Modelování hydrologických procesů I

Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
2. část
Hydrologický model
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Matematický model, modelový systém
„In mathematical expression represents model an algorithm of equation system solutions,
which describe a system structure and its behavior “.
Clarke, 1973
„Mathematical model is an abstract system interrelating in given time reference a sample of
input, cause or stimulus of matter, energy, or information, and a sample of output, effect,
or response information, energy, or matter“.
Fleming, 1975
2
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Vodní bilance
P = E + R + ∆W
P – úhrn srážek
E – výpar (evapotranspirace)
R – odtoková výška (povrchový,
podpovrchový)
∆W – změna objemu vody v povodí
Obr. Schéma vodní bilance a hydrologického cyklu
(Zdroj: Dietrich a Schöniger, 2003; Ritter, 2008)
3
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Postup řešení při využití modelování
1. Identifikace problému
2. Příprava modelu (shromáždění informací, selekce, rozdělení modelu)
3. Vytvoření modelu
4. Simulace
5. Ověření výsledku
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
4
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Hydrologické modely
•
modely jsou nepřesné a my víme, že jsou nepřesné
•
vstupní a okrajové podmínky jsou nepřesné a my víme, že jsou nepřesné
•
parametry měřené v laboratoři nemusí odpovídat těm v modelu a my to víme
•
pozorování, se kterými porovnáváme model jsou nepřesná a my víme, že jsou nepřesná
5
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
6
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Srážky (dešťové i sněhové)
- časové řady ze srážkoměrných stanic
- plošné úhrny srážek, které se vztahují k určité prostorové jednotce
Srážka [mm]
- modelování skutečných vs. teoretických událostí
- bodové vs. plošné srážky
60,0
40,0
20,0
0,0
1
- časový krok vstupních srážek
3
5
7
9
11
13
15
čas [hod]
Srážka [mm]
- modelování akumulace a tání sněhové pokrývky
60,0
40,0
20,0
0,0
1
3
5
7
9
11
13
15
Srážka [mm]
čas [hod]
80
60
40
20
0
1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415
čas [hod]
7
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Srážky (dešťové i sněhové)
Metody modelování úbytku sněhové pokrývky
− metody radiační bilance
− metody založené na degree-day modelu
Obr. Schéma radiační bilance systému atmosféra- zemský
povrch podle modelu SNTHERM (Zdroj: USACE, 2008)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
8
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Komponenty modelu
Struktura S-O modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Srážky (dešťové i sněhové)
- stanovení rozložení vodní hodnoty sněhu v povodí
- použití v hydroprognóze
- variantní simulace při různých výchozích podmínkách
350
180
Bystřice 1
979 m n. m.
Současný stav
300
Bystřice 3
758 m n. m.
160
Les
Současný stav
Les
140
Otevřená plocha
250
Otevřená plocha
SWE [mm]
SWE [mm]
120
200
150
100
80
60
100
40
50
20
0
25.3.06
0
27.3.06
29.3.06
31.3.06
2.4.06
4.4.06
6.4.06
25.3.06
27.3.06
29.3.06
Datum
40
300
Suchá
884 m n. m.
Současný stav
4.4.06
6.4.06
Současný stav
250
Les
30
Les
Otevřená plocha
Otevřená plocha
200
25
SWE [mm]
SWE [mm]
2.4.06
Datum
Jesenice
563 m n. m.
35
31.3.06
20
15
150
100
10
50
5
0
25.3.06
0
27.3.06
29.3.06
31.3.06
2.4.06
Datum
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
4.4.06
6.4.06
25.3.06
27.3.06
29.3.06
31.3.06
2.4.06
4.4.06
6.4.06
Datum
9
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
10
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace, intercepce
Evaporace: přímý výpar z povrchu při vyloučení fyziologických procesů vegetace.
Transpirace: Výpar z povrchu rostlin (dýchání)
Evapotranspirace ET = E + T
Aktuální ET – okamžitý výpar povrchu
Potenciální ET – výpar z určitého povrchu
(vegetace, volná vodní hladina) při daných
meteorologických podmínkách. Předpoklad
stále dostupné vody
Intercepce: Dočasné zachycení srážky na povrchu vegetace (listy, kmen).
11
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Komponenty modelu
Struktura S-O modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace, intercepce
Obr. Potenciální evapotranspirace (podle Haudeho) za hydr. rok 2001 na
stanici Fichtelberg v mm/d
3,0
PET [mm/den[
Obr. Průměrná roční PET [mm/den] v povodí
Pangani, Tanzanie (Zdroj: Moges et al., 2003)
Polynomická regrese
Potenciální evapotranspirace [mm/d]
2,5
2,0
1,5
1,0
0,5
1.9.2001
1.8.2001
1.7.2001
1.10.2001
Datum
1.6.2001
1.5.2001
1.4.2001
1.3.2001
1.2.2001
1.1.2001
1.12.2000
1.11.2000
0,0
Možné metody stanovení
− Potenciální výpar
− metoda podle Haudeho
− metoda podle Turce
− metoda podle Penmana
− Aktuální výpar
− Penman-Monteith model
− Renger a Wessolek
− Intercepce
− regresní model
− Rutter model
− Calder Model
12
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Odtok z povodí
Povrchový odtok
(surface runoff)
Přímý odtok (direct runoff)
Odtok (Runoff)
Podpovrchový odtok
(subsurface runoff)
Odtok v nenasycené zóně
půdního profilu (hypodermický
odtok, interflow)
rychlý
zpožděný
Odtok v nasycené zóně půdního
profilu (podzemní odtok,
groundwater flow)
Základní odtok
(base flow)
Obr. Schéma srážko-odtokového procesu (Zdroj: Johnson, D., 1999)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
13
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
14
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Povrchový odtok z povodí (surface runoff)
•
voda, která plošně odtéká po povrchu
•
nejrychlejší část odtoku
Vznik povrchového
odtoku
infiltration excess (překročení
infiltrační kapacity), tzv.
hortonovský odtok
saturation excess (překročení
retenční kapacity), tzv. dunneho
odtok
return flow (opětovná
„exfiltrace“ vody v nižších
částech svahu
Obr. Zdroj: Beven, 2001
Možné metody stanovení
- řídí se rovnicí kontinuity a zákona zachování energie
- výpočet podle Manning-Stricklera
- metoda kinematické vlny
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
15
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
16
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Hypodermický odtok (interflow)
•
odtok v nenasycené zóně půdního profilu
•
vzniká prouděním v mikro a makropórech
Obr.: Schematické znázornění proudění ve svahu. 1) Infitrace v mikro a
makropórech, 2) Povrchový odtok (včetně „return flow“), 3) Rychlý laterální
podpovrchový odtok v preferenčních cestách, 4) Odtok v mikropórech (podle
Baumgartner a Liebscher, 1996)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
Možné metody stanovení
− vychází z aplikace
Richardsových a Darcyho
rovnic proudění vody v
porézním prostředí
17
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
18
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Komponenty modelu
Struktura S-O modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Podzemní odtok
•
odtok z nasycené části půdního profilu
•
nejpomalejší část odtoku
Možné metody stanovení
− model lineární nádrže
− model exponenciálního poklesu
− model konstantního odtoku
− 2D a 3D model proudění podzemní
vody založený na metodě konečných
diferencí.
700.0000
Total
Hydrograph
600.0000
500.0000
Surface
Response
400.0000
300.0000
Baseflow
200.0000
100.0000
Obr.: Separace hydrogramu na
jednotlivé složky (Johnson, D., 1999)
0.0000
0.0000
0.5000
1.0000
1.5000
2.0000
2.5000
3.0000
3.5000
4.0000
19
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Komponenty modelu
Struktura S-O modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Přímý odtok (direct runoff)
- povrchový odtok + rychlá část odtoku v nenasycené zóně půdního profilu
Duration of excess
precipitation.
vzestupná větev (rising limb)
sestupná větev (falling limb)
doba koncentrace (time of concentration)
doba prodlení (lag time)
Lag time
Time of concentration
Base flow
Možné metody stanovení
− Metoda jednotkového
hydrogramu (UH – Unit
Hydrograph)
Obr.: Princip jednotkového hydrogramu (Johnson, D., 1999)
20
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Evapotranspirace
Povrchový odtok
Srážky
Odtok ze sněhu
Intercepce
Proudění v nenasycené zóně
Odtok v korytě
Proudění v nasycené zóně
Obr. Obecná struktura S-O modelu
21
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Odtok v korytě
1. Ustálené proudění (stationary flow, steady flow) – průtok
je v čase i prostoru konstantní.
− Rovnoměrné – hloubka, průtočná plocha a průřezová
rychlost jsou v každém příčném řezu konstantní. Je
popsáno Chezyho, Manningovou a DarcyWeisbachovou rovnicí.
− Nerovnoměrné – parametry jsou v prostoru
proměnné.
2. Neustálené proudění – průtok se mění v čase i prostoru
(nonstationary flow, nonsteady flow). Popisují ho SaintVenantova rovnice.
Možné metody stanovení
− Muskingum
− Muskingum-Cunge
− Kalinin-Miljukov
− Lag model
− model kinematické vlny
22
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Zadržování hmoty a energie je charakteristické pro mnoho přírodních i technických systémů:
- vody v říční síti, půdách, sněhové pokrývce
- živin v rostlinách
- energie v atmosféře
Jde o dynamické systémy (s časem se mění jejich charakteristiky)
Přítok Q0(t)
Q0(t) – Přítok do nádrže (časově variantní)
V(t) – Objem nádrže (časově variantní)
Q(t) – Odtok z nádrže (časově variantní)
k – retenční konstanta – vyjadřuje poměr mezi
objemem nádrže a odtokem z ní (časově invariantní)
Objem
nádrže
V(t)
V(t) = k.Q(t)
Odtok Q(t)
Obr.: Schéma lineární nádrže (Zdroj: Streit, 2008, upraveno)
23
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Přítok Q0(t)
Objem
nádrže
V(t)
Odtok Q(t)
24
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Komplexní modely nádrží
skládají se z n samostatných lineárních nádrží
- infiltrace vody postupně přes více
horizontů
- simulace kaskády vodních nádrží
- výpočet celkové intercepce různých
vegetačních pokryvů
- koncentrace odtoku v sousedících, ale odlišně
reagujících hydrotopech
Obr.: Schéma lineární kaskády a soustavy paralelních nádrží
(Zdroj: Streit, 2008)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
25
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Nashova kaskáda, Nashův model
Lineární nádrž
Soustava lineárních nádrží
Obr.: Jednotkový hydrogram jako lineární kaskáda. (Zdroj:
Dietrich a Schöniger, 2003; Alan A. Smith, Inc., 2008)
26
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Celistvé (lumped)
Matematické
modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
27
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Celistvé (lumped) modely
28
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Celistvé (lumped)
Matematické
modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
29
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Celistvé (lumped)
Matematické
modely
Distribuované
(distributed)
Semidistribuované
(semi-distributed)
0
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
0,5
1
2 km
¯
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
30
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Výběr vhodného modelu
• Přizpůsobivost místním podmínkám a úkolu, na který je model aplikován
• Schopnost simulovat odtokový proces v prostorovém i časovém kroku, který
odpovídá velikosti povodí
• Propojení srážko-odtokového modelu s podrobným korytovým (routing)
modelem
• Nutnost dopředu zjistit dostupnost dat, která jsou modelem vyžadována
• Vazba na podpůrné programy, např. pro zpracování dat, vytváření grafických
výstupů, zapojení GIS
• Komerční dostupnost modelu
• Dostupná systémová podpora, reference
31
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
MIKE-SHE - Srážko-odtokový model dánské
firmy DHI (Danish Hydraulic Institute)
•
patří do skupiny koncepčních
distribuovaných, případně semidistribuovaných modelů
•
kontinuální, tak pouze epizodní simulace
•
Modulární systém, umožňuje vývoj a
zapojení dalších komponent jako například
model šíření znečištění, eroze a transportu
sedimentů, řešení zavlažování
Zdroj: http://www.dhi.cz/
Vazba na GIS a další softwarové prostředky
•Geomodel – jedná se o nadstavbu ArcGIS, pro interpretaci geologických podkladů a
vytváření geologických modelů.
•DaisyGIS – jedná se o koncepční jednorozměrný model. S jeho pomocí je možné popsat
všechny důležité procesy vázané na zemědělský ekosystém (transport vody, tepla nebo živin)
32
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
HEC-HMS (Hydrologic Engineering Center – Hydrologic Modeling System)
•
vyvíjen od 60. lét ženijním sborem armády USA, dnes ve verzi 3.5
•
celistvý (lumped) model se soustředěnými parametry, v dnešní době ale
kladen velký důraz na implementaci distribuovaných vstupů a metod
•
významná podpora GIS (HEC-GeoHMS) a dalších podpůrných programů
(HEC-DSSVue)
•
freeware dostupný na internetu (http://www.HEC.usace.army.mil)
WMS (Watershed Modelling System)
•
samostatná větev vývoje HEC-1
•
vyvíjen na Birgham Young University v USA od počátku 90. let.
•
jde více směrem k modelům distribuovaným a také k modelům významně
spolupracujícím s GIS.
33
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
HEC-HMS
Watershed Explorer
Desktop
Component Editor
Message Log
34
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
HYDROG
•
•
•
•
vyvinut pro spojité simulace odtoku z povodí s nádržemi
základním modulem systému je s-o model HYDROG
předpověď průtoku v reálném čase v libovolném profilu v povodí
systém v provozu na pobočkách ČHMÚ v Brně a Ostravě, dále např. na Povodí Ohře, s.p.
• hrany - koryta toků, vyznačeny modře
• uzly - odběrná místa, místa řízení sítě nebo uzly říční sítě
• červené plochy grafu - jednotlivá dílčí povodí
Zdroj: Daňhelka a kol., 2003
model vyvíjen pro operativní předpověď
klade důraz především na správný postup
a interpretaci srážek a také na simulaci nádrží
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
35
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
HYDROG
• sněhový modul
• modul půdní vlhkosti
• modul geneze odtoku
• modul výpočtu nádrže
Zdroj: Povodí Ohře, s.p
36
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Sacramento-Soil Moisture Accounting (SAC-SMA)
•
srážko-odtokový model, součástí knihovny modelovacích technik systému NWSRFS
(National Weather Service River Forecast System) vyvíjený od poloviny 70. let národní
meteorologickou službou (NWS) v USA.
•
založen na parametrizaci charakteristik půdní vlhkosti.
•
v Česku součástí knihovny modelovacích technik předpovědního systému Aqualog
Povodí je rozděleno na několik zón, které jsou
propojeny do systému nádrží:
• Evapotranspirace
• Vázaná (kapilárně vázaná) voda (Tension
Watter)
• Volná voda (Free Watter)
• Povrchový odtok (Surface Flow)
• Horizontální odtok (Lateral Drainige)
• Vertikální odtok – perkolace (Vertical
Drainige)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
Zdroj: http://www.aqualogic.cz/
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
37
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
NASIM (Niederschlag Abfluss Simulation Modell)
•
model německé firmy HYDROTEC
•
vývoj od počátku 80. let
•
koncepční deterministický model, využívající semi-distributivní přístupy dělení
parametrů
•
model lze využívat kontinuálně, ale taky epizodně
•
pro ArcView 3.x bylo vytvořeno několik extenzí (např. Zfl)
•
používán různými institucemi a univerzitami po celém Německu
•
kalibrace se v modelu provádí manuálně
38
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
NASIM (Niederschlag Abfluss Simulation Modell)
• zobrazuje ucelenou představu koloběhu vody
Hlavní komponenty modelu:
• Generování srážek (Belastungsbildung)
• Prostorová distribuce srážek (Belastungsverteilung)
• Separace složek odtokového procesu
(Belastungsaufteilung)
• Koncentrace odtoku (Abflusskonzentration)
• Pohyb a transformace vlny v korytě (Wellentransport)
Zdroj: HYDROTEC (2003)
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
39
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Další informace
•
podrobnější popis vybraných srážko-odtokových modelů je dostupný v doplňkovém
materiálu, který je ke stažení na http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/ v sekci věnované
předmětu
•
včetně odkazů na odborné články s výsledky
40
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/
Modelování hydrologických procesů I
2. Hydrologický model
Struktura S-O modelu
Komponenty modelu
Koncept lineární nádrže
Prostorová schematizace
Přehled modelů
Použitá literatura
•
ALAN A. SMITH Inc. Calculating Runoff – Linear Reservoir Response [online]. c1984-2008, poslední revize 8.2.2008 [cit. 2008-1015]. <http://www.miduss.com/theory-Calculating-Runoff-Linear-Reservoir-Response.htm>.
•
BAUMGARTNER, A., LIEBSCHER, H. J. (1996): Lehrbuch der Hydrologie Bd. 1 – Allgemeine Hydrologie – Quantitative Hydrologie.
Gebr. Borntraeger, Berlin-Stuttgart. 694 s.
•
BEVEN, K.J. (2001): Rainfall-Runoff Modelling, The Primer. John Wiley & Sons, Chichester, 360 s.
•
DAŇHELKA, J., KREJČÍ, J., ŠÁLEK, M., ŠERCL, P., ZEZULÁK, J. (2003): Posouzení vhodnosti aplikace srážko-odtokových modelů
s ohledem na simulaci povodňových stavů pro lokality na území ČR. ČZÚ, Praha, 214 s.
•
DIETRICH, J., SCHÖNIGER, M. Hydroskript – Hydrologie, Grundwassermodellierung, GIS, Klimatologie [online]. c2003, [cit. 200810-15]. <http://www.hydroskript.de>.
•
HYDROTEC, GmbH (2003): Dokumentation zu Niederschlag-Abfluss Modell NASIM. Hydrotec, Aachen, 557 s.
•
JOHNSON, D. Unit Hydrograph Theory [online]. c1999, [cit. 2008-10-15].
<http://www.comet.ucar.edu/class/hydromet/07_Jan19_1999/html/unit_hydro_theory/index.htm>.
•
MOGES, S.A., KATAMBARA, Z., BASHAR, K. (2003): Decision support system for estimation of potential evapo-transpiration in
Pangani Basin. Physics and Chemistry of the Earth. 28, s. 927-934.
•
RITTER, M.E. (2006): The Physical Environment: an Introduction to Physical Geography [online]. c2006, poslední revize 25.6.2007
[cit. 2008-10-15]. <http://www.uwsp.edu/geo/faculty/ritter/geog101/textbook/title_page.html>.
•
STREIT, U. Werkzeuge zur numerische Modellierung [online]. poslední revize 12.12.2007 [cit. 2008-10-15]. <http://ifgivor.unimuenster.de/vorlesungen/Num_Modellierung/>.
•
USACE, SNTHERM: 1-D Energy Balance Model For Snow and Soil [online]. c2004, [cit. 2008-10-15].
<http://snow.usace.army.mil/model_info/SNTHERM_fact_sheet1.pdf>.
Související literatura
• CHOW, V.T., MAIDMENT, D.R., MAYS, L.W. (1988): Applied hydrology. McGraw-Hill, New York
41
Univerzita Karlova v Praze
Přírodovědecká fakulta
© Michal Jeníček, [email protected], 2010
http://hydro.natur.cuni.cz/jenicek/