Monitoring

OBSAH PŘEDNÁŠKY
1/ ÚČEL MĚŘENÍ SRÁŽEK
2/ TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
- klasická filosofie
- současná filosofie
MĚŘENÍ SRÁŽEK
3/ DRUHY SRÁŽEK
4/ ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY DEŠTĚ
5/ POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA
6/ UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU
7/ PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK
ÚČEL
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
• K čemu jsou srážková data v městském odvodnění?
- Návrh stokového systému (objektů)
1/ Odhad množství povrchového odtoku
Qmax = q .  . A
Klasická filosofie
Současná filosofie
Historická dešťová řada
Historická dešťová řada
(X dešťů)
Statistické zpracování
návrh dimenzí potrubí
- Posouzení funkce stokového systému (objektů)
X efektů v síti
Syntetický déšť
(určitá periodicita výskytu)
1/ Kalibrace a verifikace simulačních prostředků
2/ Posouzení funkce
- zatížení kalibrovaného modelu srážkou či řadou srážek
3/ Orientační posouzení funkce
- zatížení screeningového (nekalibrovaného) modelu
Efekt v síti
(stejná periodicita výskytu)
Statistické zpracování
- Řízení systému v reálném čase
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
Klasická filosofie
ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ
• definují vztah mezi srážkou charakterizovanou její dobou
trvání a úhrnem (a tedy intenzitou, resp. vydatností) a její
periodicitou výskytu
RAINFALL [my-m/s]
35.0
30.0
25.0
20.0
Historická dešťová řada
15.0
• vychází ze statistického zpracování historické dešťové řady
10.0
5.0
0.0
14-9-1922
Statistické zpracování
27-1-1924
10-6-1925
• použití pro návrh stokových sítí racionální metodou
Qmax = q .  . A
=> ztráta informací
Syntetický déšť
(určitá periodicita výskytu)
• pro Čechy a Moravu odvozeny v 50.letech Ing.Truplem pro
Znojmo
96 stanic
Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba
500
450
400
Efekt v síti
(stejná periodicita výskytu)
vydatnost [l/s/ha]
350
300
250
200
150
p=0,05
p=0,1
p=0,2
p=0,5
p=1
p=2
p=5
100
50
0
0
20
40
60
80
doba trvání t [t]
100
120
140
t
5
10
15
20
30
40
60
90
120
5
123
78.4
56.7
44.6
31.9
25.4
18.1
13
10.1
Intenzity v l/s ha při periodicitě p
2
1
0.5
0.2
198
260
320
404
133
180
228
294
98.9
136
175
229
79.2
110
143
188
57.9
81.5
106
141
46.3
65.1
85.2
113
33.2
46.9
61.4
82
23.7
33.5
44.1
59.2
18.8
26.4
34.9
46.7
0.1
467
345
271
223
167
134
97.9
70.5
55.7
0.05
529
397
313
258
193
156
114
82.3
64.9
1
ČÁRY NÁHRADNÍCH VYDATNOSTÍ
SYNTETICKÉ DEŠTĚ
• odvozeny z čáry náhradních vydatností pro zachycení
časového průběhu intenzity jednoho deště
řada typů
– blokový déšť
– Šifaldův déšť
– Chicago
– Čížkův déšť
– Dorsch Consult
Čára náhradních vydatností pro stanici Praha-Podbaba
500
Blokový déšť
450
400
RAINFALL [my-m/s]
14.0
13.0
12.0
11.0
10.0
9.0
8.0
vydatnost [l/s/ha]
350
7.0
6.0
5.0
300
4.0
3.0
2.0
250
1.0
0.0
17:50:00
5-5-1923
200
18:00:00
18:10:00
18:20:00
150
18:30:00
p=0,05
p=0,1
p=0,2
p=0,5
p=1
p=2
p=5
100
50
0
0
20
40
60
80
100
120
140
doba trvání t [t]
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
STATISTICKÉ ZPRACOVÁNÍ
Veškeré statistické výpočty, bez ohledu na to jak sofistikované,
redukují množství informací obsažených v původním záznamu.
Syntéza, která je výsledkem veškerých statistických operací, je
pouze užitečným nástrojem pro praktické aplikace.
(Arnell a kol., 1984)
RAINFALL [my-m/s]
35.0
Současná filosofie
30.0
25.0
20.0
Historická dešťová řada
(X dešťů)
15.0
10.0
5.0
0.0
14-9-1922
Ztráta informací o:
tvaru, objemu, době trvání deště, maximální
intenzitě, srážkové historii povodí
27-1-1924
10-6-1925
simulační prostředek
! nutná kalibrace, verifikace !
Důsledek:
nereálný průběh odtoku, objem hydrogramu,
špičkového průtoku
OK
Simulační prostředek
recipient
hladinoměr/průtokoměr
Q, v, h v OK
porovnání
Q, v, h v OK
DÉŠŤ JAKO ZATĚŽOVACÍ STAV
Statistika deště
≠
Statistika efektu
dešťoměr
Statistické zpracování
Statistika Reálný
efektu
efekt
KALIBRACE A VERIFIKACE
X efektů v síti
• čáry náhradních vydatností – blokový déšť
- ztráta informace o tvaru deště
- ztráta informace o maximální intenzitě
- ztráta informace o objemu deště
• jiné syntetické deště
- snaží se potlačit uvedené nevýhody
• reálná dešťová událost
- výběr jedné reprezentativní události
• historická dešťová řada
- kontinuální simulace
- výběr dešťů
2
TYP ÚLOHY vs. SRÁŽKOVÁ DATA
Návrh stokového systému
Čáry náhradních vydatností
Čáry náhradních vydatností a syntetické deště
jednoduché
Syntetické deště
statistika deště ≠ statistika efektu
dtto; lepší popis transformace vlny
Reálné deště / hist.dešť.řada
ZDROJE SRÁŽKOVÝCH DAT
problematické použití nekalibrovaného modelu
Trupl, 1958
- Intensity krátkodobých dešťů v povodích Labe, Odry a Moravy
Čerkašin, 1963 - průměrné hodnoty pro povodí Labe, Odry a Moravy
Němec, 1965
- teoretické křivky pro různé oblasti
…podrobnosti viz např.: Kemel (1996) - Klimatologie, meteorologie a hydrologie
Kalibrace simulačního prostředku
Reálné deště
Čáry náhradních vydatností
nelze použít
Syntetické deště
Reálné deště
jediná možnost
Syntetické deště
Historická dešťová řada
…podrobnosti viz např.: tento předmět
Historické dešťové řady
Posouzení chování stokového systému
Čáry náhradních vydatností
Vlastní střednědobý monitoring – zpravidla jedna sezóna
posuzuje fiktivní situaci, nevypovídá o
dlouhodobém chování stokového systému
Český hydrometeorologický ústav
Povodí Labe, Vltavy atd.
Výzkumný ústav vodohospodářský TGM
reálné výsledky, vypovídá o dlouhodobém chování
DRUHY SRÁŽEK
ZÁKLADNÍ CHARAKTERISTIKY
Podmínky vzniku
•
•
•
•
i, q
Kondenzace vodní páry při výstupu – adiabatické ochlazování
Přítomnost kondenzačních jader
Vznik oblaků – vodní, ledové
Vypadávání srážek
h
T
Druhy
• podle typu
- padající srážky (vertikální):
déšť, sníh, kroupy, mrholení, …
- usazené srážky (horizontální): rosa, jinovatka, námraza, …
• podle proudění
- cyklonální (ne/frontální) – prostorově rozlehlé >1*102 km2
- konvektivní – vesměs lokální (několik km2), rozdílná intenzita, krátká
doba trvání (< 1 hod.) tzv. bouřky z tepla
- orografické – vázány na geografii, lokální x regionální, intenzita a
doba trvání značně rozdílná
POŽADAVKY NA DEŠŤOVÁ DATA
Ideálně
• doba záznamu:
20 let a víc (posouzení)
dvojnásobek zkoumané četnosti
1-2 sezóny (kalibrace, verifikace)
• časový krok záznamu:
1 minuta
• hustota dešťoměrných stanic
1 stanice/km2
dle velikosti povodí a financí
• časová synchronizace
< 1 minuta
• objemová chyba
< 3%
• mezery v záznamech
žádné
…intenzita/vydatnost okamžitá/průměrná
…jednotky intenzity: mm/min, mm/hod, m/s
…jednotky vydatnosti: l/s/ha
…srážkový úhrn
…jednotky: mm
i=h/T
…trvání deště
…jednotky: min
Pozor na přepočty !!!
x
1
m
l
x
s
s.ha
m
2
s  m.s.ha  m.ha  0,000001m.10000 m  0,01  10
l
s.l
l
0, 001m 3
0,001
s.ha
DOBA ZÁZNAMU
• monitoring probíhá sezónně
- cca březen až listopad
- sněhové srážky jen vyhřívané dešťoměry
- použití záznamů sněhových srážek problematické
- trvání deště cca 3 – 5% roku (tj. cca 11 – 18 dní)
• historické dešťové řady
- v ČR nejdelší z Klementina 200 let (od 1804)
- reálně použitelné řady (dostatečné rozlišení) cca 100 let
- např. Telč
od roku 1895
Praha–Karlov
od roku 1921
- velký rozvoj po roce 1990
• dlouhá řada ze vzdálené stanice vs. krátká řada z blízké stanice
- záleží na účelu měření
- Praha
průměr 541 mm (z let 1951 – 1990)
min Radotín 507 mm; max Průhonice 597 mm
3
ČASOVÝ KROK ZÁZNAMU
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
• omezen možnostmi přístrojů
• Plošné rozdělení deště má největší vliv na kvalitu výsledků
povrchového odtoku
• vliv na výpočet
– mírně senzitivní pro výpočet proteklého objemu a doby
koncentrace
– středně senzitivní pro výpočet průtoků
– značně senzitivní na špičkový průtok Qmax (>20 %)
• nemá vliv na úlohy hledání extrémních návrhových hodnot
pro jednotlivé efekty na stokové síti
• starší typy dešťoměrů (např. ombrograf)
– jemnost kroku dána kvalitou surových dat a způsobem
digitalizace
• jeho znalost je nutná pro práci s jednotlivými dešťovými
událostmi (posouzení, přetížení)
• moderní přístroje
– záznam ekvidistantní srážkové výšky
– kontinuální měření
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
časové rozložení
Příklad z výzkumu (Lei, 2000)
RAINFALL [my-m/s]
• povodí Schwamendingen
17.0
16.0
15.0
- 0,4 km2 celkové plochy
- 0,15 km2 nepropustné plochy
- 8 dešťoměrů
- zachyceno 55 dešťových událostí
14.0
13.0
12.0
prostorové rozložení
11.0
10.0
9.0
8.0
7.0
6.0
5.0
3.0
B
2.0
1.0
0.0
-1.0
11:00:00
1-8-1997
11:15:00
11:30:00
11:45:00
12:00:00
12:15:00
1
2
3
4
5
6
Počet událostí s
chybou > 20 %
13
24%
11
20%
1
2%
3
6%
1
2%
0
0%
Počet událostí s
chybou > 10 %
29
53%
16
29%
8
15%
7
13%
5
9%
4
7%
Počet dešťoměrů
4.0
12:30:00
A
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
HUSTOTA DEŠŤOMĚRNÝCH STANIC
Vzdálenost dešťoměrných stanic od povodí
Vliv hustoty dešťoměrných stanic na kalibraci modelu
• nejednoznačné výzkumy, zkušenosti
1.8
1.6
1.4
1.2
Q (l/s)
• hydrologické metody pro stanovení srážkové výšky na
povodí ze sítě dešťoměrných stanic
– metoda aritmetického průměru
– Thiessenova metoda
– metoda izohyet
1.0
real
realreal
real
thiessen
vodojem
Aqua
ČOV
0.8
0.6
0.4
ČOV
0.2
0.0
1
11
11
21
21
31
31
41
41
51
51
6161
61
7171
71
čas
čas
4
ČASOVÁ SYNCHRONIZACE
• bez synchronizace zpravidla horší výsledky než z 1 stanice
• pozor na letní vs. zimní čas
• nemožná zpětná kontrola
OBJEMOVÁ CHYBA
• až 25% chyba v objemu srážky
• kalibrace dešťoměru před měřením
• ověření kalibrace po skončení měření
MEZERY V ZÁZNAMECH
• pravidelná údržba v terénu
UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU
• správná volba počtu stanic
- 1 dešťoměr
pro velmi malá povodí
- 2 dešťoměry
neumožňují popis prostorového rozložení
druhý dešťoměr je záložní
- 3 dešťoměry
minimum pro popis prostorového rozložení
- více dešťoměrů pro rozsáhlejší povodí
• správné umístění stanic
- 1 dešťoměr
pokud možno v centru (těžišti) povodí
- 2 dešťoměry
nepříliš daleko od sebe, podobné lokality
- 3 dešťoměry
do trojúhelníku (pokud možno rovnostranný)
- více dešťoměrů dle konfigurace území, nejlépe do mřížky
• ochrana stanic
- instalovat do chráněných území – ČOV, vodojemy, školy apod.
• pravidelná údržba a opravy mezi sezónami
UMÍSTĚNÍ STANIC V TERÉNU
Zásady instalace
• volné prostranství
- pozor na zavlažovací zařízení
- pozor na otřesy
• pokud možno větrný stín
- těžko odhadnutelné
• vzdálenost okolních objektů min. dvojnásobek jejich výšky nad
sběrnou plochou (raději 3-5 násobek)
• vodorovné ustavení sběrné plochy
• sběrná plocha alespoň 1 m nad terénem
• lepší instalace v úrovni terénu než na střeše
TOTALIZÁTOR
PŘÍSTROJE NA MĚŘENÍ SRÁŽEK
• totalizátory
- záznam úhrnu za určité časové období
• ombrografy
- kontinuální záznam součtové čáry intenzit
• člunkové dešťoměry
- záznam srážkového úhrnu s ekvidistantním krokem
• váhové dešťoměry
- kontinuální záznam součtové čáry objemu deště
• meteorologické radiolokátory (dešťové radary)
- prostorová informace!!!
- záznam odrazivosti cíle, skládající se z velkého
množství vodních a ledových částic
• disdrometry
- kontinuální záznam velikosti a rychlosti hydrometeorů
TOTALIZÁTOR
• těžko přístupná místa bez možnosti pravidelné obsluhy a
dálkového přenosu dat
• zachycuje veškeré srážky
• přídavek CaCl2 (nemrznoucí směs)
• přídavek vazelínového oleje (omezení
vypařování)
• pro účely MO nevyužitelný (nezachycuje
intenzitu, pouze úhrn)
5
OMBROGRAF
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
• nejčastěji využívaný přístroj v ČR do 90.let 20.století
• Truplovy čáry náhradních vydatností odvozeny s historických řad měřených ombrografy
Doba trvání 10 min
Srážková výška deště [mm]
• nepřesné vyhodnocení
záznamů
• plovákový princip
20
10 min
3.5
mm
15
10 min
10
4.9
mm
5
0
0
1
2
3
4
Doba trvání deště [h]
• častá poruchovost – zastavení hodin, ucpání
násosky, porucha plováku
• dnešní elektronické typy spolehlivější
• dnes se od použití tohoto typu upouští
• plocha
200 / 500 cm2
• rozlišení
0,2 / 0,1 mm
• vytápěný / nevytápěný
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
Zásady provozu
• kalibrace před umístěním do terénu a po demontáži
- statická kalibrace
- dynamická kalibrace
Chyby měření
• špatná/žádná kalibrace
- až >25%
• ucpaný ustalovací válec
- mezera v záznamech
• špatně umístěný přístroj
- nereprezentativní data
• přesnost přístroje
• venkovní vlivy
- nejistota měření
ZDROJ SYSTEMATICKÝCH CHYB
VÝZNAM
vítr
smáčení
evaporace
rozstřik
mechanická funkce
0 - 30%
2 - 10%
0 - 4%
1 - 2%
0 - 15%
Error of measurement ERR i [%]
30%
5
bez kalibrace
0,20
20%
kalibrace 2001
4
10%
0,15
Discharge Q [m 3/s]
- rozdílná strmost
křivek
 Vývoj chyby Q v čase
0%
-10%
-20%
0
50
100
150
Generated intensity iP [mm/h]
 Stárnutí mechaniky musí být uvažováno
 Neexistuje univerzální kalibrační křivka
3
0,10
2
0,05
Relative error [-]
- rozdílný tvar
křivek
(Rauch, 1998)
Vliv na srážko-odtokové simulace
40%
- srovnatelná stat.
kalibrace
člunek
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
Stárnutí srážkoměrů
2001
nálevka
- zvyšuje se s intenzitou srážky
- postihuje se dynamickou kalibrací
- kalibrační křivka
Chyba překlopení
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
 Kalibrační
“Průměrné”
křivky 2005
ustalovací válec
Systematické chyby měření
• pravidelná údržba
- výměna baterií
- čištění ustalovacího válce
kalibrace 2005
vs.
Další systematické chyby
1
0
2:30 PM
0,00
3:00 PM
3:30 PM
4:00 PM
4:30 PM
Relativní chyba
Date & time
6
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
ČLUNKOVÝ DEŠŤOMĚR
Název grafu
1/
- výpočet objemu člunku
- záchytná plocha 200/500 cm2
- rozlišení člunku 0,2/0,1 mm
2/
- změření současného objemu člunků
- vyrovnání dešťoměru
- změření objemu biretou – rozlišení 0,1 ml
3/
- kalibrace objemu
- kalibrace objemu člunku stavěcími šrouby
4/
- ověření kalibrace
- po finálním nastavení 5x změřit každý člunek,
statisticky vyhodnotit výsledky (chyba ± 3%)
Dynamická kalibrace
18%
Error no static
Polynomický (Error no static)
16%
2
y = -3E-07x + 0.0005x + 6E-07
2
R = 0.9916
14%
• zachycení chyby plynoucích
z mechaniky dešťoměru
12%
Chyba [%]
Statická kalibrace
• kalibrace objemu člunku při překlopení
10%
8%
6%
4%
2%
0%
0
50
100
dešťoměr
Dávkovací
čerpadlo
150
200
250
Vydatnost [l/s/ha]
350
400
Datalogger
data
porovnání
Váha
VÁHOVÝ DEŠŤOMĚR
300
DEŠŤOVÝ RADAR
• kontinuální záznam hmotnosti nádoby s
akumulovanou srážkou
• vysílač krákých vysokoenergetických elmg. pulsů (100 kW)
(mikrovlny)
• problém s filtrací jevů ovlivňujících vážení
- nečistoty v záchytném válci
- vítr (větrné zábrany)
- výpar (přidání oleje)
• odraz vlnění od překážek, vyhodnocení intenzity a doby
návratu signálu
• prostorová informace – popisuje situaci na ploše (ostatní
typy poskytují pouze bodovou informaci !!!)
• dosah 100-200 km
• vysoká citlivost měření
až 0,01 mm
• rozlišení
ČHMÚ 2 x 2 km
• snímkování ČHMÚ 1 x 15 min
experiment
100 x 100 m
experiment
1 x 5 min
• komplikovaná instalace
• mnoho rušivých vlivů
• pro MO velký potenciál do budoucna, ALE…
DEŠŤOVÝ RADAR
DEŠŤOVÝ RADAR
• pro MO velký potenciál do budoucna, ALE…
• jedná se o nepřímé měření – převod odrazivosti na intenzitu
- nutná kalibrace tzv. Z/R vztahu
- závisí např. na rovnoměrnosti rozložení hydrometeorů v
prostoru, jejich velikosti a tvaru
• měření probíhá v určité úrovni nad terénem
- prevence odrazu od budov a jiných pevných překážek
- ve městském povodí významné
• anomální propagace paprsku
- lom paprsku za určitých podmínek
- např. velký vertikální teplotní gradient (noční inverze)
- v důsledku lomu náraz paprsku do země – falešné echo
Skalky u
Protivanova
Brdy
Praha
7
SLOVNÍČEK
DISDROMETER
• mikrovlnná či laserová technologie
• umožňuje měřit úhrn a intenzitu deště,
velikost hydrometeorů (>0,16mm)
a jejich rychlost
• 2D video technologie umožňuje měřit tvar kapek/vloček
Srážka
Déšť
Dešťová událost
Návrhový déšť
Blokový déšť
Dešťová řada
Čáry náhradních vydatností
• umožňuje rozlišit mrholení, déšť, krupobití, sníh atd.
• rozsah měřených vydatností: 0,01 – 700 l/s/ha
• problémy
- hmyz, prach
- kapka na zrcadle
• v MO dosud nevyužívány, ale…
Plošné rozdělení
Úhrn
Trvání
Intenzita, vzdatnost
Dešťoměr
Totalizátor
Ombrograf
Člunkový dešťoměr
Dešťový radar
Deštník
Precipitation
Rain / Storm
Rain event / Storm event
Design storm
Uniform storm
Rain series
Intensity-Duration-Frequency Curves
(IDF curves)
Spatial distribution
Depth
Duration
Intensity
Rain gauge
Totalisator
Ombrometer
Tipping bucket rain gauge
Weather radar
Umbrella
ZDROJE INFORMACÍ
Český hydrometeorologický ústav
Výzkumný ústav vodohospodářský TGM
Povodí Labe
Povodí Vltavy
World Meteorological Organisation
www.chmu.cz
www.vuv.cz
www.pla.cz
www.pvl.cz
www.wmo.ch
VÝROBCI
Anemo - ČR
Fiedler elektronika pro ekologii – ČR
Meteoservis - ČR
Ott - Německo
Thies - Německo
SEBA - Německo
Vaisala – Finsko
www.anemo.cz
www.fiedler-magr.cz
www.meteoservis.cz
www.ott-hydrometry.de
www.thiesclima.com
www.seba.de
www.vaisala.com
…a je po dešti
8