Nástroje studia dynamiky a prognózy vývoje
geosystémů
Proč environmentální modelování ?
• Jedná v současnosti o nejefektivnější nástroj studia chování
geosystémů (zejména ve spolupráci s GIS) – v podstatě experiment
ve virtuální realitě bez nutnosti zásahů do reálného systému
(odlesnění, umělá injektáž kontaminantů apod.)
• Výhodou je možnost predikce budoucího chování těchto systémů
(využívá se zejména v předpovědi počasí, prognóze vývoje klimatu
či hydrologickým předpovědím)
• Didaktický (výuka, osvěta v ochraně přírody) a prezentační nástroj
(podpora rozhodování v krizovém řízení, územním plánování apod.)
Základní motivace:
„Potřebujeme informace (včasné a
dostatečně kvalitní), abychom
minimalizovali rizika a škody.“
Co je to environmentální model ?
• Jedná o specializovaný typ software
(programového prostředku), který
simuluje chování určitého
environmentálního problému v
prostorově vymezeném území (může být
i celá Země) a jeho vybraných
doménách (vodní prostředí, půda,
vegetace) a jejich kombinacích
• Vycházejí z prvních hydrologických
modelů (postupné doplňování
funkcionalit)
• Masivnějšímu rozšíření doposud bránil
výkon počítačů (dnes již neplatí) a
odborná náročnost práce s tímto typem
SW (teoretické znalosti, informatická
zběhlost uživatele)
Pojem „model“
• Jedná se tedy o abstrakci a
matematické vyjádření klíčových
vlastností prvků zájmové domény
(systému) - povodí, svahu, vodní
nádrže, troposféry & akt. povrchu,
oceánu.
• Snaha o zachování klíčových
prostorových entit a jejich
vzájemných vazeb (např.
hydrografická síť, břehový porost u
vodoteče, vegetační kryt apod.).
• Přesnost je dána primárně měřítkem
a parametrizací (nejdůležitějším
faktorem je zde dostupnost dat).
srážky
intercepce
infiltrace
povrchový odtok
Percepční model Konceptuální model
Matematický model
Základní kritéria rozdělení hydrologických
modelůZákladní rozdělení:
A) aspekt počtu dimenzí (X, Y, Z):
 1D – ustálené/neustálené proudění v korytech toků (HEC-RAS, MIKE 11 )
 2D – povrchový odtok a odtok v korytech toků (HEC-HMS, MIKE SHE, SIMWE,
TOPMODEL, MIKE 21c)
 3D – podzemní odtok v nasycené zóně (MIKE SHE, MODFLOW, FEFLOW)
B) aspekt distribuce jednotlivých prvků modelu:
 celistvé (angl. lumped models)
 semidistribuované (angl. semidistributed models)
 distribuované (angl. distributed models)
C) aspekt určitosti / náhodnosti:
 deterministické – ve vstupních datech nejsou zohledněny prvky
náhodnosti, zanedbává prostorová závislost veličin a uvažuje se pouze časová
závislost
 stochastické – neurčitost hydrologického jevu, vyznačují se absencí vazebnosti
mezi příčinou a následkem hydrologického jevu, fuzzy modelování atd.
Toto rozdělení je pouze orientační, protože konkrétní modely (ve smyslu SW) splňují více kritérií
a kategorií (např. model MIKE SHE 1D-3D, semidistribuovaný až distribuovaný apod.).
Problém distributivnosti modelu x datových vstupů
Dimenze hydraulických modelů
Numerická řešení & okrajové podmínky
Srážkoodtokový (s-o) proces
Modelované „domény“
srážky
intercepce
hypodermický odtok
infiltrace
podzemní (základní) odtok
odtoková ztráta
evapotranspirace
akumulace
odtok v korytech
celkový odtok
nenasycená zóna
nasycená zóna
povrchový odtok
Obecný koncept propojení GIS a modelů 1
GIS:
Srážkoodtokové modely
Hydrodynamické modely
HYDROLOGICKÉ MODELY
Hydrogramy
Hladiny, rozlivy atd.
VÝSTUPYanalýza a schematizace
povodí
interpolace
hydrometorologických
dat apod.
GIS postprocessing: vizualizace 2D & 3D, další úprava parametrů povodí
Obecný koncept propojení GIS a modelů 2
Typy hydrologických modelů IV.
přehled nejznámějšího software ve světě a v ČR
1. MIKE family (DHI - Danish Hydraulics Institute) OS: Win
2. HEC-HMS (USACE - U.S. Army Corps of Engineers) OS:
Win/Solaris/Linux
3. HEC-RAS (USACE - U.S. Army Corps of Engineers) OS: Win
4. EPA BASINS (EPA) OS: Win
5. SWAT (USDA) OS: Win, částečně UNIX/Linux
6. SAC-SMA Sacramento Soil Moisture Accounting Model (Riverside
Technology Inc.,/NWS) OS: Win
7. GRASS modules (r.topmodel, r.hydro.CASC2D, r.runoff, r.watershed,
r.fill.dir, r.topidx) OS: Linux/UNIX/Win (Cygwin)
8. TOPMODEL (Beven) OS: Win/Linux/UNIX (GRASS)
9. WMS 8.0 (GSSHA, HEC, HSPF) (AquaVeo) OS: Win
10. EPA SWMM (EPA) OS: Win
Česká republika:
• AquaLog – ČHMÚ povodí Vltavy a Labe OS: Win
• HYDROG – ČHMÚ povodí Odry a Moravy, Povodí Odry OS: Win
• MIKE 11 – podniky Povodí, ČHMÚ Brno OS: Win
HEC-HMS
© Hydrologic Engineering Centre US Army / 2006
www.hec.usace.army.mil/software/ hec-hms/hechms-hechms.html
HEC-HMS Výhody:
 Freeware
 OS Windows / OS Linux
 Snadná schematizace
povodí v GUI či GIS
 Přímé napojení na GIS
pomocí extenze HEC-
GeoHMS
 Možnost výběru více
metod řešení transformace
srážky a pohybu v korytech
 Skriptování
Nevýhody:
Absence metod řízení VH
soustav (HEC-ResSim)
Absence API
MIKE SHE
 Asi nejpokročilejší s-o
model v současnosti.
 Možnost práce v semi- i
distribuovaném režimu.
 Napojení na MIKE 11,
MODFLOW, FEFLOW,
MOUSE.
 Integrace GIS funkcí
 Správa a konverze
geodat (vektorová, rastrová)
 Dávkové spouštění
 Náročný na systémové
prostředky
MIKE SHE
MIKE SHE
Krom grafických výstupů (grafy, hydrogramy) disponuje MIKE SHE i možnostmi
produkovat rastrové výstupy, které je pak možno exportovat do GIS nebo
animovat.
MIKE SHE
GRASS GIS
Hydrologické
moduly:
1. r.runoff – generuje
mapy odtoku z
map srážek a CN
křivek
2. r.watersed –
generuje
subpovodí z DEM
3. r.topmodel –
fyzik. distribuovaný
hydrol. model
4. r.hydro.CASC2D
5. r.runoff
6. r.terraflow
7. r.kineros
8. r.stage3 (NEXRAD)
9. r.water.fea
10. r.sim.water
http://grass.itc.it/
http://grass.itc.it/intro/modelintegration.html
GRASS GIS
 Podpora velkého
množství datových
formátů pro rastr i vektor
 Napojení na NVIZ &
ParaView
GRASS GIS
Pokročilé moduly pro morfometrické a
hydrologické analýzy, schematizaci
povodí, RUSLE.
Např.: r.terraflow, r.flow,
r.watershed, f.slope.aspect
SAGA GIS
 Výkonný GIS s
přímou podporou
environmentálního
modelování
 Primárně pro OS
UNIX/Linux, v
současnosti i stabilní
verze pro OS
Windows
 Podpora
formátu grib (např.
EUMETSAT, nebo
výstupy NWFS
ALADIN)
 Implementace
modelů TOPMODEL
nebo IHACRES
Modely SIMWE a TOPMODEL jsou
implementace hydrologických modelů
v GRASS GIS.
Výpočet je ve srovnání s ostatními
prostředky GIS a numerických modelů
enormně rychlý a platformně nezávislý
– OS Windows, UNIX/Linux.
Testy v extrémním reliéfu
Výsledky GIS analýz – GRASS GIS
SAGA GIS
SAGA GIS
HEC-RAS
• 1D hydrodynamický
model
• Nástupce modelu HEC-2
• GUI
HEC-RAS Výhody:
 freeware
 nenáročný na systémové
prostředky
 možnost kombinace s
HEC-HMS (okrajové
podmínky atd.)
 napojení na GIS – pre- a
postprocesing v HECGeoRAS
pro ArcView GIS a
ArcGIS
 pokročilé GUI
 řešení transportu
sedimentů a stability koryt
vodních toků
Nevýhody:
 absence API
 absence dávkového
spouštění
MIKE 11
www.dhisoftware.com, www.dhi.cz/czech/
1D hydrodynamický model
Výhody:
 nenáročný na systémové
prostředky
 kombinace s ostatními
modely DHI (MIKE SHE,
MIKE 21c)
 GIS pre- a postprocesing v
MIKE 11 GIS
 pokročilé GUI
 řešení transportu
sedimentů, kvality vod a
stability koryt vodních toků
Nevýhody:
 absence API
 cena
MIKE 11 GIS
MIKE 21c
MIKE FLOOD
SWAT
Hydrologický a dynamický erozní
model pro ArcView GIS a ArcGIS.
Výhody:
 freeware
 práce v GIS projektu
 komplexnost modelu
 kvalitní dokumentace
Nevýhody:
 absence API
 absence dávkového spouštění
 komplikovaná editace databází
 komplikovaná správa
hydrometeorologických dat
SWAT
http://swatmodel.tamu.edu/software/swat-model
SWAT
WMS
http://www.aquaveo.com/wms
 Rozhraní (GUI) a
preprocesor pro s-o a
hydraulické modely
 Podpora HEC (HEC-1,
HEC-RAS)
 Dále modely GSSHA,
HSPF, TR-55 ad.
 Podpora ESRI shapefile
 Podpora GIS funkcionalit
HYDROG
Původní OS platforma: MS DOS 5.0 / MS Windows 3.1 a vyšší
Poslední verze: 9.1. (OS Windows 9x / 2000 / XP / Vista / 7 - x32)
Autor: Prof. Miloš Starý / Hysoft Brno
http://www.hysoft.cz/?id=2
HYDROG
Program je primárně určen pro
operativní hydrologickou
prognózu a řízení VH soustav.
Výhody:
 kalibrační koeficienty,
automatická kalibrace
 řízení VH soustav
 rychlý výpočet
Nevýhody:
 absence API
 neexistuje přímé napojení na
GIS
 obtížná schematizace povodí
v GUI programu
EPA SWMM
http://www.epa.gov/nrmrl/wswrd/wq/models/swmm/index.htm#Applications
 Validovaný a
rozšířený model
urbánní hydrologie
 Otevřený
zdrojový kód
 Poměrně
komfortní
uživatelské
rozhraní
 Kvantita i
kvalita vody
 Součástí
projektů EPA
BASINS nebo
MIKE URBAN
DHI ECO Lab
http://www.mikebydhi.com/Products/ECOLab.aspx
Několik ukázek výstupů na
závěr…
Výsledky hydrodynamických modelů MIKE 11 a
HEC-RAS
- „rekonstrukce“ rozlivu 24. června 2009 se
zaměřením na soutok Vojtovického potoka se
strouhou
0.00
5.00
10.00
15.00
20.00
25.00
30.00
35.00
40.00
45.00
01VI2009 05VI2009 09VI2009 13VI2009 17VI2009 21VI2009 25VI2009 29VI2009
přítok[m3/s]
datum
pro Hmax=60mm
pro Hmax=70mm
pro Hmax=80mm
pro Hmax=90mm
pro Hmax=100mm
Přítok do poldru
0.00
1.00
2.00
3.00
4.00
5.00
6.00
7.00
01VI2009 05VI2009 09VI2009 13VI2009 17VI2009 21VI2009 25VI2009 29VI2009
průtok[m3/s]
datum
60mm
70 mm
80 mm
90mm
100mm
Hmax
Průtok závěrovým profilem povodí
Výsledky simulací – fluviální eroze
MIKE 11 – transport sedimentů
MIKE SHE – povrchový odtok a transpirace
Děkuji za pozornost
E-mail: jan.unucka@vsb.cz