána jako grafický a matematický modelovací prostředek, schopný modelovat paralelní a distribuované systémy (Best, Devillers, Koutny, 1998), (Češka, 1994). Základní PN obsahuje čtyři komponenty: místa, přechody, hrany a tečky (Places, Transitions, Arcs, Tokens). V našich úvahách vystačíme s obyčejnými PN (Ordinary Petri Nets). Tyto sítě obsahují pouze hrany s vahou 1, která je určena počtem značení potřebných pro svou aktivaci. Petriho sítě rozlišují dva základní objekty: stav a činnosti. Činnost je při tom chápána jako změna stavu. Vrcholy grafů PN jsou dvojího typu: tvoří je konečná množina míst (Places) a konečná množina přechodů (Transitions). Konečná množina hran grafu vzájemně propojuje místa s přechody a opačně. V množině míst (Places) je umístěno značení (Tokens), tvořené jedním nebo několika body. Počet těchto bodů je označován jako značení (Marking). Množina hran v zásadě působí jako vstupně/výstupní generátor který zařizuje přenos bodů z jednoho místa do sousedního. Formulace tohoto asynchronního procesu je formulována vztahem

PN = (P, T, F, B, M0) kde P

množina míst

T

množina přechodů

F

dopředná incidenční matice

Β

zpětná incidenční matice

M0

počáteční značení

(7)


15

Před akcí

Po akci

Obr. 2 Elementární akce na Petriho síti (Krejčí J., Zezulák J., 2006 )

Petriho myšlenka je prostá a elegantní. Elementární operace v PN tak jak je ukázána na Obr. 2 již nepotřebuje další vysvětlení. Průnik TP je nulový, množiny nemají společné prvky. V obyčejných PN jsou obě kategorie vrcholů jednoduše propojeny a neexistují vícenásobné hrany. Pro potřeby modelování VS a jejích komponent, zejména nádrží se vystačí většinou s obyčejnými PN. (Krejčí J., Zezulák J., 2006) Místo (Place) je základní prvek PN, reprezentující určitou podmínku. Vyjadřuje stav systému. Je-li místo součástí vstupní funkce I určitého přechodu, pak se stává nezbytnou podmínkou pro aktivaci tohoto přechodu, určitého jevu. Je-li místo součástí výstupní funkce O určitého přechodu, pak již byl tento přechod aktivován, tzv. 'odpálen' (fired). V návrhu PN jsou místa graficky vyznačena jako kružnice. Přechod (Transition) je základní prvek PN, reprezentující určitou akci. Akce může být spuštěna za předpokladu, že všechny vstupní místa přechodu obsahují tečky. Jen tehdy je možno aktivovat vstupní hranu přechodu. Akce „odpálení“ přechodu způsobí přemístění teček ze všech vstupních do výstupních míst. Přechod může tvořit např. model procesu. Hrana grafu (Arc) je objekt PN, který určuje vztahy mezi místy (Places) a přechody (Transitions) a naopak. Hrana tím pro každý přechod vytváří funkci vstupně-výstupních operací. V návrhu PN je hrana vyjádřena orientovaným segmentem křivky. Tečka (Token) je základním prvkem PN, rezidentní v určitém místě. Tečka signalizuje, že určitá místa (nebo podmínky) jsou realizovatelné. Větší počet teček v určitém místě obvykle reprezentuje násobné zdroje, vedoucí na redundantní (přeurčenou) formulaci problému. Počet teček je mírou značení místa. Konservativnost (Conservative) vyjadřuje zachování celkového počtu teček v síti jako konstantní pro všechny možné hodnoty značení. Značení (Marking) mapuje tečky v místech a definuje okamžitý stav PN. Počáteční značení (Initial Marking) přiřazuje tečky k místům v počátečním stavu PN. Vstupní funkce (Input Function) I mapuje přechod tj do množiny míst I(tj), definovaných jako vstupní místa přechodů.


16

Výstupní funkce (Output Function) O mapuje přechod tj do množiny míst O(tj), definovaných jako výstupní místa přechodů. Bezpečnost místa (Safe). Místo je bezpečné, jestliže pro všechna možná značení počet teček v něm nepřesáhne jednotku. PN je definována jako bezpečná, jestliže všechna její místa jsou bezpečná. Terminální vrchol (Terminal Node) je značení, které je již generováno při sestavování stromu dostupných operací a kterému neodpovídají žádné aktivní přechody. Růst stromu je ukončen dosažením terminálního vrcholu. Duální vrchol (Duplicate Node) je značení, které je již zavedeno do stromu dostupných operací a nemusí být proto při jeho tvorbě analyzováno. Všichni následníci tohoto vrcholu již byli generováni při prvním výskytu tohoto značení. Strom dostupných operací (Reachability Tree) reprezentuje všechna dostupná značení PN. Strom startuje z počátečního značení směrem nového značení pro každý dostupný přechod. Proces je opakován pro každé nové značení, které není terminálním ani duálním vrcholem. Proces je ukončen, jakmile jsou všechna možná značení vyhledána. Živost (Live) znamená, že zatím neexistuje žádný konečný vrchol ve stromu dostupných operací. Pro každé značení v tomto stromu existuje nejméně jeden přechod, který je pro toto značení otevřen. Zablokování (Deadlock) je stav PN, při němž všechny paralelní procesy (přechody) čekají na přidělení prostředků (teček), obsazených jinými procesy (přechody). Z hlediska programového kódu lze tuto situaci nazvat zacyklením. Nástroje PN umožňují sestavit a analyzovat stromové posloupnosti dosažitelných operací (Reachebility Tree) z hlediska bezpečnosti, zablokování, živosti a konservativnosti, (Krejčí J., Zezulák J., 2006) Na principu PN pracuje např. procedura MAN (model hydrotechnického opatření) modelovacího systému AquaLog. Jeho důležitým principem je nezávislá komunikace mezi hydraulickými a hydrologickými procesy. Každý z nich při tom využívá jednotných topologických formalizmů, nezávisle na své hydraulické/hydrologické podstatě a bez ohledu na vnitřní výpočetní struktury. Veškerá specifika definovaná ve stupni dekompozice jsou využita ve všech ostatních procesech. Neurčitosti v dostupnosti dat jednotlivých subsystémů, způsobené nejčastěji selháním systémů sběru nebo přenosu dat způsobují neurčenost matematických formulací. Matematická neurčenost čí přeurčenost má za důsledek, v algoritmickém smyslu, vznik abnormálního stavu výpočtu. Ten přeruší automatizovaný výpočet a vyžádá si zásah obsluhy modelu formou dialogu. Schéma v obr. 3 znázorňuje jednotlivé prvky vodního díla Orlík z hlediska rozlišovacích schopností modelovacího systému AquaLog: nádrž, čtyři říční úseky a čtyři ikony označujících přítoky z povodí. Pět pozorovacích stanic (červené šipky) určují okrajové

17


podmínky tvořené přítoky do nádrže jako výsledek modelů srážko-odtokového vztahu nebo vodoměrná pozorování na tocích.

L64

W65

Varvažov W6 4

České Budějovice

W63

Písek

Ostrovec

EL N

Bechyně

QV H

3 LL

W P0 Or lík

LP5

VD

LP4

Obr. 3 Definiční schéma nádrže a navazujících hydrologických subsystémů (Krejčí J., Zezulák J., 2006 )

3.2. Neuronové sítě Systémy založené na umělých neuronových sítích (NS) se využívají zejména pro rozpoznání závislosti ve vstupně-výstupních vztazích. Ve vodním hospodářství (a nejen v této oblasti) se využívají zejména pro simulaci chování systémů, u kterých není dostatečně známa jejich struktura a proto je někdy vhodné k nim přistupovat jako k systémům s neznámou strukturou (black box). První poznatky o NS byly publikovány v roce 1943 (McCuloch, Pits, 1943), v roce 1949 navrhl Donald Hebb model založený na biologické podobnosti se schopností učení. NS zvládají značnou míru neurčitosti ve vstupních údajích a jsou optimálním prostředkem pro úlohy rozpoznávání. Proto našly rozsáhlé uplatnění v nejrůznějších diagnostických zařízeních. Základem neuronové sítě je zjednodušená elektronická analogie biologického neuronu. Umělý neuron se chová jako extrémně jednoduchý počítač, který na základě daného algoritmu provádí vyhodnocení a transformaci vstupních signálů do svého výstupu. Umělou neuronovou síť můžeme definovat jako orientovaný graf, ve kterém množinu vrcholů tvoří těla neuronů a množinu hran tvoří spojnice neuronů. Neurony jsou v síti rozčleněny do vrstev např. podle následujícího schématu.

18


n1

n4

Vstupy n2

n7 n5

Výstup n8

n3 Vstupní vrstva

n6 Skrytá vrstva

Výstupní vrstva

Obr. 4 Umělá neuronová síť (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)

Vstupní vrstvu tvoří vstupní neurony, za ní následuje skrytá vrstva, případně více skrytých vrstev a vrstva výstupní. Neurony jsou v NS průběžně očíslovány. Každý neuron v libovolné skryté vrstvě je spojen hranou s každým neuronem vrstvy předchozí i následné. Funkci neuronu v umělé NS je možné popsat na neuronu nj vyjmutém ze skryté vrstvy. Označíme-li u počáteční a v koncové číslo neuronu ni předávajícího signál neuronu nj podle průběžného číslování neuronů. Dále označme jako Oi signál vystupující z i-tého neuronu a Oij signál procházející hranou hij z neuronu ni do neuronu nj, jejichž počáteční číslo značíme r a koncové s. Nechť Wij a Wjk jsou synaptické váhy, kterými je vynásobena velikost signálu Oij a Ojk a to vždy na konci příslušné spojnice. Pro signál Oj pak platí:  v  O j  TFj   Wij Oij   j   i u 

(8)

kde TFj (.) značí přenosovou funkci j-tého neuronu a j představuje tzv. práh j-tého neuronu. Následující vztah se nazývá aktivační funkcí:  v  Aj    Wij Oij   j   i u 

(9)

Pokud je hodnota aktivační funkce kladná, neuron „vzplane“ a propustí signál dále. Kladné váhy přispívají ke vzplanutí, záporné působí proti. Ke vzplanutí tedy může dojít, pokud úroveň součtu vstupních signálů překročí mezní hodnotu – práh j. NS mohou být jednak jednosměrné, kdy signál postupuje vždy pouze od vstupních neuronů směrem k výstupním, existují však i sítě zpětnovazební (feedback networks) kde signál může postupovat v obou směrech. Typická uspořádání sítí mají vlastní pojmenování zpravidla po

19


svých autorech, např.: Hopfield, BAM, ART, Percepton, Kohen, atd. (Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004) Přenosové funkce TF(A) se používají několika typů: Logistická sigmoidální funkce, Skoková přenosová funkce, Lineární prahová funkce, Gaussova přenosová funkce. Základem učení NS (trénování) je tréninková matice, která má n řádků a m sloupců, které jsou rozděleny na sloupce vstupní (symbol  ) obsahující vstupní hodnoty X1 až Xn a výstupní (symbol  ) obsahující hodnoty Y1 až Yn. Jeden řádek pak odpovídá jednomu požadovanému vztahu mezi vstupem a výstupem, tvoří jeden vzor. Schéma tréningové matice: tab. 1 Příklad tréninkové matice (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)













i

X1

X2

X3

X4

Y1

Y2

1

0,8

12,7

5,1

26,5

6,8

0,0

2

0,4

15,6

3,8

21,7

3,3

0,2

.

.

.

.

.

.

.

n

Xn,1

Xn,2

Xn,3

Xn,4

Yn,1

Yn,2

V průběhu učení – trénování – vstupují po řádcích do NS vstupní signály – tréninkové vzory. V závislosti na velikosti vah a prahů pak vystupují z výstupních neuronů hodnoty výstupních signálů. Odpověď NS na vstupní signál je zpravidla odlišná od výstupu požadovaného. Součet čtverců odchylek vypočtený pro každý vzor zvlášť je chybou vzoru Ev. Součet chyb Ev ze všech vzorů je celková chyba E. V procesu trénování se hledají takové hodnoty synaptických vah, aby pro všechny řádky tréninkové množiny tyto odchylky nepřekročily povolenou toleranci. Trénování NS pro všechny uvažované vzory představuje optimalizační postup, při kterém se minimalizuje celková chyba E. Vektorem neznámých v tomto procesu je vektor w, jehož prvky tvoří neznámé váhy, popřípadě i parametry přenosových funkcí a hodnoty prahů, v závislosti na konkrétní NS. Pro nalezení nejvhodnějších hodnot vektoru w se používá řada různých optimalizačních metod např.: gradientní metody, metody zpětného šíření, metody genetických algioritmů atd.. Neuronovou síť je možné simulovat jednak hardwarovými prostředky nejčastěji v provedení jako speciální karty do PC, na nichž jsou neurony a spoje mezi nimi vytvořeny pomocí mikroelektronických obvodů. Tyto prvky jsou velmi výkonné, ale nebývají pro běžná výzkumná pracoviště dostupné. Funkci neuronové sítě je možné simulovat i softwarově.


20

Softwarové simulátory jsou náročnější na strojový čas a kapacitu PC. Po natrénování sítě však dávají dobře využitelné možnosti. Z komerčních produktů je možné zmínit program BrainMarker Professional od společnosti California Scientific Software, USA, nebo program ARTINT společností Mentar a EGÚ z ČR. Z českých programů např. Neurex 5.1.. Simulátor neuronové sítě je součástí programu MATLAB od společnosti Mathworks, Inc (USA). MATLAB vytváří integrované prostředí pro vědeckotechnické výpočty, které se neustále zdokonaluje a přizpůsobuje současným požadavkům. Mezi jeho rozšiřující moduly (toolboxes) patří i Neural Networks Toolbox, který funguje jako simulátor neuronové sítě se širokými možnostmi využití. (Fošumpaur P., 1998) NS se používají především jako efektivní nástroje v procesu rozpoznávání a klasifikace závislostí mezi vstupními a výstupními údaji. V procesu rozpoznávání mnohdy předčí lidské smysly a jsou spolehlivější v situaci, když jsou data neúplná, nebo je jejich část neplatná. Proto našly uplatnění zejména v lékařské diagnostice a ve vojenství, např. při rozpoznávání nepřátelských objektů z radarového pozorování. Ve vodním hospodářství mohou najít uplatnění např. ve varovných systémech pro lokality ohrožené povodněmi. NS nejsou nástrojem pro přesné výpočty, pracují však uspokojivě a rychle v podmínkách neurčitosti. Proto mohou najít uplatnění i v operativním řízení VS. (Starý M., 2004) Výhodou NS je i značná adaptabilita, která může do určité míry operativně pokrýt změny řízeného systému doplněním odpovídajících tréninkových vzorů do tréninkové matice a přetrénováním NS.

3.3. Genetické algoritmy Na genetické algoritmy (GA) můžeme hledět jako na prohledávací metodu vhodnou ke stanovení optimálního řešení z hlediska zvolených kriterií. Obecně slouží k optimalizaci mnohorozměrných problémů. Rozvoj teorie GA se datuje od 70. let 20. století, počátkem významnější etapy rozvoje, který zasáhl i do praktických aplikací, bylo vydání knihy „Genetic Algorithms in Search, Optimalization and Machine Learning“ (Goldberg, 1989). V této době se objevuje pojem evolučního algoritmu (EA) a vzniká vědní oblast označovaná jako „evolutionary computing“. V literatuře (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol., 2004) je uveden následující přehled hlavních proudů EA a jejich představitelů: - Evoluční programování (EP) – L. Fogel, A. Owens a M. Walsech. - Evoluční strategie (ES) – L. Rechenberg, H. Schwefel. - Klasifikační systémy (CS) – J. Holland. - Genetické algoritmy (GA) – J. Holland a D. Goldberg. - Genetické programování (GP) – J. Koza. Vznik GA byl inspirován analogií s procesy mutace a selekce, které se uplatňují ve vývoji živých organismů, v buněčné genetice. GA lze s výhodou aplikovat na problémy, u nichž je


21

možné hodnotit kvalitu řešení na základě stanoveného kriteria. V GA se používá termín hodnota „fitness“ (analogie s vhodností chromozomu), která je dána kriteriální funkcí. Stanovení (vyhledání) „fitness“ hodnoty může být prováděno analyticky nebo odvozeno z chování sledovaného reálného systému. Množinu všech možných řešení, mezi nimiž leží řešení požadované, označujeme jako „prohledávaný prostor“. Optimální řešení pak odpovídá extrému dané kriterální funkce. Způsoby prohledávání daného prostoru mohou být voleny různě. Mohou být založeny na krokování se zvolenou přesností a následném výběru nejlepšího řešení. Prohledávání může být vedeno od několika zvolených prvních bodů prohledávaného prostoru, tzv. násady „seeding“, pomocí určeného algoritmu. Algoritmy mohou být založeny na principu gradientních i bezgradientních metod, metody Monte Carlo, mřížkových metod a metod GA. Metody GA poskytují zpravidla vyhovující řešení, i když nelze vždy prokázat, že se jedná skutečné optimum. Hlavní rysy vyhledávací metody GA jsou uvedeny v (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol. 2004) následovně: - Pracují s řetězcem zakódovaných parametrů – chromozomem, ne s parametry samotnými. - Představují vyvážený poměr mezi hledáním nových řešení v parametrickém prostoru a využíváním informací již objevených. - Jsou náhodnými algoritmy v tom směru, že používají operátory, jejichž výsledek závisí na pravděpodobnosti. Výsledky těchto operací jsou založeny na hodnotě náhodného čísla. - Pracují s několika řešeními současně (paralelismus). Přenášejí informace z aktuálního hledání přímo do následného hledání. Schopnost pracovat s několika řešeními současně způsobuje, že jsou méně náchylné k uváznutí v oblastech lokálních minim. - Vlastnost implicitního paralelismu u nich způsobuje, že populace jedinců najde řešení rychleji, než kdyby prohledávali prostor samostatně jednotliví jedinci. - Využívají pouze hodnotu kriteriální funkce, nikoliv její derivace nebo další doplňující znalosti, což je příznačné například pro gradientní metody. Uvedené vlastnosti z nich činí univerzálnější a obecnější optimalizační nástroje než klasické optimalizační metody. Řešení pomocí GA má rysy evolučního řešení. Kandidát řešení je nazýván „jedinec“. Ve většině modelů obsahuje jedinec jeden chromozom. Jedinci jsou seskupováni do množin zvaných populace. Po sobě následující populace se nazývají generace. Řešení začíná s počáteční populací jedinců. Jedinci současné populace pomocí mutace a křížení ovlivní vznik další generace. Jedinci jsou vybíráni na základě kritérií a každému jedinci je přiřazena určitá míra kvality. Vybraní jedinci (princip selekce) se podílejí na vzniku další generace. Po selekci proběhne na základě stanoveného algoritmu křížení, kdy dojde ke kombinaci chromozomů rodičů a vznikne zcela nový chromozom potomka. Ten může být na základě náhodnosti pozměněn, dochází k mutaci. Po operaci křížení a mutace je dokončen chromozom jedince následující generace. Tento postup je možné provádět v podobě cyklu a vyhodnocovat vlastnosti jedinců,

22


až do dosažení stanovených kriterií. Viz následující vývojový diagram (Prax P., 1999 in Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004).

START Náhodné vygenerování N jedinců populace

Ohodnocení

každého

jedince

pomocí

kriteria

Splnění ukončovací podmínky?

KONEC

Výběr vhodných rodičů použitím selekce

Aplikace operátorů křížení vždy na dva náhodně vybrané rodiče

Aplikace operátorů mutace na náhodně vybrané jedince z nové generace

Obr. 5 Základní genetický algoritmus (podle Prax P., 1999)

Křížení a mutace jsou dvě nejdůležitější operace v teorii GA, které dominantně ovlivňují rychlost a konvergenci řešení. Tyto operace probíhají nad „chromozomy“. Matematická analogie chromozomů může mít tvar např. vektoru nebo binárního řetězce. Příklad operace křížení při binárním zápisu kódu chromozomu je uveden v následující tabulce. Bod křížení je vyznačen svislicí. Může být pro každý rodičovský pár vybrán náhodně. Mohou být definovány různé metody křížení s různým vlivem na průběh řešení dané úlohy.


23

tab. 2 Příklad křížení chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)

Rodič 1

100101010110|0110101111110

Rodič 2

111000110100|1000101001101

Potomek 1

100101010110|1000101001101

Potomek 2

111000110100|0110101111110

Operací mutace se náhodně změní chromozomy potomků. Mutace je prevencí proti nalezení pouze lokálního extrénu řešeného problému. Diverzifikuje vlastnosti jedinců v nové generaci. V případě binárního kódování chromozomů se mutace může realizovat náhodnou záměnou vybraných bitů, jak je například uvedeno v následující tabulce: tab. 3 Příklad mutace chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)

Původní potomek 1

1001010101101000101001101

Původní potomek 2

1110001101000110101111110

Mutovaný potomek 1

1000010101101000101001101

Mutovaný potomek 2

1110101101000110101111110

Operátor mutace může být rovněž nastaven různým způsobem, může probíhat na základě různých algoritmů s využitím náhodnosti. Úlohy řešené pomocí GA začínají inicializací – počátečním nastavením populace. Obvykle bývají chromozomy počáteční populace nastaveny náhodně. Při počátečním nastavení i později v běhu řešení úlohy je třeba ošetřit vznik duplicity chromozomu. Výběr jedinců pro křížení, selekce, je analogií přirozeného výběru podle Darwinovy evoluční teorie. Principem přirozeného vývoje je výběr pouze nejlepších, nejživotaschopnějších jedinců, kteří mohou založit další generaci. Svou roli i v přirozeném biologickém prostředí hraje náhodnost. Uvádějí se následující postupy selekce (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol., 2004): - Nejlepší výběr – z populace jsou vybráni pouze nejkvalitnější jedinci podle nejvyšší hodnoty nastaveného kriteria. - Uniformní výběr – rodiče jsou vybráni zcela náhodně. Každý jedinec má stejnou pravděpodobnost, že bude vybrán. - Deterministický výběr – deterministický selektor užívá dvoufázové selekční procedury. V první fázi se vypočítá předpokládané kritérium nových jedinců od všech rodičů. Dočasná populace je pak naplněna nejdříve jedinci s nejvyššími očekávanými hodnotami kriteria. Druhá fáze je uniformní náhodnou selekcí z dočasné populace.


24

- Stochastický výběr – jde opět o dvoufázovou selekci. První fáze je shodná s deterministickým výběrem s tím, že zbývající pozice se obsadí náhodně vybranými jedinci z předchozí generace. Druhá fáze je pak opět náhodnou selekcí. - Metoda rulety – podle hodnoty kriteria zvýhodňuje ve výběru kvalitnější jedince. jedinec s vyšším kriteriem má úměrně vyšší pravděpodobnost, že bude vybrán. - Metoda lineárního pořadí – je vhodná v případě, že se hodnoty kriteria pro výběr významně liší. Z jedinců je sestavena řada podle výše kriteria a pravděpodobnost výběru nezávisí na hodnotě kriteria, ale na pořadovém čísle jedince. - Metoda exponenciálního třídění – je založena na stejném základě jako metoda předchozí, liší se tím, že pravděpodobnost výběru má exponenciální závislost na pořadí jedince. - Metoda turnaje – nepožaduje setřídění populace. Z n jedinců je vybráno t soutěžících. Pro vznik další generace je vybrán nejlepší z těchto t jedinců. Celý postup se opakuje tolikrát, kolik jedinců je potřeba vybrat. Metoda obvykle vybere častěji jedince s vyšším kriteriem, než metoda rulety. - Metoda ustáleného výběru – ve skutečnosti se nejedená o prostou metodu výběru, ale o postup, kdy GA vytváří novou generaci tak, že z několika vybraných rodičů s nejvyšší hodnotou kriteria vygeneruje potomky a z výchozí populace odstraní stejný počet jedinců s nejnižším kriteriem, jako je počet nově vytvořených potomků. Velká část chromozomů tak zůstane zachována v nové „generaci“. V procesu výběru může být uplatněn princip elitismu, který chrání systém před ztrátou nejlepších jedinců v procesu výběru. Uplatnění elitismu znamená, že se do nové populace zkopíruje daný počet nejlepších chromozomů. Zbytek nové populace se vytvoří některou z popsaných výběrových metod. Pro praktické využití GA se doporučuje: - poměr křížení v rozmezí 0,80 až 0,95, - poměr mutace velmi nízký, kolem 0,005 až 0,01, - velikost populace 20 až 30 jedinců, - pro selekci využít metodu rulety, někdy může být metoda lineárního pořadí vhodnější, - uplatnit metodu elitismu. Metody GA mohou být uplatněny jako metody optimalizačního programování. Jejich výhodou je odolnost proti uvíznutí (zacyklení) v lokálním extrému a snadná implementace již jednou vytvořených algoritmů na podobné úlohy. Nevýhodou je vyšší potřeba strojového času, mohou být pomalejší než jiné optimalizační metody. Využívají se v následujících oblastech aplikací, (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol. 2004): - nelineární dynamické systémy – predikce, analýza dat, - umělé neuronové sítě – topologie, proces učení, - neuro-fuzzy genetické systémy – topologie, proces učení, - genetické programování – vývoj programů v jazyce LISP, - strategické plánování, - řešení problémů obchodního cestujícího a pod.


25

V Česku se aplikací GA ve vodním hospodářství v teorii nádrží a vodohospodářských soustav zabývali např. Nacházel a Toman (1995). V souvislosti s dalšími vodohospodářskými problematikami pak Kremláček (2000), Ošmera, Prax, Mičín a Šimoník (1995) a Prax (1999).

Dostupné prostředky pro modelování vodohospodářských soustav

26

Výběr dostupných prostředků pro vytváření matematických modelů využitelných pro vodohospodářské soustavy 1. AquaLog Systém Aqualog je produktem firmy AquaLogic Consulting s.r.o. Aqualog má stavebnicovou formu a jeho modelovací techniky představují soubor procedur, které lze využívat jako nástroj pro simulace hydrologických a vodohospodářských procesů. Z hydrologického hlediska pak představuje semi-distributivní přístup matematického modelování: povodí (vodohospodářská soustava) je členěno do subsystémů (komponent), representovaných některou z výše uvedených kategorií procesů. Systém tvoří prostředí, ve kterém lze snadno vyčlenit prvky hydrologického systému a zajistit předávání stavových veličin v rámci sousedních komponent. Tvorba a provoz takto získaného modelu probíhá ve třech úrovních: MAKRO-, MEZZO- a MIKRO-topografie. Integrovaný systém komponent umožňuje simulovat odtokový režim ve složitých konfiguracích odtokových oblastí, říčních toků, jezů, kaskád nádrží i složitějších VS, včetně nejednoznačných směrů proudění. Jednotlivé modelovací techniky mohou řešit široké spektrum vodohospodářských aplikací. Ústřední moduly, zajišťující hydrologické aplikace, jsou posíleny kompaktním systémem řízení výpočtu, grafické i textové prezentace vstupně/výstupních informací a statistik časových řad. Systém je modulární a umožňuje snadné rozšiřování knihovny modelovacích technik, poskytující výběr metod pro simulaci hydrologických procesů v přirozených či v ovlivněných hydrologických systémech a ve VS. Základní princip tvorby modelu spočívá v prostorové dekompozici původního hydrologického systému do dílčích, dostatečně representativních komponent, které je možno, na vhodně zvolené rozlišovací úrovni, matematicky formulovat. Takto je možné pracovat s modely srážko-odtokových vztahů, říčních úseků a nádrží. Nádrž může být vybavena ovládacími mechanizmy pro řízení odtoku s časově proměnným režimem pohybování. Před srážko odtokový model může být předřazena modelovací technika, která zprostředkuje redukci nebo přírůstek objemu vody vlivem tání, výparu a podobně. Výstupy operativního systému sběru dat jsou zastoupeny následujícími druhy časových řad: - vodní stavy nebo průtoky, - srážky, - teploty, - nastavení poloh uzávěrů objektů, - boční přítoky, - odběry, vody


27

- výška sněhové pokrývky, - vodní hodnota sněhu, - potenciální evapotranspirace.

Model SNOW-17 simuluje proces tání a také vytváření sněhové pokrývky na základě údajů o teplotě vzduchu. Modelovací technika byla vyvinuta USNWS a je součástí koncepčního modelu Sacramento. SNOW-17 vyjadřuje matematicky nejdůležitější procesy, které tvorbu a tání sněhové pokrývky provází: výpočet sněhové vrstvy a plošného rozsahu sněhové pokrývky, výměny tepla mezi sněhem a ovzduším a mezi sněhem a půdou a retenci tekuté vodní fáze. Model SNOW-17 v rámci AquaLogu zpracovává hodnoty vstupních srážek do modelů kategorie „povodí“ a provádí příslušné úpravy (redukci srážky nebo její zvětšení) v závislosti na aktuálních klimatických a hydrologických podmínkách během formace a tání sněhu. V MAKRO-topografii systému je proto vždy předřazen modelům této kategorie (na příklad modelu APIc). Žádné další aktuální časové řady než srážkové a teplotní tento model nevyžaduje, pro identifikaci parametrů ani pro provoz v reálném čase. V případě updatingu je možno zadat časové řady vodní hodnoty sněhu a výšky sněhu. Model SAC-SMA (Sacramento Soil Moisture Accounting Model) vyvinutý US National Weather Service River Forecast System (NWSRFS) představuje povodí jako soustavu vertikálně a horizontálně uspořádaných zón, resp. nádrží. V nich je voda zadržována (intercepce v horních zónách) a z nich je buď odčerpávána vegetací (evapotranspirace) nebo infiltruje do hlubších zón (půdní vláha a zásoby podzemní vody), resp. odtéká ve formě různých komponent celkového odtoku: - 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 (zóna aerace), - dodatkový podzemní odtok, tj. sezónní složka celkového podzemního odtoku. Relativně proměnlivý, vytvářený z mělkých kolektorů podzemních vod, - primární podzemní odtok, vytvářený ze zásob s dlouhou dobou zdržení v povodí, tj. odtok především z hlouběji uložených kolektorů. Parametry vlastního srážko-odtokového modelu charakterizují výlučně proces déšť - odtok. V programu jsou navíc začleněny další charakteristiky ovlivňující srážko-odtokový proces: - korekční faktory pro dešťové a sněhové srážky, - teplotní výškové gradienty a nadmořské výšky teploměrných stanic, - jednotkový hydrogram charakterizující transformační účinky povodí a - dlouhodobé průměrné měsíční úhrny evapotranspirace reprezentující optimální požadavky vegetace - evapotranspirační potřeba, aj.

Model APIc Modelovací technika vychází ze Sittner-Schauss-Monro algoritmu, odvozeného z tradičních koaxiálních korelací. Přednost této koncepce spočívá ve sloučení empirického


28

přístupu s intuitivními a logicky oprávněnými formami vztahu, které jsou navíc přehledně graficky interpretovány.

Model Muskingum- Cunge vychází z analogie parametrů osvědčené techniky Muskingum s numerickým schématem pro kinematickou vlnu upraveným Cungem. Empirický algoritmus původního modelu tím získal fyzikální zdůvodnění a původní nenáročnost na vstupní údaje. Model nevyžaduje zaměřené příčné profily koryta. Model TDR Transport-difusní model TDR je v současné době využíván v hydroprognózním provozu ČHMÚ. Na rozdíl od empirických a kinematických vztahů umožňuje předběžně oceňovat fyzikálně interpretovatelné parametry na základě geometrické konfigurace říční soustavy a případně registrovaných hydrogramů na 'vstupech' a na 'výstupu'. Umožňuje rovněž jejich opravy v případě změn konfigurace toku (úpravy toků a jiné změny v korytě). Umožňuje rozlišovat pohyb vlny v korytě a v inundaci s rozdílnými parametry v závislosti na velikosti průtoku. Nemá nároky na podrobnou geometrii koryta. Model umožňuje určení hladinového režimu pouze v uzávěrových profilech říčního úseku na základě existence měrných křivek. 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. Model SLF je založen na autoregresivním algoritmu typu ARMA SLF.Autoregresní model SLF je uvažován jako náhradní procedura jejíž parametry (dimenze) nemají fyzikální význam. Předpovědní horizont modelu je omezen na 2 časové intervaly (výpočtové) a je vhodný především pro modelování plynulých odtokových vln (hladin či průtoků). Zkušenost ukazuje, že pro naladění schématu je potřebná historie asi 40 předchozích měření modelované řady. Při splnění těchto podmínek je program SLF vhodnou předpovědní procedurou v případě, že chybí předchozí pozorování potřebná pro kalibraci deterministických modelů. Model MAN je určen pro interaktivní simulace řízení odtoku různými objekty nádrže. Model MAN využívá technologie Petriho sítí pro integraci hydrotechnických objektů vodních děl. Tato metoda umožňuje zahrnout matematicky nekonsistentní procesy, které se uplatňují v řízených hydrologických systémech: modely representativních hydraulických objektů a hydrologických procesů umožní sestavit obecné výpočetní schéma pro libovolnou konfiguraci vodního díla. Model MAN zahrnuje následující modelovací techniky, všechny pod jednotným řízením systému AquaLog: - RES kinematická rovnice nádrže, - MS3 řízený přeliv, - MB3 řízený výtok základovou výpustí, - ELN turbo-generátor, - DMY pomocná, - QVH měrná křivka.


29

Systém Aqualog umožňuje modelování všech běžných funkcí VS. Jeho výhoda je možnost kontinuálního provozu. Je v současnosti využíván předpovědní službou ČHMÚ pro povodí Labe a Vltavy. (AquaLogic s.r.o., Programová dokumentace, 1999)

2. Hydrog Program Hydrog je produktem firmy HySoft, jeho autorem je prof. Ing. Miloš Starý, CSc., v současnosti je aktuální verze 9.1. Program byl vyvinut především jako distributivní srážko-odtokový model zaměřený na simulaci, operativní předpovědi a operativní řízení odtoku vody z povodí. Program rovněž umožňuje výpočet a optimalizaci odtoků ze soustavy nádrží, v tomto ohledu je zaměřený především na povodňové řízení. Program pracuje se schematizací povodí. Reálné povodí se nahrazuje orientovaným ohodnoceným grafem. Říční síť je rozdělena na úseky a k nim příslušející mezipovodí (v programu označované jako "zavěšené plochy"). Každému úseku a každé ploše mezipovodí jsou přiřazeny příslušné atributy (délka, průměrný sklon, typ povrchu apod.). Povrchový odtok z povodí je rozdělen na plošný odtok z příslušných mezipovodí a koncentrovaný odtok v říční síti. Odtok se řeší kinematickou vlnovou aproximací Saint-Venantových rovnic pro neustálené proudění (Stephenson and Meadows, 1986). Výpočet zohledňuje počáteční ztrátu infiltrací. Simulace tání sněhu je řešena kalibrovaným (degree-day) modelem. Pro numerické řešení rovnic popisujících tok vody úseky koryt toků a po plochách mezipovodí je použita jednokroková explicitní diferenční metoda. Podzemní odtok se počítá podle koncepčního regresního modelu (McCuen and Snyder, 1986), kdy se v povodí uvažuje jedna podzemní nádrž - velikost odtoku z této nádrže je pak rozpočítána v každém časovém kroku v poměru velikostí mezipovodí na velikost podzemních odtoků z těchto ploch. Ztráta infiltrací je řešena Hortonovou metodou (Jacobsen, 1980), kdy je hodnota počáteční infiltrace odhadnuta podle srážkového úhrnu za předchozí období. Program provádí simulaci transformace povodňové vlny nádržemi. Základní diferenciální rovnice nádrží jsou řešeny metodou Runge Kuta IV. řádu. Při simulaci se předpokládá, že hydrodynamické vlastnosti systému se nemění, tj. regulační uzávěry nádrží jsou pevně nastaveny. Odtok z nádrží však může být stanoven i na určitou zadanou hodnotu, nereálně zadané odtoky z nádrží je program schopen korigovat. Systém je upraven pro subjektivní i automatickou kalibraci vybraných vlastností, např. drsnost a hydraulická vodivost zavěšených ploch apod. Umožňuje do grafického výstupu přímo zadat průběhy měřených průtoků ve vybraných profilech a ze srovnání měřených a simulovaných průběhů usuzovat na změnu kalibrovaných veličin. (Starý M., 2001), zdroj: www.hysoft.cz Vstupními údaji pro předpovědi jsou - měřené srážky v hodinovém kroku, - měřené teploty vzduchu v hodinovém kroku,


30

- měřené průtoky v hodinovém kroku, - měření výšky sněhu a jeho vodní hodnoty, - předpovědi srážek v 6 hodinových úhrnech, program dobře spolupracuje s předpovědnímm systémem (ALADIN) a bere v úvahu plošnou nerovnoměrnost rozdělení srážek, - předpovědi teplot v 6 hodinovém kroku, - počáteční stavy hladin v nádržích. Program Hydrog spolupracuje s operativní hydrologickou databází AquaBase (Aqualogic, s.r.o.), kterou je účelné využívat k editaci vstupních dat. Systém je orientován zejména na jednorázové spouštění a využívání především za povodňových situací. Systém Hydrog je využíván regionálními pracovišti ČHMÚ v Brně a Ostravě pro povodí Dyje, horní Moravy, Bečvy a Odry. Dále pak dispečerskými pracovišti podniků Povodí Ohře s.p., Povodí Moravy s.p. a Povodí Odry s.p.

3. Matlab, Simulink Matlab, produkt firmy MathWorks Inc. (USA), je nejčastěji charakterizován jako "programový balík" pro multioborové technické výpočty. Jde de facto o vysokoúrovňový programovací jazyk doplněný množstvím nástaveb a rozšíření, označovaných nejčastěji jako "toolbox", které se již mnohdy orientují na některou z konkrétních oblastí vědy a techniky. Patrně nejrozšířenější z těchto nástaveb, která neztrácí univerzální charakter je Simulink, který využívá funkcí Matlabu pro modelování, simulaci a analýzu dynamických systémů. Jedná se v principu o prostředek pro numerická řešení nelineárních diferenciálních rovnic. Disponuje přehledným uživatelským rozhranním s intuitivním ovládáním. Podrobnější charakteristika Matlabu jako prostředí je nad rámec této monografie. Pro matematické modelování v oblasti vodního hospodářství Matlab poskytuje výkonné a snadno použitelné prostředky pro práci s časovými řadami. Jde zejména o výkonné nástroje pro maticový počet a interpolace. Pokud je potřeba do modelu např. nádrže nebo VS vnést prvky událostmi řízené logiky, je optimální využít možností dalšího rozšíření Matlabu a to nástroje Stateflow, který je snadno propojitelný se Simulinkem. Opět disponuje intuitivním grafickým uživatelským rozhraním. Stateflow pracuje na základě teorie konečných automatů a disponuje různými možnostmi systémových reprezentací. Využití prostředků Matlab, Simulink a Stateflow, případně dalších "toolboxů", např. Control System Toolbox, je reálné pro modelování nejen samostatných vodních děl, ale i VS (Fošumpaur P., 2001). Obraz modelované VS jako systému je možné na základě jeho dekompozice vytvořit v Simulinku s využitím komponent dostupných v základních knihovnách. Jde především o potřebný počet implementací integrátoru a komponent representujících přenosové a další funkce. Ty representují funkce nádrží, uzávěrů, přelivů,


31

transformační funkce říčních koryt, soutoky, atd. Representaci zpětných vazeb využívaných pro řízení VS, např. podmínky nepřekročení neškodného průtoku v daném profilu na toku, nebo naopak zachování minimálních požadovaných průtoků, se nabízí řešit např. pomocí funkcí toolboxu Stateflow. Další možné uplatnění Stateflow se nabízí při simulaci manipulací daných pravidly manipulačního řádu v závislosti na daných vstupech – např. datum (měsíc, roční období), přítok do nádrže, úroveň hladiny, apod. Nejsložitější podmínky v rámci modelové VS v povodí Ohře jsou takto v manipulačním řádu stanoveny pro VD Skalka. Využití těchto nástrojů může představovat alternativu pro dále rozpracovaný model VS v povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0, která může být ověřena a využita v průběhu dalšího výzkumu. Nespornou výhodou je možnost mnohonásobného spouštění za různých podmínek z prostředí Matlabu. Nevýhody jsou obecně stejné u všech universálních systémů - nejsou připraveny žádné specifické nástroje a řešení zaměřená na řešenou speciální problematiku a všechny komponenty systému se musí od základu vytvářet. Dá se očekávat, že s množstvím definovaných vazeb na úrovni VS, zejména podmínek a pravidel pro součinnost manipulací na více nádržích, se bude rapidně zvyšovat složitost celého programu.

4. TIRS.NET Systém TIRS.NET od firmy CORAL s.r.o., aktuální verze 5, je řídicí a informační systém kategorie SCADA/HDMI se základní orientací na tvorbu průmyslových řídicích systémů. Disponuje nástroji pro vytváření dispečerských aplikací pomocí interaktivního grafického prostředí. Systémy se sestavují z předdefinovaných komponent. Umožňuje vytváření on-line řídicích systémů využívajících telemetrie a dalších progresivních metod spojení a implementace do řízeného systému. Výrobce mimo jiné nabízí předpřipravené monitorovací a řídicí systémy pro přehrady, které představují kompletní vybavení dispečinku umožňujícího monitoring a ovládání: - Hydrotechnických a hydrologických situací (stavy hladin, průtoků, naplnění prostorů), - Meteorologických veličin (teplota ovzduší, teplota vody, srážky, vlhkost, intenzita slunečního záření, síla a směr větru, výška sněhu, vodní hodnota sněhu, atd.), - Uzávěrů a klapek výpustí vodního díla, - Chodu vodní elektrárny, přepočet dodávané energie na průtoky, - Parametrů životního prostředí (pH vody, vodivost, obsah kyslíku ve vodě, obsah škodlivin v ovzduší), - Vodárenského odběru a jiných odběrů vody, - Sond technicko-bezpečnostního dohledu, průsaků, atd., - Stavu plavební komory a pohybu lodí.


32

Obr. č. 6 Příklad vizualizace aktuálních hodnot stavů a průtoků v programu TIRS.NET

Programové prostředky TIRS.NET dosud nebyly ověřeny pro modelování VS a jejího řízení, využívají se ponejvíce v oblasti technické regulace (čerpací stanice, úpravny vody apod.). Jejich současné využívání se omezuje na automatizované systémy sběru dat a to i pro potřebu VHD (např. Povodí Labe, s.p.) a vybavení dispečinků větších vodních děl, zejména s hydroelektrárnami. V současné podobě se dá nicméně předpokládat, že by tento nástroj mohl být pro tvorbu modelu VS využit. Nabízí se například využití komponent a celků již pro řízení samostatných vodních děl ověřených. Podle informací odborníků z firmy Coral s.r.o. v současnosti nejsou v tomto systému k dispozici prostředky pro modelování neustáleného proudění ve vodních tocích jako přenosové funkce mezi bloky simulujícími vodní nádrže. Vytvoření takových programových komponent by patrně možné bylo. (zdroj: www.coral.cz , e-mailová korespondence s firmou Coral s.r.o.)

5. Program HEC-ResSim 3.0, jeho základní vlastnosti a možnosti využití Program HEC-ResSim (Reservoir System Simulation program) vytváří prostředí pro modelování funkcí vodních nádrží a VS. Patří do celosvětově známé a využívané skupiny programů vytvořených inženýrským centrem ženijní složky armády USA - "US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center (HEC), Davis, CA, USA". Z nich nejběžněji používané byly uvolněny pro veřejnost jako freeware.


33

HEC-ResSim v současné podobě vznikl jako jeden z programů označovaných jejich autory jako "nová generace" (the Next Generation), jejímiž hlavními rysy je přechod z platformy DOS na novější operační systémy, zejména MS Windows, některé z těchto programů, jsou rovněž navrženy pro Unix nebo Solaris, eventuelně Linux. Pro ovládání při běžných uživatelských situacích je připraveno standardní menu a dialogová okna vytvořená nejčastěji ze zdrojů běhového prostředí JAVA (Sun Microsystems, Inc.). Mezi programy této skupiny patří: HEC-RAS (River Analysis System), v aktuální versi 4.0, celosvětově využívaný jako nástroj pro 1D modelování proudění v otevřených korytech v ustáleném i neustáleném režimu, disponující množstvím dalších funkcí, např. výpočty pohybu splavenin, kvality vody (ředění), teplotního režimu, atd. HEC-HMS (Hydrologic Modeling System), v aktuální versi 3.4, nástroj pro modelování srážko-odtokových procesů, včetně např. tání sněhu a základního odtoku. Dovoluje zohlednit rozmanitosti členění a uspořádání povodí, včetně transformačních procesů povodňových vln v nádržích a v otevřených korytech. Nabízí možnost aplikace různých metod výpočtu a efektivní nástroje pro kalibraci. Je např. rutinně využíván hydrologickými pracovišti ČHMÚ. Oba výše uvedené programy lze považovat za obecně nejznámější a nejvíce využívané. Jsou navrženy i pro využití a spolupráci s GIS. Tým HEC vyvinul extenze HEC-GeoRAS a HECGeoHMS pro programy ArcView GIS 3.x a ArcGIS řady 8 a 9 od firmy ESRI, Inc, které umožňují zpracování, import a export geografických dat a efektivní zpracováni geografických podkladů ve 3D (ESRI TIN). Dále je z této skupiny vhodné zmínit: HEC-FDA (Flood Damage Reduction Analysis), nástroj pro analýzu povodňových rizik. HEC-EFM (Ecosystem Functions Model), nový program uvolněný v červenu 2008 pro analýzu změn ekosystému v závislosti na změnách režimu průtoků. HEC-SSP (Statistical Software Package), statistický software zaměřený na zpracování hydrologických dat. HEC-RPT (Regime Prescription Tool), vizualizační nástroj používaný pro sledování a zobrazování hydrologických i jiných (např. biologických) měřených a vypočtených veličin a údajů v reálném čase. Je koncipovaný pro spojení s jinými programy HEC. Prozatím ale není znám žádný možný způsob jeho propojení a využití v souvislosti s modely VS vytvořenými v HEC-ResSim. Avizována je budoucí dostupnost prostředků HEC-RPT z menu HECResSim, ale až od plánované verze HEC-ResSim 4.0 (Users Manual HEC-RPT). HEC-GeoDozer je jedním z posledních uvolněných prostředků. V tomto případě však nejde o samostatně fungující program ale o extenzi pro systém ArcGIS (ESRI, Inc.) ve verzi 9.2 a 9.3. Umožňuje editaci digitálních modelů terénu a je orientován především na podporu programu HEC-HMS, resp. HEC-GeoHMS.


34

V neuvolněné beta-verzi je testován HEC-WAT (Watershed Analysis Tool), integrovaný softwarový systém sestávající z grafického uživatelského rozhraní, databázového subsystému a nástrojů pro správu map, grafů a výstupů. Měl by se stát sjednocujícím prostředím pro týmovou spolupráci a sdílení vstupů a výsledků z výše uvedených samostatných programů. Důležitým jednotícím prvkem celé této skupiny je jednotný formát souborové databáze HECDSS (HEC Data Storage System), která v USA představuje obecný standard pro uchovávání dat využívaný např. federálními institucemi (USACE HEC, USNWS, EPA, USGS, USSCS) i dalšími subjekty včetně soukromých, které v oblasti vodního hospodářství působí. Pro vizualizaci správu a snadnou úpravu dat ve formátu HEC-DSS je k dispozici nástroj HECDSSVue (Data Storage System Visual Utility Engine) Program HEC-ResSim rovněž patří k prostředkům uvolněným jako fereware a jeho instalační soubor je k dispozici na webové stránce: "www.hec.usace.army.mil/software/hecressim/downloads.html". Instalace je možná pouze pod operačními systémy MS Windows 2000, XP a Vista. U Windows 2000 a XP nelze použít lokalizované verze. Program se sice nainstaluje a je možné ho spustit, nelze však korektně zadávat časové údaje a následně spouštět simulace. Nastavení jazyka a měrných jednotek problém neřeší, je proto třeba použít originální verzi operačního systému v angličtině. U systémů Vista není lokalizace na překážku, je však třeba nastavit odpovídající formát pro čísla, čas a datum. Pod systémy řady Windows 7 HEC-ResSim verze 3.0 nepracuje, resp. má nefunkční některé základní ovládací prvky. Změna se dá očekávat s vydáním avizované další verze tohoto programu. Používání uvedeného programu je dovoleno i pro komerční využití za podmínky souhlasu s licenční smlouvou. Zdrojové kódy programu nejsou uživateli dostupné, nicméně soubory obsahující konfigurace je možné editovat nezávisle na běhu programu v libovolném textovém editoru. Rovněž lze editovat programem uložené časové řady ve formátu HEC-DSS např. s použitím HEC-DSSVue. V dubnu roku 2007 byla uvolněna aktuální verze programu HEC-ResSim 3.0 (Klipsch J. D., Hurs M. B., 2007), která oproti předchozí verzi 2.0 představuje robustnější modelovací nástroj. Přináší nové možnosti v oblasti modelování funkce čerpacích stanic a vodních elektráren, možnost uplatnění logických konstrukcí typu „If – Then – Else“, uživatelských skriptů a řízení na základě uživatelsky definovaných časových řad a další podstatná vylepšení velké řady funkcí známých z předchozí verze. HEC-ResSim 3.0 tak představuje nástroj vhodný pro simulaci řízení všech podstatných funkcí vodních nádrží a vodohospodářských soustav (VS) za normálních i extrémních situací. V tomto prostředí lze definovat model jakékoliv běžné VS s dostatečnou podrobností a spouštět simulace na základě časových řad definovaných buď podle skutečných událostí v povodí, na podkladě předpovědí, nebo jakýchkoliv jiných prověřovaných alternativ. Pro vstupy i výstupy časových řad se využívá napojení na databázi HEC-DSS. Veškeré informace o každém konkrétním modelu nádrže nebo VS ResSim ukládá do samostatného uživatelem určeného umístění - adresáře, který obsahuje standardní strukturu podadresářů a souborů a je pojmenován zpravidla podle řešené VS. Takovýto celek je v


35

terminologii programu označován jako "Watershed", což má tedy v tomto případě širší význam, než překlad tohoto slova jako "povodí". Dalším základním rysem programu je jeho rozdělení do tří modulů - "Watershed Setup", "Reservoir Network" a "Simulation".

Obr. č. 7 Modulová skladba programu ResSim (HEC-ResSim 3.0 User's Manual)

Modul "Watershed Setup" slouží především k vytvoření základu - kostry pro topologii VS. Ta se buduje zpravidla na mapovém podkladě, který může být representován různými formáty vektorových nebo rastrových map. Podporovány jsou formáty: ESRI Shapefile, ESRI ArcInfo, Auto CAD *.dxf, Rastry *.img, *.gif a *.jpg, formáty USGS (US geological survey) *.dlg a *.dem, model terénu ASCI NetTIN. Přípustná je i kombinace různých formátů map v jednom projektu. Optimální je použití hladin ESRI Shapefile, protože umožňuje import liniových prvků z mapy do modelu a jejich využití jako základu pro vytvoření geometrické kostry systému. V modulu "Watershed Setup" se nejprve jako základ pro další komponenty vytváří kostra říčních úseků (streams). Spojením úseků vznikají soutoky (junctions). Dále pak uživatel definuje nádrže a podle potřeby další objekty různého typu, např. odbočení (diversions), výpočtové body (computation points), podélné hráze (levees), oblasti akumulace


36

vody mimo tok (off-channel storage areas), oblasti ovlivnění (impact areas) a další, včetně možnosti definování vlastních typů objektů. V modulu "Reservoir Network" se na základě vytvořeném v předchozím modulu dokončuje topologie VS a jsou podrobně definovány vlastnosti jednotlivých prvků VS. Především se stanoví nádrže s jejich charakteristikami, objekty a pravidly řízení a definují se říční úseky soutoky a odbočení. Modul umožňuje uložit několik pojmenovaných variant těchto sestav označovaných jako „network“. Stanovit vlastnosti lze u všech objektů v tomto modulu vytvořených. U říčních úseků je potřeba definovat metodu transformace povodňové vlny (např. Muskingum, MuskingumCunge, atd.). U soutoků je možné definovat místní přítok, měrnou křivku apod. Nejvíce vlastností se definuje u nádrží. Jde zejména o základní charakteristiky nádržního prostoru, čáru objemů a zatopených ploch. Následují údaje o hrázi, především výškové kóty a další doplňující údaje informativního charakteru. Podrobně se definují funkční objekty a uzávěry - nejčastěji spodní výpusti a bezpečnostní přelivy, k dispozici je několik možností, jak zadat jejich měrné křivky a to i při částečném otevření. Mnoho možností je k dispozici pro vodní elektrárny, odběry a čerpací stanice, které mohou mít definovány časové harmonogramy a další podmínky funkce v nejrůznějších kombinacích. Pro definování funkcí vodních elektráren je povinné zadat úrovně hladiny dolní vody. Pro ostatní objekty hráze nejsou k dispozici vazby na úroveň dolní vody, např. ovlivnění kapacity výpustí a přelivů. Tyto funkce jsou avizovány pro chystanou verzi 3.1, nicméně program umožňuje využít pro tyto případy uživatelské skripty. U většiny vodních nádrží to však v praxi není potřeba. K základní filosofii ResSimu patří vazba pravidel řízení pro výpusti, hrazené přelivy a další prvky nádrže na definované nádržní prostory (zones). Program standardně nabízí tři předdefinované prostory, pro které je třeba nastavit úrovně hladin: zásobní (Conservation), ochranný (Flood Control) a mrtvý prostor (Inactive), pro který se pravidla nedefinují. Strukturu nádržních prostorů je ale možné vytvořit jakkoliv podle skutečných podmínek na vodním díle a jejich hladiny nastavit jako časově závislé podle dispečerských křivek. Pravidla řízení, která jsou pro vodní díla k dispozici lze v zásadě rozdělit na: - Pravidla pro vypouštění (Release Function), která lze definovat pro nádrž jako celek, hromadně pro objekty hráze se stanovením priorit jejich využití (např. upřednostnění hydroelektráren) a pochopitelně pak pro jednotlivé ovladatelné přelivy, výpusti a odběry (případně jejich uživatelem definované skupiny). - Pravidla řízení závislá na průtoku ve stanoveném profilu pod vodním dílem (Downstream Control Function), definovaná pro vodní dílo jako celek. - Tandemové operace (Tandem Operation) zajišťující optimalizaci využívání kapacit v kaskádě vodních děl. - Pravidla pro extrémní povodňové situace (Induced Surcharge). - Pravidla řízení závislá na rychlosti změn jiných hodnot, např. přítoku, odtoku, pohybu hladiny (Flow Rate of Change Limit, Elevation Rate of Change Limit).


37

- Pravidla řízení pro čerpací stanice a hydroelektrárny s možností uplatnění několika úrovní časových harmonogramů a dalších specifických pravidel. - Pravidla řízení definovaná skriptem. Pravidla pro vypouštění a rovněž některá z dalších skupin pravidel mohou být nově definována v závislosti nejen na čase a modelových proměnných příslušného vodního díla, ale také na uživatelsky definovaných stavových veličinách, které musí být definovány pomocí skriptu a na externích proměnných representovaných časovými řadami uloženými v samostatných soborech ve formátu HEC-DSS. S verzí 3.0 přichází rovněž možnost využívání logických konstrukcí typu „If – Then – Else“, v editoru vlastností a funkcí nádrže (Reservoir Editor). To například umožňuje nastavit i poměrně složité podmínky pro manipulaci závislé jak na aktuální úrovni hladiny, tak na velikosti přítoku do nádrže, jak jsou stanoveny v některých manipulačních řádech. Program pak provádí takovéto manipulace automaticky v daném časovém kroku. Definováním tzv. "tandemových operací" v soustavě nádrží řazených na toku za sebou se implicitně vytváří nádržní systém (Reservoir system). Pomocí editoru (Reservoir System Editor) je možné nádržní systém i explicitně vytvořit a podmínit tak vzájemně některé manipulace i na nádržích ležících např. nad společným soutokem. V praxi bývají podmínky "spolupráce" nádrží ležících nad blízkým společným soutokem obvykle v manipulačních řádech zakotveny. Poslední operací prováděnou v modulu "Reservoir Network" bývá vytvoření alternativ v "editoru alternativ". Každá z takto vytvořených alternativ má definovány okrajové podmínky pro následující běh simulace a definuje formou připojení časových řad uložených ve formátu DSS přítoky do jednotlivých uzlů systému ve formě hydrogramu. Modul "Simulation" je určen pro spouštění simulací, které jsou definovány počátečním časem simulace (Start Date), časem předchozího kroku (Lookback Date), koncem simulace (End Date), krokem simulace (pro povodňové řízení obvykle 1 hodina) a některou z alternativ definovaných v předchozím modulu. Jednotlivé definice i dokončené běhy simulací se ukládají pod jménem. Po ukončení každého běhu simulace je možné odečíst průtoky nebo stavy hladin prakticky pro všechny komponenty systému v libovolném čase, po který simulace probíhala. K dispozici jsou jak přehledné grafické výstupy, tak jim odpovídající výstupy tabelární, které je možné tisknout nebo dále zpracovat např. MS Excelu. Volně šiřitelná verze programu nedovoluje krokování simulace a neumožňuje žádné přerušení a vstup uživatele do běžící simulace. Není orientována na využití on-line, což patrně pro modifikace využívané rutinně složkami USACE-HEC nebude platit. Dovoluje ale prověřit velké množství alternativ v krátkém čase a tak s velkou podrobností analyzovat funkci VS. I přes nově ve verzi 3.0 implementovanou možnost vytváření uživatelských skriptů, nelze zatím ResSim spouštět dávkově se zadanými vstupními parametry, tak jako je to například možné u aktuální verze programu HEC-HMS. Tato skutečnost zatím ochuzuje možnosti


38

využití tohoto modelovacího nástroje o začlenění do automatických optimalizačních systémů a snižuje tak poněkud jeho možnosti uplatnění pro efektivní řízení v podmínkách neurčitosti. Uživatelské skripty jsou určeny především pro vytvoření vlastních pravidel řízení, vztažených k daným subsystémům a komponentům v konkrétní struktuře VS, jak už je uvedeno výše, která není možné definovat pomocí standardních nástrojů. Nicméně aktuální verze programu předpokládá prakticky veškeré běžné podmínky a požadavky, které při manipulaci na vodní nádrži nebo při řízení VS mohou nastat, takže potřeba vytváření uživatelských skriptů bude patřit skutečně jen k velmi nestandardním úlohám. Uživatelské skripty je třeba psát v syntaxi jazyka Jython (implementace jazyka Python v prostředí JAVA). Program disponuje kvalitním editorem pro psaní skriptů včetně vzorových šablon a přehledného seznamu dostupných objektů programu v hierarchické struktuře. Uživatelské skripty však zásadně zůstávají vnitřní součástí programu a nelze je spouštět z jiného prostředí. Proto i nadále není prozatím možné využívat ResSim 3.0 v té podobě, jak byl pro veřejnost uvolněn, pro systémy řízení on-line. Situace se však může změnit s avizovaným vydáním následující verze, kterou má být HECResSim 3.1, podle internetových zdrojů (The Hydrology and Hydraulics Software News, April 27th, 2009) by mohl být uvolněn ještě do konce roku 2009. Nová verze 3.1 by mohla podle očekávání (Advancements in Reservoir Simulation Modeling HEC HEC-ResSim Version 3.0, Klipsch. J., USACE Infrastructure Systems Conference, June 2007) umožňovat spouštění dávkovým souborem (batch). Spolu s dalšími očekávanými vylepšeními by tak mohla být efektivně začleněná do automatických optimalizačních systémů. Dávkové spouštění programu HEC-ResSim se ověřuje v rámci hydrologické předpovědní služby (NOAA NWS) v USA v rámci systému NWSRFS (National Weather Service River Forecast System). Využívá se pro to softwarový "adaptér FEWS", vyvinutý hydrologickým týmem společnosti Deltares, Delft, Nizozemí. Adaptér FEWS je speciálně pro toto použití vyvinutý komerční software, který nebyl jako freeware uvolněn a ani není určen k běžnému prodeji. Na podkladě emailové korespondence s výše uvedenými pracovišti má FŽP ČZU s Dr. R. Hartmanem, USNWS a Dr. M. Wernerem, Deltares, příslib budoucí spolupráce, jakmile bude jimi dořešena problematika používání HEC-ResSimu v rámci hydrologické předpovědní služby NWSRFS. Komponenty programu HEC-ResSim se využívají spolu s ostatními programy, např. HECRAS, HEC-HMS, apod. jako součásti integrovaného systému CWMS (Corps Water Management System), provozovaného pracovišti USACE pro potřeby řízení vodních děl a VS ve Spojených státech. Jde o systémy pracující v reálném čase, vyvíjené individuálně pro konkrétní vymezené oblasti, zahrnující technologie automatizovaného sběru dat a další moderní technologie pro řízení VS. Na rozdíl jiných programů ze skupiny HEC nejsou k ResSimu k dispozici žádné podrobné reference týkající se hydraulických a jiných fyzikálních principů fungování programu. O fungování programu je možné si učinit představu pouze z podkladů uvedených v manuálu a pak již jen nepřímo ze zkušenosti z jeho využívání.


39

Program HEC-ResSim je vzhledem ke svým současným vlastnostem a širokým možnostem a zejména pak s ohledem na perspektivu jeho očekávaného dalšího vývoje progresivním nástrojem pro vytváření modelů VS jak pro praxi dispečerských pracovišť, tak pro další výzkumnou práci v této oblasti.

5.1. Souborová databáze DSS Pro využívání programu HEC-ResSim v jeho aktuální verzi i s perspektivou jeho dalšího avizovaného vývoje a pro jeho používání v kombinaci s ostatními programy vyvinutými týmem HEC, ale nejenom z této produkce, je klíčovým prostředím a sjednocující platformou souborová databáze HEC-DSS. Je proto třeba zmínit její základní vlastnosti a možnosti využití. Databázový systém HEC-DSS (Data Storage System) je určen pro ukládání, archivování, zobrazování a statistické zpracování hydrometeorologických a technologických dat a dalších dat z oblasti hydrologie, vodního hospodářství a ochrany životního prostředí. Pracuje přednostně s daty ve formě časových řad, závislostí (X-Y) a prostorově-orientovaných gridových dat, není však na tyto kategorie omezen. Systém je vybaven uživatelskými programy a rozhraními, usnadňujícími provoz modelů. První verze HEC-DSS byla vytvořena pro ovládání v režimu příkazové řádky v prostředí MS DOS (pracuje i v jiných systémech) obsahuje knihovnu procedur v počtu cca 20 aplikačních programů, které využívají prostředí HTSL (HTSL - Hydrologic Time Series Language, blíže na http://troca.ford-consulting.com/htsl ). Systém je tedy otevřen pro další vývoj podle potřeb uživatelů a je portabilní pro různé systémové architektury, má dostupný zdrojový kód a vysokou rychlost vybavování rozsáhlých souborů dat z databáze. DSS je vhodný především pro data sekvenčního charakteru.

HEC-DSSVue - HEC Data Storage System Visual Utility V roce 2003 uvolnilo vývojářské středisko U.S. Army Corps of Engineers Hydrologic Engineering Center novou formu (the Next Generation) systému HEC-DSS, funkční pod systémem MS Windows, nazvanou HEC-DSSVue verze 1.2. Systém je navržen pro usnadnění práce s aplikačními programy, které DSS databázi využívají. Vizualizační utility HEC-DSSVue umožňují grafické a tabulkové zobrazování časových řad a jsou vhodné pro prohlížení, editování a další manipulace s daty v registrech HEC-DSS. Mají vysokou přizpůsobitelnost požadavkům uživatele na zobrazení a jsou vysoce portabilní (export do formátu jpeg, png tisky a přenos přes schránku). Program zahrnuje 50 matematických funkcí pro zpracování dat. Jeho výhodou je i plošné využití ve Spojených státech a s tím spojená standardizace. HEC-DSSVue je přímo navázána na většinu programových prostředků HEC. Skutečnost, že soubory DSS jsou v relaci k souborům časových řad prostřednictvím cest (pathnames) zlepšuje organizaci a přehlednost databáze. Tyto linky jsou rozděleny do šesti segmentů, oddělených lomítky "/" a označenými písmeny "A" až "F." Pro standardní zápis úložiště časové řady potom platí:


40

A název projektu, B měrné místo nebo identifikátor zařízení, C typ stavové veličiny, např. FLOW nebo PRECIP, D datum startu řady ve formátu 01JAN1980 (tzv US Military), E časový krok, F další popisná informace. Seznam těchto linek tvoří přehledný katalog, ve kterém lze údaje snadno vyhledávat. Ovládání programu HEC-DSSVue obsahuje následující základní skupiny příkazů: - volba záznamu z katalogu HEC-DSSVue, - základní menu, - tabelární a grafické zobrazení vstupních časových řad a výsledků, - editování tabelárních dat, - vyvolání matematických funkcí, - manuální vstupy časových řad např. z prostředí MS Excel, - tisky grafů a tabulek. Na sklonku roku 2009 byla uvolněna další verze tohoto nástroje označená jako HEC-DSSVue 2.0. Přináší produktivní nástroje pro práci s daty ve formátu Microsoft Excel. Pro konverzi dat mezi formáty MS Excel a HEC-DSS je možné využít programový prostředek HEC-DSS MS Excel Add-In, který je aplikací v jazyce Visual Basic for Application (VBA) a po instalaci funguje jako makro v programu MS Excel, poskytující rozhraní pro převod dat. Program je rovněž volně šiřitelný a lze jej získat ze zdroje: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-dss/hecdss_msexcel_addin.htm (2009)

Model soustavy vodních děl v povodí Ohře

41

Model soustavy vodních děl v povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0 1. Úvod V následující části monografie je popsána konkrétní aplikace matematického modelu na reálnou VS. Byl zvolen program HEC-ResSim 3.0, protože je volně dostupný a zároveň vybavený nástroji pro podrobné modelování komponent a funkcí vodních děl. Bez nutnosti dalších doplňků umožňuje modelovat automatické manipulace na vodních dílech VS v souladu s manipulačními řády i zásahy obsluhy nad rámec MŘ, např. v době mimořádných situací.

1.1. Zdůvodnění volby modelové vodohospodářské soustavy Jako modelový případ byla vybrána VS v povodí Ohře zahrnující celé povodí od pramenů Ohře na území Bavorska po závěrový profil limnigraf Žatec, vzdálený 13,44 km po toku od profilu hráze VD Nechranice (v ř.km 90). Jde o soustavu čítající šest významných vodních děl s rozdílným účelem a využitím. Ve směru toku se jedná o vodní díla Skalka (na Ohři) a Jesenice (na říčce Odravě) na Chebsku, která ve smyslu schválených manipulačních řádů tvoří místní soustavu. Další významnou nádrží je VD Horka na Libockém potoce s retenčním prostorem 2,12 mil. m3, i když jde o typickou vodárenskou nádrž a manipulačním řádem vymezený ochranný prostor je pouze neovladatelný. Dalším významným prvkem soustavy je dvojice vodních děl v povodí Teplé, VD Březová (na Teplé) a VD Stanovice (na Lomnickém potoce), opět definovaná manipulačním řádem jako místní soustava. Největším vodním dílem uzavírajícím celé povodí je VD Nechranice s celkovým ochranným prostorem 51,77 mil. m3 z toho 36,56 mil. m3 prostoru ovladatelného. Menší vodárenská nádrž - VD Podhora nebyla do modelového případu zahrnuta. Důvodem je její poloha na horním toku řeky Teplé - malé povodí (19,65 km2) a prakticky jednoúčelové využívání. V relativní rovnováze a pestré skladbě jsou v modelové soustavě účely využití jednotlivých nádrží. Jedná se v první řadě o využití pro zásobování vodou rozsáhlých průmyslových a sídelních aglomerací, dále pro protipovodňovou ochranu, energetiku, nalepšování průtoků, rekreaci i rybochovné využití. I když funkce zásobní představují z hlediska celku dominantní využívání, nemají pro řízení VS natolik razantní dopady, která by způsobovala krátkodobé kolísání průtoků a hladin jako například energetické využívání VD na Vltavské kaskádě. Soulad s potřebami protipovodňové ochrany nepředstavuje tak složitý vztah, jako tomu bývá při výrazné dominanci energetického využívání. Vítanou příležitostí pro ověření modelu VS vytvořeného v HEC-ResSim 3.0 v praxi se staly Dispečerské hry, které uspořádal, po několikaleté přestávce v této již dříve započaté tradici, podnik Povodí Ohře s.p. ve dnech 10. a 11. listopadu 2008. Proto byl rozsah modelové VS

42


přizpůsoben tak, aby odpovídal rozsahu povodí vymezeného pro Dispečerské hry a byly do něj zahrnuty nádrže, na nichž byly v rámci her simulovány manipulace.

1.2. Povodí řeky Ohře, základní údaje a charakteristiky Ohře je nejvýznamnějším tokem západní části České republiky. Protéká krajinou, která byla od pravěku osídlena a obhospodařována a díky kontinuitě osídlení se dochovalo i pojmenování řeky, které je patrně keltského původu. Jeho obdoba se objevuje i v jiných částech střední a západní Evropy, kde se formovalo keltské etnikum. Řeka byla těsně spjata s okolními sídly, z nichž nejvýznamnější, Cheb, získal po řece své pojmenování v němčině Eger. Od středověku se na řece intenzivně využívala vodní energie a provozovalo rybářství. Ohře pramení v nadmořské výšce 752 m na území Bavorska na svahu Schneebergu, nejvyššího vrcholu v pohoří Smrčiny (Fichtelgebirge). Ústí do Labe jako jeho levostranný přítok v Litoměřicích v nadmořské výšce 143 m. Délka toku:

300,2 km,

z toho na českém území:

256 km

Celková plocha povodí Ohře:

5614 km2

z toho na českém území:

4601 km2

Plocha povodí k uzávěrovému profilu modelu VS:

3591 km2

tab. 4 Přítoky Ohře

Významné přítoky Ohře levostranné

pravostranné Röslau (Reslava) Odrava (Wondreb)

Libocký potok Svatava Rolava Teplá Bystřice Liboc Blšanka Chomutovka

Povodí Ohře je možné rozčlenit na tři charakteristické oblasti: 1. Chebská pánev, včetně bavorské části, svahů Smrčin a Českého lesa. Povodí má podhorský až horský charakter, ve středu Chebské pánve přechází do mírně zvlněných plošin. Hlavní toky - horní tok Ohře, Reslava a Odrava se stékají v centrální oblasti pánve v blízkosti


43

Chebu. I když hlavní tok uhýbá k jihozápadu mimo osu pánve, dá se hovořit o vějířovitém uspořádání povodí. V této části povodí leží vodní díla Skalka, Jesenice a Horka. 2. Oblast středního toku od Kynšperku po Kadaň je charakterizována hlubokým údolím Ohře, které probíhá podél struktur krušnohorského zlomu mezi Slavkovským lesem a Doupovskými horami na pravém břehu a svahy Krušných hor na břehu levém. Z krušnohorské části Ohře přijímá Svatavu, Rolavu, a Bystřici, ze Slavkovského lesa pak Teplou, která se rovněž zahlubuje do úzkého údolí, v němž byla vybudována přehrada Březová pro ochranu Karlových Varů a VD Stanovice na přítoku Teplé, Lomnickém potoce. V koncové části tohoto úseku Ohře leží vodní dílo Kadaň, nízká betonová tížná přehrada s přelivem o třech polích hrazených segmenty s nasazenou klapkou, šířky 3 x 15,0 m. VD Kadaň nedisponuje ovladatelným ochranným prostorem, neovladatelný ochranný prostor činí pouze 0,13 mil. m3. Zásobní prostor 2,123 mil. m3 slouží k zabezpečení odběru vody v profilu jezu Želina pro ČS TE Tušimice I. a II., zajištění odběru vody ČS Mikulovice pro TE Prunéřov I. a II., zajištění odběru vody ČS Rašovice a pro Průmyslový přivaděč vody, resp. Podkrušnohorský přivaděč. Jde o zásobní nádrž s krátkodobým cyklem bez významného efektu v ochraně před povodněmi. Proto nebyla zahrnuta do vodních děl, která byla předmětem simulovaných manipulací při Dispečerských hrách (viz kap. B. 1.1.). Není proto zahrnuta ani do předkládaného modelu soustavy vodních děl v prostředí HEC-ResSim. 3. Za Kadaní opouští Ohře sevřené údolí, obrací se k východu a později k severovýchodu a jako nížinný meandrující tok protéká oblastí Žatecka a Lounska směrem ke svému ústí do Labe. Na začátku tohoto úseku leží VD Nechranice.

1.3. Soustava vodních děl v povodí Ohře Vodní díla v povodí Ohře vznikala od roku 1935, kdy byla jako první dokončena přehrada Březová, do roku 1978, kdy bylo dokončeno VD Stanovice. Vznikala jako samostatná vodní díla pro různé hlavní a vedlejší účely. Po dobudování VD Skalka a VD Stanovice byla vytvořena pravidla spolupráce dvou dvojic vodních děl Skalka-Jesenice a Březová-Stanovice. Jsou zakotvena ve společných manipulačních řádech soustavy vodních děl vydaných pro každou z těchto dvojic. Cílem je optimalizace zásobních funkcí v rámci obou dvojic nádrží a optimální využití retenčního prostoru pro ovládání povodňových průtoků. V soustavě Březová-Stanovice navíc funguje přečerpávání vody z řeky Teplé do zásobního prostoru VD Stanovice. Prvkem soustavy je tedy kromě obou nádrží i ČS Teplička v ř. km 17,0 na toku Teplá nad vzdutím VD Březová. Tím je zajištěno optimální využití zásobního prostoru vodárenské nádrže Stanovice, který pracuje s víceletým bilančním cyklem. VD Horka za běžných situací samostatně zajišťuje v rámci víceletého cyklu potřebnou zásobu vody pro vodárenské odběry a v soustavě vodních děl se projevuje účinkem svého neovladatelného retenčního prostoru při transformaci povodňové vlny. Možnosti manipulace jsou omezeny pouze na případné předpouštění před příchodem povodňové kulminace.


44

Poslední v kaskádě vodních děl, Nechranice, zajišťuje v první řadě požadovaný zásobní objem pro odběry technologické vody a pro nalepšování, avšak rovněž disponuje významným ochranným prostorem. Po rekonstrukci hrazených přelivů jsou otevřené možnosti optimálního ovládání tohoto ochranného prostoru při povodních. V soustavě jako celku se významně projevuje značná odlehlost vodních děl v oblasti Chebska a Karlovarska od největšího VD Nechranice. V toku o délce 112 km od soutoku Ohře s Odravou po začátek vzdutí VD Nechranice, resp. délce 63 km od ústí Teplé po začátek vzdutí VD Nechranice dochází k významné transformaci povodňových vln. V závislosti na průtoku a tvaru průtokové vlny se mění celková doba toku. Významný je i přítok v tomto mezipovodí, který je zcela neovlivnitelný manipulacemi na vodních dílech. Pro modelovou VS je řídicím pracovištěm VHD Povodí Ohře s.p., který kromě hydrologického povodí Ohře na území ČR monitoruje a řídí i VD na dalších tocích ve správě podniku Povodí Ohře s.p. (Bílina, Ploučnice, Kamenice, Flájský potok, a další). Pracoviště je vybaveno modelem povodí a VS v programu Hydrog (HySoft, autor prof. Ing. Miloš Starý, CSc., viz. kap. 4.2). Pro modelování hladinového režimu využívá program HYDROCHECK (Hydrosoft Veleslavín s.r.o.).

1.3.1. Základní údaje o vodních dílech VD Skalka rok dokončení: 1964, tok: Ohře, ř. km: 242,41 plocha povodí: 671,92 km2 účel: Hlavními účel - v součinnosti s VD Jesenice kompenzační nadlepšování průtoků v Ohři pro profil Kadaň pro tepelné elektrárny, průmyslové podniky, pro zajištění minimálního průtoku v toku v profilu Karlovy Vary a Kadaň, zajištění minimálního průtoku v profilu limnigrafu Cheb, částečná ochrana území pod hrází před povodněmi a likvidace následků havarijního zhoršení jakosti vody v toku Ohře. Vedlejší účely - výroba elektrické energie v MVE, rekreace a provozování vodních sportů. hráz: přímá, sypaná, kamenitá s návodním betonovým těsnícím pláštěm kóta koruny: 444,60 m n.m. spodní výpusti: 2 x DN 1200 Malá vodní elektrárna: 2 x Kaplanova turbína horizontální, 2 x 4,5 m3/s, 2x 350 kW Bezpečnostní přelivy: hrazené, 1 x segment, š. 9,5 m 1 x klapka, š. 7,0 m max. kapacita přelivů : 559 m3/s Zásobní prostor max.: 13,659 mil. m3 plocha hladiny: 334 ha 3 Ochranný prostor ovladatelný: 1,349 mil. m Ochranný prostor neovladatelný: 3,636 mil. m3 Celkový objem: 19,555 mil. m3 Prům. roční průtok: 6,22 m3/s Q1 = 70 m3/s Q100 = 277 m3/s


45

Obr. č. 8 VD Skalka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

VD Jesenice rok dokončení: 1961, tok: Odrava, ř. km: 4,17 plocha povodí: 411,04 km2 účel: Hlavními účel - v součinnosti s VD Skalka kompenzační nadlepšování průtoků v Ohři pro profil Kadaň pro tepelné elektrárny, průmyslové podniky, pro zajištění minimálního průtoku v toku v profilu Karlovy Vary a Kadaň, zajištění minimálního průtoku v toku pod nádrží, snížení velkých vod na Ohři a částečná ochrana území pod hrází před povodněmi. Vedlejší účely - likvidace následků havarijního zhoršení jakosti vody, výroba elektrické energie v malé vodní elektrárně, rekreace a provozování vodních sportů. hráz: přímá, sypaná zemní se šikmou jílovou těsnící vrstvou na návodní straně kóta koruny: 443,07 m n.m. spodní výpusti: 2 x DN 1400 Malá vodní elektrárna: Čerpadla Sigma 5x, max. 3,25 m3/s, 300 kW Bezpečnostní přelivy: nehrazený, boční vějířový, 90,7 m max. kapacita přelivu : 167 m3/s Zásobní prostor max: 47,119 mil. m3 plocha hladiny: 3 Ochranný prostor ovladatelný: 3,486 mil. m Ochranný prostor neovladatelný: 7,400 mil. m3 Celkový objem: 60,150 mil. m3 Prům. roční průtok: 3,57 m3/s Q1 = 23,2 m3/s Q100 = 139 m3/s


46

Obr. č. 9 VD Jesenice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

VD Horka rok dokončení: 1969, tok: Libocký potok, ř. km: 10,40 plocha povodí: 69,93 km2 účel: Hlavními účel - akumulace vody pro zásobení sokolovské oblasti pitnou vodou a zajištění minimálního průtoku v toku pod hrází. Vedlejší účely - částečná ochrana území pod hrází před povodněmi a energetické využití odtoku v MVE. hráz: přímá, sypaná, zemní se středním hlinitým těsněním kóta koruny: 507,30 m n.m. spodní výpusti: 2 x DN 800, rozstřik uzávěr 2 x DN 700 Malá vodní elektrárna: Není samostatná - několik soustrojí napojených na výpusti a odběry v různých úrovních. Bezpečnostní přelivy: nehrazený, šachtový, kruhový, průměr 11,0 m max. kapacita přelivu : 134 m3/s Zásobní prostor max: 16,780 mil. m3 plocha hladiny: 130,24 ha 3 Ochranný prostor neovladatelný: 2,120 mil. m Celkový objem: 21,350 mil. m3 Prům. roční průtok: 0,65 m3/s Q1 = 13,2 m3/s Q100 = 62,7 m3/s


47

Obr. č. 10 VD Horka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

VD Březová rok dokončení: 1935, provoz od: 1937, tok: Teplá, ř. km: 8,21 plocha povodí: 294,2 km2 účel: Hlavními účel - ochrana města Karlovy Vary před povodněmi, zajištění minimálního průtoku v profilu limnigrafu Březová-odtok a zajištění periodických proplachů koryta pod hrází. Vedlejší účely - výroba elektrické energie, regulovaný chov pstruhových ryb, nadlepšování průtoků pod hrází VD Březová pro pořádání kanoistických závodů a výkon rybářského práva. hráz: přímá, betonová, gravitační kóta koruny: 433,95 m n.m. spodní výpusti: levá - DN 2100 pravé - 2 x DN 1500 Malá vodní elektrárna: 2 x Francisova turbína, 2 x 1,3 m3/s, 2 x 216 kW Čerpadlo Sigma (revers), 0,250 m3/s, 42 kW Bezpečnostní přeliv: nehrazený, přímý, korunový s přelivnou plochou o pěti přelivných polích, dl. 66 m max. kapacita přelivu : 179,8 m3/s Zásobní prostor max: 0,518 mil. m3 plocha hladiny: 3 Ochranný prostor ovladatelný: 3,134 mil. m Ochranný prostor neovladatelný: 0,989 mil. m3

48


Celkový objem: Prům. roční průtok: 2,49 m3/s

5,687 mil. m3 Q1 = 35,2 m3/s

Q100 = 140 m3/s

Obr. č. 11 VD Březová (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

VD Stanovice rok dokončení: 1978, tok: Lomnický potok, ř. km: 3,20 plocha povodí: 92,1 km2 účel: Hlavními účel - akumulace vody pro zásobení Karlovarska pitnou vodou, zajištění minimálního průtoku v profilu limnigrafu Stanovice-odtok, ochrana města Karlovy Vary před povodněmi a periodické proplachy koryta pod hrází. Vedlejší účely - ovlivňování ledového režimu na toku Teplá pod jeho soutokem s Lomnickým potokem vypouštěním teplejší vody z VD Stanovice, výroba elektrické energie, účelové rybné hospodářství na VD Stanovice i výkon rybářského práva. hráz: přímá, sypaná, kamenitá s návodním asfaltovým těsněním kóta koruny: 519,50 m n.m. spodní výpusti: 2 x DN 800 Malá vodní elektrárna: Turbína BANKI, 0,120 m3/s, 37 kW Čerpadlo Sigma Meta (revers), 0,139 m3/s, 46 kW Bezp. přeliv: boční, nehrazený, 22,0 m max. kapacita přelivu : 221 m3/s 3 Zásobní prostor max: 20,164 mil. m plocha hladiny: 142,0 ha

49


Ochranný prostor ovladatelný: 2,406 mil. m3 Ochranný prostor neovladatelný: 3,580 mil. m3 Celkový objem: 27,800 mil. m3 3 Prům. roční průtok: 0,57 m /s Q1 18,6 m3/s

Q100 90 m3/s

Obr. č. 12 VD Stanovice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

VD Nechranice rok dokončení: 1968, tok: Ohře, ř. km: 103,44 plocha povodí: 3590 km2 účel: Hlavní účely - zajištění minimálního zůstatkového průtoku pod VD v profilu Stranná, nadlepšování pro vodárenské zásobení, pro průmysl, energetiku, zemědělství a rekultivace, snížení velkých vod na Ohři, částečná ochrana území pod nádrží před povodněmi a výroba elektrické energie v MVE Nechranice. Vedlejší účely - likvidace následků havárií, ovlivňování zimního průtokového režimu pod vodním dílem za účelem omezení nežádoucích ledových jevů, vodní sporty, sportovní rybolov a rekreace. hráz: Zemní sypaná, přímá, jednou lomená kóta koruny: 274,50 m n.m. spodní výpusti: 2 x DN 1800 Malá vodní elektrárna: 2 x Kaplanova turbína, 2 x 16 m3/s, 2 x 5,0 MW Bezpečnostní přelivy: Korunové, hrazené 2 x hydrostat. segment, š. 2 x 15,0 m 1 x zdvižný segment, š. 13,0 m


50

max. kapacita přelivů : 1193 m3/s Zásobní prostor max: 233,215 mil. m3 plocha hladiny: 1220 ha 3 Ochranný prostor ovladatelný: 36,562 mil. m Ochranný prostor neovladatelný: 15,205 mil. m3 Celkový objem: 287,632 mil. m3 Prům. roční průtok: 30,8 m3/s Q1 199 m3/s Q100 753 m3/s

Obr. č. 13 VD Nechranice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)

1.3.2. Dosavadní způsob řízení VS, poznatky a zkušenosti Za běžných podmínek VHD Povodí Ohře se sídlem v Chomutově sleduje a řídí manipulace na podkladě údajů z automatického sběru dat. Koordinuje a zajišťuje řešení aktuálních požadavků a problémů při provozu vodních děl a toků. (konzultace na VHD, 2009) Sběr „surových“ dat z celé řízené oblasti podniku Povodí Ohře s.p. se děje v základním desetiminutovém kroku. K měřeným údajům patří úrovně hladiny ve sledovaných profilech, z nichž jsou odvozeny aktuální průtoky; pro řízení VS jsou důležité zejména přítoky do a odtoky z nádrží. Dále se sledují srážky, teploty vody a vzduchu. Odděleně se sledují údaje technicko bezpečnostního dohledu (TBD). Data se ukládají v databázovém systému ORACLE. Verifikaci a komentování surových dat současný systém umožňuje po dva měsíce od naměření. Automatický sběr dat je funkční od roku 1983 a jeho systém prošel již mnoha technickými změnami. Záznamy o měření na vodních dílech (deník hrázného, hlášení, atd.)


51

jsou archivovány od roku 1964, podle dokončení VD, např. VD Nechranice 1968. Souborné zpracování dat za hydrologický rok vydává Povodí Ohře s.p. formou Hydrologické ročenky, která je určena pro vnitřní potřebu podniku a je předávána rovněž ČHMÚ, MZe ČR a jeden výtisk KHT ČVUT. Celý informační systém VHD je koncipován jako kompatibilní s informačním systémem Povodí Ohře, s.p. a je nedílnou součástí monitoringu vodní složky životního prostředí, tj. Regionálního hydroekologického informačního systému. VHD využívá předpovědní službu ČHMÚ. V rozsahu řešené VS ČHMÚ dodává průběžně jednodenní předpovědi vodních stavů pro profil LG Citice, LG Drahovice a na přítoku do VD Nechranice, v případě potřeby je možná předpověď v hodinovém kroku. Standardní předpovědní doba je 48 hodin. Předpověď je vytvářena modelem Aqualog. Dalším vstupem pro rozhodování jsou předpovědi srážek z modelu ALADIN. Pro posouzení dynamiky srážek na povodí jsou na VHD sledovány informace z radiolokátoru („meteoradar“) ČHMÚ a předpověď je konfrontována s dalšími zdroji, např. WeatherOnline. VHD Povodí Ohře je vybaven matematickým modelem Hydrog. Model je využíván pro odvozování přítoků do nádrží a ověřování funkcí nádrží a VS za významnějších srážkových epizod nebo tání sněhu. Není určen pro kontinuální provoz. V současnosti jsou modelem ověřovány manipulace za vyšších průtoků ve vazbě na prognózu srážek a vypočtených přítoků. Funkce systému Hydrog pro automatické modelování manipulací se v současnosti nevyužívají. Při používání modelu jsou zpětně s využitím nástrojů tohoto programu konfrontovány vstupy z předpovědí s naměřenými srážkami a vstupy modelu jsou na tomto základě korigovány. Pro modelové povodí je optimální rozlišení rastru srážek pro výpočty odtoků programem Hydrog 1,5 km2. Větší VD vybavená elektrárnou mají svůé vlastní řídicí dispečerské systémy (Skalka, Březová, Nechranice). VS v povodí Ohře za sebou nemá dlouhou existenci v porovnání s dobami opakování velkých povodní. Nejstarší nádrž, Březová, byla uvedena do provozu v roce 1937, ostatní nádrže vznikaly v šedesátých a sedmdesátých letech 20. století. Soustavou v její současné podobě prošlo 10 významnějších povodňových epizod, žádná však v rozměrech katastrofální povodně, jaké proběhly v letech 1997 a 2002 v povodí moravských řek, v povodí Vltavy a na dolním Labi. Na základě zkušeností z provozu a docenění významu zejména speciální povodňové ochrany povrchových dolů a průmyslových závodů a bezpečnosti vodních děl, byla provedena dodatečná opatření na bezpečnostních přelivech nádrží Skalka a Nechranice. Doplňkový bezpečnostní přeliv hrazený klapkou byl na VD Skalka uveden do provozu v roce 2000 a téměř o 50% zvýšil původní kapacitu bezpečnostního přelivu na hodnotu, která se blíží pětisetleté vodě.


52

Na VD Nechranice byla v roce 2004 dokončena rekonstrukce středního pole bezpečnostního přelivu, kdy bylo původní střední pole stejného provedení, jako současná pole krajní – hydrostatické segmenty, nahrazeno zdvižným segmentem s předsazenou nornou stěnou, s přelivným prahem, který je při vyhrazení segmentu o 5 m níže, než byly přelivné hrany původní. Tím došlo ke zvýšení objemu ovladatelného bezpečnostním přelivem z 36,578 mil. m3 na 105,578 mil. m3. Na základě dlouholetých zkušeností vedení VHD byla vypracována přesná pravidla pro manipulace na VD Skalka za povodňových stavů, která představují optimální postup, jak využít retenční objem nádrže. Nádrž Skalka leží pod soutokem Reslavy a horního toku Ohře, které odvodňují bavorskou část Chebska. Toto povodí o ploše 671 km2 vějířového typu rychle reaguje na vydatné deště a celkový retenční prostor, kterým VD Skalka disponuje, necelých 5 mil. m3, neumožňuje významné snížení kulminací opravdu velkých povodní, které by teoreticky mohly nastat. Zkušenosti s provozem VD Březová prokázaly účinnost předpouštění nádrže před příchodem povodňové kulminace ve vztahu k povodňové ochraně Karlových Var.

2. Podklady pro sestavení modelu v programu HEC-ResSim 3.0 2.1. Mapové podklady Základním mapovým podkladem pro vytvoření modelu je digitální mapa a databáze DMÚ 25, produkt Vojenského geografického a hydrometeorologického úřadu (VGHMÚř) v Dobrušce (dříve VTOPÚ). Byla použita ve formátu ESRI-Shapefile v souřadném systému JTSK, mapové listy Cheb, Sokolov, Karlovy Vary a Chomutov. Byly použity hladiny nesoucí údaje o zástavbě, názvech obcí, vegetačním pokryvu, komunikacích a výškopisu - vrstevnice ve 2D. Tento podklad byl doplněn ze zdrojů VÚV, Digitální Báze Vodohospodářských Dat, (DIBAVOD), které jsou dosažitelné na internetu na adrese: www.vuv.cz/oddeleni-gis/17/geodatabaze-dibavod.html. (12. 2009) Byly použity rovněž podklady ve formátu ESRI-Shapefile v systému JTSK a to objekty: A01 - vodní tok (CEVT) A02 - vodní tok (jemné úseky) A03 - meliorační kanály A05 - vodní nádrže A06 - bažina, močál A07 - hydrologické členění - povodí IV. řádu A08 - hydrologické členění - povodí III. řádu A09 - hydrologické členění - povodí II. řádu A10 - hydrologické členění - povodí I. řádu A11 - povodí vodoměrných stanic


53

A12 - kilometráž toku odvozená z DIBAVOD A16 - břehové linie D01 - záplavová území pětileté vody D02 - záplavová území dvacetileté vody D03 - záplavová území stoleté vody D05 - hranice aktivní zóny záplavového území pro Q100 E04 - vodoměrná stanice E05 - místa monitoringu povrchových vod I01 - jezy Výše uvedené podklady pokrývají převážně pouze území České republiky. Přesah cca 1 až 5 km na území Bavorska (SRN) mají v okrajové části podél státní hranice mapy DMÚ 25 a z podkladů DIBAVOD mají využitelný přesah pouze objekty nesoucí údaje o plochách a hranicích povodí. V České republice nejsou běžně dostupné zdroje digitálních dat o území jiných států obdobného členění a rozsahu, jako jsou výše popsané podklady. S ohledem na to, že na území Bavorska neleží žádná významná vodní díla, která by mohla být začleněna do řešené VS, není pro vytvoření topologie modelu žádný mapový podklad z tohoto území nutností. Nicméně pro lepší vypovídací hodnotu modelu a rovněž z důvodu ověření deklarovaných možností programu HEC-ResSim, byl mapový podklad pro bavorskou část povodí Ohře doplněn s použitím ortofotomapy. Ortofotomapa byla získána exportem z programu GoogleEarth. Pro zachování potřebného rozlišení bylo použito pro celé povodí na území Bavorska 14 snímků ve formátu JPG. V programu Bentley MicroStation V8 byly sesazeny s využitím vícebodové transformace a následně byly spojeny do bezešvého rastru, rovněž ve formátu JPG se známými souřadnicemi rohových pixelů. Od takto vytvořeného podkladu se nedá očekávat přesnost odpovídající standardním mapovým dílům. Pro potřeby orientace a doplnění modelu VS však dosažená přesnost plně postačuje.

2.2. Vstupní údaje vodních děl Pro potřeby sestavení modelu je pro vodní díla - nádrže nezbytné zadat následující údaje: 1. Řídící křivky hospodaření s vodou, které udávají požadované úrovně hladiny zpravidla pro jednotlivé měsíce roku. Jsou povinnou součástí manipulačních řádů, kde jsou uvedeny formou tabulky i grafu. 2. Charakteristické křivky nádrže. V manipulačních řádech se uvádějí tabelárně i graficky jako čára objemů (tis. m3, na tři desetinná místa) a čára zatopených ploch (ha, na dvě desetinná místa) ve vztahu k úrovni hladiny v nadmořské výšce (v ČR v systému Balt po vyrovnání). 3. Konsumpční křivky přelivů vztažené k úrovni hladiny v nadmořské výšce. U hrazených přelivů je nezbytné zadat konsumpční křivku vyhrazeného přelivu. Jako čistě informativní údaj je možné zadat i konsumpční křivky při částečném otevření, nebo při plném


54

uzavření a přepadu přes jezový uzávěr, např. klapku nebo sektor v horní poloze. Údaje o maximální rychlosti otevírání a uzavírání nejsou běžně dostupné v manipulačních řádech ani v jiné méně podrobné dokumentaci o vodním díle a nejsou pro funkci modelu nezbytné. Je však třeba doporučit zjištění i tohoto údaje, nebo alespoň rychlosti odhadnout na podkladě údajů o obdobných jezových uzávěrech. Rychlost otevírání a uzavírání může mít vliv při kratším časovém kroku simulace, např. při vytváření alternativ povodňového řízení. 4. Konsumpční křivky spodních výpustí. Opět platí, že minimálně je třeba zadat konsumpční křivku při plně otevřeném uzávěru a jako doplňující informativní údaj je možné zadat i konsumpční křivky při částečném otevření, většinou definovaném v procentech. Údaje o maximální rychlosti otevírání a uzavírání nejsou nezbytné, ale pro funkci modelu, zvláště při kratším časovém kroku simulace, např. při vytváření alternativ povodňového řízení je zadání rychlostí potřebné. 5. Kóta koruny hráze v nadmořské výšce. HEC-ResSim umožňuje zadat i doplňující čistě informativní údaje, jako je délka hráze a rok uvedení VD do provozu. 6. Údaje o vodní elektrárně, pokud je na VD a to alespoň její maximální hltnost a úroveň hladiny v nádrži, kdy je ještě využitelná. Povinné jsou také údaje o kótě hladiny dolní vody, která může být vztažena k průtoku vypouštěnému z nádrže. Pro vodní elektrárnu je možné zadat značně sofistikovaná pravidla řízení vč. časových harmonogramů, což ale pro systém s MVE, které využívají kontinuelně pokud možno veškerá běžně vypouštěná množství, není potřeba. 7. Údaje o odběrech z nádrže, nebo vodních toků. Pro modelování alternativ povodňového řízení zpravidla nemají význam. Uplatní se při studiu funkcí VS za běžných průtoků a zejména pro případy sucha. Výše uvedené podklady jsou zpravidla obsaženy v manipulačních řádech vodních děl. Jejich upřesnění je snadno proveditelné dotazem na dispečerské pracoviště nebo přímo na obsluhu vodního díla. 8. Údaje o výparu z volné hladiny, je možné zadávat v měsíčních úhrnech v mm, nebo v časové řadě ve formátu DSS s libovolným časovým krokem. Tyto údaje musí být odvozeny na základě měřených údajů (teplota, relativní vlhkost, rychlost větru), nebo zadány na základě předpovědi. 9. Údaje o průsaku hrází nebo do podloží, je možné zadávat buď konstantní hodnotou nebo ve vazbě na úroveň hladiny v nádrži. U vodních děl v modelované soustavě v povodí Ohře nejsou průsaky z hlediska celkových bilancí významné a nejsou ani nikde uváděny.

2.3. Další podklady z manipulačních řádů V této kategorii podkladů jde ponejvíce o zásady manipulací, které jsou vyjádřené slovně a představují podmínky pro rozhodování obsluhy při manipulaci. Mezi nejjednodušší a obecně používané u vodních děl, kde energetická funkce není prioritní, patří např., že se až do vyčerpání kapacity turbín odtoky převádějí přednostně přes vodní elektrárnu. Další z


55

takových podmínek však již bývají značně specifické a zohledňují konkrétní podmínky na daném vodním díle. Jde například o maximální rychlost poklesu vodní hladiny, která se stanovuje ve vazbě na typ hráze apod. Další kategorie zahrnuje podmínky zachování minimálních průtoků v daných profilech pod VD, nebo naopak nepřekročení bezškodních průtoků pod VD nebo v některém oddáleném profilu v rámci VS. Pokud se jedná o oddálené profily, v jejichž povodí leží dvě nebo více vodních děl, jsou takovou podmínkou implicitně stanoveny podmínky spolupráce více nádrží. Podmínky součinnosti dvou a více nádrží mohou být stanoveny i sofistikovanějším způsobem, který definuje optimalizaci využívání zpravidla zásobních, nebo i ochranných prostorů nádrží. V modelové VS jsou například stanoveny společnými manipulačními řády pro dvojice nádrží Skalka-Jesenice a Březová-Stanovice. Zapracování těchto podmínek stanovených manipulačními řády do matematického modelu vyžaduje individuální přístup pro každé vodní dílo a je popsán pro konkrétní případy v níže uvedených kapitolách 3.5 až 3.7. V manipulačních řádech jsou také zpravidla uvedeny přípustné odchylky od kót hladin stanovených dispečerskými grafy. Implementace povolených odchylek je v běžně používaných modelech problematická. Pokud jde o model v programu HEC-ResSim, který simuluje zásahy obsluhy, tak zpravidla v co nejrychlejším čase, daném definicí omezujících podmínek (kapacita výpustí, dovolená rychlost pohybu hladiny), dosahuje hladiny předepsané příslušnou řídící čarou.

2.4. Podklady o korytech vodních toků V modelované VS je možné z podkladů odečíst pouze délky úseků říčních koryt. Pokud by koryto mělo pravidelný prismatický tvar, bylo by možné vstupní údaje pro model zpřesnit. Jako podklad je možné pro výpočet metodou Muskingum-Cunge zadat parametry pravidelného lichoběžníkového koryta nebo koryta s kynetou a bermami a to i nepravidelného. Pak je třeba zadat sklon a Maningův součinitel, v případě kynety a berem je možné zadat různé součinitele pro kynetu i každou bermu. Koryto Ohře a jejích přítoků však nelze v dostatečně dlouhých úsecích považovat za takto pravidelné.

2.5. Podklady pro běh simulace – vodní stavy, předpovědi, měřené průtoky Stavy hladin v nádržích, měřené nebo předpovězené jsou povinným vstupem pro běh simulace, kde představují nutnou počáteční okrajovou podmínku. Podklady pro běh simulace dále představují časové řady přítoků do VS ve stanovených profilech, zpravidla na vtocích do nádrží. Pokud jsou k dispozici údaje o přítocích z mezipovodí, zadávají se v soutocích a uzlech uvnitř VS. Pokud nejsou k dispozici údaje o vtocích do uzlů, kde logicky přítok existuje, je možné tento přítok odhadnout jako procentický podíl z některého zadaného přítoku v blízkém uzlu VS. Časové řady, které representují reálné nebo předpovězené hydrogramy většinou bývají k dispozici ve formátu MS Excel nebo v textovém souboru. Pro použití v HEC-ResSimu je nutné převést je do databáze DSS, což je možné v programu HEC-DSSVue.


56

Pro říční úseky a uzly (soutoky, výpočtové body) je možné zadat do modelu časové řady pozorovaných průtoků, pro nádrže i časové řady pozorovaných stavů hladiny. V uzlech je možné zadat i konsumpční křivku koryta. Tyto údaje slouží pro srovnání s vypočtenými hodnotami a pro potřeby kalibrace. V modelované VS nebyly měřené údaje a konsumpční křivky prozatím zadávány.

3. Postup vytvoření modelu 3.1. Práce s mapovým podkladem Mapové podklady vyjmenované v kapitole 2.1. nebyly použity přímo, tedy v podobě, jak byly získány. Zpravidla se týkaly většího území, než bylo potřeba pro vypracování modelu, např. podklady z databáze DIBAVOD jsou v rozsahu pro celé území České republiky. Podklady DMÚ 25 byly v rozsahu čtyř okresů. Vznikaly by tedy zbytečně velké objemy dat mapového podkladu. Pro práci v HEC-ResSimu bylo také vhodné hladiny systematicky a přehledně pojmenovat pro rychlou orientaci při práci s mapovým podkladem. Jako základ pro redukci mapových podkladů byla vytvořena hladina s polygony povodí IV. řádu, z nichž se území modelové VS skládá. Touto hladinou pak byly "oříznuty" všechny další hladiny převzaté z podkladů uvedených výše. Hladiny byly pojmenovány tak, aby byl snadno patrný jejich obsah v seznamu hladin, který se zobrazuje v okně "Layer Selector". Kromě těchto hladin byly vytvořeny z výše uvedených zdrojů i zcela nové hladiny, například hladina vodních nádrží zahrnutých do VS a pomocné hladiny nutné pro import úseků vodních toků do modelu. Samostatnou hladinu představuje rastrový mapový podklad pro území Bavorska. HEC-ResSim zobrazuje mapové hladiny v zásadě obdobně jako jednoduché prohlížeče pro GIS. Je možné nastavovat zobrazování bodů, linií i polygonů v barvě podle atributů a zobrazovat popisky podle zvolených atributů. Rovněž je možné nastavit zobrazování hladiny v závislosti na měřítku pohledu. Toho je v mapovém podkladu využito pro zobrazování vrstevnic a názvů měst a obcí, které se zobrazí až při přiblížení pohledu a v celkových pohledech neruší. Není ale možné zobrazovat různé tloušťky a typy čar.


57

Obr. č. 14 Práce s hladinami

Součástí modelu je tabelární přehled všech hladin určených pro vytvoření mapového podkladu, včetně stručného popisu jejich obsahu, které jsou uloženy v příslušném adresáři modelu -(.. base\Ohre\maps). Do mapového podkladu je možné připojit pouze mapy, které jsou uloženy právě v tomto adresáři. Ne všechny v přehledu uvedené mapy musí být aktuálně připojeny a zobrazeny v základní sestavě modelu VS. Možnost podle potřeby připojovat a řídit zobrazení dalších hladin představuje širší možnosti využití modelu zejména při presentaci jeho výstupů. Připojování map a nastavování jejich viditelnosti a způsobu zobrazení se provádí v modulu "Watershed Setup".

58


Obr. č. 15 Zobrazení vrstevnic a popisků

Obr. č. 16 Vektorový a rastrový podklad, překryv

3.2. Vytvoření základních komponent a topologie systému Základní komponenty modelu VS byly vytvořeny převážně v modulu "Watershed Setup". V první řadě šlo o osy sítě říčních úseků (streams), které byly importovány z mapového podkladu. Nejprve však byly z originálních mapových podkladů v prostředí ArcGIS 9.2 vytvořeny hladiny s upravenými liniemi, které representují základní úseky toku. Linie z originálních podkladů DIBAVOD bylo třeba pospojovat, aby importem nevznikly příliš krátké úseky, na nichž by např. nemohly být umístěny nádrže. Význam má i orientace linie v nově vytvořené hladině, která se importem přenáší do objektu "stream" a určuje směr staničení a toku, obrátit směr je nicméně později možné. Pro optimalizaci grafu VS je vhodné volit importované linie pokud možno co nejdelší. Optimálně pro každý tok jednu linii dlouhou minimálně ke konci vzdutí nejvýše položené nádrže. Import není bezproblémový, některé v GISu vytvořené úseky se bez zjistitelných důvodů importovat nepodařilo. Proto bylo nutné vytvořit a do modelu připojit několik pracovních hladin ve formátu "shapefile" a úseky importovat postupně. Na stycích objektů typu "stream" se implicitně vytvářejí objekty uzlů grafu - soutoky (junctions). Pokud je potřeba doplnit výpočtové body (computational points), je možné je v libovolném bodě hrany grafu umístit. Na objektech typu "stream" se v dalším kroku vyznačují ve směru od konce vzdutí polohy nádrží (reservoirs). Nádrž nesmí přecházet na jiný "stream". Pokud má nádrž více přítoků, je nutné, aby hlavní tok nebyl v místě napojení přítoku přerušen a tvořil tedy jeden průběžný "stream". Nádrže představují další objekty modulu "Watershed Setup" označovaných souhrnně jako „projects“. Kromě výše uvedených je možné vytvářet ještě objekty jiných typů a to: podélná hráz (Levee), odbočení (bifurkace) (Diversion), definované úpravy koryt (Channel modification), oblasti ovlivnění (Impact Area), oblasti akumulace (Off-Channel Storage Area), uživatelem


59

definované objekty (Other project) a značky pro vstupy z časových řad (Time-Series Icon)1. Pro řešený model VS nebylo potřeba žádné z těchto objektů vytvářet. V modulu "Watershed Setup" není mnoho možností, pro zadání vlastností vytvořených objektů. Omezují se vesměs na jejich unikátní pojmenování - identifikátor a komentář. Geometrické vlastnosti vytvořených objektů je možné zobrazit, ale není možné je editovat zadáním jiných hodnot. Editace je možná pouze graficky pomocí tahu myší za uzly objektu v režimu editace. Pečlivé sestavení a ověření vytvořené topologie je základem a podmínkou pro úspěšné pokračování práce v dalších modulech programu, zejména pak pro běh simulací. Nastavení vytvořená v modulu "Watershed Setup" je možné uložit v několika variantách jako pojmenované konfigurace. Pro řešenou VS byla vytvořena pouze jediná základní konfigurace Hry_1. Nenastal důvod vytvářet konfigurace další. Další komponenty systému, které nesou kromě mnoha jiných vlastností údaje o topologii, se vytvářejí ještě v následujícím modulu "Reservoir Network". Jsou to především úseky říčních koryt, označované jako "routing reach", které se zadanými vlastnostmi vstupují do výpočtů pohybu vody v otevřených korytech. Vymezují se na dříve vytvořených objektech "stream", jako jeden nebo více objektů "routing reach" a nemohou přecházet na jiný "stream". Tyto objekty je nutné pro chod modelu jednotlivě vytvořit. Objekty nádrží, soutoků a výpočtových bodů se vytváří automaticky z objektů vytvořených dříve v modulu "Watershed setup" a v modulu "Reservoir Network" je nutné doplnit jejich další vlastnosti a v případě nádrží i další komponenty, což bude popsáno v následujících kapitolách. Z dalších objektů definovaných topologicky, které je v modulu "Reservoir Network" možné vytvořit, byl využit odkloněný odtok z nádrže "diverted outlet". Pomocí něho je definována situace na VD Nechranice, kde jsou u mimořádně dlouhé zemní hráze rozloženy ve vzdálenosti 2,12 km od sebe funkční objekty spodních výpustí a MVE, které převádějí běžné průtoky a objekt bezpečnostních přelivů. Oba tyto objekty ústí do samostatných koryt, která se spojují prakticky 3 km od výtoku z MVE a 1 km od bezpečnostních přelivů. Bezpečnostní přeliv je proto definován v modelu jako odkloněný odtok napojený na samostatný úsek koryta (routing reach) nad výše popsaným soutokem. To umožňuje samostatně stanovit průtoky ve výše uvedených korytech, ale především je věrněji reflektován faktický stav na vodním díle. V průběhu prací na modelu VS a ověřování variant se v počátku prací používal model bez odkloněného odtoku, který schematizoval reálnou situaci jako jedinou hráz s funkčními objekty a jediné koryto pod hrází. Výsledky simulací se pro tato dvě řešení prakticky neliší, nicméně schematizace s jediným korytem pod VD působí velmi hrubě. Při prověřování dalších variant sestavení modelu bylo pro finální verzi vybráno přímé napojení odkloněného

1

Pozn.: Objekty "Time-Series Icon" mají podle stručné zmínky v manuálu význam při spolupráci s jinými programy, zejména v rámci CWMS. Při využívání programu HEC-ResSim samostatně nemají žádný význam. Možnosti propojení programů HEC navzájem a do systémů nejsou uživatelům freeware zpřístupněny.


60

odtoku do koryta pod nádrží bez propojujícího říčního úseku. Toto řešení se jeví jako nejspolehlivější z hlediska stability modelu.

Obr. č. 17 VD Nechranice, odkloněný odtok

Další odkloněné odtoky jsou definovány na VD s odběrem vody, kterými jsou VD Horka, Jesenice a Stanovice pro umístění těchto odběrů. V těchto případech nejsou napojeny na žádný jiný prvek v soustavě a odebíraná voda tak výpočtově mizí ze systému. Odběry vody na trati toků jsou representovány objektem odbočení "diversion". V modelované VS jde o odběr vody čerpací stanicí Teplička v soustavě Březová-Stanovice, odběr vody pro Podkrušnohorský přivaděč čerpacími stanicemi u Rašovic a Mikulovic. Po vytvoření všech objektů s topologickými vlastnostmi, se doporučuje zkontrolovat konektivitu modelu. V programu HEC-ResSim lze zobrazit tabulku konektivit (Network Connectivity Table) a provést kontrolu. V zájmu vyloučení dalších problémů je třeba případné nespojitosti opravit před následným zpracováním dat.

3.3. Definování charakteristik nádrží a jejich objektů Všechny dále popsané úkony se provádějí v modulu "Reservoir Network". Jakmile jsou v systému svou polohou definovány nádrže, je možné zadávat charakteristiky zdrže, tedy čáry objemů a zatopených ploch. To je první základní předpoklad umožňující řešení diferenciální rovnice úkonu nádrže. Dalšími vstupy jsou časové řady přítoku a odtoku z nádrže. Přítok je zadán buď časovou řadou průtoků, hydrogramem, uloženým v databázi DSS, který vstupuje do modelu v příslušném uzlu, nebo hydrogramem získaným jako výsledek


61

výpočtu ve výše položeném segmentu soustavy. Abychom mohli definovat odtok jako funkci času, musíme nejprve na modelu nádrže vytvořit objekty, kterými se odtok děje a zadat jejich vlastnosti. V programu HEC-ResSim slouží pro vytváření modelů funkčních objektů nádrže a zadávání jejich vlastností komplexně pojatý nástroj "Reservoir Editor". Pokud nejsou ještě žádné objekty definovány, ukazuje se v levém okně editoru název vodního díla a objekty zdrž (pool) a hráz (dam). Pokud byl definován odkloněný odtok, objevuje se jako třetí položka. Pro všechny tyto položky je možné přidat objekty představující ve výpočtu složky celkového odtoku z nádrže. Pro zdrž je možné definovat ztráty výparem a průsak. Průsak v řešeném modelu definován není. Průsak do podloží se u předmětných vodních děl nepředpokládá; průsaky hrází nejsou nikde uváděny a neměly by mít z hlediska celkových bilancí význam. Ztráty výparem představují nezanedbatelnou položku bilance, zejména v málovodných obdobích. Je možné je zadat jako měsíční úhrn v mm nebo uživatelsky definovanou časovou řadou. Pro potřeby ověření modelu byly zadány předpokládané měsíční úhrny výparu odvozené z tabulky a grafu v příloze B ČSN 75 2410 Malé vodní nádrže. Mají platnost hrubého odhadu. Připojit místo těchto zadaných hodnot časovou řadu odpovídající hodnotám výparu odvozeným z meteorologických veličin na VD naměřených, nebo odečtených z přímých měření výparu na VD nebo připojit předpovězenou časovou řadu, je možné podle potřeby. Pro hráz nebo odkloněný odtok je možné definovat stejné objekty. Jsou to: ovládaná výpust, neovládaná výpust - přeliv, vodní elektrárna, čerpací stanice a průsak tělesem hráze, který je možný vztáhnout k aktuální úrovni hladiny. Specifickou položkou mezi těmito objekty, která se nepodílí na žádné ze složek odtoku z nádrže je "úroveň dolní vody" (Tailwater Elevation). Je povinnou položkou pro funkci vodní elektrárny a umožňuje pouze definovat úroveň hladiny dolní vody a to buď konstantní hodnotou nadmořské výšky, nebo na základě konsumpční křivky koryta v závislosti na odtoku z nádrže, nebo ve vztahu k hladině níže položené nádrže. V celé řešené VS byly zadány úrovně dolní vody podle údajů o vodním díle z manipulačního řádu konstantní hodnotou. Změny této konstanty v rozmezí několika metrů neměly na žádný vliv na průběh simulace. V případě nehrazených přelivů se do modelu zadává knsumpční křivka, která je povinnou součástí manipulačních řádů. Nehrazené přelivy se nacházejí na vodních dílech Jesenice, Horka, Březová a Stanovice. Pro hrazené přelivy jsou v manipulačních řádech k dispozici pouze konsumpční křivky při plném vyhrazení a údaj o výšce hradicího tělesa a šířce hrazeného otvoru. Pro běh simulace zadání konsumpční křivky pro plně otevřený jezový uzávěr stačí. Je ale třeba si uvědomit, že dochází k určitému většinou nepodstatnému rozporu s reálným stavem. Model vyhodnotí zahrazený uzávěr vždy jako neprůtočný a nebere v úvahu přepad přes např. klapku v horní poloze, horní hranu spuštěného segmentu nebo přelivnou hranu hydrostatického sektoru v


62

horní poloze. Model pak začne samočinně otevírat jezový uzávěr při vyčerpání kapacity spodních výpustí. Většinou se jedná o simulaci odpovídajícího zásahu obsluhy, ale nemusí to platit ve 100% případů. Pro všechny ovladatelné uzávěry je možné zadávat buď jedinou konsumpční křivku pro plně otevřený uzávěr, nebo více konsumpčních křivek pro uzávěr částečně otevřený. I přes to, že se podaří zadat pro hrazený přeliv konsumpční křivku jak pro hodnotu 100%, tedy pro plné otevření, tak i pro hodnotu 0%, tedy zahrazený uzávěr a mohli bychom tedy považovat problém tímto zadáním za vyřešený, není tomu tak. Poznámka v kapitole 10.16 manuálu informuje o tom, že HEC-ResSim prozatím neumí údaje o kapacitách částečně otevřených uzávěrů ve výpočtu využít a odvozuje generované časové řady odtoku uzávěrem pouze z údaje pro plně otevřený uzávěr. Není tím míněno to, že by se v simulacích nevyskytovaly průtoky uzávěrem menší, než odpovídá jeho maximální kapacitě při aktuální výšce hladiny. HEC-ResSim reguluje průtok ovladatelným uzávěrem plynule, ale zadané konsumpční křivky pro částečná otevření k tomu nijak nevyužívá. Program ověří maximální kapacitu při dané úrovni hladiny a nastaví požadovanou hodnotu odtoku nižší, než je aktuální maximum. Pokud by bylo potřeba modelovat situace, kdy dochází k přelivu přes hradicí těleso v uzavřené poloze, např. situace, kdy nastane porucha pohybovacího zařízení apod., bylo by to řešitelné definováním fiktivního ovladatelného uzávěru se zadanou konsumpční křivkou platnou pro přeliv přes zahrazený původní uzávěr a podmínku definovanou skriptem, že uzávěr je v činnosti pouze při nulovém průtoku "reálným" uzávěrem. Reálný uzávěr je pak možné vyřadit z provozu pomocí pravidla s vyšší prioritou, viz článek 3.5. O zadávání konsumpčních křivek pro spodní výpusti platí totéž, co pro hrazené přelivy. Pro funkci modelu plně postačí zadání konsumpční křivky pro plně otevřený uzávěr. Protože v manipulačním řádu pro VD Nechranice jsou konsumpční křivky pro částečně otevřené spodní výpusti uvedeny, byly zadány i do modelu VS, s výhradou zmíněnou výše.


63

Obr. č. 18 definování konsumpčních křivek spodních výpustí VD Nechranice

Pro malé vodní elektrárny (MVE) na vodních nádržích je jako jejich základní vlastnosti třeba zadat alespoň minimální výšku hladiny, kdy je dosažen potřebný spád na turbíny, aby elektrárna mohla fungovat a maximální hltnost. Podrobnější pravidla pro funkci MVE jsou pak zadána v rámci pravidel řízení, viz kapitola 3.5. VD Horka není vybaveno typickou MVE, ale pouze jednotlivými soustrojími o nízkém výkonu (25 až 250 kW) osazenými na jednotlivé odběry vody pro zásobování v různých úrovních a na spodní výpust. Pro funkci modelu tu proto není třeba samostatný objekt MVE definovat, protože nevzniká žádná samostatně fungující kapacita pro vypouštění vody. Odběry vody pro zásobování vodárenských soustav a průmyslu jsou simulovány objekty čerpacích stanic (pump) na odkloněných odtocích, které nejsou napojeny na žádný prvek, který by vracel vodu do systému, viz kapitola 3.2. Na čerpacích stanicích byly nastaveny konstantní odběry. Konstantní odběr je možné nahradit časovým harmonogramem s různou periodou nebo uživatelsky vytvořenou časovou řadou. Modely funkčních objektů hrází lze slučovat do skupin, kterým je možné zadávat některé společné vlastnosti a především stanovovat společná pravidla řízení. Pokud je na VD několik výpustí nebo přepadů shodného provedení, je možné pro ně zadat parametry společně a uvést počet těchto objektů. Následně už ale nelze zadávat pravidla řízení jinak, než opět společně pro takto definované objekty. Tento způsob byl použit pro dvojici hydrostatickým segmentem hrazených přelivů ve funkčním objektu přelivů VD Nechranice, a pro dvojice shodných


64

spodních výpustí, které se nacházejí na všech ostatních VD (VD Březová má jednu dvojici a jednu samostatnou spodní výpust).

3.4. Práce s říčními úseky Pro povodí Ohře v rozsahu řešené VS není reálné využít podrobných údajů o tvaru a charakteru koryt toků, které jsou sice na většině území k dispozici, protože byly pořízeny pro potřeby stanovení rozsahu zátopového území programem HYDROCHECK (Hydrosoft Veleslavín s.r.o.). Program HEC-ResSim však nedává možnost použít zaměřené příčné profily toku nebo údolní profily přímo v modelu. Dovoluje pouze zadat buď parametry souměrného lichoběžníkového koryta nebo složeného profilu s kynetou a bermou, k tomu sklon a Maningův koeficient a to jednotně pro celou délku úseku. V daných podmínkách by se jednalo o velmi hrubou schematizaci, která by vzhledem ke skutečným poměrům na tocích postrádala smysl. Model provádí přibližný výpočet transformace povodňové vlny při neustáleném proudění. Pro tento účel lze pro vymezené říční úseky (routing reaches) nastavit několik metod řešení. Z výše uvedených důvodů je pro všechny úseky zvolena implicitně nastavená metoda Muskingum, pro kterou program požaduje zadání tří údajů: - Koeficientu K v hodinách, který odpovídá předpokládané době toku úsekem. - Koeficientu míry transformace X v rozmezí 0,0 až 0,5. Hodnota 0 vyjadřuje maximální zploštění průtokové vlny, hodnota 0,5 znamená průtok bez transformace. - Počtu dílčích výpočtových úseků, který se doporučuje stanovit jako podíl doby toku úsekem a délky výpočtového kroku zaokrouhlený na celé číslo. Jak již zdůvodněno v článku 2.4, u všech úseků se v první řadě odečítá jejich délka z mapového podkladu. Pak se stanovují na podkladě znalostí o charakteru koryta výše uvedené koeficienty. Při testování modelu byla rovněž ověřena metoda součinitelů zploštění povodňové vlny (Coefficient Routing Method). Byla testována s hodnotami doporučenými v uživatelském manuálu i s navrženou modifikací těchto hodnot. Jako výhodnější z hlediska jednoduchosti kalibrace se prokázala metoda Muskingum. Modely říčních úseků jsou oproti propracovanosti vodních děl schematizované s menší přesností. Pro potřeby vyjádření běžných hydraulických procesů je však tento stav po zkušenosti s testováním vytvořeného modelu VS možno považovat za vyhovující.

3.5. Definování zón nádržního prostoru a pravidel řízení Před zadáním pravidel řízení pro jednotlivé prvky nádrže (rozumí se celé vodní dílo vč. hráze a všech dalších objektů) a jejich souborů je nutné stanovit zadáním požadovaných úrovní hladiny (absolutně v nadmořských výškách) prostory nádrže (zones), tak jak jsou definovány v manipulačním řádu. Přednastavené jsou tři základní prostory - prostor stálého nadržení (inactive), - zásobní prostor (conservation), - ochranný prostor (flood control).


65

Program umožňuje definovat větší množství nádržních prostorů a implicitně vytvořené prostory přejmenovat nebo zrušit. Jelikož v manipulačních řádech všech vodních děl v modelované VS jsou vymezeny minimálně tři výše uvedené prostory, nebylo třeba pro potřeby simulace povodňového řízení žádné nádržní prostory rušit, pouze z pravidla na základě MŘ definovat rozčlenění zásobního prostoru na další zóny. Prostor stálého nadržení a ochranný prostor jsou určeny kótou hladiny, která zůstává v čase konstantní. Hladina zásobního prostoru a případně jeho jednotlivých zón je stanovena dispečerským grafem v závislosti na období během roku. Pro zavedení pravidel pro hospodaření s vodou za běžných průtoků a v době sucha je třeba zavést větší počet prostorů podle počtu dispečerských křivek, různě pro jednotlivá VD: pro VD Jesenice- 4 křivky, Skalka- 2 křivky, Horka- 2 křivky, Březová- 1 křivka, Stanovice - 5 křivek, Nechranice- 2 křivky. Ne všechny z nich však mají význam pro definování samočinných řídících funkcí VS. Pokud např. nezavedeme sofistikované řízení vodní elektrárny, což je i s využitím všech možností, která přinesla nová verze 3.0, problematické, díky nepravidelnosti elektrárenských odběrů, pak ani nemá smysl určovat prostor pro optimalizaci provozu MVE (tzv. dispečersko energetický prostor). To se týká VD Jesenice a VD Stanovice. Právě tak nemá z tohoto hlediska smysl zavádět prostor odpovídající čáře pro dovolený pokles hladiny při odledňování toku (VD Stanovice). Řídicí křivka pro zásobní prostor je implicitně nastavena jako hlavní řídicí křivka, která určuje úroveň hladiny, jež má být v optimálním případě dosažena. V rámci nastavených pravidel a omezení systém usiluje o nejrychlejší dosažení této úrovně hladiny. Jako hlavní řídicí křivku (Guide Curve) je možné označit kteroukoliv ze zadaných křivek. Program umožňuje ukládání pojmenovaných sestav (Operation Set), které zahrnují definice nádržních prostorů i pravidel řízení. V testovaném modelu je pro všechna vodní díla definována vždy jedna sada operací pojmenovaná „Manipulace MR“ která obsahuje pravidla pro automatické manipulace, které v maximální dosažitelné míře odpovídají požadavkům MŘ. Jednou definované sady je možné duplikovat a následně upravovat a tak vytvářet velký počet variant pro různé požadavky řízení VS. Multifunkční nástroj pro editaci vlastností a funkcí nádrží (Reservoir Editor) kromě výše popsaných funkcí umožňuje vytvářet pravidla pro řízení (rules) vybraných objektů (uzávěrů, výpustí, apod.), jejich skupin a celků vodního díla (hráz, vodní dílo jako celek). V této oblasti poskytuje program nejširší možnosti. Pravidla pro řízení jsou vždy vázána na konkrétní nádržní prostor (zone). Přitom pravidlo definované na jednom vodním díle se může uplatnit současně ve více zónách. Podle vytvořených pravidel řízení model provádí samočinně manipulace na vodních dílech VS.


66

Pravidla řízení, která jsou pro vodní díla k dispozici lze v zásadě rozdělit na: ‐

Pravidla pro vypouštění (Release Function), která lze definovat pro nádrž jako celek, hromadně pro objekty hráze se stanovením priorit jejich využití (např. upřednostnění hydroelektráren) a pochopitelně pak pro jednotlivé ovladatelné přelivy, výpusti a čerpací stanice (případně jejich uživatelem definované skupiny).

‐

Pravidla řízení závislá na průtoku ve stanoveném profilu pod vodním dílem (Downstream Control Function), definovaná (v aktuální verzi) vždy pouze pro vodní dílo jako celek.

‐

Tandemové operace (Tandem Operation) zajišťující optimalizaci využívání kapacit v kaskádě vodních děl.

‐

Pravidla pro extrémní povodňové situace (Induced Surcharge).

‐

Pravidla řízení závislá na rychlosti změn jiných hodnot, např. přítoku, odtoku, pohybu hladiny (Flow Rate of Change Limit, Elevation Rate of Change Limit).

‐

Pravidla řízení pro čerpací stanice a hydroelektrárny s možností uplatnění několika úrovní časových harmonogramů a dalších specifických pravidel.

‐

Pravidla řízení definovaná skriptem. Jsou určena především pro speciální úlohy ovládání výpustí.

Pravidla pro vypouštění a rovněž některá z dalších skupin pravidel mohou být nově definována v závislosti nejen na čase a modelových proměnných příslušného vodního díla, ale také na uživatelsky definovaných stavových veličinách, které musí být definovány pomocí skriptu. Dále je nově možné stanovit vazby na externí proměnné representované časovými řadami uloženými v samostatných soborech ve formátu HEC-DSS. Pro potřeby vypracování i poměrně náročného modelu, který je sestaven s ohledem na co nejuniversálnější možnosti testování, nebylo třeba těchto možností využít. V rámci vytváření pravidel je možné volit, zda pravidlo nastavuje maximální hodnotu určité veličiny, např. průtoku, minimální, nebo její přesnou hodnotu. Jednoduchým způsobem vertikálního řazeni v grafickém rozhranní editoru se určují priority jednotlivých pravidel. Při definování funkcí výpustí, přelivů a elektráren byly využity nové možnosti verze 3.0 a to možnosti podrobnějšího určení režimu vypouštění (Specifying Release Allocation). Tato funkce, kterou je možné volitelně aktivovat, dovoluje definovat pořadí činných výpustí (Sequential) nebo vyváženost vypouštěných množství (Balanced) jednotlivými výpustmi pomocí vah určených pro každou z nich, nebo v kombinaci obou těchto metod v postupných krocích podle narůstajícího průtoku (Stepped). V řešené VS bylo použito pouze volby pro sekvenční otevírání jednotlivých výpustí a to zejména pro nastavení priority MVE. V případě VD Nechranice je touto funkcí definována i přednost využívání středního segmentu pro vypouštění vody bezpečnostními přelivy před otevřením krajních polí přelivu. Protože VD Nechranice má dva oddělené objekty pro vypouštění a topologie modelu respektuje tento fakt, bylo nutné nejprve stanovit priority mezi nimi. Věž se spodními výpustmi a MVE má prioritu

67


před objektem bezpečnostních přelivů a v rámci věžového objektu má přednost MVE. Aby nebyly základové výpusti otevírány zbytečně, protože nejsou manipulačním řádem určeny k běžné regulaci průtoků, pokud je možné požadovaný odtok zajistit manipulací na středním poli (zdvižném segmentu) přelivů a MVE, je mezi pravidla řízení vložena podmínka, že základové výpusti mohou být aktivovány, pouze pokud hladina v nádrži klesne pod kótu 263,00, což je úroveň přelivné hrany středního pole bezpečnostního přelivu. Toto nastavení jako podklad pro automatické manipulace odpovídá většině běžných provozních situací.

Obr. č. 19 VD Nechranice – přelivy (z www.poh.cz)

Obr. č. 20 VD Nechranice, věžový objekt (z www.poh.cz)

3.6. Využití logických konstrukcí a skriptů S verzí 3.0 přichází rovněž i možnost využívání logických konstrukcí typu „If – Then – Else“, a to opět v editoru vlastností a funkcí nádrže (Reservoir Editor). Tyto možnosti byly využity při modelování VS pro definování pravidel řízení nádrže Skalka za povodně tak, aby se prakticky přesně vyhovělo poměrně složitým podmínkám stanoveným manipulačním řádem. MŘ určuje vypouštěný průtok poměrně striktně v závislosti na přítoku do nádrže a několika vymezených intervalů stavů hladiny v ní. Tato ustanovení MŘ vychází z dlouholetých zkušeností s provozem tohoto vodního díla. Za průběžné manipulace podle MŘ je dosaženo velmi efektivního využití jinak ne příliš velkého retenčního prostoru této nádrže, jak je pak patrno z Obr. 21, na kterém je ukázán grafický výstup ze simulace průchodu povodňové vlny použité při Dispečerských hrách v listopadu 2008.


Obr. č. 21 Definice pravidel pro povodňové řízení VD Skalka

68


69

Obr. č. 22 Výsledek simulace - graf úrovně hladiny VD Skalka, hydrogram přítoku a odtoku (dole)

3.7. Definování součinnosti v soustavě vodních děl Pokud v modelu VS uplatníme pravidla označovaná jako tandemové operace „tandem operations“ pro nádrže v kaskádě, nebo pravidla řízení závislá na průtoku v oddáleném profilu níže na toku „downstream operations“, který je společný pro dvě a více nádrží, tak taková pravidla definují součinnost vodních nádrží v soustavě při využívání jejich retenčních a zásobních prostorů. Uplatněním těchto pravidel je implicitně definována soustava vodních děl a manipulace na jedné nádrži se nadále řídí nejen stavovými veličinami pro tuto nádrž, ale v úvahu jsou brány i stavové veličiny druhé nádrže (nebo více nádrží) a společně tvoří vstup pro algoritmus naprogramované manipulace sledující definovaný stav ovlivnitelný jak jednou, tak druhou, eventuelně i další nádrží. Soustava může být tvořena dvěma i více nádržemi řazenými v kaskádě na jednom toku, nebo v paralelní konfiguraci na tocích se společným soutokem. Již v první funkční verzi modelu byla uplatněna pravidla pro ochranný prostor nádrží Skalka a Jesenice sledující nepřekročení neškodného průtoku 55 m3/s v profilu pod soutokem Odravy a Ohře. Obdobné pravidlo bylo stanoveno pro dvojici nádrží Březová-Stanovice a to s cílem nepřekročit neškodný průtok 90 m3/s pod soutokem Teplé a Lomnického potoka, který odpovídá fakticky nejvyššímu přípustnému průtoku lázeňskou čtvrtí v Karlových


70

Varech v měrném profilu limnigrafu u hotelu Thermal. Těmito kroky byly v rámci modelu implicitně definovány dvě podsoustavy vzájemně se ovlivňujících nádrží. Pro potřeby povodňového řízení postačila tato implicitní definice bez dalšího upřesňování způsobu vzájemného ovlivnění nádrží. V mezích ovladatelných retenčních prostorů se systém snaží proporcionálně využívat tyto prostory u obou nádrží. Pokud na některé z nich dojde k vyčerpání ovladatelného retenčního prostoru a hrozí překročení nastaveného maxima v níže položeném profilu, pak systém omezí, někdy i dost razantně, vypouštění z druhé nádrže. Pro tento případ je třeba pamatovat na uplatnění pravidla nastavujícího minimální hodnoty průtoků pod spolupracujícími vodními díly. Jiná situace nastane, když je třeba řešit spolupráci nádrží při zajišťování zásobních funkcí, která je např. v MŘ soustavy Skalka-Jesenice s potřebnou podrobností popsána. Jedná se o slovně vyjádřené priority ve využívání zásobních prostorů těchto nádrží. V případě soustavy Březová-Stanovice jsou zásobní funkce soustředěny převážně ve VD Stanovice a je možné je v souladu s podmínkami MŘ dobře definovat i bez nutnosti vytváření vzájemných vazeb na podstatně menší zásobní prostor VD Březová. Spolupráce v soustavě Skalka-Jesenice je MŘ definována v principu tak, že větší zásobní prostor nádrže Jesenice je přednostně využíván a ve fázi plnění zásobních prostorů se rovněž přednostně plní. Podrobnosti jsou uvedeny v příslušných ustanovení části „C“ MŘ soustavy. Aby se těmto požadavkům mohly naprogramované samočinné manipulace co nejvíce přiblížit, bylo potřeba oproti první verzi modelu pro povodňové řízení definovat více dispečerských křivek dělících zásobní prostor obou nádrží na více částí s odlišnými pravidly. Přednost ve využívání těchto prostorů je možné definovat ve vztahu k celkovému prostoru (součtu) prostorů obou nádrží začleněných do soustavy procentním podílem. K tomu slouží editor systému nádrží „Reservoir System Editor“ dostupný v modulu „Resevoir Network“. Jeho prostřednictvím je pod názvem Skalka-Jesenice definována tato soustava a jsou nastaveny její parametry, jak je patrno z Obr. 22.


71

Obr. č. 23 Resrvoir System Editor – nastavení pro VS Skalka-Jesenice

4. Spouštění simulačních výpočtů a využití modelu 4.1. Definování alternativ a okrajových podmínek Podmínkou pro běh simulací je definování okrajových podmínek a připojení vstupních časových řad reprezentujících hydrogramy na přítocích do VS. Program, jak výše uvedeno, disponuje editorem alternativ, ve kterém se automaticky vytvářejí položky podle definovaných komponent modelové VS, včetně uzlů s definovaným přítokem „Local Flow“. Pokud by byly definovány i jiné vstupy dané časovými řadami, např. externí proměnné, které je možné používat, objeví se příslušná položka pro jejich připojení právě v editoru alternativ. V konečné verzi modelu je definováno pouze po jedné sadě manipulací s označením „Manipulace MR“ pro každou nádrž, viz článek 6.3. Pokud by bylo třeba vytvořit více sad pro modelování VS za různých situací lze s výhodou využít možnosti duplikace stávajících sad. Okrajové podmínky určují průtoky jednotlivými uzávěry, a přelivy a úrovní hladiny v nádrži na počátku simulace. V konečné verzi modelu VS jsou nastaveny hodnoty, které byly použity při zahájení simulace na Dispečerských hrách. Připojení časových řad je provedeno na příslušné kartě editoru alternativ s využitím vlastností souborové databáze DSS formou zadání cesty k jednotlivým oddílům databáze. Databáze časových řad přítoků, soubor „povoden88.dss“ je uložena v adresáři modelu v podadresáři „DSS“ v jeho dalším podadresáři „pracovni“ jsou uloženy další časové řady ve formátu DSS použité při Dispečerských hrách na Povodí Ohře.


72

Každá kombinace definovaných sad s pravidly řízení, okrajových podmínek a připojených časových řad musí být uložena pod názvem jako „alternativa“. Pod tímto označením se potom užívá při vytváření jednotlivých běhů simulace. V editoru alternativ, tak jako např. v editoru uzlů (Junction Editor) je rovněž možnost uložení pozorovaných časových řad. Program však nedisponuje žádnou funkcí pro posouzení shody vypočtených časových řad s pozorovanými při kalibraci. Tyto možnosti má např. program HEC-DSSVue, který je pro tyto účely možné samostatně použít.

4.2. Spouštění simulací Po otevření modulu „Simulation“ se na pravé straně okna programu objeví okno správce simulací. Jak v něm, tak z hlavního menu je možné definovat nové běhy simulací. Běh simulace je definován základními časovými údaji – začátkem a koncem simulace a časovým údajem pro odečtení počátečních podmínek (Loockback Date), které musí obsahovat dřívější časový údaj, než je zadaný počátek běhu. Dále je simulace určena použitím jedné z uložených alternativ, viz článek 4.1. Časové rozmezí zadané pro běh simulace musí korespondovat s daty a časem v připojených časových řadách. Časové řady použité pro ověření modelu na Dispečerských hrách jsou v modelovém časovém rozsahu od 27. 5. 2088, 6:00 do 2. 6. 2088, 6:00. Spuštění a dokončení první simulace představuje zároveň úspěšné ověření konektivity všech součástí modelu. Po ukončení každého běhu simulace, lze odečíst průtoky a stavy prakticky pro všechny komponenty systému z libovolné fáze simulace. K dispozici jsou jak přehledné grafické výstupy, tak jim odpovídající výstupy tabelární, které je možné tisknout nebo dále zpracovat např. MS Excelu. Pro každou vytvořenou simulaci se v základním adresáři modelu v podadresáři „rss“ vytvoří samostatný podadresář pojmenovaný shodně s definovanou simulací, který obsahuje veškeré potřebné údaje pro opětovné spuštění této simulace i pro případ, že nastavení, za kterých byla vytvořena, uživatel změní. Podmínkou opětovného spuštění však je, aby zůstal zachován soubor se zdrojovými časovými řadami v původním umístění. V každém adresáři příslušném k vytvořené simulaci je obsažen soubor „simulation.dss“, který obsahuje hodnoty pro jednotlivé prvky systému vygenerované během simulace. Volně šiřitelná verze programu nedovoluje krokování simulace a neumožňuje ani přerušení a dialogový vstup uživatele do průběhu simulačního výpočtu. Běh simulace je i pro poměrně rozsáhlou VS rychlý, je otázkou několika vteřin. Proto není problém vyhodnotit proběhlou simulaci a v případě potřeby vložit mezi pravidla řízení např. pravidlo představující požadovanou manipulaci s konkrétním uzávěrem v daném čase a spustit simulaci znovu. Námi využívaná verze programu příliš nepodporuje on-line zpracování, což patrně pro modifikace HEC-ResSim využívané rutinně složkami USACE-HEC neplatí. Umožňuje však účinně v krátkém čase prověřit značný počet alternativ řízení a tím i velmi podrobnou analýzu funkcí VS.


73

4.3. Simulace operativních opatření při extrémních situacích 4.3.1. Problematika povodňového řízení Testování modelu VS v podmínkách povodňového řízení spočívá především ve vytváření variant simulovaných manipulací nad rámec MŘ. Tento způsob je možné považovat za základní. Model VS je nastaven na automatické provádění manipulací v mezích MŘ a KMŘ a nad těmito manipulacemi representovanými systémem pravidel sdružených do sad se vytvářejí pravidla reprezentující mimořádné zásahy obsluhy. Při testování povodňové situace vytvořené pro účel Dispečerských her šlo výhradně o definované předpouštění zásobního prostoru. Pro tuto potřebu byla vytvořena pravidla pro vypouštění (Release function) definovaná na VD pro objekty hráze jako celku. V případě VD Nechranice kromě objektu hráze (Dam), představovaném věžovým objektem s MVE a spodními výpustmi a proto v modelu pojmenovaném „Nechranice vez MVE“ i pro odkloněný odtok (Diverted outlet) v modelu pojmenovaný „Nechranice Prelivy“ s blokem bezpečnostních přelivů, z nichž střední, zdvižný segment, může zajistit i masivní předpouštění zásobního prostoru. Tato pravidla musí být nastavena na konkrétní hodnotu (nikoliv na maximum či minimum) a nastavena na vyšší prioritu, než pravidla základní – odpovídajcí MŘ nebo KMŘ, avšak na nižší prioritu, než umožňují pravidla povodňového řízení za vyšších průtoků a pravidlo pro ochranu hráze před přelitím (Induced Surcharge Rule). Jde o pravidla definovaná pro konkrétní časový rozsah ve dnech a v hodinách. V rámci jednoho pravidla se vypouštěné množství může měnit s časem. Pokud nastavíme konstantní hodnotu a model má správně nastavená omezení vyplývající z maximální rychlosti pohybu uzávěrů, pak vypouštěné množství stoupá technologicky nejvyšší možnou rychlostí až k požadované hodnotě. Pro práci s těmito pravidly je vhodným nástrojem pro kopírování vytvořit zvláštní sadu nebo více sad operací, ke kterým je možné se vracet. Pokud tímto postupem testujeme účinky předpouštění zásobního prostoru před příchodem rozhodujícího objemu povodňové vlny, pak máme možnost prověřit poměrně snadno a rychle velké množství variant. Pokud nastavený odtok pro předvypouštění nepřekročí neškodný odtok pod VD a nedojde ani k překročení limitního odtoku v profilu pod více nádržemi, jedná se stále zpravidla o manipulaci v mezích MŘ nebo KMŘ. V průběhu Dispečerských her byly prověřovány i varianty masivnějšího předpouštění, než by odpovídalo neškodným odtokům povoleným v MŘ nebo KMŘ. V některých případech, kdy je zřejmé, že příchod katastrofální povodňové vlny je již nevyhnutelný, takové opatření může znamenat postup vedoucí k minimalizaci povodňových škod. Pokud bychom výši povodňových škod vztahovali pouze k dosažené hladině v toku a k velikosti zaplaveného území, tak bychom k takovému výsledku v mnoha případech jistě došli. Ve „hře“ má důležitou roli rovněž i časový faktor, v případě povodní velmi významný. Je třeba si vždy položit otázku, zda zpomalení nástupu povodně naopak neumožní včasnou evakuaci obyvatel a záchranu cenného majetku a území pak s menšími škodami přečká i vyšší zaplavení vodou. Pro zodpovězení obdobných otázek může nasazení modelu VS přinést díky krátké době výpočtu relevantní podklady.


74

Kromě prověření optimálního předpouštění zásobních prostorů VS je možné prověřit i další možné varianty manipulací za povodně zařazením odpovídajícího pravidla do vytvořené základní sady manipulací nebo její kopie. 4.3.2. Problematika sucha Pro využití modelu VS pro testování v podmínkách nedostatku vody je nutné zakomponování objektů a pravidel reprezentujících odběry a ztráty vody. Jedná se o několik typů rozšíření, o která je třeba doplnit model povodňového řízení. Jsou to: - ztráty vody výparem z volné hladiny, - odběry vody z nádrží, - odběry vody prostřednictvím objektů na tocích, - podrobné definování pravidel pro jednotlivé zóny zásobního prostoru, - definování součinnosti nádrží při využívání zásobního prostoru. V porovnání se simulacemi povodňového řízení je také vhodné prodloužit časový krok výpočtu. Problematika sucha nevyžaduje vyhodnocování stavů soustavy v hodinovém kroku. Podle požadované podrobnosti výstupů postačí šestihodinový krok, nebo při hodnocení delšího časového období i časový krok po 12 hodinách nebo dnech. Existuje však nebezpečí, že delší časový krok přinese zkreslení při povodňových epizodách, pokud předmětem numerického experimentu bude delší časové období, zahrnující povodňový odtok a současně i dlouhodobé sucho. Pro ověření modelu byly použity hypotetické časové řady přítoků do nádrží s počátkem na hodnotě 270-ti denní vody a klesající po 6 měsíců, od května do října, exponenciálně na hodnotu 364-ti denní vody. Model byl spuštěn s časovým krokem 12 hodin. VS se dostala do kritického stavu za 145 dní. Sestavení modelu pro ověřování situací s nedostatkem vody je náročné na definování odběrů a ztrát. Provedený pokus představuje především ověření možnosti využít program HECResSim 3.0 i pro tento režim. Prokázalo se, že to sice systém umožňuje, praktické využívání by si však vyžádalo náročnou kalibraci modelu, zejména při výpočtu ztrát výparem z volné hladiny a průsakem tělesem hráze, případně dnem zdrže a obtížně vyčíslitelných ztrát v tocích. V testovaném modelu bylo použito jen hrubého nastavení. Ztráty výparem byly definovány měsíčním úhrnem v mm v závislosti na nadmořské výšce podle přílohy B ČSN 75 2410. Model umožňuje zadat ztráty výparem formou časových řad. Ztráty v korytech toků nebyly uvažovány. Využití modelu VS v programu HEC-ResSim jako nástroje pro prognózu dlouhodobé bilance zásob vody by bylo reálné patrně ve quasi kontinuálním provozu s možností průběžné korekce vstupních údajů a kalibrace modelu, zejména v oblasti reálných ztrát vody. Je otázkou, zda některá z nových verzí programu nepřinese rozhodující změnu v možnostech jeho využití pro kontinuální nebo quasi kontinuální provoz. Zejména možnost dávkového spouštění a propojení s řídicím systémem pro tento účel vytvořeným.


75

4.4. Kalibrace a testování modelu HEC-ResSim 3.0 na rozdíl od jiných programů vyvinutých týmem HEC (např. HECHMS 3.3) nedisponuje žádným zvláštním nástrojem pro kalibraci a ladění. Umožňuje pouze ukládat v DSS databázi měřená data pro porovnání. Pro vyhodnocení vzájemné podobnosti časových řad s použitím metod matematické statistiky je vhodným prostředím např. program HEC-DSSVue. Verifikace a kalibrace je nutnou fází vývoje každého hydrologického modelu. V případě modelů vytvořených v prostředí HEC-ResSim se jedná zpravidla o modely konkrétních, již existujících VS, kde porovnání vypočtených hodnot s měřenými a nepředstavuje složitý problém. Jinou otázkou je, jaké možnosti kalibrace modelu program vůbec nabízí. Nejpřesnějšími údaji, které jsou při tvorbě modelu zadávány, jsou údaje o nádržích. Možnosti jejich dalšího zpřesňování jsou minimální, a pokud nedojde např. k odhalení zřejmé chyby v zadání hodnot, nebudou mít pro praktické využití modelu žádný význam. Předmětem upřesňování by mohly být měrné křivky objektů, které jsou odvozeny z pravidla z rovnic, jejichž parametry jsou v zásadě spekulativní, nicméně experimentálně ověřené. V porovnání s bezpečnostními přelivy a základovými výpustmi je nejpřesněji možné stanovit průtok vodní elektrárnou, podle přepočtu výkonu na průtok. Vzhledem k propracovanosti metod hydrotechnických výpočtů, se však významná upřesnění očekávat ani v této oblasti nedají. Mnohem nepřesnější jsou zadávané parametry pro výpočet proudění v korytech. Zde je mnohem širší prostor pro kalibraci na základě srovnání s hodnotami naměřenými. Ve zkoumaném modelu VS je reálné, především vzhledem k celkovému měřítku řešeného území a nutné generalizaci údajů vztažených k jednotlivým říčním úsekům, uplatnit pouze metodu Muskingum ve zjednodušené podobě se zadáváním tří údajů: - Koeficientu K, který odpovídá předpokládané době toku úsekem v hodinách. - Koeficientu transformace X v rozmezí 0,0 až 0,5. - Počtu výpočtových podúseků, který se stanoví jako podíl předpokládané doby toku úsekem a výpočtového kroku (v případě povodňového řízení 1 hodina). Změna všech koeficientů X ve všech říčních úsecích ověřovaného modelu z hodnoty 0,1 na hodnotu 0,4 vede ke změně hodnoty vypočtené kulminace v závěrovém profilu o 12%. Tento údaj postačí pro základní orientaci. Pro provedení klasické citlivostní analýzy by bylo potřeba mít k dispozici více údajů o říční síti. Nejdůležitější a realitě nejbližší jsou možnosti kalibrace založené na upřesnění neměřených přítoků do VS, které se dějí z poměrně značné části povodí. Plocha povodí přítoků do VS s měřeným odtokem činí 1982,2 km2, vyznačeno růžově a plocha bez měření činí 1542,8 km2, vyznačeno zeleně.


76

Obr. č. 24 Rozdělení ploch s měřeným a neměřeným odtokem

Přítoky z povodí bez pozorování příčinná srážka – odtok do uzlů systému se odhadují procentním podílem z nejbližšího povodí s tímto pozorováním. Ten je určován podle velikosti ploch s přihlédnutím k jejich charakteru (horská území, zemědělská krajina, urbanizace, apod.). Při nezbytném zjednodušení hraje lidský faktor, zkušenost s provozem toků a vodních děl a další místní znalosti významnou roli. Určení nepozorovaných přítoků je pro kalibraci modelu rozhodující. Na základě zkušenosti s provozem modelu při Dispečerských hrách, viz dále, byla provedena základní kalibrace podle hodnot přítoku do VD Nechranice, který byl vypočten systémem Hydrog, provozovaným VHD Povodí Ohře při použité modelové povodni. Tuto kalibraci je třeba považovat za první krok a pouze hrubé přiblížení. Pokud bude model dále pro výzkum nebo podporu řízení VS používán, bude třeba model rekalibrovat na základě měřených časových řad, především z LG Žatec, Kadaň, Drahovice a Citice. Využívání možnosti připojit do uzlů soustavy přítok definovaný procentním podílem měřeného nebo předpovídaného přítoku na jiném blízkém povodí je zdrojem nepřesnosti modelu a lze ho akceptovat s určitými výhradami. Přesnějším postupem by bylo vymezit ke každému takovému přítoku konkrétní povodí, což je stejně provedeno pro potřeby odhadu procentního podílu, jak je výše popsáno a odtok z tohoto povodí odvodit srážkoodtokovým modelem. Tímto způsobem by bylo možné zohlednit plošnou nerovnoměrnost příčinné srážky. Při absenci měření odtoků z těchto povodí není vypočtené přítoky možné verifikovat.


77

Je možné je ověřit pouze nepřímo podle měřených údajů na limnigrafech na hlavním toku, což pro kalibraci srážko-odtokového modelu nebude postačovat. Přítoky z povodí bez měření vždy zůstanou zdrojem neurčitosti modelu.

4.5. Zkušenosti s tvorbou a aplikací modelu VS v povodí Ohře První verze modelu, koncipovaná výhradně pro potřeby povodňového řízení, byla připravena pro ověření na Dispečerských hrách pořádaných na podniku Povodí Ohře s.p. v Chomutově ve dnech 11. a 12. listopadu 2008 vedením podniku a především pracovníky dispečinku povodí. Dispečerské hry obnovené na základě předchozí tradice se staly jednou z nejvýznamnějších vodohospodářských akcí roku 2008 s významem přesahujícím do mnoha dalších oblastí, kterých se problematika ochrany před povodněmi týká. Akce se kromě samotných dispečerů z podniků Povodí Labe, Moravy, Odry a Vltavy zúčastnili také zástupci státní správy a samosprávy, krizového řízení z povodí Ohře, další zástupci podniků Povodí i další zájemci a pozorovatelé. Simulace povodně byla vytvořena na základě skutečné události z jara 2006, která byla pro účel hry přiměřeně zvýšena. Pracovníky VHD byly připraveny i veškeré podklady pro rozhodování dispečerských týmů, tedy meteorologické a hydrologické předpovědi, údaje z vodních děl a z limnigrafů. Byl podrobně rozpracován i časový postup hry, která probíhala v předem daných krocích tak, aby celá, v reálném čase šest dní trvající událost, byla „odehrána“ během cca 8 hodin. Účastníci byli rozděleni do 4 hracích týmů podle podniků povodí, každý tým měl ve svých řadách zástupce všech rozhodujících složek, které se účastní vodohospodářského a krizového řízení a měl k dispozici samostatnou místnost. S laskavým svolením pořadatele Dispečerských her bylo umožněno ověřit možnosti modelu VS v programu HEC-ResSim 3.0 a jeho využitelnost jako podpory pro rozhodování. Provozovatelé modelu (v jeho první výše popsané verzi) byli s tímto cílem přiřazeni k týmu Povodí Vltavy, s.p. Na modelu byly spouštěny simulace v jednotlivých krocích „Hry“, byly nastavovány přímé manipulace na vodních dílech, např. předpouštění zásobních prostorů na podkladě dostupných předpovědí vygenerovaných systémem AquaLog a byly prověřovány jednotlivé varianty důsledků takových opatření. Jiné komponenty systému zůstaly nastaveny na autoregulační funkce, závislé buď na poloze hladiny v nádržích, nebo na průtoku ve sledovaných profilech říční sítě. Prvním výsledkem provozu modelu bylo zdůvodnění poměrně masivního předpouštění na některých vodních dílech, zejména na Březové ve vztahu k ochraně Karlových Varů a na Jesenici i VD Horka. Výsledky manipulací byly vyhodnocovány modelem Hydrog, který je vodohospodářským dispečinkem Povodí Ohře rutinně využíván. Tato první verze modelu zahrnovala pravidla řízení nádrží simulující průběžné zásahy obsluhy směřující k dodržení MŘ.V modelu již byla vytvořena i základní pravidla pro spolupráci dvojic nádrží Skalka-Jesenice a Březová-Stanovice směřující k udržení maximálních stanovených průtoků v profilech soutok Ohře a Odravy a soutok Teplé


78

s Lomnickým potokem. Po seznámení se s modelovými povodňovými vlnami, které vedení her oznamovalo pro jednotlivé fáze simulace jako naměřené hodnoty na přítocích do nádrží a prognózu přítoků pro další časové období do konce „hrané“ povodňové epizody, byly pro každou z těchto vstupních sestav vytvořeny „alternativy“ v editoru alternativ, výše popsaným postupem. To představovalo především rychlé převedení časových řad poskytnutých ve formátu MS Excel do příslušného souboru databáze DSS. Ty byly pracovně označovány jako „1. den“, „2.“ až „4. den“ a jsou v této podobě uloženy. Modelová povodňová vlna dosáhla krátce po počátku vzestupu hodnot, které již nedovolovaly udržet nastavené maximální hodnoty průtoků pro soutok Ohře s Odravou, 55 m3/s . Toto pravidlo bylo pak pro další fáze herní simulace mimo funkci, což umožňovalo nastavení preferencí v hierarchické struktuře definovaných pravidel pro VD Skalka a VD Jesenice. Dále byla uplatňována jen pravidla pro maximální vypouštění z obou těchto nádrží, již bez vzájemné vazby mezi těmito nádržemi. Odlišná situace nastala v podsoustavě Březová – Stanovice, kde pravidlo řízení, sledující nepřekročení maximálního průtoku 90 m3/s na soutoku Teplé s Lomnickým potokem nevypadlo vlivem přetížení z funkce a projevilo se automatickým snížením vypouštěného průtoku z VD Stanovice v situaci, kdy se zvýšil neovladatelný odtok nehrazeným bezpečnostním přelivem na VD Březová. Na VD Stanovice byl ještě k dispozici ovladatelný retenční prostor. V průběhu „her“ se model osvědčil jako nástroj způsobilý pro podporu dispečerského rozhodování ovšem za předpokladu, že budou vyřešeny následující problémy: Ve výpočtu očekávaného přítoku do VD Nechranice v závěru „herní simulace“ byla modelem vygenerována o cca 50 m3/s (o cca 8%) nižší kulminace povodňové vlny, než byla vypočtena programem Hydrog, kterým je vybaveno dispečerské pracoviště. To je zdůvodnitelné stavem testovaného modelu bez kalibrace, zejména s ohledem na dlouhý úsek toku mezi VD Skalka a VD Nechranice, jedinými nádržemi na hlavním toku a rovněž i poměrně dlouhým úsekem mezi soutokem Ohře s Teplou a VD Nechranice, kde podstatná část přítoku z mezipovodí byla odhadnuta jako procentní podíl nejbližšího měřeného přítoku, v tomto případě průtoku v říčce Bystřice. Rovněž parametry pro transformaci povodňové vlny byly nastaveny odhadem podle zjištěného a ohodnoceného charakteru koryt vodních toků.. Další rozdíly mezi funkcí modelu VS v programu HEC-ResSim a Hydrog jsou v pojetí výpočtového kroku. Hydrog pracuje v nastaveném výpočtovém kroku a provádí průběžný výpočet průtoků a úrovní hladiny v nádržích pro celou soustavu. Neprovádí však žádné samočinné manipulace. V podmínkách Dispečerských her se pracovalo s určenými odtoky z jednotlivých nádrží, které hráčské týmy měly možnost měnit jen v deseti krocích v předem daných časech a to v časovém kroku 12 hodin v počátečních fázích simulace a 24 hodin ve fázi poklesu povodně. HEC-ResSim je schopen optimalizovat manipulace průběžně ve stanoveném výpočtovém kroku, v případě výpočtů povodňových situací zpravidla hodinovém. Průběžná manipulace optimalizuje využití retenčních prostorů na VD posuzovaných jednotlivě i v soustavě. Reaguje na rychle se měnící hodnoty přítoku, zejména v počáteční fázi povodňové vlny a


79

reaguje dobře i na kolísání přítoku - dílčí kulminace a poklesy. Přesto, že manipulace v hodinových intervalech není v reálných podmínkách zpravidla nezbytná, není v zásadě nereálná. Za povodňových situací je na všech významných VD obsluha nepřetržitě přítomna a je proto schopna bezproblémově manipulovat podle aktuálních stavů hladiny v nádrži a měřeného přítoku. Testování modelu ukazuje, že význam časového kroku při automatické manipulaci vzrůstá s velikostí povodňové vlny, (posuzována je absolutní hodnota kulminace a objemu), rychlostí nástupu a členitostí tvaru hydrogramu. Takovou „jemnou“ manipulaci je logicky účelné realizovat pouze v nádržích s významným podílem ovladatelného retenčního prostoru, tedy u nádrží s hrazenými přelivy. V případě modelové VS jde o VD Skalka a VD Nechranice. Jemnost časového kroku manipulace je tím významnější, čím je relativně menší ovladatelný retenční prostor ve vztahu k objemu povodňové vlny. Tento jev je významný např. při simulaci průchodu modelové povodně přes VD Skalka. Ve finální verzi modelu jsou manipulace naprogramovány pomocí výše popsaných „If – bloků“ tak, aby automaticky reagovaly na vstupní veličiny - úroveň hladiny v nádrži a aktuální přítok - podle podmínek MŘ. Velmi uspokojivý výsledek tohoto postupu je presentován na výše uvedeném Obr. č. 21. Následující Obr. 24 ukazuje hydrogramy odpovídající snížení časového kroku manipulací na 3 hodiny. Negativním důsledkem je překročení dovoleného absolutního maxima úrovně hladiny a nutnost krátkodobého vypouštění vyššího průtoku, než je dosažené maximum na přítoku do nádrže, aby nedošlo k přelití hráze.


80

Obr. č. 25 VD Skalka - Výsledek simulace pro časový krok 3 hod.

Model tedy prokazuje, že pokud by v případě stoleté povodně byly na VD Skalka prováděny manipulace sice v souladu s MŘ, avšak v delším, např. v tříhodinovém intervalu manipulací, nebylo by možno včas vyhradit uzávěry přelivů a mohlo by dojít k ohrožení VD. Po prověření při příležitosti Dispečerských her byl model VS v povodí Ohře několikrát přepracován a testován. Jednotlivé funkce programu byly při tom testovány na jednoduchých samostatných pracovních modelech.

4.6. Kritické zhodnocení funkcí programu HEC-ResSim ver. 3.0 Program HEC-ResSim 3.0 vykazuje nižší robustnost softwaru v porovnání např. s programem téže vývojářské dílny HEC-RAS. Tato skutečnost zřejmě vyplývá z počátečních problémů převodu původní MS DOS verze programu HEC-5 do prostředí Next Generatin pro MS Windows a menšího rozšíření v celosvětovém měřítku. Uživatel uvolněné podoby software nemá přístupný zdrojový kód programu a v souladu s přijatou licenční úmluvou nemá ani možnost strukturu programového prostředku analyzovat či dekompilovat apod. Nemůže se nijak přímo podílet na jeho vývoji, nemůže se pokusit sám napravit zjištěné nedostatky, nebo vytvořit vylepšení reagující na aktuální podmínky nasazení tohoto programového prostředku.


81

První úskalí, se kterým se uživatel setkává, je skutečnost, že HEC-ResSim 3.0 nefunguje korektně pod lokalizovanými systémy Windows XP. Při Dispečerských hrách byl program spouštěn v prostředí Windows Vista CZ Enterprise při nastaveném národním prostředí US s metrickými jednotkami. Program HEC-ResSim 3.0 není na rozdíl třeba od programu HECRAS 4.0 možné korektně spustit pod dosud uvolněnými versemi Windows 7. Dalším problémem při vytváření složitější struktury VS, je výskyt možných diskontinuit v topologické struktuře programu, které sice neznemožní další fáze zpracování dat a vytváření i velmi složitých a propracovaných struktur toků, nádrží a jejich pravidel řízení, nicméně mohou být příčinou selhání simulačního výpočtu. Pokud tyto diskontinuity nejsou odhaleny již v začátku vytváření modelu, mohou představovat velké časové ztráty, neboť jejich pozdější odstraňování je náročné a nemusí být vždy úspěšné. Tento nedostatek je především způsoben tím, že pro vytváření topologie modelu program poskytuje pouze grafické uživatelské rozhraní. Jedinou výjimkou je možnost importů objektů typu „stream“ z liniových hladin GIS, formátu ESRI shapefile. Avšak i v tomto případě byl zaznamenán vznik diskontinuity z nezjištěné příčiny. Program naštěstí disponuje přehledným výpisem struktury buď celé soustavy, nebo pouze vybraných prvků. Jde o tabelární výpis, kde zkušený uživatel poměrně rychle chybu objeví, avšak neexistuje možnost editace tabelárních údajů. Náprava je tedy možná pouze návratem do grafického rozhraní a novou citlivější digitalizací. Problémy s diskontinuitou modelu lze minimalizovat vytvářením pokud možno nejdelších úseků typu „stream“ v rámci modulu „Watershed setup“ a jejich nejjednodušší struktury. Současně je třeba doporučit nejdříve otestovat běh jednoduché simulace, kterou rozpracovaný model umožní, např. i bez nastavení transportních charakteristik (routing) pro definované říční úseky a všech parametrů definovaných nádrží. Možnou příčinou zablokování simulace mohou být i některá nastavení parametrů nebo např. napojení objektu odkloněného odtoku z nádrže (diverted outlet) a to i po ověření, že nezpůsobuje chybu v topologii modelu VS. Chování tohoto objektu je někdy neočekávatelné a veškeré jeho způsoby využití je třeba v konkrétním modelu nejprve ověřit pokusnou simulací, před sofistikovanější. Správnost funkce tohoto objektu byla ověřena při jeho napojení v níže položeném uzlu na tentýž „hlavní tok“ (příklad přelivy na VD Nechranice), tedy, topologicky chápáno, na vrchol, ležící na témže objektu typu „stream“, jako nádrž, z níž je vytvořeno odbočení. Program nevylučuje ani využití odkloněného odtoku jako prvku odvádějícího vody mimo VS, nebo napojeného na jiný říční úsek. Taková konfigurace však často způsobuje neodstranitelné problémy. V této fázi vývoje modelu bylo vždy nefunkční napojení na říční úsek, jehož přítok z odkloněného odtoku znamenal jediný vtok do tohoto úseku. Na rozdíl od výše uvedeného a často nefunkčního vyznačuje se objekt odbočení z toku – bifurkace (diversion) stabilitou, která umožňuje jeho použití pro simulaci odběru realizovaného objektem na toku, např. ze vzdutí jezu, apod.. Bylo ověřeno jeho napojení do jiného úseku v modelu VS, např. z uzlu na toku do vtokového uzlu vodní nádrže. Příkladem je simulace čerpání z ČS Teplička do VD Stanovice. Dobře funguje i jako objekt odvádějící


82

vodu mimo model VS, například pro simulaci odběru průmyslové vody na ČS Rašovice u Kadaně pro Podkrušnohorský přivaděč, nebo na ČS Mikulovice. Dalším problémem je nefunkčnost některých nastavení pro pravidla vztažená k objektům typu čerpadlo (pump), který je ve verzi 3.0 nový a byl v předkládaném modelu VS využit pro simulaci vodárenských a průmyslových odběrů vody z vodních nádrží. Právě tak jako např. objekty ovládaných nebo neovládaných výpustí a vodní elektrárny, lze čerpadla umísťovat do hrází nebo do odkloněných odtoků (diverted outlet). Jejich využívání je však někdy problematické. Tyto problémy sice nezablokují simulaci, nezahrnou však požadované čerpání (odběr vody) do výpočtu. Kromě možností programovat a to i na základě složitých logických struktur samočinně prováděné manipulace, je jednou ze silných stránek programu možnost vkládání i velmi rozsáhlých komentářů ke všem objektům a jejich souborům vytvářeným v rámci programu pod unikátním identifikátorem. Při intenzivním využití této možnosti v sobě nese model VS i jednoduchý, nicméně dobře prakticky využitelný informační systém (databázi) o vodních dílech i dalších prvcích VS. Je třeba konstatovat, že sestavení funkčního modelu složitější reálné VS v programu HECResSim 3.0 představuje poměrně komplikovaný proces, při kterém je potřeba překonávat dílčí překážky a hledat funkční řešení různými metodami. Naproti tomu však program umožňuje velmi podrobný popis všech běžných funkcí vodních děl a VS a jednou vytvořený funkční model VS je možné produktivně všestranně využívat pro modelování chování VS za běžných i extrémních podmínek.

4.7. Závěr Ve výše uvedených kapitolách bylo zevrubně popsáno vytvoření matematického modelu VS v povodí Ohře, který byl koncipován s cílem samočinné simulace zásahů obsluhy předepsané manipulačními řády. Za běžných situací udržuje hladiny v nádržích na předepsaných úrovních daných dispečerskými grafy, udržuje průtoky ve vybraných profilech ve stanoveném rozmezí, zabezpečuje plánované odběry vody při předpokládaných ztrátách výparem z volné hladiny. Zajišťuje požadovanou součinnost nádrží při využívání zásobního prostoru, jak určují KMŘ soustav Jesenice-Skalka a Březová-Stanovice. Model umožňuje aplikovat další pravidla řízení, která simulují zásahy nad rámec MŘ nebo KMŘ, např. za povodně nebo v případech krizového řízení při nedostatku vody nebo při ekologické havárii. V současnosti není dostupný způsob, jak spouštět HEC-ResSim dávkově s nastavenými parametry nebo modifikovanými vstupními nebo stavovými časovými řadami. Hydrologická předpovědní služba USA, NOAA's National Weather Service, Office of Hydrologic Development, používá HEC-ResSim v rámci systému NWSRFS a to prostřednictvím softwarového adaptéru FEWS, produktu holandské firmy Deltares. Podle dostupných informací není tato součinnost bez problémů a nebyla dosud otestována při žádné významné povodňové epizodě. HEC-ResSim je při výpočtech spouštěn dvakrát. Při prvním spuštění jsou


83

upřesňovány okrajové podmínky a pak probíhá vlastní simulace. V současnosti US NWS připravuje přechod na nový systém CHPS (Community Hydrologic Prediction System) avšak dosud nejsou k dispozici žádné poznatky o využívání HEC-ResSim v těchto podmínkách. Je reálné očekávat, že určitá vylepšení v možnostech dávkového spouštění přinesou další avizované verze programu HEC-ResSim a rovněž budou k dispozici reference o možnostech jeho využívání ve spolupráci s jinými systémy.

Možnosti optimalizace řízení soustavy vodních děl s využitím programu HEC-ResSim 3.0

84

Možnosti optimalizace řízení soustavy vodních děl s využitím programu HEC-ResSim 3.0 1. Úvod V předchozích kapitolách byla rozpracována problematika programových prostředků pro tvorbu matematických modelů VS a modelování reálných i prognózovaných událostí. Podrobně bylo rozpracováno vytvoření matematického modelu VS v povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0. Dalším navazujícím tématem jsou možné způsoby, jak využít model reálné VS pro optimalizaci jejího řízení v extrémních situacích. Tato problematika není závislá na konkrétním modelu. Je zde pojata obecně. Pro dále uvedené postupy je totiž v zásadě možné použít jakýkoliv model VS, který funkce reálné VS modeluje s dostatečnou přesností. Teoreticky je možné využít i více modelů VS. Např. model optimalizovaný pro povodňové řízení a jiný pro řízení v období sucha. Program HEC-ResSim 3.0 má výhodu v tom, že je použitelný pro modelování téže VS jak v povodňových situacích, tak i za nedostatku vody. Další velkou výhodou je možnost naprogramovat automatizované manipulace při běžném provozu, které numericky simulují standardní úkony obsluhy na vodních dílech. Za extrémních situací je pak možné se zaměřit pouze na zásahy překračující rámce deterministického řízení v mezích manipulačních řádů. Úvodem je třeba si uvědomit specifika krizového řízení VS. Vždy se jedná o rozhodování v podmínkách neurčitosti. To je dáno jednak mírou nejistoty v prognózách složitých fyzikálních dějů, tedy meteorologické situace, jejíž nepřesnost se zvyšuje nelineárně s délkou horizontu hydrologické předpovědi, nepřesností srážko-odtokového modelu, apod. S těmito nejistotami lze ovšem pracovat s využitím stochastických matematických nástrojů. Důležité vstupy pro rozhodovací proces jsou však i jiného než fyzikálního charakteru. Jde o významné vstupy z oblasti ekonomické a společenské, které nelze obecně numericky vyjádřit, ale často jen slovním popisem, který má vždy vyšší či nižší míru vágnosti a neurčitosti. Z výše uvedených skutečností vyplývá, že v dohledné době patrně nelze očekávat uplatnění on-line technologií v krizovém řízení VS. Úloha člověka, dispečera, zůstane patrně i do budoucna nezastupitelná. Výstupy níže navržených postupů je proto třeba chápat pouze jako nástroje podpory rozhodování za krizových situací. Takové nástroje již mohou a mají vznikat standardizovaným postupem s využitím matematických modelů a vyhodnocování jejich výsledků s využitím metod pro optimalizaci řízení v podmínkách neurčitosti. Algoritmizovat a zautomatizovat proces řízení je na současné úrovni řídicích systémů jistě reálné. Pro jeho funkčnost v podmínkách dispečerského řízení to však není reálné díky již zmíněné vágnosti


85

formulací omezujících podmínek. Jeho jednotlivé fáze a kroky lze však podpořit nástroji samostatných programových prostředků.

2. Krizové události – definice Přesná definice toho, co bude považováno za krizovou událost, je nutným předpokladem pro další úvahy o možnostech optimalizace manipulací na vodních dílech VS při krizovém řízení. Slovně můžeme takové události charakterizovat jako situace vyvolané extrémními průtoky, nebo naopak dlouhodobým obdobím s malými průtoky, které vyvolávají potřebu řešení nad rámec běžných manipulací stanovených v manipulačních řádech vodních děl nebo soustav. Při povodňovém řízení jde o mimořádné manipulace s cílem zabránit povodňovým škodám, nebo je minimalizovat. Při krizovém řízení v době sucha se jedná o mimořádné manipulace vedoucí k zajištění požadovaných odběrů vody a minimálních průtoků v tocích za cenu snížení hladin pod limity stanovené v dispečerských grafech, nebo o omezení některých odběrů, či snížení stanovených minimálních průtoků na podkladě odpovědně zvážených priorit. Tedy situace, kdy je zpravidla nutné v současných legislativních podmínkách žádat vodoprávní úřad o souhlas s mimořádnou manipulací. Takto vymezit krizové události v určité VS je spolehlivě možné pouze zpětně. Pokud ale hledáme postupy optimalizace manipulací, musíme rozhodovat na základě aktuálních naměřených průtoků a stavů hladin v nádržích a především na podkladě předpovědí přítoků do nádrží. Musíme tedy být schopni určit předem, že se na základě těchto podkladů očekává krizová situace a s využitím dále uvedených postupů se na ni připravit. S čím větším předstihem bude o zahájení krizových opatření rozhodnuto, tím efektivnější bude eliminace nepříznivých dopadů extrémní meteorologické a hydrologické situace. Může pochopitelně dojít k tomu, že se předpověď nenaplní a krizový stav nenastane. Pokud byly krizové manipulace již zahájeny, je třeba mít připraveny postupy, jak se v době co nejkratší navrátit k původním hodnotám stavových veličin VS, do mezí stanovených manipulačními řády. Jako prakticky použitelné objektivní kritérium pro případ povodňové situace se jeví dosažení nebo překročení stanovené hodnoty předpovídaného průtoku v daných profilech. Obecně se bude jednat o takové průtoky, které mohou vyvolat povodňové škody. Tyto hodnoty je třeba stanovit na základě zkušenosti s provozem vodních toků, které podniky Povodí mají v dostatečné míře. Pokud by byl níže navržený postup optimalizace prakticky využíván, předpokládá se průběžné upřesňování těchto hodnot. Na rozdíl od hodnocení závažnosti povodňových situací, kde jsou zpravidla k dispozici poměrně spolehlivé předpovědi, protože se jedná o kratší časová období, tak pro období sucha je situace složitější. V tomto případě se musí vyhodnocovat chování VS v delším časovém období a spolehlivost dlouhodobých předpovědí je obecně podstatně nižší. Jako prakticky použitelné kriterium pro definování krizové situace budou úrovně hladin v nádržích s rozhodujícím podílem zásobní funkce a v úvahu je třeba vzít i dlouhodobou předpověď srážek a teplot. Pro každou nádrž nebo dílčí soustavu jsou v manipulačních řádech


86

dispečerskými grafy stanoveny kóty hladin, kdy nádrž musí nějakým způsobem omezit svou zásobní funkci. Připravovat optimalizaci řízení v období sucha je nutné vždy v předstihu, než je kritické situace skutečně dosaženo. Pro modelovou VS v povodí Ohře by bylo možné stanovit určitá kriteria pro definování situace, kdy je třeba připravovat krizová opatření za povodně, např. pokud předpovídaný průtok překročí v některém z následujících profilů dále uvedené hodnoty: V profilu LG Citice přesáhne hodnotu: 80 m3/s (I SPA) V profilu LG Teplička přesáhne hodnotu: 67 m3/s (neškodný průtok pod VD Březová) V profilu LG Drahovice přesáhne hodnotu: 154 m3/s (I. SPA) V profilu LG Kadaň přesáhne hodnotu: 180 m3/s (neškodný průtok pod VD Kadaň) Pro přípravu krizových opatření za nedostatku vody je možné jako rozhodující kriterium např. stanovit, kdy v podmínkách dlouhodobého sucha poklesne hladina alespoň v jedné z následujících nádrží na úroveň: Jesenice: 427,50 m n.m. Horka: 481,80 m n.m. Stanovice: 483,20 m n.m. Nechranice: 235,60 m n.m. Jde pouze o příklad, jak by kriteria mohla být stanovena.

3. Problematika optimalizace s využitím modelu VS Matematický model VS je možné využívat v zásadě dvěma způsoby. Jako první se nabízí verifikace manipulací na vodních dílech a funkce VS za historických krizových situací. V povodí Ohře se průtoky a stavy hladin na vodních dílech sledují od jejich uvedení do provozu a pořizují se záznamy o provedených manipulacích (deník hrázného). Prakticky jsou využitelné písemné záznamy od roku 1964 (Skalka, Jesenice). Od roku 1983 funguje automatický sběr dat. V tomto období proběhlo 10 významnějších povodňových situací. Pro následující z nich byla k dispozici vpracovaná vyhodnocení formou publikace: - Jarní povodeň z ledna a února 2002, - Srpnová povodeň 20022, - Povodeň z přelomu roku 2002-2003, - Jarní povodeň, březen 2005, 2

v povodí Ohře však nepředstavovala tak ničivou událost, jako v jiných částech ČR.

87


- jarní povodeň, březen-duben 2006. Přehled historických povodní na Ohři a jejích hlavních přítocích v území VS podle evidence Povodí Ohře s.p., viz příloha Plánu oblasti povodí Ohře a Dolního Labe je uveden v následující tabulce: Tab. č. 5 Historické povodně v povodí Ohře k profilu LG Žatec červené datum ‐ letní povodeň

rok

den

Tok

průtok m3/s

2006 2006 2006 2006

1.4 31.3 31.3 31.3

Ohře Svatava Svatava Teplá

2003 2003 2003 2003

4.1 3.1 3.1 3.1

Ohře Svatava Rolava Ohře

2002

13.8

Rolava

1998 1998 1998

1.11 1.11 2.11

Svatava Teplá Ohře

1997 1997

28.2 12.2

Ohře Teplá

1996 24.12

stav vodočtu povodeň cm číslo

LG Drahovice Kraslice Svatava Teplička

284 103 185 184

1

Citice Svatava Strará Role LG Drahovice

293 154 187 265

2

261

3

Kraslice Teplička Citice

80 154 311

4

Žatec Teplička

161 147

5

Teplá

Teplička

142

6

Svatava Svatava Teplá

Svatava Svatava Teplička

156 141 186

7 8

1993 30.12

Teplá

Teplička

168

9

1987 1987 1987 1987

11.4 10.4 10.4 2.2

Ohře Rolava Teplá Ohře

LG Drahovice Strará Role VD Březová VD Skalka

315 217 122 252

10 11

1982 1982

6.1 6.1

Ohře Teplá

VD Skalka VD Březová

288 105

12

1981 1981 1981 1981

12.3 11.3 12.3 12.3

Rolava Teplá Ohře Ohře

249 120 404

13

1980 1980

23.7 22.7

Ohře Rolava

141 182

14

1995 1995 1995

1.9 30.1 26.1

342,0 32,0 58,0 61,0

profil

39,3 Strará Role

Strará Role VD Březová LG Drahovice 616,0 VD Nechranice Žatec Strará Role

88


1980 1980

7.2 6.2

Ohře Ohře

Žatec VD Skalka

187 318

15

1979 1978 1978

14.3 9.5 8.5

Ohře Libocký p. Ohře

Žatec VD Horka Žatec

167 86 179

16 17

1976 1976

12.1 12.1

Teplá Ohře

VD Březová LG Drahovice

128 272

18

1974 1974

9.12 8.12

Ohře Rolava

LG Drahovice Strará Role

303 216

19

1967 25.12

Ohře

VD Skalka

259

20

1966

6.12

Ohře

VD Skalka

239

21

1957

15.2

Odrava

VD Jesenice

228

22

1956

10.3

Odrava

VD Jesenice

210

23

1955

4.8

Odrava

VD Jesenice

228

24

1954

10.7

Odrava

VD Jesenice

248

25

1952

1.4

Odrava

VD Jesenice

226

26

Teplá

VD Březová

120

27

1948 28.12

Povodně jsou evidovány podle hlásných profilů, takže jedné povodňové události může odpovídat několik řádků v tabulce, které jsou však, díky chronologickému řazení, vždycky vedle sebe. Jsou zaznamenány jen ty povodně, které v některém hlásném profilu překročily III. SPA. V tabulce tedy nenajdeme např. jarní povodeň z ledna a února 2002, která v řešeném území nikde nepřekročila III. SPA. Povodeň ze srpna 2002 dosáhla III. SPA pouze na Rolavě, na Ohři a dalších tocích v povodí nebyl III. SPA překročen. V tabulce je 47 záznamů, které odpovídají 27 povodním. Převážná většina významných povodní pochází z tání sněhu. Pouze 4 povodně jsou letní z vydatných srážek. Jakou úlohu na tomto faktu má vliv srážkového stínu Krušných hor, je těžké hodnotit, bylo by to již nad rámec této monografie. Lze pouze konstatovat, že specifickým rysem povodí Ohře je, že nebylo v posledních desetiletích jako celek zasaženo žádnou katastrofální povodní obdobnou povodním na Moravě v roce 1997 a v povodí Vltavy a na dolním Labi v srpnu 2002. Jedná se tedy o řadu pozorování, ve které taková, jistě možná, eventualita chybí. Výskyt ničivé povodně z vydatných letních srážek se však v povodí Ohře nedá vyloučit a mohla by vyvolat průtoky, které ještě zaznamenány nebyly. Nejkritičtější známá období hydrologického sucha v povodí Ohře nastala v letech 1958, 1961 a 1963, tedy ještě před uvedením nádrží s rozhodující zásobní funkcí (Jesenice, Horka, Stanovice a Nechranice) do provozu. Suchá období v posledních desetiletích zvládla VS v rámci víceletého řízení v zásobních prostorech bez potřeby mimořádných opatření. Zůstává však otázkou, jaký vývoj můžeme očekávat do budoucna s přihlédnutím na očekávané klimatické změny. Prakticky všechny scénáře možných změn na území České republiky pokládají za velmi pravděpodobný budoucí častější výskyt období sucha. Podle tzv. scénáře


89

EC2H poklesnou v roce 2050 dlouhodobé průměry průtoků v povodí dolního Labe na 80 % současného stavu. V povodí Ohře se očekávají dlouhodobé průměry průtoků na 75 % současného stavu. Zásobování vodou z velkých zdrojů v povodí Ohře není pro nejbližší roky ohroženo, je však třeba připravit možné scénáře pro případný nepříznivý vývoj vodnosti toků v dalších desetiletích v souvislosti s možnými změnami klimatu. (POP, Povodí Ohře s.p. 2009) Ověření historických povodňových situací na modelu VS v programu HEC-ResSim 3.0 tak, jak je v rámci této práce připraven, je možné. Pokud bychom chtěli tento model pro optimalizaci krizového řízení využívat, jednalo by se o nutný první krok. Jeho výsledkem by byla především optimalizace vlastního modelu s využitím metod a možností kalibrace, jak byly uvedeny v odstavci 4.4. V další fázi by proběhlo vyhodnocení provedených manipulací, pokud jsou o nich využitelné záznamy. To by znamenalo zodpovědět otázku, zda se jednalo o optimální manipulace. Pokud ne, pak by bylo třeba optimální manipulace pro danou situaci stanovit prostřednictvím simulační analýzy různých scénářů. Současná verze HEC-ResSim neumožňuje automatickou optimalizaci pro generování a vyhodnocování manipulací. Jediným v současnosti dostupným řešením je proto manuální vytvoření co největšího počtu variant, které v dané situaci reálně připadají v úvahu a podle stanovených kriterií vybrat optimální variantu. Do tohoto procesu ovšem vstupuje subjektivní rozhodování dispečera a nelze vyloučit, že některá varianta přinášející vhodné řešení nebude prověřena. S ohledem na značné zkušenosti správce toku a vodních děl se v tomto případě jedná se však spíše jen o potenciální selhání. Pokud by např. některá z dalších verzí programu HEC-ResSim přinesla možnosti automatického generování manipulací a jejich vyhodnocení, otevřela by se i možnost hlubší optimalizace při vyhodnocování historických událostí. V případě povodňového řízení může být kriteriem pro optimalizaci manipulací dosažení nejnižšího vodního stavu ve stanoveném profilu. V modelové VS se nabízí hodnocení v profilu LG Citice s vazbou na povodňovou ochranu chemických závodů v Sokolově a v profilu LG Žatec. Výše uvedeným postupem se generuje první kategorie podkladů pro optimalizaci budoucího krizového řízení – podklady skutečných událostí, které tvoří časové řady měřených průtoků v daných profilech na tocích a jim odpovídající údaje o optimálních manipulacích na vodních dílech. Tyto podklady, de facto scénáře, můžeme považovat za určité analogie podobných událostí, které se v budoucnu mohou na tomtéž povodí vyskytnout. Pro předpovídanou povodeň můžeme vyhodnotit podobnost s historickou povodní např. z těchto hledisek: 1. Relativní rozdíly v kulminačních průtocích v hodnocených profilech. 2. Relativní rozdíly v objemech předpovězených povodňových vln v hodnocených profielch. 3. Kriteria pro tvar povodňových vln – jeden vrchol, dva, více výrazných vrcholů. Absolutní kulminace na prvním, druhém či dalším z vrcholů.


90

Toto je ovšem příklad velmi hrubého hodnocení, nicméně prakticky využitelného. Tato jednoduchá kriteria umožňují klasifikovat jednotlivé typy povodní z hlediska jejich dopadu na řízení VS – jarní povodně z tání sněhu, letní povodně z vydatných srážek, často jdoucích v několika vlnách. Jiná kriteria je pochopitelně třeba přijmout pro hodnocení analogií krizových situací vyvolaných suchem. Další metody vyhodnocení podobností budou zmíněny dále. Důležité je, aby pro historické povodně byly k dispozici údaje o průtocích ve stejných profilech, pro které jsou k dispozici v současnosti měřené údaje a předpovědi průtoků v současnosti využívané. Pokud by nebyly požadované údaje kompletní pro stanovené profily, bylo by možné je s vědomím možných odchylek odvodit analogií. Další možností využití modelu je vyhodnocování simulovaných krizových událostí, které nebyly nikdy zaznamenány, ale existuje teoretická možnost, že nastanou. Je nemožné takovými simulacemi pokrýt celé spektrum možných variant. Je však reálné tímto způsobem doplnit databázi scénářů, tak aby riziko, že nastane situace nepodobná žádnému modelovému scénáři, byla minimální. Existuje několik možností generování modelových krizových situací a je žádoucí pro dosažení spolehlivosti navrženého systému pro podporu rozhodování, je ve vyváženém poměru využít. 1. Modifikace historických událostí. Příkladem je vygenerování modelové povodně pro potřeby Dispečerských her pořádaných na Povodí Ohře s.p. v listopadu 2008. Jako základ byla vzata skutečná povodeň menšího rozsahu, která nastala v květnu 2006 a byla zvětšena na hodnotu cca padesáti-, až sto-leté vody na jednotlivých tocích VS. Tento postup představuje jednu z dobře využitelných možností pro tvorbu scénářů. Z každé skutečné povodně je možné navýšením získat minimálně jednu další, ale spíše několik modelových povodní. Je možné stanovit jednoznačné pravidlo, jakým se navýšení provádí – např. do přibližné úrovně 50, 100, 200, 500 leté současné povodně ve vybraném profilu nebo podle průměru kulminací v několika stanovených profilech. Možná jsou i složitější pravidla zohledňující více podmínek. 2. Odvozením s využitím dalších fyzikálních modelů a analogií. Lze např. využít srážkoodtokový model a pro jeho vstup použít rastr příčinné srážky (postupující přes řešené povodí), která vyvolala významnou nebo katastrofální historickou povodeň na jiném povodí. Zde vstupuje do systému lidský faktor, neboť je třeba vybrat vhodnou událost a způsob, jakým bude aplikována jako vstup do modelu. Každý takový postup umožňuje vytvořit více variant a tím je možné subjektivitu do určité míry eliminovat. Obdobné analogie je možné vytvářet např. v kombinaci s modely tání sněhu. 3. Stochastické generování časových řad s využitím podmínek, které representují fyzikální podmínky hodnot kulminace, maximální sklony vzestupných podmínky pro gradienty změn, apod.). Tento samostatného programu.

náhodných čísel a omezujících (spojitost, dobu trvání, rozmezí a sestupných větví hydrogramu, postup předpokládá vytvoření

Více možností se nabízí pro modelování povodňových situací. Pro krizové situace vyvolané nedostatkem vody bude třeba uplatnit jiné postupy. V zásadě lze vytvořit rozsáhlou databázi


91

scénářů a v případě hrozící krizové situace, ať již povodně, nebo kritického nedostatku vody, hledat podle daných kriterií scénář s obdobnými vstupními časovými řadami. Pro vybraný scénář by bylo k dispozici v první řadě hodnocení míry jeho podobnosti s předpovědí, nebo s průběhem skutečných měřených časových řad a předpovědí jejich pokračování. Dále údaj o tom, jakým způsobem byly tyto vstupy generovány a jaký byl návrh optimální manipulace za dané situace. Nejnáročnější operací tohoto postupu je výběr scénáře z rozsáhlé databáze, který nejvěrněji vystihuje podmínky aktuální situace a prognózy. K tomu je možné využít několika metod od jednoduchých výběrů podle zadaných kriterií, až po využití metod výběru pracujících na principech umělé inteligence, např. neuronové sítě. Navržený systém je možné rozvíjet a doplňovat s každou další vyřešenou krizovou událostí v rámci VS. Tím je zajištěn vývoj a průběžné přizpůsobování měnícím se podmínkám klimatu. Soubor scénářů může být využit pro vytváření báze znalostí a v konečném důsledku může vést i na vývoj expertního systému řízení. Funkci navrženého systému pro podporu dispečerského rozhodování můžeme znázornit následujícím vývojovým diagramem. Jde o systém řízení za povodně, který je pro současný stav aktuální. Obdobné schéma by bylo možné vytvořit i pro krizové řízení za stavu hydrologického sucha. V situaci absence historických krizových událostí tohoto typu a pro nejbližší desetiletí příznivé prognózy, takový systém prozatím není aktuální.

Obr. č. 26 Vývojový diagram systému podpory krizového řízení za povodně


92

Nejnáročnějším úkonem v tomto systému je porovnávání vstupních údajů pro výběr scénáře, tj. časových řad prognózovaných přítoků do nádrží, v dalších krocích pak časových řad vytvořených z měřeného přítoku a navazující prognózy, doplněné o údaje o úrovních hladin v nádržích a o aktuálních průtocích s odpovídajícími údaji uloženými v databázi vyhodnocených událostí – modelových povodní. Tuto operaci lze provádět různými metodami. V zásadě se však vždy bude jednat o statistické srovnávací metody. Využitelné jsou pro časové řady např. metody založené na vícenásobné lineární regresi. Nejjednodušší bude patrně využití metody nejmenších čtverců aplikované na několik úseků porovnávaných časových řad o stanovené délce. Otázkou je, do jaké míry by bylo využitelné nasazení umělé neuronové sítě (UNS) pro vyhodnocení podobnosti hydrogramů. Šlo by o typ využití UNS v oblasti vodního hospodářství doposud neověřený. Ukládání vyhodnocených modelových povodní do databáze a procedura pro výběr té nejpodobnější k aktuální situaci by si vyžádalo vytvoření samostatného programu založeného na některém moderním databázovém systému. Reálná řešení by byla např. na platformě MS SQL Server nebo ORACLE. Vlastní proces porovnání časových řad a zvolení vhodného ukazatele pro hodnocení jejich podobnosti je řešitelný metodami matematické statistiky. Sestavení funkčního systému je řešením technického problému v oblasti IT technologií. Jakkoliv jde o složitou problematiku a náročná systémová řešení, z hlediska výše uvedené koncepce se jedná o dílčí funkční subsystém, jehož vyřešení nebylo cílem této monografie. Měnící se klimatické podmínky mohou přinést nejen změny vstupních meteorologických veličin a ve svém důsledku hydrologické extrémy v minulosti nezaznamenané, mohou také znamenat posun v požadavcích kladených na funkci VS. V tom případě by nastala nutnost změn kriterií pro vyhodnocování modelových povodní nebo modelových situací hydrologického sucha a bylo by nutné provést jejich nové vyhodnocení a úpravu scénářů pro řízení, které budou k jednotlivým událostem v databázi připojeny.

4. Diskuse Výsledkem případové studie, která je stěžejní součástí této monografie, je jednak funkční model VS v povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0, na kterém byly ověřeny možnosti využití tohoto programu pro simulace povodňového řízení i pro simulaci řízení při nedostatku vody, jednak návrh systémového řešení využití modelu tohoto typu pro optimalizaci krizového řízení VS. Je třeba vycházet ze současných vlastností programu, který byl uvolněn jako freeware. Není však přístupný pro úpravy zdrojového kódu nebo jiné zásahy s cílem vytváření možností začlenění tohoto programu do systémů spouštěných z jiných aplikací. Otázkou je, zda budou takové možnosti dostupné v dalších uvolněných verzích, které jsou avizovány. Nadějný je rovněž výše uvedený vývoj možností začlenění programu HEC-ResSim do předpovědních systémů ve Spojených státech, kde je v současné době provozován v rámci předpovědního systému NWSRFS s možností restartu v náhradním dávkovém zpracování prostřednictvím


93

operativní databáze DSS (viz. korespondence Zezulák J.– Hartman R.). Program i tak v současné podobě umožňuje v režimu manuálního spouštění prověřit pro praxi dostačující počet prověřovaných variant řízení VS v přijatelném čase. Na těchto základech je navržen systém podpory operativního dispečerského rozhodování při řízení VS v podmínkách hydrologických extrémů. Jde o systém pracující se scénáři jako prostředky pro podporu rozhodování. Na základě konzultací s pracovníky VHD Povodí Ohře s.p. a na základě dalších podkladů o úkolech a činnosti VHD obecně i zkušeností získaných při účasti na Dispečerských Hrách 2008 na podniku Povodí Ohře s.p. se ukazuje, že jde o optimální metodu, jak model VS i další prostředky pro modelování a automatizaci rozhodování využít pro podporu řízení v praxi. Složitost podmínek, v nichž se za extrémních situací rozhoduje o řízení VS nedává v současnosti naději na uplatnění plně automatizovaných systémů rozhodování. Možnosti aplikace moderních metod optimalizace a řízení v podmínkách neurčitosti se tak omezují na optimalizaci manipulací, pro které jsou zadány hydrologické podmínky a požadavky na funkci VS. Mohou tedy být nasazeny převážně „ex post“ při vyhodnocování historických událostí nebo událostí simulovaných pro potřeby vytvoření databáze modelových krizových událostí a jim odpovídajících scénářů pro optimální manipulace. Jejich efektivnímu nasazení pro online podporu operativního řízení zatím brání nemožnost dávkového spouštění programu HEC-ResSim a tím jeho začlenění do rámce předpovědních a řídicích systémů vyšší úrovně. Cílem je proto vybavit dispečera scénářem vybraným z databáze, který nejlépe odpovídá aktuální situaci, tedy naměřeným údajům a výsledkům hydrologické prognózy, a obsahuje optimální postup manipulací vedoucí k minimalizaci škod za povodně, nebo k udržení požadovaných funkcí VS v období sucha po co nejdelší dobu. Zároveň se předpokládá, že model VS může sloužit dispečerskému pracovišti při analýze důsledků krizových manipulací. Zpětnou vazbu reflektující měnící se klimatické podmínky zajišťuje systém doplňování a aktualizace databáze událostí. Důležitou skutečností je, že součástí modelu VS v programu HEC-ResSim není srážkoodtokový model. Je otázkou, zda je tento fakt nedostatkem nebo předností. Optimální využití modelu VS pro podporu řízení, ať již krizového za povodně, nebo v jiných možných provozních situacích, předpokládá jeho začlenění do širšího systému sestávajícího z několika základních bloků. V navrženém systému má zásadní důležitost blok databáze vyhodnocených povodní s nástrojem pro výběr nejpodobnější dosud vyhodnocené události. Na něj navazují další bloky systému a jedním z nich je i srážko-odtokový model. Modulární stavba navrženého systému podpory rozhodování umožňuje záměnu jednotlivých komponent v rámci dalšího rozvoje. Jedná se tedy o „otevřený“ systém. Slabou stránkou navrženého systému je potřeba manuálního vyhodnocování všech historických odvozených i vygenerovaných povodňových událostí. Za současné situace by to znamenalo zdlouhavou práci s modelem. Je to nicméně možná varianta využití modelu VS do doby, než budou zvládnuty postupy jeho automatizovaného spouštění („restartu“).


94

Zdrojem možné časové náročnosti je také potřeba převádění výstupů srážkoodtokového modelu a pozorovaných časových řad do formátu databáze HEC-DSS. Výhodou by bylo použití srážko-odtokového modelu s výstupem v tomto formátu. To např. umožňuje program AquaBase, operativní databáze předpovědního systému AquaLog, provozovaného předpovědními pracovišti ČHMÚ.

5. Závěry Program HEC-ResSim 3.0 se osvědčil jako modelovací systém s nejširšími možnostmi zohlednění funkcí reálné VS. V připravených nástrojích a funkcích pro formulaci vlastností nádrží, programování manipulací, odběrů vody a definování součinnosti nádrží nechybí žádná běžná eventualita. Navíc program umožňuje uživatelské definice pomocí skriptů, pokud by jeho standardní nástroje pro numerickou simulaci funkcí VS nepostačovaly. Důležitou vlastností ověřenou v této práci je jeho orientace nejen na řízení za povodňových situací, ale rovněž na řešení úloh dlouhodobého bilačního charakteru se zohledněním odběrů a ztrát vody. Je tedy využitelný i pro simulaci událostí hydrologického sucha nebo pro simulaci různých variant rutinního provozu VS. Možnosti jeho širšího využití v ucelených systémech pro podporu řízení VS, jak v krizových režimech, tak v rutinním provozu jsou prozatím poněkud omezené pro zmíněnou absenci dávkového spouštění a nasazení do systémů spouštěných z jiných aplikací. Totéž platí pro jeho využití v hydrologických předpovědních systémech. Tyto problémy jsou v současnosti řešeny ve spolupráci pracovišť USACE HEC, Delft Hydraulics a hydrologické předpovědní služby USA, NOAA National Weather Service. V tomto směru se očekává další vývoj v nejbližších měsících až letech, který by mohl otevřít další možnosti používání tohoto systému. Zpracovaná monografie nicméně poskytuje návrh možného systémového řešení, jak využít program HEC-ResSim v současné versi 3.0 se všemi ověřenými vlastnostmi a omezeními aktuální verze k podpoře dispečerského krizového řízení obecné vodohohospodářské soustavy za povodňové situace. Rozpracování tohoto řešení může být předmětem dalšího výzkumu nebo může být řešeno na konkrétní společenskou objednávku v kontextu s předpokládaným dalším vývojem programu HEC-ResSim a vývojem prostředků pro jeho uplatnění v řídicích a předpovědních systémech. Jeho předpokladem je sestavení řešitelského týmu a jeho materiální vybavení, především potřebným softwarem, zejména vhodným srážko-odtokovým modelem, databázovým systémem a prostředky pro vývoj uživatelského software. Zde již nelze vystačit s freewarem, ale je nutné nasazení komerčních programů. V této práci nelze pokračovat bez aktivní účasti zástupců VHD, příp. ČHMÚ a bez široké možnosti využívání archivních záznamů správců povodí. Digitální podoba modelu VS v povodí Ohře je dostupná u autora a je možné ji obdržet v elektronické podobě po projevení souhlasu s ujednáním o autorských právech. Bližší informace na : [email protected]

95

Souhrny

Souhrny 1. Použitá literatura a podklady [1]

Bouček et al.: Vyhodnocení katastrofální povodně v srpnu 2002, VÚV TGM, Praha, 2003

[2]

Blinka P.: Metoda hodnocení sucha, XIV. Česko-slovenská bioklimatologická konference, Lednice na Moravě, sborník, ISBN 80-85813-99-8, Lednice na Moravě, 2002

[3]

AquaLogic s.r.o.: Programová dokumentace a uživatelské příručky systémů AquaLog a AquaBase, AquaLogic s.r.o., Praha, 1999

[4]

Babuška I., Práger M., Vitásek E.: Numerické řešení diferenciálních rovnic, SNTL, 237 s, Praha, 1964

[5]

Bartko R., Miller M.: MATLAB I. algoritmizácia a riešenie úloh, Digital Graphic, ISBN 80-969310-0-8, Trenčín, 2005

[6]

Broža V., Haindl K., Patera A.: Provoz vodních děl, ČVUT v Praze, 121 s., Praha, 1993

[7]

Broža V., Kazda I., Patera A., Přenosilová I.: Vodohospodářské stavby, ČVUT v Praze, 162 s. Praha, 2005

[8]

Bruner G. W.: HEC-RAS River Analysis Systém, Hydraulic Reference Manual, U. S. Army Corps of Engineers, 411 s., Davis, CA, USA, 2008

[9]

Bruner G. W.: HEC-RAS River Analysis Systém, User's Manual, U. S. Army Corps of Engineers, 746 s., Davis, CA, USA, 2008

[10]

Čábelka J., Gabriel P.: Matematické a fyzikální modelování v hydrotechnice 1, ČSAV, 299 s., Praha, 1987

[11]

Daňhelka J.: Nejistota operativních hydrologických předpovědí, Doktorská disertační práce, Universita Karlova, PřF, 217 s., Praha, 2005

[12]

Daňhelka J., Krejčí J., Šálek M., Šercl P., Zezulák J.: Posouzení vhodnosti aplikace srážko-odtokových modelů s ohledem na simulaci povodňových stavů pro lokality na území ČR, ČZU v Praze, 214 s., Praha, 2003

[13]

Egea M., Guerrero F., Loria J., Rincón E., Sant'Anna M., Seara D., Soto A.: SQL Server 2005, základy databází, krok za krokem, Computer Press, ISBN 978-80-251-1524-4, 318 s., Brno 2007

[14]

Feldman A. D.: Hydrologic Modeling Systém HEC-HMS, Technical Reference Manual, U. S. Army Corps of Engineers, 155 s., Davis, CA, USA, 2000

96

Souhrny

[15]

Finnerty B .D., Smith M. B., Seo D. J., Koren V., Moglen G. E.: Space-time scale sensitivity of the Sacramento model to radar-gage precipitation inputs, Journal of Hydrology, 203 s., 1997

[16]

Forsythe G. E., Wasow W. R.: Finite-Difference Methods for Partial Differential Equations, John Wiley and Sons, Inc., 444 s., New York, 1967

[17]

Fošumpaur P.: Použití umělých neuronových sítí ve vodním hospodářství, Doktorská disertační práce, ČVUT v Praze, FSv, 143 s., Praha, 1998

[18]

Fošumpaur P.: Řízení nádrží a vodohospodářských soustav v prostředí MATLAB, ČVUT v Praze, FSv, KHT, Příspěvek na konferenci MATLAB 2001, Praha, 2001

[19]

Fread D. L., Ming Jin, Janice M., Lewis.: An LPI Numerical Solution for Unsteady Mixed Flow Simulation, North American Water Congress, Anehiem, CA, American Society of Civil Engineers, Anehiem, CA, USA 1996

[20]

Graf W., Altinakar M. S.: Fluvial hydraulics, Flow and Transport Processes in Channels of Simple Geometry, John Wiley and Sons, Ltd., New York, USA, 1998

[21]

Gürtler M., Kocich P.: Visual Basic .NET, Hotová řešení, CP Books a.s., ISBN 80-251-0367-6, 312 s., Brno, 2005

[22]

Henderson, F. M.: Hydraulic of Sediment Transport, BookCrafters, Inc, Chelsea, Michigan, USA, 1984

[23]

Hrádek, F., Kuřík, P.: Hydrologie, ČZU FLE, KVH, ISBN 80-213-0950-4, Praha, 2004

[24]

Jeníček M.: Modelování průběhu extrémních povodní v kontextu krajinných změn a integrované protipovodňové ochrany, Doktorská disertační práce, Universita Karlova v Praze, přírodovědecká fakulta, Praha, 2009

[25]

Jeníček M.: Modelování srážko-odtokových procesů v měnící se krajině, Projekt GAUK 255/2006, průběžná zpráva za rok 2007, Universita Karlova v Praze, přírodovědecká fakulta, Praha, 2007

[26]

Karban P.: Výpočty a simulace v programech Matlab a Simulink, Computer Press, ISBN 978-80-251-1448-3, 220 s., Brno, 2006

[27]

Kašpárek L.: Vyhodnocení jarní povodně 2006 na území ČR [online] VÚV T.G. Masaryka, Praha, 2007

[28]

Klipsch J. D., Hurs M. B.: HEC-ResSim, Reservoir Systém Simulation User's Manual Version 3.0, U. S. Army Corps of Engineers, 512 s., Davis, CA, USA, 2007

[29]

Kovář P.: Využití hydrologických modelů pro určování maximálních průtoků na malých povodích, ČZÚ v Praze, KBÚK, ISBN 80-213-0088, 140 s., Praha, 1990

[30]

Kovář, P.: Úpravy toků, VŠZ, skriptum, Praha, 1976

97

Souhrny

[31]

Krejčí J.: Influence, analysis and percpectives of use of the dams in flood protection in Elbe catchment, Project: VAV-650-4-03, Aqualogic Consulting, Praha, 2006

[32]

Krejčí J., Zezulák J.: Předpovědní model pro povodí Lužnice, ČZU, FLE, KSÚP, ISBN 80-213-1571-7, Praha, 2006

[33]

Krejčí J., Zezulák J.: Vliv nádrží a vodních děl na průběh povodní, Výběr z teorie a případových studií, ČZU FLE KSÚP, ISBN 80-213-1569-5, Praha, 2006

[34]

Krejčí V. a kol.: Odvodnění urbanizovaných území – koncepční přístup, NOEL 2000 s.r.o., ISBN 80-86020-39-8, Brno, 2002

[35]

Křovák F.: HEC-RAS stručný český manuál, KTI-AquaLogic, Praha, 2001

[36]

Kvasnička M. Vašíček O.: Úvod do anylýzy časových řad, Masarykova univerzita v Brně, Ekonomicko-správní fakulta, Brno, 2001

[37]

Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol.: Využití metod umělé inteligence ve vodním hospodářství, AVČR Česká matice technická, ročník CIX, spis 497, Academia Praha, ISBN 80-200-0229-4, 320 s., Praha, 2004

[38]

Nacházel K.: Stochastické metody ve vodním hospodářství, ČVUT v Praze, 63 s., Praha, 2000

[39]

Němec J., Zezulák J.: Úvod do hydrologických předpovědních systémů: Operativní hydrologie a řízení vodohospodářských soustav, CECWI, Praha,1998

[40]

Novák J., Pultarová I., Novák P.: Základy informatiky. Počítačové modelování v Matlabu, ČVUT v Praze FSv, ISBN 80-01-03308-2, Praha, 2005

[41]

Nováková E., Hyánková M., Průchová L.: Laplaceova transformace - studijní text pro cvičení v předmětu Matematika 2, Sudijní materiál ČVUT, projekt MŠMT, Praha, 2005

[42]

Novotný R., Pech P.: Základy mechaniky kontinua I., ČZU v Praze, FŽP, KSÚP, 67 s., Praha, 2007

[43]

Patera A., Nacházel K., Fošumpaur P.: Nádrže a vodohospodářské soustavy 10, ČVUT v Praze, 213 s., Praha, 2002

[44]

Raudkivi, A. J.: Loose Boundary Hydraulics, Pergamon Press, Oxford, New York,1990

[45]

Rektorys K.: Přehled užité matematiky I, II, Nakladatelství Prometheus, 7. vydání, ISBN 80-7196-181-7, 906 s., Praha, 2000

[46]

Rychtmyer R. D., Morton K. W.: Difference Methods for Initial-Value Problems, Interscience Publischers, A Division of John Wiley & Sons, 405 s., New York, 1967

[47]

Schlangerová H.: Prostředky výpočetní techniky pro studie protipovodňových opatření v oblastech ohrožených záplavami. Řešení vybraných území, Diplomová práce, ČZU v Praze, Praha, 2006

98

Souhrny

[48]

Singh V. P.: Computing model of watershed hydrology, Water Resources Publications, ISBN 09-183-34918, Highlands Ranch, Colo., USA, 1995

[49]

Smetana J.: Hydraulika I., Nakladatelství Československé akademie věd, Praha, 1957

[50]

Sovina J.: Optimalizace operativního řízení vodohospodářských soustav v souvislosti s hydrologickými extrémy. Doktorská disertační práce, ČZU v Praze, 2009

[51]

Špatka J.: Metodika stanovení aktivní zóny záplavového území, DHI Hydroinform, Hradec Králové, 2005

[52]

Starý M.: Nádrže a vodohospodářské soustavy, VUT v Brně, FTAST, Brno,1990

[53]

Starý M.: HYDROG, Software pro simulaci a operativní řízení odtoku z povodí, HySoft, Brno, 2001

[54]

Starý M.: Operativní řízení odtoku vody z nádrže za průchodu povodně,VUT v Brně, FAST, Brno, 2001

[55]

Starý, M., Užití umělých neuronových sítí v aplikované hydrologii, ISBN 80-214-2746-9, VUTIUM, Brno, 2004

[56]

Sturm T. W. : Open Channel Hydraulics, McGraw – Hill Higher Education, New York, 2001

[57]

Todini E.: A mass conservative and water storage consist variable parameter Muskingum-Cunge approach, Hydrology and Earth Systém Sciences, Copernicus Publications, Göttingen, 2007

[58]

Tůma F.: Teorie řízení, ZČU v Plzni, Tiskové středisko, ISBN 80-7043-361-2, 203 s., Plzeň, 2005

[59]

Vajda I.: Teorie informace, ČVUT v Praze, FJFI, 109 s., Praha, 2004

[60]

Valenta P., Gabriel P.: Matematický model pro operativní řízení Labské kaskády, HYDRO Expert s.r.o., 75 s., Praha, 2000

[61]

Votruba L., Broža V.: Hospodaření s vodou v nádržích, SNTL/ALFA, 443 s., Praha, 1980

[62]

Warner J. C., Brunner G. W., Wolfe B. C.: HEC-RAS River Analysis Systém, Application Guide, U. S. Army Corps of Engineers, 349 s., Davis, CA, USA, 2008

[63]

Zaplatílek K., Doňar B.: Matlab pro začátečníky, 2. vydání, Technická literatura BEN, ISBN 80-7300-175-6, Praha, 2005

[64]

Zezulák J. Krejčí J.: Přehled vybraných modelovacích systémů využitelných pro podporu rozhodovacích procesů v integrovaných systémech ve VH, ČZU v Praze, FLE, KS, Aqualogic, s.r.o., Praha, 2004

99

Souhrny

[65]

Zezulák J., Křovák F., Schlangerová H., Sovina J., Krejčí J.: Posouzení účinků rozlivů velkých řek na průběh hydrogramů, ČZU FLE, KSÚP, ISBN 80-213-1570-9, Praha, 2006

[66]

Zezulák J.: Model povodňového řízení nádrží Lipno s využitím programu HEC-ResSim 2.0, Učební texty pro předmět hydroinformatika, ČZU FLE, KSÚP, ISBN 80-2131570-9, 30 s., Praha, 2005

[67]

Zezulák J.: Hydroinformatics: Selected Issues, ČZU FLE, KS, Praha, 2001

[68]

Zítek P.: Simulace dynamických systémů, SNTL, Praha, 1990

Hlavní internetové zdroje, stav k prosinci 2009: [1]

Cenia

http://geoportal.cenia.cz

[2]

ČHMÚ

http://www.chmi.cz

[3]

ČHMÚ, operativní informace

http://hydro.chmi.cz/inetps/main.php

[4]

Google Earth

[5]

Povodí Ohře, státní podnik

[6]

US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center (HEC) http://www.hec.usace.army.mil

[7]

VÚV, Heiss

http://heis.vuv.cz/

[8]

VÚV, Dibavod

http://www.vuv.cz/oddeleni-gis/

[9]

Web nejistoty ČVUT, FSv, KHH http://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/default.htm

http://www.poh.cz

Dokumentace: [1]

Plán oblasti povodí Ohře a Dolního Labe (POP) Pořizovatel: Povodí Ohře, státní podnik ve spolupráci s krajskými a ústředními vodoprávními úřady Zpracovatel: HYDROPROJEKT CZ a.s. Vodohospodářský rozvoj a výstavba a.s. DHI Hydroinform a.s. Aquatest a.s Výzkumný ústav vodohospodářský TGM

[2]

Manipulační řád pro VD Horka, Povodí Ohře s.p. Zpracovatel: Pail T., Fulierová J., 2007

100

Souhrny

[3]

Manipulační řád pro VD Nechranice, Povodí Ohře s.p. Zpracovatel: Pail T., Kováříková V., 2004

[4] [5]

Komplexní manipulační řád vodohospodářské soustavy Skalka - Jesenice, Povodí Ohře s.p., Zpracovatel: Pail T., Kováříková V., 2003 Komplexní manipulační řád vodohospodářské soustavy Stanovice - Březová, Povodí Ohře s.p., Zpracovatel: Břečka J., Pail T., Kovaříková V., 1998, aktualizace 2003

[6]

Kompletní sada podkladů Povodí Ohře s.p. pro přípravu na Dispečerské hry 2008

Zákony: [1]

Zákon č. 254/2001 Sb., o vodách a o změně některých zákonů (vodní zákon), ve znění pozdějších zákonů.

[2]

Zákon č. 240/2000 Sb., o krizovém řízení a změně některých zákonů (krizový zákon).

[2]

Zákon č. 239/2000 Sb., o integrovaném záchranném systému a o změně některých zákonů.

Normy a předpisy: [1]

Vyhláška č. 195/2002 Sb., o náležitostech manipulačních řádů a provozních řádů vodních děl.

[2]

Metodický pokyn č. 4/2003 odboru ochrany vod Ministerstva životního prostředí ČR k zabezpečení hlásné a předpovědní povodňové služby.

[3]

TNV 75 2910 – Manipulační řády vodních děl na vodních tocích, leden 2004.

2. Seznam tabulek tab. 1 Příklad tréninkové matice (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004) tab. 2 Příklad křížení chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004) tab. 3 Příklad mutace chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004) tab. 4 Přítoky Ohře tab. 5 Historické povodně v povodí Ohře k profilu LG Žatec

3. Seznam vyobrazení Obr. č. 1 Jednotlivé fáze vývoje řídicího systému (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004) Obr. č. 2 Elementární akce na Petriho síti (Krejčí J., Zezulák J., 2006 )

Souhrny

101

Obr. č. 3 Definiční schéma nádrže a navazujících hydrologických subsystémů (Krejčí J., Zezulák J., 2006 ) Obr. č. 4 Umělá neuronová síť (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004) Obr. č. 5 Základní genetický algoritmus (podle Prax P., 1999) Obr. č. 6 Příklad vizualizace aktuálních hodnot stavů a průtoků v programu TIRS.NET (z www.coral.cz)

Obr. č. 7 Modulová skladba programu ResSim (HEC-ResSim 3.0 User's Manual) Obr. č. 8 VD Skalka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 9 VD Jesenice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 10 VD Horka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 11 VD Březová (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 12 VD Stanovice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 13 VD Nechranice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.) Obr. č. 14 Práce s hladinami Obr. č. 15 Zobrazení vrstevnic a popisků Obr. č. 16 Vektorový a rastrový podklad, překryv Obr. č. 17 VD Nechranice, odkloněný odtok Obr. č. 18 definování konsumpčních křivek spodních výpustí VD Nechranice Obr. č. 19 VD Nechranice – přelivy (z www.poh.cz) Obr. č. 20 VD Nechranice, věžový objekt (z www.poh.cz) Obr. č. 21 Definice pravidel pro povodňové řízení VD Skalka Obr. č. 22 Výsledek simulace - graf úrovně hladiny VD Skalka, hydrogram přítoku a odtoku (dole) Obr. č. 23 Resrvoir System Editor – nastavení pro VS Skalka-Jesenice Obr. č. 24 Rozdělení ploch s měřeným a neměřeným odtokem Obr. č. 25 VD Skalka - Výsledek simulace pro časový krok 3 hod. Obr. č. 26 Vývojový diagram systému podpory krizového řízení za povodně

Česká zemědělská universita v Praze. Simulační modelování vodohospodářských soustav

Recommend Documents