FLOods REcognition g On the Net pro modelování, simulaci a predikci povodňových situací a jjejich j zprostředkování p všem uživatelům ve srozumitelné grafické podobě Financováno z rozpočtu MS kraje
Ob h Obsah y Úvod y Architektura systému y GIS a zpracování vstupních dat hd y Hydrologické modely, ukázky y Vizualizace y Závěr (video ukázky) ( y)
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Řešitelský tým ý ý y Hlavní koordinátor y
y
y y
I. Vondrák Sekce matematického modelování Z. Dostál, V. Vondrák, T. Kozubek, P. Kubíček Externisté: ZČU M. Brandner, J. Egermaier, H. Kopincová Externisté: ZČU ‐ M Brandner J Egermaier H Kopincová Sekce informatická (architektura webové rozhraní, databáze, vizualizace) D. Ježek., D. Fedorčák, P. Gajdoš, J. Kožusznik, J. Martinovič, P. Moravec, L. k d k G d k Návrat, S. Štolfa, J. Platoš, T. Kocyán Sekce geoinformatická a hydrologická P. Rapant, J. Unucka , D. Vojtek, L. Hrubá Externisté: ČHMÚ, Ústav informatiky AVČR‐Medard, Povodí Odry, Povodí Labe
Ú d Úvod y FLOREON y Systém pro zprostředkování povodňových informací laickým i profesionálním uživatelům y Předávání aktuálních informací y Ve srozumitelné grafické podobě pomocí 2D a 3D V it l é fi ké d bě í D D náhledů na PC, PDA, mobilech y Doplňkové textové informace pro profesionály y Dynamická konfigurace y Otevřená modulární architektura Ot ř á d lá í hit kt y Možnost využití výsledků různých modelů y Výměna jednotlivých modulů Vý ě j d li ý h d lů Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Architektura systému y
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Scénář – koordinace výpočtů
Výsledkem ý jjsou: Simulovaná záplavová jezera a výšky hladin a průtoky ve specifikovaných místech.
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Scénář zobrazení povodňových informací koncovému uživateli informací koncovému uživateli
Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Použité technologie g y Analýza systému byla provedena s využitím: y Jazyka UML pro specifikaci, analýzu a návrh systému J k UML ifik i lý á h té y
Nástroj IBM Rational Software Architect
y Vý Vývoj systému je založen na technologiích: j té j l ž t h l ií h y Visual Studion 2005 y MS SQL Server MS SQL S y Oracle y Webové služby W b é l žb y Vlastní profilovací nástroje pro sledování běhu
aplikace lik Financováno z rozpočtu Moravskoslezského kraje
Úloha GIS Digitální model terénu
Reálná krajina povodí
Půdní druhy a typy
Družicové snímky
Úloha GIS
Podélnýý p profil
Reálné koryto řeky
Příčný profil
Schematizace povodí s využitím GIS
Hodnoty čísel CN křivek
Modely pro předpověď počasí ALADIN MEDARD ALADIN,
Měření srážek radarem Měření srážek radarem
Hydrologické modely Srážko‐odtokový model
Schematizace povodí
Počátteční okraajové podm mínky
Výpočet hydrogramů na ýpoče yd og a ů a závěrových profilech
Výpočet hydrogramů po celé delce koryta Výpočet inundace
1D – Saint Venantův model
2D – Saint Venantův model
Schéma srážkoodtokového procesu kondenzace
srážky
evapotranspirace povrchový po c o ý odtok odto infiltrace
dotace kolektoru
H S = H O + H ET ± ΔW ± R
odtok v korytech
1. 2.
hydrologická transformace hydraulická transformace
Parametry hydrologických a hydrogeologických modelů mezní vrstva atmosféry a aktivní povrch: teplota, teplota vlhkost, vlhkost srážky (úhrn/typ), tlak, rychlost a směr větru, evaporace vegetace: LAI (Leaf Area Index), typ (HRU), land cover, land use, transpirace povrch: geomorfologie (sklon, expozice atd.), drsnost, parametry povodí nenasycená zóna: hloubka a typ půdního profilu, profilu granulometrie, poréznost, hydraulická vodivost, CN křivka, stupeň/deficit nasycení, kapilární sání, polní kapacita (FC) nasycená zóna: mocnost kolektoru Z a její průběh v X,Y, poréznost horninového prostředí koeficient filtrace, prostředí, filtrace transmisivity, transmisivity storativity, průběh a typ hladiny podzemní vody (volná/napjatá), hydraulický gradient koryta k t ttoků: ků příčný říč ý (průřez ( ůř mezii bř břehy) h ) a podélný dél ý profil fil ((průběh ůběh dna, břehových linií a hladin od pramene po ústí), drsnost, soutoky, bifurkace, inundace, VH objekty (jezy, stupně apod.) vodní p plochy y (jezera, (j , vodní nádrže): ) g geometrie,, hladiny, y, transformační funkce, VH přehrady pak manipulace, parametry výpustí a přepadů
Hydrologické modely Hydrologické modely 1. 2. 3. 4. 5 5. 6.
DHI/MIKE (Danish Hydraulics Institute) S: Win HEC-HMS HEC HMS (U.S. Army Corps Of Engineers) S: Win/Solaris HEC-RAS (U.S. Army Corps Of Engineers) S: Win Floodworks (Wallingford Software) S: Win Waterware (ESS) S: UNIX/Linux/FreeBSD SAC-SMA Sacramento Soil Moisture Accounting Model (Riverside Technology Inc.,/NWS) S: Win 7 GRASS modules 7. d l (r.topmodel, ( t d l r.hydro.CASC2D, h d CASC2D r.runoff, ff r.watershed, r.fill.dir, r.topidx, SIMWE) S: Linux/FreeBSD/Win (Cygwin) 8. Topmodel (Beven, implementace v GRASS GIS) 9. WMS (Environmental Modeling Systems) Česká republika: • AquaLog – ČHMÚ povodí Vltavy a Labe • Hydrog – ČHMÚ pro povodí Odry a Moravy, Povodí Odry, Povodí Labe, Povodí Ohře • MIKE – podniky povodí (hydraulika), ČHMÚ Brno (Morava)
Základní komponenty hydrologických modelů 1. Modul transformace srážkových impulsů na povodí
Precipitation transformation and infiltration module (G (Green & Ampt, A t Soil S il Conservation C ti Service, S i M d Clark, Mod Cl k UH)
2. Modul transformace (pohybu) vody v korytech toků
Channel routing module (Saint Venant, Muskingum Cunge, KW)
3. Model transformace odtoku nádrží a bilance nádrží
Reseirvoir (dam) module (Storage-Elevation)
4. Model tání sněhu a odtoku tavných vod
Snowmelt module (Anderson, Ven Te Chow, Rutger Dankers)
Povodí Olše, událost 1.9.‐15.9.2007
SCS metoda y Vhodná, pokud máme nedostatek dat, stačí pouze y plošná znalost čísel CN odtokových křivek y nasycenost povodí pro případnou korekci CN y specifický odtok y digitální mapa terénu
y Výpočet přímého odtoku se provádí pomocí konvolučního ýp p p p
integrálu z jednotkového hydrogramu a efektivní intenzity srážek, y Odtok podzemních vod se běžně počítá recesní metodou (v naší Od k d í h d běž ě čí á í d ( ší verzi zatím zjednodušeně opět pomocí konvolučního integrálu) y Jednoduché vztahy, jednoduchá implementace Jednoduché vztahy jednoduchá implementace
Závislost průběhu hydrogramu na Zá i l t ůběh h d srá kovém úhrnu srážkovém úhrnu
Matematický popis pomocí M i ký i í Saint‐Venantových Saint Venantových rovnic v 1 rovnic v 1‐D D ∂h ∂ ( hv ) + =0 ∂t ∂x ∂ ( hv ) ∂ ( hv 2 + 12 gh 2 ) ∂ 2v ∂B + = γ h 2 − gh ∂t ∂x ∂x ∂x
y h=h(x,t) … hloubka vody y v=v(x,t) … rychlost v=v(x t) rychlost proudění y B=B(x) … tvar dna y γ=γ(x) … drsnost dna y g=9,81 ... gravitační zrychlení
Výška hladiny
Průtok
Vtok (0m)
Výtok (1000m)
Výpočet rozlivu ýp vody z koryta řeky y y y Rozliv v příčném profilu koryta
Zátopové jezero
h(t) h(t0)
Vý č t li ů Výpočet rozlivů
Modelování proudění ve 2‐D p Popis úlohy rozlivu na segmentu řeky Hledáme časově proměnné pole rychlostí v(x,y;t) a výšky hladiny h(x,y;t). vrstevnice terénu
zadaná p vstupní rychlost a výška
vypočtené rychlosti podél volné hranice, h=0 vrstevnice dna
vypočtené rychlosti podél volné hranice, h=0
zadaná výstupní rychlost a výška
Saint‐Venantovy rovnice ve 2‐D y Hledáme časově proměnné pole rychlostí v(x,y;t) a výšky hladiny h(x,y;t)
∂h 1 + ∇ ⋅ (h ⋅ v) = ⋅ q ∂t ρ
v celé oblasti
∂v − ν ⋅ ∇ 2 v + ( v ⋅ ∇) v + g ⋅ ∇h = − g ⋅ ∇hdno v celé oblasti ∂t v = v in / out na vstup.-výstup. t ý t hranici h i i h = hin / out
na vstup.-výstup. hranici
h=0
na volné hranici
v ... viskozita, g ... gravitační konstanta, ρ ... hustota vody, q ... srážkové zdroje. zdroje Hranice výpočetní oblasti se v každém časovém kroce mění podle vypočtených rychlostí na volné hranici.
Modelový příklad ýp
Modelový příklad ýp
Vizualizace y 2D 2D rastrové náhledy rastrové náhledy, SVG , SVG y 3D vizualizér y 3D s 3D stereo tereo projekce pomocí brýlí pomocí brýlí
2D obrazová vrstva
Zpracování p požadavků p uživatele
Záplavové jezero
Budovy
Komunikace Řeky, vodní plochy
Porosty
Fotomapa
Webová aplikace
2D obrazová vrstva (úroveň detailů) Nejmenší podrobnost Filtrace na základě GIS dat (s-typy) Filtrace na základě Vlastností objektů (šířka)
3D náhled scény
Datové struktury y Kvadrantové & binární stromy
y ROAM
y Real Real--time Optimally
Adapting Meshes Meshes
y SOAR
y Stateless One-pass
Adaptive Refinement
Stereo projekce y Aktivní projekce
y Pasivní projekce
16 procesorový cluster
Paralelní řešení
Neurčitosti ve vstupních datech
Další práce y Napojení vyvinutých modelů na reálná data s p j y ý
možností autokalibrace y Vytvoření modelů tání sněhu a vodních nádrží y Nasazení 2D modelu na reálný terén y Další zpřesňování a zrychlování modelů y Vytvoření modelů šíření znečištění y Nasazení modelů na výpočetní cluster s 16 procesory N í d lů ý č t í l t 6 y Možnost řešit více scénářů za stejný čas y Stochastické modely h k d l
