MTA VEAB Biológiai Szakbizottság, Vízgazdálkodási Munkabizottsága Előadóülés, 2015. február 10., Győr
Korszerű, számítógépes modelleken alapuló vízkészlet-gazdálkodási döntéstámogató rendszer fejlesztése a Sió vízgyűjtőjére Szabó János A. HYDROInform
A rendszerfejlesztő vállalkozás rövid bemutatása
- Szakterület: hidroinformatika kutatás, rendszerfejlesztés, modellfejlesztés és alkalmazás, tanácsadás.
- Székhelye: 1029 Budapest, Tompa M. u. 12. - Iroda: 1021 Budapest, Hűvösvölgyi út. 54. - Alapítás éve: 2000 - Több információ: www.hydroinform.hu
A projekt célterülete, célkitűzései Célterület: A Balaton és a Sió vízgyűjtők egyesített területe Alapvető célkitűzések: A Balaton-Sió vízrendszer korszerű, tudományosan megalapozott elveken működő számítógéppel támogatott szabályozásának megteremtése
A szabályozhatóság, és következményei A megvalósítandó, NEM automatikus szabályozás: •Szintetikus szabályozási hurok (szcenárió-elemzések) •Valós szabályozási hurok (állapotváltás – hatás valós megfigyelése)
Jellemző: a szabályozandó rendszer nagy tehetetlensége!
A fejlesztendő hidroinformatikai alkalmazás jellemzői
Megvalósítandó egy hidrológiai előrejelzésen alapuló üzemirányítás-támogató rendszer az alábbiak szerint I. Előrejelző/üzemirányító hidroinformatikai alkalmazás az alábbiakkal: • A vízgyűjtőn lezajló hidrológiai folyamatokat fizikai alapon modellezi, • Nagyfelbontású (500x500 m) geo-informatikai (GIS) rácsfelbontás, • Meteorológiai radaradatok integrálása a földi mérések pontosítására, • Regionális meteorológiai numerikus előrejelzések figyelembevétele, • Tározók, tavak üzemeltetések hatásainak modellezése, • Óránkénti automatikus üzemrend (időkritikusság). II. Az előrejelző rendszert kiszolgáló, operatív adatbázis III. Üzemirányítási forgatókönyvek (szabályozási alternatívák) elemzésének lehetősége
Terepbejárás, tapasztalatgyűjtés
A rendszerterv Informatikai rendszert tervezni annyit tesz: előre látni, hogy egy megvalósítandó rendszer hogyan működik, viselkedik majd a hétköznapokban
A mi időkritikus rendszerünk terve
A rendszer működtetésének átnézete
A rendszert működtető rendszerkomponensek
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai, LAI-februárban
LAI-augusztusban
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer DIWA (DIistributed WAtershed)
Homokos vályog Vályog Agyagos vályog
A vízgyűjtő leírásához szükséges adatok: • digitális domborzati modell; • felszín lejtése, • felszíni összegyülekezési és vízfolyások hálózata, • mederjellemzők (lejtése, érdessége, stb.), • felszínborítottság (területhasználat texturáltsága) • növények időszaki (havi átlagos) sűrűsége, • növényfajták vízgazdálkodási jellemzői (táblázat), • a „jellemző” talajrétegekre az alábbiak: vastagsága, típusa (USDA klasszifikáció szerint), pF görbéje (retenciós karakterisztika-görbe) telített vezetőképessége. • szoláris energia időszaki eloszlásai,
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A talaj hidraulikai tulajdonságai az USDA klasszifikációs rendszere szerint
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A talaj hidraulikai tulajdonságai az USDA klasszifikációs rendszere szerint
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer Balaton medertérképe a közép-vízszint vízmérleg alapú modellezéshez
A tó digitális domborzati modellje több évtizedes adatok alapján (jelentős a térfogati bizonytalanság)
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer Balaton medertérképe a közép-vízszint vízmérleg alapú modellezéshez
A 2 m vízmélység feletti korrigált domborzati modell a katonai ddm alapján (jelentősen csökkenő térfogati bizonytalanság mellett az előrejelzési céloknak megfelelő leírás)
Balaton tározási görbéje
2500
Balaton vízmélység-vízfelszín összefüggése
590 580
2000
570
V [Mm3]
A [Mm2]
1500
500
540
560
1000
550
0
530 2.00
1.50
1.00 H [m]
0.50
0.00
2
1.5
1 H [m]
0.5
0
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer Alapelvek és digitális realizációja
Alapelvek Digitális realizáció = A modell GIS adatbázisa
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer
A rendszer operatív bemenő adatai
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A rendszerben figyelembe vehető tározók
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A rendszerben figyelembe vehető vízmércék
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A rendszerben figyelembe vehető meteorológiai mérőállomások
A pogányvári csapadék-radar
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A csapadékmező modellezése
Az alapprobléma
A pogányvári csapadék-radar
Pont szerű mérés
Területi kitérképezés
Megoldás: Interpoláció+radaradatok bevonása, de hogyan?
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A csapadékmező modellezése
A mi megoldásunk: szekvenciális Gaussi sztochasztikus szimuláció A sztochasztikus szimuláció az a folyamat, amely során felépítjük a hidrometeorológiai változó (csapadék, léghőmérséklet) térbeli eloszlásának alternatív, de egyenlően valószínű grid-modelljeit (grideloszlások azonosan valószínű sorozatait), amelyek mindegyike azt fejezi ki, hogy a valóságban a csapadékmező azonos valószínűséggel „ilyen is lehetett volna”
Realizáció 1
Realizáció 2
.........................................................
Realizáció n
Ez a megoldás (túl az igazolhatóan jobb hatékonyságon) pontosan azt a bizonytalanságot fejezi ki, miszerint valójában fogalmunk sincs, hogy két mérőhely között hogyan alakult a csapadéktevékenység. Mindezeken túl, vizuálisan is úgy néz ki, mint egy valóságos csapadékmező.
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A csapadékmező modellezése
A szekvenciális Gaussi sztochasztikus szimuláció: Illusztratív példa
30 sztochasztikus realizáció átlaga
Krigelés eredménye
A fenti példa (Felső-Tisza tiszabecsi szelvényhez tartozó vízgyűjtő napi csap.össz.: 2001.03.05) jól illusztrálja a két szemlélet közötti különbséget, amelyet a keresztellenőrzés alapján történt összehasonlítás számszakilag is alátámasztott.
A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A rendszer időelőnye az ECMWF numerikus meteorológiai előrejelzés
A numerikus meteorológiai előrejelzéseket is a szekvenciális Gaussi sztochasztikus szimulációval térképezzük ki.
A rendszer real-time adatbázisa
A DIWA-HFMS programvezérlő és grafikus interfész
Rövid on-line rendszerbemutató a KDTVÍZIG szerverén!
