Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozása térinformatikai alapú modellrendszer alkalmazásával Lucza Zoltán(1) – Szabó János Adolf(2) – Réti Gábor(2) 1) FETIVIZIG, Vízrajzi és Adattári Osztály; 2) HYDROInform, Hidroinformatikai rendszerfejlesztő Betéti Társaság;
I. Előzmények Az elmúlt évek (1998, 2001, 2006.) árvizei többször is bebizonyították: árvíz-hidrológiai és hidrometeorológiai sajátosságok miatt a Felső-Tiszán és mellékfolyóin az év bármely időszakában lehet magas és heves árhullámokra számítani. A vízszintemelkedések 12-36 óra alatt elérhetik a védekezés szempontjából kritikus értékeket. Az áradás intenzitása 30-40 cm/óra, a Tisza 10-12 m-t is emelkedhet a tetőzésig. Az utóbbi évek nagy károkat és emberéleteket is követelő árvizeinek hatására Ukrajnában nagymértékű és egyre gyorsuló töltésfejlesztési munkák indultak. A jelenlegi ukrán árvízvédelmi koncepció a teljes 824,7 km hosszú töltésrendszer (töltések és partbiztosítások együttes hossza) fejlesztését tartalmazza, 1 %-os mértékadó árvízre méretezve a meglévő töltések erősítését. A Felső-Tisza árvíz-hidrológiai és hidrometeorológiai sajátosságai, valamint az elmúlt időszakban megtapasztalt árvízi események rendkívüliségeire utaló statisztikák (mint pld.: gyakoriság, intenzitás, tartózkodási/reakció idő, tetőző vízszintek, stb.) előnytelen alakulása visszaigazolni látszik az utóbbi időkben a témakört behatóan vizsgáló tanulmányok megállapításait, miszerint a jövőben számítani kell az eddigieknél is magasabb és egyéb árvízhidrológiai tulajdonságaiban is változó árvízi helyzetek kialakulására. Fentiek alapján a kockázatvállalás ésszerű mértékének fenntartása megkövetelte, hogy a térség árvízi védekezéséért felelős döntéshozói újragondolják az operatív hidrológiai, árvízi előrejelzés és a valósidejű számítógépes kockázatelemzés fejlesztésének lehetőségeit, és megtervezzenek egy megújított szemléletű, a jelen és a közeli jövő – fent hivatkozott – változásaira is reagáló, országhatárokon átívelő, közös érdekeltségű és üzemeltetésű, valós idejű integrált árvízi információs és erőforrás-optimalizált előrejelző rendszert. Az előrejelző rendszer célterületét tekintve (lásd 1. ábra) valójában három részvízgyűjtő uniója: A Tisza a Bodrog csatlakozása előtt (kb. 35 489 km2) + Ung az ukrán-szlovák határig (kb. 3 362 km2) + Latorca az ukrán-szlovák határig (kb. 1 992 km2), amelyek együttesen mintegy 40 843 km2. A tervezett fejlesztések megvalósítására kidolgozott Magyar – Ukrán közös elgondolás az Európai Szomszédsági és Partnerségi Támogatási Eszköz (ENPI) finanszírozási forma keretében nyert támogatást „A magyar és ukrán Felső-Tiszai árvízvédelmi fejlesztési programok továbbfejlesztése és összehangolása, integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozása térinformatikai alapú modellrendszer alkalmazásával” című pályázattal. A közös magyar-ukrán pályázat vezető partnere a Tiszai Vízgyűjtő-gazdálkodási Igazgatóság (Ungvár), közreműködő partnerek a Felső-Tisza-vidéki Vízügyi Igazgatóság (Nyíregyháza) és Kárpátaljai Hidrometeorológiai Szolgálat (Ungvár). Fentieknek megfelelően, a közös Magyar-Ukrán fejlesztés legfőbb célja tehát az volt, hogy egy korszerű, közös üzemeltetésű hidrológiai előrejelző rendszerrel javítsuk az előrejelzéseink (különös tekintettel az árvízi) megbízhatóságát és növeljük időelőnyét.
Jelen dolgozatban röviden bemutatjuk a rendszer lényeges elemeit, erőforrásait, és beszámolunk az eddig szerzett üzemeltetési tapasztalatainkról is.
1. ábra: A projekt célterülete, a kifejlesztett (DIWA-HFMS) program fő panelje II. Módszertani áttekintés Az ENPI támogatást nyert pályázat alapján a rendszerfejlesztés közvetlen célja egy korszerű, tudományosan is megalapozott, a nemzetközi szakmai palettán is magasan jegyezhető integrált szellemű előrejelző modell- és számítógépi program-rendszer kifejlesztése volt az 1. ábra alatt bemutatott célterületre. A fejlesztéssel kapcsolatos alapelvárások az alábbiak voltak: – A rendszer a működtetéshez szükséges minden adatot adott, rögzített protokoll szerint a FETIVIZIG szerverfarmjáról nyers adatként veszi át, azokat az előrejelzés céljainak megfelelően maga dolgozza fel, készíti elő és tárolja a saját adatbázisában további felhasználásig. – Hidrológiai előrejelzések végrehajtása térinformatikai alapokon nyugvó (térben és paramétereiben osztott) hidrológiai modellrendszer felhasználásával. – Olyan informatikai megoldást kellett kidolgozni, amely alkalmas az előrejelzett adatok és információk alapján származtatott riasztások kezelésére, szétosztására oly módon, hogy közben kielégítik a résztvevő országok központi és egyéb vonatkozó munkaszervezeteinek egyedi és közös igényeit. – Az üzemeltetés teljes folyamatát (adatkinyerés az adatfarmról, elő-feldolgozás, előrejelzés, riportok a tájékoztatási és riasztó rendszer felé) automatikusan, diszpécseri beavatkozás nélkül végzi. – Az automatikus procedúrákat elkerülve lehetőség alternatív előrejelzések kidolgozására.
2
A FETIVIZIG mint megbízó konkrétan megfogalmazta a rendszerfejlesztéssel kapcsolatos feladatokat is. Ezek alapján a rendszerfejlesztést az alábbi szekvenciában kellett megvalósítani: – Az integrált előrejelző rendszer részleteinek kidolgozása. – Integrált árvízi információs rendszer kialakítása. Az adatok és információk minden érdekelt fél, intézmény számára történő on-line elérhetőségének biztosítása. – Automatikus adat-előkészítő, adatbázis kezelő informatikai rendszer kialakítása. – Előrejelző modell és szoftver-rendszer kifejlesztése ultrarövidtávú (1-6 óra) mennyiségi csapadék-előrejelző (Auto-NowCasting), és folyamatos hidrológiai előrejelző modulokkal az 1. ábra alatti célterületre. – A már létező, vagy tervezés alatt álló árvízvédelmi rendszerek (hegyvidéki árapasztók, síkvidéki tározók, polderek) optimális üzemirányításához szükséges finom időskálájú (órás) előrejelzéseinek biztosítása. – Előrejelző szoftver-rendszer és adatbázis-használat oktatása 10 mérnöknap (5 nap oktatás Ukrajnában a Kárpátaljai Vízügyi Igazgatóságon és 5 nap Nyíregyházán a FETIVÍZIG-en). – Záró dokumentáció, működő előrejelző rendszer beüzemelése Nyíregyházán a FETIVÍZIGen és Ukrajnában a vezető partnernél és a projektpartnernél, Ungváron a Kárpátaljai Vízügyi Igazgatóságon és a Hidrometeorológiai Szolgálatnál. II.1 Elvárt kapcsolódás már meglévő információs rendszerekhez A kifejlesztett rendszerrel szembeni elvárások egy lényeges pontja volt, hogy annak logikailag is és fizikailag is maximálisan illeszkednie kell a rendszert üzemeltető FETIVÍZIG informatikai rendszereihez. Ennek mentén alapvetően a kapcsolódás két szintjét kell elkülönítenünk: hálózati, hálózati-logisztikai, valamint funkcionális illeszkedés. A) Hálózati, hálózati-logisztikai illeszkedés valójában annak elvárása, hogy a rendszert és a rendszert kiszolgáló informatikai erőforrásokat egy már meglévő, adott informatikai környezetbe kell beágyazni. B) A rendszer funkcionális illeszkedése szempontjából alapvető kiindulási pont volt, hogy kidolgozandó egy „Integrált Árvízi Információs Rendszer”, amely szerves része kell legyen a már meglévő VIZIG-INFO belső információs rendszernek. A fejlesztés keretében gondoskodni kell az adatok és információk minden érdekelt fél, intézmény számára történő on-line elérhetőségének többszintű biztosításáról. II.2 A rendszerkomponensek architektúrája – logikai elrendezés A rendszer lényeges komponenseit szoftvermodulok és azok alapvető részmoduljai, adatinterfészek, adatbázisok, külső adatszolgáltatói rendszerek, és felhasználói felületek alkotják. Azok topologikus összefüggéseit, egymáshoz viszonyított elhelyezkedését jól szemlélteti a 2. ábrán látható úgynevezett „szolgáltatás-folyam” diagram. Az ábrán jól láthatóan két alapvető szintet különítettünk el: az adatszolgáltatói, valamint az előrejelző rendszer szintjeit. Bár logikailag összefüggő rendszerről van szó, mégis a két szint között az a lényeges különbség, hogy az első, az adatszolgáltatói szint elemeinek kifejlesztéséért, létének biztosításáért a Megrendelő, míg a másik szintért a tervező-fejlesztő konzorcium felel. A rendszer-architektúra áttekintését – ahol lehet – szekvenciális szempontok szerint célszerű követnünk. Ezek szerint:
3
2. ábra: A rendszerkomponensek architektúrája, szolgáltatás-folyam diagramja
a. Az előrejelző rendszer logikailag is és fizikailag is a FETIVIZIG telephelyén üzemeltetett rendszerfarm adataival van kapcsolatban, amelynek az adatbázisait külső adatszolgáltatók, terepi mérő-automaták és konvencionális mérési adatok adatfelvitele révén regulárisan, adott protokollok szerint töltik. A rendszertervezőknek ezzel a területtel tehát nem kellett foglalkozniuk. Azt feltételezzük, hogy az oda beérkező adatok a szükséges mennyiségben és időben az előrejelzés valós időn belüli kivitelezéséhez a rendszer számára kinyerhetőek. Ez tehát a rendszer működésének egyik legfontosabb alapfeltétele. b. Az előrejelzés bemenő adatait egy automatikusan betöltődő „adatexportőr” procedúra ötpercenkénti mintavételezéssel az előre definiált protokoll szerinti tartalmat megkeresi a szerverfarm adott helyein, és a feladathoz rendelt adat-interfész helyre teszi további felhasználás céljából.
4
c. A rendszer számára érkező adatokat fogadó adat-interfészt egy adatértelmező program ötpercenként megvizsgálja, és ha ott újabb kiértékelhető adatot talál azokat átveszi, funkcionális alapon szétosztja. Egy részét közvetlenül betölti az előrejelző rendszer adatbázisába, más részét újabb adat-interfészbe helyezi további adatfeldolgozás céljából. Ha a szükséges mennyiségű adat egy adott időkorláton belül (az előrejelzés időelőnyét megelőző 20. percig bezáróan) nem áll rendelékezésre az adat-interfészben, a helyzetet naplózza, és az adathiány függvényében jár el. d. A hidrometriai adatok (vízállás, vízhozam) bizonyos elő-feldolgozást igényelnek, amelyet egy cél-szoftver végez el. A szoftver öt percenként megvizsgálja a c) pont alatt töltött adatinterfész tartalmát, és ha a feldolgozás feltételei fennállnak, a feldolgozás megkezdődik, és a származtatott adatokat betölti az előrejelző rendszer saját adatbázisába. e. A meteorológiai adatok (csapadék, léghőmérséklet) bizonyos elő-feldolgozást igényelnek amelyet a DIWA-MetField cél-szoftver végez el automatikusan. A szoftver öt percenként megvizsgálja a c) pont alatt töltött adat-interfész tartalmát, és ha a feldolgozás feltételei fennállnak, a feldolgozás megkezdődik, és a származtatott adatokat betölti az előrejelző rendszer nsaját adatbázisába. f. Az ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés feltételei a rendszer saját adatbázisában állnak össze. Ezért az előrejelzést kivitelező DIWA-Nowcasting szoftver öt percenként megvizsgálja a feltételeket, és ha azok fennállnak, az előrejelzést elvégzi, majd a származtatott adatokat betölti az előrejelző rendszer saját adatbázisába. g. Az „Integrált adat-utófeldolgozó” program 20 perccel az előrejelzés időelőnyének lejárta előtt megvizsgálja a rendelkezésére álló adatokat, és ha nincs objektív akadálya, elvégzi feladatát, és az eredményeket visszateszi az adatbázisába. h. A DIWA (GIS alapú hidrológiai szimulációs) szoftver 15 perccel az előrejelzés időelőnyének lejárta előtt megvizsgálja a rendelkezésére álló adatokat, és ha nincs objektív akadálya, elvégzi az előrejelzést, és az eredményeket visszateszi az adatbázisába. i. A HEC-RAS hidraulikai szoftver a DIWA lefutása után azonnal betöltődik a memóriába, kiszámítja a Tisza fővízfolyás Huszt-Tokaj szakaszára a vízállás-hosszelvényeket, majd az eredményeket visszateszi az adatbázisába. j. Az előrejelzés befejeztével azonnal betöltődik egy adat-export program amely az előrejelzési eredményekről automatikusan riportot készít a tájékoztatási és riasztási rendszer felé adott protokoll szerint, majd az exportált adatokat, információkat adat-interfészbe helyezi el további feldolgozás céljából. k. Az előrejelzés befejeztével, a j)-vel párhuzamosan azonnal betöltődik egy másik adat-export program is, amely a magyar és ukrán forgatókönyv-elemző szerverének adatbázisait aktualizálja. l. A fenti, b)-k) pontok alatt leírt komponenseket a DIWA-HFMS „Feladatvezérlő automata” fogja össze (panelképét lásd az 1 ábrán). Ennek a rezidens programnak a dolga a hatókörében lévő feladatok időzített (időkritikus) kiosztása, az elvégzett tevékenység naplózása, és az operátor (szak-diszpécser) tájékoztatása a rendszer pillanatnyi állapota felől.
5
m. A rendszer tájékoztatási és riasztási program modulja az erre a célra konstruált SQL adatbázisban regulárisan elhelyezett (lásd az „j)” pont alatt) adatokat, információkat eljuttatja a célcsoportok megfelelő köreihez. III. Az előrejelző modell-rendszer és moduljai A modell-rendszert három lényeges, úgynevezett elsődleges részmodulra, majd azokat újabb, másodlagos részmodulokra bontottuk az alábbiak szerint: – Adat elő-, és utó-feldolgozó modellek Idősor-adatok regularizációja Hidrometeorológiai mezőadatok modellezése, csapadék-radaradat integráció Ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés (Auto-nowcasting) – A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A DIWA modell A modell térinformatikai hátterének felépítése Modell-kalibrációs modul A HEC-RAS hidraulikai modul beágyazása – A tájékoztatási és riasztási rendszer Adatbázis-kezelés A web alapú megjelenítés III.1 Adat előkészítő modellek Az adat-előkészítés feladatainak egy része gyakran nagyon komoly matematikai modellezést igényelnek. Különösen így van ez a térinformatikai alapokon nyugvó osztott hidrológiai modellek esetében, amilyen a jelen rendszer is, melyben lényegében három, jól elkülöníthető megoldandó adatelőkészítési feladatról beszélünk, amelyek mindegyike matematikai modellezést igényel. III.1.1. Idősor-adatok regularizációja A különböző adatszolgáltatótól érkező idősor jellegű adatokat (pl.: vízállás, vízhozam, csapadék, stb.) általában nem egyenlő lépésközben mintavételezik, vagy ha mégis, akkor pedig nem minden esetben adódik úgy, hogy annak időléptéke megegyezik a rendszerterv szerinti 1 órás léptékkel. Ezért ebben a rész-modulban olyan eljárásokat alkalmazunk, amellyel azok leképezhetőek a célkitűzéseknek megfelelő 1 órás reguláris időintervallumokra. III.1.2 Hidrometeorológiai mezőadatok modellezése A csapadék és a léghőmérsékleti adatok kulcsfontosságú peremfeltételi adatai a hidrológiai modelleknek. A lehulló csapadék térfogatának és térbeli eloszlásának alakulása a kialakuló árhullám mértékét és összegyülekezési idejét alapvetően befolyásolja, alakítja. A csapadék halmazállapotának, és a vízgyűjtő párolgási viszonyainak térbeli megoszlását viszont a hőmérséklet területi és magassági eloszlása szabja meg. Különösen érzékeny pontja ez az úgynevezett osztott paraméterű hidrológiai modelleknek, amilyen a jelen előrejelző rendszer motorját képező DIWA modell is. Ezeknek a modelleknek – természetüknél fogva – a peremfeltételt jelentő klimatológiai adatokat (hasonlóan minden más
6
szükséges adathoz és paraméterhez) a modell felbontási sűrűséghez igazodva kell előállítani (1x1 km). III.1.3 Ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés (Auto-nowcasting) Szakmai körökben közismert, hogy a konvektív feláramlások hatására kialakulni képes nagy csapadékesemények előrejelzése a regionális modellekkel lehetetlen, ezért szintén lehetetlen az ezekből származó, úgynevezett hirtelen keletkező árvizek (flash flood) előrejelzése. Erre a célra a világon szinte mindenütt a csapadékmező pillanatnyi mozgásának térben és időben való extrapolálásán alapuló (2D-s mező-extrapoláció) eljárásokat dolgoznak ki. A módszer hatékonyságának két fontos kulcsa van: a módszer bemenetét képező múltbeli (tehát a méréseken alapuló) mezőadat minél kisebb bizonytalanságú leírása, és az alkalmazott extrapolációs modell. Mi a jelen rendszerben a problémát modellezési technikán (radaradat és földi adat matematikai kompozitálásán) alapuló 2D-s autókorrelációs módszerrel kezeltük. Az algoritmus lépései a 3. ábrán követhetőek nyomon:
3. ábra: Az ultra-rövidtávú csapadék-előrejelzés illusztratív sémája
7
III.2 A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer – felhasználva az adat előkészítő modellek által feldolgozott adatokat – származtatja mindazokat az előrejelzési adatokat, információkat amelyek egy korszerű hidrológiai előrejelzéstől napjaink döntéshozói elvárhatnak. A megvalósított rendszerünkben ez az integrált feldolgozói alrendszer az alábbi két lényeges modell funkcionálisan harmonizált integrációját fogja jelenteni: a.
Egy 1x1 km felbontású térinformatikai adatokra épülő osztott paraméterű 3D-s hidrológiai modell (DIWA modell) a csapadék-lefolyás bonyolult folyamatának leírására, és
b.
Egy 1D-s hidraulikai modell (HEC-RAS modell), amely a Tisza fővízfolyás Huszt-Tokaj szakaszán kialakuló felszíngörbéket, vagy később akár a síkvidéki szükségtározók üzemirányítását is hivatott lesz majd modellezni.
III.2.1 A DIWA modell A vízgyűjtőn lejátszódó bonyolult hidrológiai folyamatok többcélú modellezésének módszertani eszköztára jelentős – mondhatni ugrásszerű – változáson ment keresztül az utóbbi egy-két évtizedben. A távérzékelés technológiai és minőségi fejlődése, a geoinformatika önálló tudományának kialakulása, a nagyteljesítményű számítógépek megjelenése és ezzel párhuzamosan a számítástudomány továbbfejlődése, de nem utolsó sorban az automata földi mérőhálózatok megjelenése egészen új távlatokat nyitott komplex hidrológiai rendszerek, folyamatok integrált szemléletű elemzésére, modellezésére, és előrejelzésére.
4. ábra. A DIWA hidrológiai modell 3D-s elvi sémája. A DIWA kombinált elvek mentén kifejlesztett, döntően fizikai alapokon nyugvó, térben és paramétereiben is osztott dinamikus vízgyűjtő-hidrológiai modell, amely a vízgyűjtőt elemi cellákra (gridekre) osztva tekinteni (lásd 4. ábra). Ezáltal – cellánként – eltérő értékben képes 8
figyelembe venni az alapvető vízgyűjtő-karakterisztikákat, paramétereket, fizikai állandókat és a határfeltételi adatokat (pl.: meteorológiai, vagy opcionálisan a talajvízszint), amelyeket aztán a cellán belül már homogénnek, oszthatatlannak tételezünk fel. A szomszédos cellák a felszíni összegyülekezés folyamatában (felsőbb vízgyűjtőterületeken a felszín alattiban is) az úgynevezett lefolyási hierarchia mentén vannak egymással kapcsolatban, amelyekre alkalmazzák a vízmérleg és a megfelelő dinamikai egyenleteket, melyek által gyakorlatilag eljutnak a folyamat 3 dimenziós matematikai modelljéhez.
5. Ábra. A DIWA modell egyszerűsített folyamatábrája. A fenti 4 és 5 ábrákon jól nyomon követhetőek a modellezett folyamat lényeges részfolyamatai, mint például, hogy a DIWA a peremfeltételi csapadék intercepció utáni maradékát az esetleges olvadékvízzel együtt a legfelső „elosztó” zónába vezeti. Onnan aztán a fizika törvényszerűségeinek megfelelően egy része elpárolog, egy másik része közvetlenül a talaj felső, majd onnan az alsóbb részeibe jut, míg egy harmadik része közvetlenül a felszínnel párhuzamosan, de az „O” horizon belső szivacsos szerkezetében képez lefolyást. A talajba került víz egy része pedig az adott elemre jellemző talajtípus, vegetáció, talajtelítettség és a levegő páratartalmának függvényében evapotranspirálódik, miközben a másik része részt vesz a felszín alatti lefolyásban. A modell egy további nagyon lényeges beépített komponense az önszabályozó völgyzárógátas hegyvidéki tározók működésének hidraulikai modulja. Ez a modul lehetővé teszi a vízhálózat bármely pontján definiált (felparaméterezett) tározó lefolyás-módosító hatásának elemzését, előrejelzését. Ezen – kétségtelenül előnyös – lehetőségek kihasználásához azonban nem egyszerű, sőt, mondhatni nagyon bonyolult út vezet. Komoly geo- illetve tér-informatikai, és hidrológiaimodellezői szaktudást igénylő, alapos átgondoltsággal meg kellett tervezni, és ki kellett építeni a vízgyűjtő idealizált térinformatikai modelljét, és annak adatbázisát is. A GIS adatbázisnak alapvetően kategóriája van: I. Statikus GIS adatbázis-komponens: A vízgyűjtő lényeges karakterisztikáinak, paramétereinek, állapotjellemzőinek és fizikai állandóinak véges rácsfelbontású georeferált 9
eloszlásait tartalmazó digitális adatrendszer, digitális vízgyűjtőmodell. Ennél fogva a vízgyűjtőmodell tehát egyfelől egy geometriai eloszlás, másfelől egy a geometriai eloszlással megegyező sűrűségű tulajdonság-eloszlások összessége, vagyis egy digitális prototípusa a tekintett területnek. (Itt a statikus jelző arra utal, hogy a szóban forgó adatok – a modellezés skáláján mérve – hosszú idő távlatában állandónak tekinthetjük.) II. Dinamikus GIS adatbázis-komponens: A DIWA matematikai modell peremi feltételeit jelentő meteorológiai adatok, valamint a modell által az idő mentén folyamatosan képzett állapotjellemzők véges rácsfelbontású georeferált eloszlásait tartalmazó digitális adatrendszer. A dinamikus jelző itt arra utal, hogy olyan adatokról beszélünk, amelyek az I.beli adatokkal ellentétben minden számítási időlépésben más és más térbeli eloszlás jellemez.
III.2.2 A HEC-RAS hidraulikai modul beágyazása A DIWA hidrológiai modell a vízgyűjtőt érő különböző fluxusok anyagmérleg elvű dinamikus rendszerét írja le, ennek következtében annak eredményei (kimenetelei) szintén fluxusok (hozamok) lehetnek „csak”, miközben az árvízi védekezés egyik legfontosabb paramétere a vízállás. Ezt az ellentmondást oly módon kezeltük, hogy a modellrendszer hidrológiai részmodellje (DIWA) számítási eredményeit a síkvidéki folyószakaszokon 1 dimenziós hidraulikai modellek veszik át mint a hidraulikai modell felső peremfeltétele, majd azok felhasználásával, és a vízhálózaton a számítás kezdetén mért vízszintek kezdeti feltételével, valamint az ismert medermorfológiai modell felhasználásával már számíthatóvá válnak a védekezéshez nélkülözhetetlen vízfelszín értékei is. A feladat az, hogy a két modell integrációját oly mértékben gördülékennyé kell tenni, hogy a rendszert felügyelő szak-operátornak ne kelljen rendelkeznie különlegesen mély ismeretekkel egy hidraulikai modul paraméterezésére és futtatására. Olyan modellintegrációt valósítottunk meg, amelyben a DIWA hidrológiai modell futtatási eredményeit (vízhozam) mint kezdeti feltételeket automatikusan adja át a HEC-RAS hidraulikai modellnek, majd azt szintén automatikusan elindítja, és a végterméket elhelyezi a feldolgozó rendszer saját adatbázisába. III.3 A Tájékoztatási és Riasztási Rendszer (TRR) moduljai Az általános (koncepcionális) sémát az alábbi, 6. ábra mutatja be. A tájékoztatási feladatok az ábra által vázolt folyamat teljes vertikumát lefedik, míg a riasztás különböző szintjei csak a növekvő árvízkockázatok előírt fázisainak az elérése esetén aktivizálódnak. III.3.1 A tájékoztatás és riasztás alapelemei A tájékoztatás szöveges, táblázatos, grafikonos és térképi eszközökkel történik. A szöveges tájékoztatást elsősorban a hagyományosnak tekinthető kommunikációs csatornákon célszerű használni, de az adott hidrológiai helyzet rövid, szövegszerű bemutatása a kommunikáció minden szintjén szükséges lehet. Az ilyen szöveges tájékoztatók készítését úgy kell megszervezni, hogy annak törzs-szövegét egy alapséma szerint automatikusan generálja a tájékoztató rendszer, felhasználva és beépítve az aktuális helyzetet leíró hidrológiai állapotjellemzőket. Ez utóbbiakat, sok egyéb információ mellett, a TRR SQL-adatbázisa szolgáltatja. A TRR-ben automatikus tájékoztatás soha nem történhet, a tájékoztató anyagot közreadás előtt kézzel lehessen módosítani, majd a végleges anyag kerülhet ki a tájékoztató rendszer különféle csatornáira.
10
A táblázatos tájékoztatási anyag a VIZIG-INFO már jelenleg is működő táblázatainak mintájára készül el az igény szerint meghatározandó tartalommal. A táblázat tartalma előre meghatározott, azon a felhasználó nem módosíthat. A grafikonos tájékoztató anyag szintén előre megkötött formában készül. A tájékoztató rendszer első változatában egy grafikonon csak egyetlen adatsor jelenik meg. A megjelenített adatfajtától függően a grafikonon egyéb, az állomásra vonatkozó adatok is megjeleníthetők (pld. vízállás esetén LNV, KV, LKV, riasztási szintek, stb.). A térképi tájékoztatással olyan térbeli információkat jeleníthetünk meg, amiket az előbb felsorolt módokon (pl. táblázat, grafikon) csak körülményesen, vagy nem hatékonyan lehet megtenni. Ilyen lehet például egy területen a csapadék-eloszlás, vagy a hóban tárolt vízkészlet eloszlása, stb. A térképek tartalmának dinamikus szerkesztése azonban messze túlmutat a jelen projekt lehetőségein. Ebben az esetben a DIWA modell által folyamatosan készített tematikus térképeket (png-formátumban), ill. azok időbeli sorozatát jelenítheti meg a felhasználó. Megjegyzendő, hogy ugyanezt a technikát a Vízállás hossz-szelvények időbeli változásának grafikonos megjelenítés során is célszerű alkalmazni egy folyón. Ezt a képsort azonban a DIWA modell által szolgáltatott adatokból a TRR-ben kell felhasználói kérésre elkészíteni. Riasztás esetén a tájékoztatást szolgáló, fent felsorolt alaptechnikákon túlmenően, további eszközöket is alkalmazni kell. Ezek az eszközök a riasztás esetén informálandó személyek, szervezetek időben történő elérését és értesítését szolgálják. Ilyenek a rendszer által generált szöveges üzenetek (email-ek, sms-ek). Ezek általában rövid, figyelemfelhívó üzenetek, melyeket a rendszer generál és küld ki automatikusan a riasztási listán szereplő személyeknek vagy szervezeteknek. Az ilyen üzeneteknek kizárólag az a célja, hogy egy kialakulóban lévő, potenciálisan veszélyes helyzetre hívják fel a figyelmet. Maga a részletes tájékoztatás, az adott helyzet bemutatása a fent felsorolt tájékoztatási eszközökkel történik. A riasztási séma készítésekor már figyelembe vettük az EU Árvízkockázati Irányelvében (ÁKI) megjelenő szemléletet. Ennek az a lényege, hogy magát a riasztási fokozatokat is az árvízkockázatok szempontjából tekintjük, és ennek figyelembe vételével értékeljük. A jelenlegi hidrológiai rendszerben tehát a riasztás vízszintek alapján történik akkor, ha az előrejelzett vízállás eléri valamelyik hivatalos riasztási fokozatot. A DIWA modell segítségével azonban a rendszerünk ennél jóval többre is képes. Akár vízmércék esetén is, nem kell megvárni, amíg pl. az első (legfelső) vízmércén kialakul a riasztási helyzet. Az ún. Megfigyelési Referencia Helyek alkalmazásával, melyeket a vízgyűjtő tetszőleges pontján jelölhetünk ki a DIWA modellel, jóval korábban észlelhető egy veszély-gyanús helyzet kialakulása azokon a távoli területeken, ahol nem rendelkezünk merőállomással. Miután az MRH-t kijelöltük a vízgyűjtőn, az TRR SQL-adatbázisában ezt ugyanúgy kezeljük, mint a mérőhelyeket (vízmérce, csapadékmérő, stb.), és így hozzárendelhetünk minden ott megfigyelendő adatfajtára riasztási szinteket is.
11
6. ábra. A riasztás általános sémája Az MRH-k azonban két szempontból is eltérnek a mérőhelyektől. Ezek nem valódi állomások, sőt még csak nem is tényleges pontok. Amikor ezeket a DIWA-rendszerben meghatározzuk, akkor tulajdonképpen egy 1x1 km méretű cellát jelölünk ki. Az MRH elméletileg ennek a cellának a középpontja. Minden MRH-hoz tartozik egy részvízgyűjtő (az a rész-vízgyűjtő, amelynek minden pontjáról a felszínen összegyülekező víz az adott MRH-n halad át) és bizonyos adatfajták esetén (pl. napi csapadékösszegek eloszlása) az így kijelölt MRH-hoz tartozhat egy mesterséges adat-idősor, nevezetesen az adott MRH-hoz tartozó részvízgyűjtőn a szóban forgó adat területi jellemzőjének (pl.: átlaga, összege, stb.) idősora. III.3.2 Az Integrált árvízi információs rendszer kialakítása A rendszer fő funkciója a DIWA modell által előállított helyi idősor adatok és területi térkép adatok vizuális megjelenítése, valamint riasztások indukálása előrejelzett idősor adatok alapján. A rendszer webes felülten történő interaktív prezentálásra és publikálásra lett kihegyezve, ezért felhasználói oldalról csak böngésző alkalmazásra van szükség. A rendszer elérhetősége: – INTRANETEN (http://hydra.fetivizig.vizugy) Csak belső hálózaton működik. – INTERNETEN (http://hydra.fetivizig.hu) Publikus külső DNS regisztrálás megtörtént az OVF szerverfarmon.
12
7. ábra Az árvízi információs rendszer nyitólapja A rendszer elérhetősége: – INTRANETEN (http://hydra.fetivizig.vizugy) Csak belső hálózaton működik. – INTERNETEN (http://hydra.fetivizig.hu) Publikus külső DNS regisztrálás megtörtént az OVF szerverfarmon. A felhasználói felület HTML5 technológiával került megvalósításra CSS stílusleíró formázásával. Mivel alapvetően minden megjelenített tartalmi egység az SQL adatbázisból származik, ezért ezek megjelenítésért Javascript aszinkron hívások felelősök. A felületen megjelenített adattípusok két formában jeleníthetők meg: – Idősor (táblázat és grafikon) – Térkép (kép állományokból generált hurokfilm) Mindkét megjelenítési formátum dinamikusan generálódik az adatbázisból származó adatokból a felhasználó által kiválasztott szűrési feltételnek megfelelően. Az idősorok megjelenítése: A grafikon funkciói: – Dinamikus idősor generálás (észlelési időszak, előrejelzett időszakban) – Idősor adatok megjelenítése szövegbuborék formájában – Dinamikusan előállított vizuális jelölők megjelenítése állomástól (LNV,LKV,riasztási szintek) – Adatsorok nagyítása (zoom-olás)
függően
13
8. ábra Az észlelt és előrejelzett vízállás grafikus megjelenítése Az adatbázisban szereplő törzstábla tartalmazza valamennyi állomás tekintetében az összes adattípus riasztási küszöbértékeit. Ez alapján megkülönböztetünk: Korai riasztás I., II., III. riasztási fokozat A riasztási alrendszer egy háttérben működő SQL alapú tárolt eljárás, mely folyamatosan figyeli az éppen aktuális modellből származó adatsorokat, ezeket feldolgozza és a kritériumoknak megfelelően elkészíti az a riasztáshoz szükséges adathalmazt. IV. A kifejlesztett programrendszer képességei, szolgáltatásai A DIWA-HFMS számítógépi programrendszer valójában egy korszerű, felhasználóbarát, interaktív grafikus környezetbe ágyazott "direktor", amely az aktuális feladatnak megfelelően automatikusan (idővezérléssel), vagy a felhasználó által közvetlenül vezérelve irányítja a vezérlésére bízott programmodulokat.
9. ábra A DIWA-HFMS fő panelje 14
A DIWA-HFMS programot alapvetően két féle képen lehet használni: előrejelző, és modellező üzemmódokban. Az előrejelző üzemmódban a program egy beépített, szigorú protokollnak megfelelően időkritikusan hajtja végre a protokoll szerinti feladatait, amelyeket folyamatosan naplóz. A protokoll egy órás előrejelzési periodicitásra lett beállítva úgy, hogy minden órai előrejelzés előtt folyamatosan figyeli a rendszert kiszolgáló külső adatbázisokat, az ott elérhető új adatokat átveszi, elemzi, előkészíti, majd ha eljön az előrejelzési számítások ideje, az előrejelző matematikai modul rendelkezésére bocsájtja. Ezalatt a rendszer felügyelő szakértő grafikus paneleken keresztül folyamatosan nyomon követheti az adatokat, avagy a megelőző adatokat is, az esetleges hibaüzeneteket, és ha kell beavatkozik. A modellező üzemmódban a fent említett időkritikus feladatokat nem lehet aktivizálni. Ebben az üzemmódban a szakértő felhasználó képes bármilyen alternatív előrejelzés kialakítására azáltal, hogy az épen aktuális előrejelzés peremi (csapadék, léghő), esetleg kezdeti (tározók üzemeltetési adatai) feltételeit megváltoztatja. Ugyan itt lehetőség van még valamely korábbi (akár több évvel) adatokon tetszőleges céllal hidrológiai szimulációkat végezni. A program további lényeges jellemzői: Az osztott szemléletnek köszönhetően a programmal képesek vagyunk a vízgyűjtő vízhálózatán bármely kiszemelt pontra, vagy a pont feletti részvízgyűjtőre számítások (előrejelzések) során azokra adatokat származtatni. Ezen adatok listája meglehetősen hosszú, és általuk hasznos információhoz juthatnak a terület szakértői, a védekezést irányítók. Ezen pontok/részvízgyűjtők kezelését (aktivizálás, de-aktivizálás), a lekérdezni kívánt adatok beállítását teljesen interaktív körülmények között oldhatjuk meg, és amint a felhasználó azt beállítja, a rendszer már legközelebbi előrejelzési órától figyelembe is veszi. A rendszer mérőhálózatának (hidrometriai, meteorológiai állomások, tározók) módosításához nem kell újraprogramozni a rendszert. Mindössze annyit kell tenni, hogy a rendszer állomástábláját az előírtaknak megfelelően kiegészítjük, javítjuk, avagy valamely mérőpontját töröljük, és a DIWA-HFMS a következő előrejelzési ciklusban már az új állomáshálózattal dolgozik.
A tájékoztatási lehetőségek: A fentiekben már érintettek szerint a DIWA-HFMS számítási (előrejelzési) adatait számos paraméterre és tetszőleges helyre/részvízgyűjtőre lehet lekérdezni, grafikusan megtekinteni. Ezek közül azonban csak néhány, a közérdeklődésre leginkább számot tartó információkat, adatokat, ábrákat juttatjuk el a tájékoztatási rendszer felé. A megjelenítés szerint ezek lehetnek idősoros, és térképi adatok. Az idősoros adatok közös szabálya, hogy azok a jelen időt megelőző 3, és a jövő 6 napjainak 9 napos időszakának adatait ábrázolják (lásd a mintaábrákat). A peremfeltételi adatokat (csapadék, léghőmérséklet, hóban tárolt vízkészlet) oszlopdiagram formájában, a vízállásadatokat pedig vonalasan ábrázoljuk. A vízállás-előrejelzés grafikonját kiegészítjük az előrejelzés megbízhatóságát jellemző sávval, továbbá az ábrán feltüntetjük az adott mérceszelvényre vonatkozó készültségi szinteket, a minden idők legnagyobb vízszintjét is. A 15
rendszer készít egy úgynevezett "zéró" előrejelzést is, amelyet szintén feltüntetünk az ábrán. A zéró előrejelzés valójában azt a feltételezést tükrözi, mintha az elkövetkező 6 napban nem lenne csapadék. A térképi adatok valójában szintén idősorok megjelenítése, csak nem skaláris, hanem területi jellegű adatok idősorai. Ezen adatokat a tájékoztatási rendszerben (és a DIWA-HFMS programban is) az úgynevezett "hurokfilm" ábrázolással tudjuk szemléletessé tenni. A térképi adatok időintervalluma az idősoros adatokhoz hasonlatosan a jelen időt megelőző 3, és a jövő 6 napjainak 9 napos időszaka. A megjelenített adatok (paraméterek) a csapadék kivételével napi értelműek, a csapadék időléptéke pedig 1 óra. Mintaábrák a tájékoztatási lehetőségek szemléltetésére:
10. Ábra Vízállás-előrejelzés ábrája
11. Ábra Napi közepes léghőmérséklet területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvény feletti részvízgyűjtőre vonatkozóan 16
12. Ábra Órás csapadékösszeg területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvény feletti részvízgyűjtőre vonatkozóan
13. Ábra Hóban tárolt vízkészlet napi értékeinek területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvény feletti részvízgyűjtőre vonatkozóan
17
Szakirodalmi hivatkozás: Kalaš, M. - Wachter , K. - Szabó, J.A. - Bodis, K. - Niemeyer , S. - van der Knijff , J. - de Roo , A. (2005): Setup, calibration and testing of the LISFLOOD model for the Upper Danube River basin on 1km. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly” (Vienna, Austria, 24-29 April 2005). Szabó, J.A. - Kalaš, M. (2004): Influence of uncertainty of interpolated precipitation fields on distributed model-based simulations using LisFlood model: Case study for Upper-Tisza and Morava catchments. In: Conference Abstracts of the “XXIInd Conference of the Danube Countries on the Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management” (Brno, Czech Republic, 30 Aug. – 02 Sept. 2004), pp.: 35. Szabó, J.A. (2005): Estimation of high resolution meteorological fields based on geostatistical approaches. European Geosciences Union (EGU) General Assembly, 24-29 April 2005, Vienna, Austria. Szabó, J.A. - Kalaš, M. (2005): Influence of uncertainty of interpolated meteorological inputs for distributed hydrological models. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly”, 24-29 April 2005, Vienna, Austria. Wachter, K. - Kalaš, M. - Szabó, J.A. - Niemeyer, S. - Bodis, K. - de Roo, A. (2005): Setup and testing of European Early Flood Alert System (EFAS) in the Danube River Basin. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly” (Vienna, Austria, 2429 April 2005). Szabó, J.A. (2007): Decision Supporting Hydrological Model for River Basin Flood Control. In R. J. Peckham and G. Jordan (eds): “Digital Terrain Modelling: Development and Applications in a Policy Support Environment”. Chapter 7, pp. 145-182. Springer-Verlag, Berlin. ISBN: 9783-540-36730 Szabó, J. A. (2007): Nagy Kiterjedésű Meteorológiai Mezők Geostatisztika-alapú Generálása Nagy Felbontású Hidrológiai Modellezéshez. Az előadás elhangzott: MHT XXV. Országos Vándorgyűlésén az 1. Árvízvédelmi szekció keretében: Tata, 2007. július 4-5. ISBN 978-9638172-20-4 Salamon, P. - Bódis, K. - De Roo, A. - Barredo, J. - Feyen, L. - Kalas, M. - Dankers, R. - Szabó, J. A. - Wachter, K. (2007): Large scale (preliminary) Fflood Hazard and Risk Mapping Using SRTM Data. ICPDR Workshop on "Flood Risk Mapping in the Danube River Basin". VITUKI, Budapest, 2007. szeptember 12-13. Szabó, J. A. (2007): Új kihívások a Vízkészlet-gazdálkodásban: Térbeli, Integrált, Valós Idejű Döntéstámogató Rendszer. Az előadás elhangzott: XXXI. Országos Vízrajzi Értekezlet, Eger, 2007. november 27-28. Gierk, M. – Bodis, K. – Younis, J. – Szabó, J. A. – Ad de Roo (2008): The impact of retention polders, dyke-shifts and reservoirs on discharge in the Elbe river. Hydrological modelling study in the framework of the Action Plan for the Flood Protection in the Elbe River Basin of the International Commission for the Protection of the Elbe River. European Commission, Directorate-General Joint Research Centre, Institute for Environment and Sustainability, Ispra, Italy, p. 110. EUR 23699 EN.
18
Szabó, J.A. (2008): An efficient hybrid optimization procedure of adaptive partition-based search and downhill simplex methods for calibrating water resources models. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly”, 24-29 April 2005, Vienna, Austria. Szabó, J.A. - Gierk, M. - Wachter, K. (2008): An approach for distributed parameter optimization of LISFLOOD hydrological model using efficient hybrid optimization procedure. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly”, 24-29 April 2005, Vienna, Austria. Szabó, J. A. - Bódis, K. - Tóth, S. (2009): Árvízi lefolyások modellvizsgálata. Az előadás elhangzott: A Felső-Tisza-vidéki Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság valamint a Magyar Hidrológiai Társaság Szabolcs-Szatmár-Bereg Megyei Területi Szervezetének a Víz Világnapja alkalmából szervezett közös rendezvényén, Nyíregyháza, 2009. Szabó, J. A. - Bódis, K. - Volodimir Csipak - Illés, L. - Lucza, Z. (2009): A Tisza kárpátukrajnai vízgyűjtőjére tervezett árapasztó tározók fenékleeresztő paraméterének pontosítása kombinált, sztochasztikus, és inverz szimulációs algoritmus segítségével. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Baja, 2009. július 1-3. Szabó, J. A. - Lucza, Z. (2009): A 2001-es felső-tiszai árhullám számítógépes modellszimuláción alapuló elemzése az árvédelmi gátak Ukrán oldali megerősítésének tükrében. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Baja, 2009. július 1-3. Szabó, J. A. (2010): A DIWA újgenerációs vízgyűjtő-hidrológiai modellrendszer és alkalmazási tapasztalatai. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság Bács-Kiskun megyei területi szervezet ülésén, Baja, 2010. május 6. Szabó, J. A. (2010): Towards the development of a spatial decision support system for IWRM and RBM planning. Az előadás elhangzott az ICPDR, UNDP-GEF, UNEP és EC, DG ENV-D.1 közös, "Integrating land and water management in the Tisza River Basin" című workshop-on, Szolnok, 2010. április 26-27. Szabó, J. A. - Tóth, T. - Réti, G. (2010): Valós idejű vízkészletállapot-elemző és előrejelző modell-rendszer kifejlesztése a Duna vízgyűjtőjére. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Sopron, 2010. július 7-9. Szabó, J. A. - Illés Lajos - Lucza Z. (2010): A beregi árapasztó tározót terhelő nagyvizek gyakoriságának számítógépes modell-szimuláción alapuló elemzése. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Sopron, 2010. július 7-9. Szabó, J. A. (2010): Új tudományos eredmények az árvízvédelmi művek terhelésének vizsgálatához. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság Szabolcs-Szatmár-Bereg megyei Területi Szervezete, a "Magyar Tudomány Ünnepe" alkalmából rendezett előadóülésén. Nyíregyháza, 2010. november 18. Szabó, J. A. (2011): Large-scale Meteorological Field Modelling Based on Geostatistical Approaches. Az előadás elhangzott: XIVth Congress of Hungarian Geomathematics and the Third Congress of Croatian and Hungarian Geomathematics: Applications of geostatistics, GIS and remote sensing in the fields of geosciences and environmental protection. Mórahalom, Hungary, 26-27-28 May 2011.
19
Szabó, J. A. - Bódis, K. - Tóth, T. - Tahy, Á. - Réti, G. (2011): Towards a Distributed Hydrologic Modelling Based Real-Time Drought Monitoring and Forecasting System for the Catchment Areas of Hungary's Streams. In: Conference Abstracts of the XXVth Conference of the Danube Countries on the Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management (Budapest, Hungary, 16-17 Jun. 2011), pp.: 45. Szabó, J. A. - Tóthné Seres, É. - Réti, G. - Tóth, T. (2011): A Szerencs-patak számítógépes modell-szimuláción alapuló árvízi gyakoriság-elemzése Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Eger, 2011. július 6-8. Szabó, J. A. - Lucza Z. - Tóth Z. - Futaki K. (2012): Rendszerterv: Közös, magyar és ukrán Felső-Tiszai Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer térinformatikai alapú modellrendszer alkalmazásával. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, 2012. Lucza Z. - Szabó, J. A. - Réti G. (2013): A Közös magyar-ukrán mértékadó árvízszint meghatározása. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, 2013.
20
