Hydrologické modelování a jeho uplatnění v praxi

Úvod

Hydrologické modelování je klíčový nástroj pro pochopení chování vody v krajině a pro predikci dopadů různých faktorů, jako jsou změny klimatu nebo lidské zásahy, na vodní režim. V České republice hraje hydrologické modelování významnou roli v mnoha oblastech, od operativní hydrologické služby až po posuzování bezpečnosti vodních děl. Tento článek se zaměřuje na uplatnění hydrologického modelování v praxi, zejména s ohledem na aktivity Českého hydrometeorologického ústavu (ČHMÚ), a demonstruje jeho široké spektrum využití.

Využití GIS v hydrologii ČHMÚ

Technologie geografických informačních systémů (GIS) se staly nepostradatelnou součástí hydrologie v ČHMÚ. Zpracování geoprostorových dat a rozvoj GIS technologií umožnily rozšíření GIS v praxi ČHMÚ. GIS neslouží pouze k tvorbě statických mapových výstupů, ale především jako nástroj pro zpracování a analýzu dat.

Historie a vývoj GIS v ČHMÚ

Technologie GIS se v ČHMÚ objevila koncem první poloviny 90. let díky projektu Environmental Protection Agency (EPA) v letech 1993-1997. V rámci tohoto projektu získal úsek hydrologie ČHMÚ pracovní stanici AV 400 a softwarové licence ArcView a ARC/INFO. V počátečním období bylo hlavním cílem digitalizovat stávající mapové podklady a vytvářet jednoduché mapové výstupy. V letech 1996-1997 došlo k podstatnému zlepšení situace díky dobudování celoústavní počítačové sítě a nákupu dalších licencí ArcView, což vedlo k rozšíření uživatelů GIS na centrálním pracovišti hydrologie v Praze i na vybraných pobočkách. Pro práci s GIS byly nezbytné datové vrstvy, které byly pořízeny v roce 1994 v rámci grantu Ministerstva životního prostředí ČR. Jednalo se o datové vrstvy DMÚ200 a DMR-2. Od roku 1997 započalo pořizování datových vrstev GIS v rámci pracovních kapacit ČHMÚ, zejména bodové vrstvy pozorovacích objektů povrchových a podzemních vod a srážkoměrných pozorování. Zásadním zlomem bylo získání digitální verze vojenských topografických map DMÚ25 v roce 2001, která umožnila zpřesnit vrstvu rozvodnic základních povodí a odvodit rastrovou vrstvu nadmořských výšek terénu. Dalším milníkem byly výzkumné projekty QD1368 a VaV 1D/1/5/05, v rámci kterých byly odvozeny rastrové vrstvy N-letých maximálních srážek a získány vektorové vrstvy infiltrační schopnosti a retenční vodní kapacity půd. Od ledna 2013 se stala základními digitálními GIS podklady data ZABAGED, z nichž byly odvozeny či aktualizovány nové vrstvy DMR a rozvodnic základních povodí. Souběžně s vydáváním aktualizovaných vrstev Corine Land Cover byly rovněž aktualizovány rastrové vrstvy hodnot CN. Aktuálně probíhá zpřesňování vrstvy rozvodnic základních povodí s využitím digitálního modelu reliéfu 5. generace (DMR 5G) a verifikované vrstvy vodstva.

Příklady využití GIS v ČHMÚ

  • Tvorba dat GIS: Jedním ze základních podkladů pro analytické práce v hydrologii je polygonová vrstva rozvodnic povodí 4. řádu. Od roku 2018 probíhá aktualizace, respektive nové vytvoření těchto dat, a to na podkladě Digitálního modelu reliéfu 5.
  • Příprava vstupních podkladů pro odvození hydrologických charakteristik M-denních průtoků: GIS se využívá pro přípravu vstupních podkladů pro odvození hydrologických charakteristik M-denních průtoků, které patří dle ČSN 75 1400. Hydrologické údaje povrchových vod mezi základní hydrologické údaje.
  • Zpracování hydrologických posudků: Byla vyvinuta speciální aplikace, která umožňuje odvodit základní fyzickogeografické charakteristiky povodí z digitálního modelu reliéfu (sklon povodí, délka a sklon údolnice) a další potřebné charakteristiky pro zpracování hydrologických posudků dle ČSN 75 1400.
  • Operativní hydrologická služba: GIS se využívá ve vývoji indikátoru přívalových povodní, který stanovuje míru rizika vzniku či výskytu přívalové povodně na základě aktuální nasycenosti půdy a radarových odhadů srážek.

Trendem je přechod od statických map na webových stránkách ČHMÚ a v publikacích k dynamickým webovým mapám, které mají přidanou hodnotu ve formě interaktivity a možnosti analýzy dat.

Správa datové sady rozvodnic povodí 4. řádu

Plocha povodí je základním podkladem při odvozování standardních i nestandardních hydrologických údajů dle normy ČSN 75 1400. Hydrologické údaje povrchových vod. První členění vodních toků podle hydrologického pořadí bylo provedeno v rámci zpracování Hydrologických poměrů ČSSR v roce 1965. Zde byly vyčleněny toky s vlastním vyvinutým korytem a plochou povodí větší než 5 km2. Hydrologické členění je uvedeno v tabulkovém přehledu publikace a v přiložených mapách v měřítku 1 : 200 000. Součástí přehledu základních ploch povodí jsou dále informace o názvu toku, řádu toku, délce toku, tvaru povodí, lesnatosti a také informace, zda se jedná o levostranný, nebo pravostranný přítok. Číslo hydrologického pořadí mělo v té době formát osmi číslic (1-22-33-444), které určovaly příslušnost daného toku k evropskému rozvodí (Labe, Dunaj, Visla, Odra) a dále k podrobnějším dílčím povodím. Tím bylo zároveň definováno dělení hydrologického pořadí vodních toků na jednotlivé řády (tzv. povodí 1. až 4.

Čtěte také: Vícekriteriální kalibrace v hydrologii

Od té doby proběhly tři velké aktualizace datové sady rozvodnic. Nejprve to byla digitalizace rozvodnic v měřítku 1 : 25 000 z vojenských topografických map současně s rozšířením čísla hydrologického pořadí o jednu číslici na devět pozic (1-22-33-4444). Druhá aktualizace proběhla v letech 2008-2012, kdy byla pro referenční měřítko 1 : 10 000 využita struktura vodních toků DIBAVOD (Digitální báze vodohospodářských dat) a kde bylo zároveň číslo hydrologického pořadí rozšířeno na současných 14 číslic (1-22-33-4444-5-66-77), což umožnilo strukturovat dělení povodí k profilům hrází vodních děl, mimoúrovňovým křížením a k profilům vodoměrných stanic. Aktualizace probíhala nad rozšířenou sadou povodí 4.

Poslední aktualizace datové sady rozvodnic začala po dokončení DMR 5G a zpřesnění vrstvy vodních toků na základě leteckého laserového skenování v Českém úřadu zeměměřickém a katastrálním (ČÚZK) začátkem roku 2018. Samotná editace/aktualizace rozvodnic probíhá prostřednictvím desktopové aplikace ArcGIS Pro, licence Advanced na odděleních hydrologie poboček ČHMÚ a rovněž na oddělení povrchových vod centrálního pracoviště ČHMÚ. V databázi Oracle s nadstavbou ESRI SDE jsou uložena a prostřednictvím ArcGIS Enterprise sdílena veškerá potřebná podkladová data. Jejich využívání prostřednictvím SDE databáze či ArcGIS Enterprise zajišťuje aktuálnost a jednotnost dat napříč všemi zpracovateli. Odpadá potřeba vrstvu rozvodnic rozdělovat na jednotlivé části s ohledem na územní působnost poboček a po aktualizaci ji zase spojovat dohromady. Editace probíhá nad jednou celistvou vrstvou. Nad datovou sadou rozvodnic v databázi SDE jsou nastavena topologická pravidla zajišťující homogenitu editovaných dat. Zároveň jsou využívány letecké snímky a základní mapa 1 : 10 000 poskytované jako služby ArcGIS Serveru ČÚZK. Pro jednotný postup prací aktualizace datové sady rozvodnic povodí 4. řádu napříč pobočkami byl vytvořen závazný pracovní návod. Primárním zdrojem pro aktualizaci rozvodnic povodí 4. řádu je digitální model reliéfu 5. generace (DMR 5G) Zeměměřického úřadu (ZÚ) s rozlišením rastru 2 × 2 m. Dalšími nezbytnými podklady jsou informace o strukturálním a geometrickém uspořádání vodních toků. Geometrie vodních toků je přebírána z dat státního mapového díla ZABAGED, struktura páteřních vodních toků je určena také datovou sadou vodních toků ZABAGED s tím, že rozdíly mezi datovou sadou vodních toků CEVT (Centrální evidence vodních toků) využívanou správci vodních toků (státní podniky Povodí, Lesy ČR) a vrstvou vodních toků ze ZABAGED jsou řešeny v rámci Harmonizace páteřních vodních toků v projektu „ISVS Voda“. Nezbytnými podklady jsou další vrstvy ZABAGED, například vodní plochy, propustky nebo bodová vrstva s názvem „Uzlový bod říční sítě“, kde jsou v atributech obsažené informace o křížení, soutocích, pramenech či pseudouzlech (fiktivních soutocích či křížení) vodních toků. Jedním z hlavních a nejdůležitějších podkladů pro tvorbu rozvodnic jsou vrstevnice. Jelikož v současné době nejsou k dispozici pro celé území ČR vrstevnice odvozené z DMR 5G od ČÚZK, jsou rozvodnice aktualizovány nad vrstevnicemi generovanými „on the fly“ se stejnými parametry na všech pobočkách pomocí rastrového nástroje „Contour“ v aplikaci ArcGIS Pro. Jedná se de facto o rastrovou vrstvu, která se překresluje dynamicky podle velikosti měřítka mapy. Základní měřítko pro aktualizaci rozvodnic bylo na základě analýz stanoveno na velikost 1 : 1 000 tak, aby odpovídalo přesnosti digitálního modelu reliéfu a současně vyhovovalo dalšímu zpracování hydrologických údajů. Sada nástrojů hydrologické rastrové analýzy využívá vybraného digitálního modelu reliéfu pro výpočet a stanovení hydrologických prvků povodí - mj. říční sítě a rozvodnic. Některé rovinaté oblasti ČR jsou náročné na určení korektního vedení rozvodnic, proto bylo v oddělení povrchových vod vyvinuto a do ArcGIS Pro zakomponováno rozšíření v podobě nástroje (toolboxu) s názvem HydroDEM. Tento nástroj umožňuje automaticky generovat rozvodnice s využitím rastrových analýz DMR 5G při definování okrajových podmínek (parametry a použité vrstvy). Automaticky generovaná rozvodnice je však odvozena čistě nad digitálním modelem reliéfu a nezohledňuje antropogenní zásahy do vodních toků, jako jsou např. umělé náhony, mimoúrovňová křížení, podzemní úseky či propustky, které odvádějí vodu pod vyvýšenými silnicemi. Proces aktualizace datové sady rozvodnic s využitím DMR 5G je financován v rámci institucionální podpory dlouhodobého koncepčního rozvoje a bude pokračovat i v roce 2022. Dokončení aktualizace se předpokládá na konci roku 2022.

Odvození hydrologických charakteristik M-denních průtoků

M-denní průtoky patří podle ČSN 75 1400. Hydrologické údaje povrchových vod mezi základní hydrologické údaje, jež jsou poskytovány pro libovolný profil říční sítě. Výpočtům hydrologických charakteristik M-denních průtoků za referenční období 1981-2010 předcházelo odvození několika klimatologických charakteristik. Primárním klimatickým faktorem, který má největší vliv na odtokové poměry, jsou srážky. Dlouhodobá roční výška srážek na povodí je množství vody ze srážek spadlých na povrch daného území za daný časový interval. Dlouhodobá roční výška srážek na povodí patří mezi základní klimatologicko-hydrologické charakteristiky určující dlouhodobou hydrologickou bilanci povodí. Odvození rastru dlouhodobých ročních úhrnů srážek s využitím maxima dostupných údajů bylo proto jedním z hlavních cílů zpracování. Bodová data dlouhodobých ročních úhrnů byla interpolována do rastrové vrstvy metodou orografické interpolace, která byla vyvinuta v ČHMÚ [4]. Jako podklad byl použit rastr nadmořských výšek terénu v kroku 1 × 1 km shlazený3 v okolí 3 × 3 km. Mezi přednosti použité metody patří jednoduchost použití a zjišťování regresních vztahů v lokálním (regionálním) měřítku, nevýhodou je odvozování čistě lineárních regresních vztahů, kde velikost srážky závisí pouze na jediné veličině. Použitím shlazeného terénu je však tato nevýhoda částečně eliminována, neboť stanice o stejné nadmořské výšce, ale reprezentující zcela odlišné klimatické poměry, např. Velkým přínosem pro odvození rastrové vrstvy dlouhodobé roční výšky srážek bylo využití dat ze zahraničních zdrojů, které pomohlo zpřesnit údaje v příhraničních oblastech, zejména v oblasti Šumavy a Krušných hor, a dále v zahraničních územích, kde leží významná část povodí našich řek (např. Kombinací dlouhodobé roční výšky srážek a hodnoty dlouhodobé roční potenciální evapotranspirace lze vypočítat tzv. index aridity (viz obr. 2), což je poměr roční potenciální evapotranspirace a roční srážky. Pro odvození rastru roční potenciální evapotranspirace za období 1981-2010 byla využita data z 234 klimatologických stanic, které měly délku pozorování alespoň osm let. Nejprve byly vypočteny hodnoty měsíční potenciální evapotranspirace a odvozeny roční sumy. Metodika odvození dlouhodobého ročního odtoku za období 1981-2010 pomocí regresních vztahů z dlouhodobého průměrného ročního srážkového úhrnu a dlouhodobé roční potenciální evapotranspirace je popsána v publikaci [3]. Při odvození byly využity funkce mapové algebry aplikované na výše zmíněné rastrové vrstvy klimatologickýc…

Hydrologické modelování a změny v lesních společenstvích

V článku jsou prezentovány dílčí výsledky monitoringu a modelování na experimentálních lesních povodích Suchého, Sokolího a Slučího potoka, což jsou pravostranné přítoky Černé Opavy v CHKO Jeseníky. Tyto výsledky vznikaly od roku 2022 díky projektu NAZV č. QK22010189 „Vliv od-lesnění na vodní režim malých povodí“ s pracovním názvem DEFOREST, který evokuje také hlavní cíl projektu - pokusit se postihnout změny v dynamice porostů (rozpad, řízená a spontánní sukcese apod.) a v odtokovém režimu těchto povodí s ohledem na tzv. kůrovcovou kalamitu a na ni navazující kalamitní těžbu. Na všech těchto experimentálních povodích byl založen monitoring vybraných prvků hydrologického režimu (např. srážky na volné ploše, podkorunové srážky, objemové půdní vlhkosti, sněhoměrná čidla), včetně stacionárního měření vodních stavů v závěrových profilech všech tří dílčích povodí. Pro modelování porostních změn a hydrologické odezvy na tyto změny byly použity porostní modely (včetně vlastní vyvíjené aplikace DEFOREST) a hydrologické modely HEC-HMS, SIMWE, MIKE SHE a SWAT. V tomto příspěvku je prezentována aplikace vyvinutá v Českém hydrometeorologickém ústavu (ČHMÚ) pro podporu hydrologického modelování za primárního využití modelu HEC-HMS. Aplikace umožňuje hromadnou editaci vybraných parametrů schematizací modelu, automatické spouštění simulací, zobrazování vybraných výsledků simulací a komunikaci modelu HEC-HMS s GIS a dalšími vybranými modely, např. HEC-RAS nebo MIKE 11. Aplikace je koncipována tak, aby využívala pouze freeware a open source knihovny a je schopna provozu pod OS Windows i OS UNIX/Linux. Článek stručně popisuje současný stav vývoje aplikace a její funkcionality i pro čtenáře bez většího informatického zázemí. Další vývoj je nastíněn v poslední části příspěvku. Budoucí rozvoj aplikace je směřován k vyšší podpoře hydraulického modelování na úrovni samotné komunikace mezi modely HEC-HMS a HEC-RAS a také na úrovni automatické parametrizace a spouštění modelu HEC-RAS a jeho komunikace s ostatními nástroji, např.

Vliv klimatické změny na hydrologický režim

V tejto štúdii sa autori zaoberali vplyvom klimatickej zmeny na hydrologický režim a odtok vo vybranom povodí na Slovensku. Cieľom výskumu bol taktiež odhad zmien v lesných spoločenstvách pri zmene klímy na odtokové procesy v danom povodí. Použili sa dva scenáre zmeny využitia krajiny s lesnými spoločenstvami a dva globálne scenáre zmeny klímy. Scenáre zmeny využitia krajiny boli vytvorené pre celé územie Slovenskej republiky na Technickej univerzite vo Zvolene. Na tento výskum boli tiež použité výstupy z regionálnych modelov zmeny klímy Koninklijk Neder-lands Meteorologisch Instituut (KNMI) a Max-Planck-Institut (MPI) - oba s emisným scenárom A1B. Za predpokladu týchto scenárov boli charak-teristiky hydrologického režimu simulované distribuovaným zrážkovo-odtokovým modelom WetSpa. Na základe výsledkov výskumu je možné odhadnúť, že teplota vzduchu by sa mala zvyšovať, najmä v zimnom období, čo by mohlo mať za následok menšiu akumuláciu snehu a zvýšený odtok v povodí. Povodie rieky Hron sa prejaví zvýšením priemerných mesačných prietokov, najmä počas jesenných a zimných mesiacov. Môže to byť spôsobené vyššími teplotami a skorším topením snehu v tejto oblasti. Vidíme však, že v dôsledku zmeny klímy bude odtok v letnom období reagovať opačne. V porovnaní so súčasným stavom sa predpokladá, že dôjde k nárastu extrémov odtokového režimu v zimnom období a poklesu v letnom a jesennom období.

Čtěte také: Ekonomický cyklus a podpora rodin

Vliv variability krátkodobých srážek na hospodaření s vodou

Příspěvek prezentuje část výstupů tříletého projektu Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině. Jeho cílem bylo odvodit a poskytnout uživatelům moderní formou dosud chybějící průběhy subdenních návrhových srážek a analyzovat vliv jejich variability na hydrologické modelování a navrhování staveb v krajině. Kategorizace povodí IV. Motivace pro kategorizaci povodí vychází z potřeby navazujícího hydrologického modelování v tříletém projektu Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině. V tomto projektu byly odvozeny typické průběhy návrhových srážek o délce trvání 6 hodin a prostřednictvím hydrologického modelování byl hodnocen dopad jejich variability na návrhové parametry užívané v projekční praxi i řadě odborných studií. V rámci využití nástrojů geografických informačních systémů (GIS) v hydrologickém modelování se do popředí dostávají tzv. webové služby, které uživatelům umožňují rychle a efektivně získat potřebná vstupní data pro vlastní modelování. Z hlediska jednoho z klíčových vstupů - návrhových dešťů - je tento deficit v rámci ČR značný.

Environmentální modelování jako studijní obor

Již ze samotného názvu se dá odvodit, že obor Environmentální modelování se zabývá životním prostředím a jeho modelováním. To se v současné době provádí především za pomoci počítačových programů a exaktních metod. Proto by zájemci o obor měli být alespoň mírně zdatní v matematice a výpočetní technice. Modelují se situace a procesy, které v přírodě mají nebo by měly nastat. Obor pod názvem Environmentální modelování se v současné době studuje pouze na Katedře vodního hospodářství a environmentálního modelování na České zemědělské univerzitě. Předměty, které se týkají modelování v geologii nebo obecně v životním prostředí, nalezneme však i v rámci jiných oborů. Fakulta životního prostředí České zemědělské univerzity vyučuje obor Environmentální modelování ve dvouletém prezenčním magisterském programu. Obor studenty naučí programování a modelování přírodních procesů, které jsou spjaty s neživou přírodou. Konkrétně se na ČZU zaměřuji na procesy hydrologické a hydraulické, dále na modelování chemických procesů a procesů v atmosféře. Obor přímo navazuje na tříleté bakalářské studijní obory Fakulty životního prostředí. Na realizaci studijního oboru se podílejí i externí firmy a instituce, jejich zástupci a odborníci se podílejí i na samotné výuce. Jsou jimi například DHI - Danish Hydraulic Institute nebo Hydroinform, a. Podmínkou pro přijetí do navazujícího magisterského oboru Environmentální modelování je absolvování jakéhokoli bakalářského studijního programu. Předměty jsou postaveny na kombinaci teoretických a praktických dovedností, mnohé nabyté znalosti studenti aplikují v semestrálních pracích. V prvním roce studia se především prohlubují znalosti z matematiky, matematického modelování a programování. Studenty by mohl zaujmout například předmět Aplikovaná hydroinformatika nebo Výpočetní hydraulika v říčních systémech. Oba předměty jsou vyučovány zaměstnanci DHI a přinášejí tak propojení teoretických znalostí a praxe. Dalšími předměty jsou například Geochemie, Hydraulika podzemních vod, Hydraulické modelování nebo Aplikovaná hydropedologie. Kdo má rád programování, bude jistě spokojen s předměty Počítačové modelování I. Jelikož je celé studium zaměřeno na vodní procesy a hydraulické a hydrologické modelování, naleznou absolventi uplatnění ve firmách, které jsou tímto směrem zaměřeny. Po celé studium jsou studenti v kontaktu se zástupci takových firem, mohou tedy hledat uplatnění například tam. Výuka klade důraz také na mezinárodní uplatnění. Mezi další oblasti, kde budou moci absolventi hledat zaměstnání, patří obory provozní, správní a řídící, dále poradenství, prognostika nebo výzkum. Co se týče výzkumu, absolventi se uplatní např. jako specialisté v hydroinformatice, matematickém modelování proudění povrchových a podpovrchových vod a hydrologických procesů. Program je vyučován v češtině i angličtině. Program „Environmentální modelování“ komplexně školí studenty v modelování přírodních procesů spjatých s neživou přírodou, jako je hydrologické a hydraulické modelování, modelování chemických procesů a procesů v atmosféře. K vysoké úrovni programu přispívají garanti předmětů z řad vědců a pedagogů z pražských vysokých škol a výzkumných institucí - Matematicko-fyzikální fakulty Univerzity Karlovy, ČVUT - Fakulty stavební, Dánského hydraulického institutu - DHI, a.s., Ústavu termomechaniky AV ČR, v.v.i. a Ústavu pro hydrodynamiky AV ČR, v.v.i. Absolventi naleznou uplatnění ve složkách provozních, správních, řídících, poradenských, prognostických, výzkumných apod.

Čtěte také: Modelování interiéru svépomocí

tags: #hydrologické #modelování #uplatnění

Oblíbené příspěvky: