Simulační modelování vodohospodářských soustav

Transkript

Česká zemědělská universita v Praze
Fakulta životního prostředí
Katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování
Ing. Jiří Sovina, Ph.D.
2010
Ing. Jiří Sovina, Ph.D.
Vydavatel:
Česká zemědělská univerzita v Praze, fakulta životního prostředí,
katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování.
Tisk:
ČZU v Praze
Náklad:
200
Stran:
101
Vydání:
první
Rok vydání: 2010
ISBN:
978-80-213-2044-4
Klíčová slova:
Vodohospodářská soustava, matematický model, změny klimatu, hydrologické extrémy,
povodeň, sucho, operativní řízení, krizové řízení, dispečerské řízení, vodohospodářský
dispečink, manipulace na vodních dílech, HEC-ResSim, povodí Ohře, srážko-odtokový
model, monitoring hydrometeorologických veličin
Název v angličtině:
Simulation Modeling of Water Resources Systems
Keywords:
Water resources system, mathematical model, climate changes, hydrological extremes, floods,
droughts, operative management, crisis management, supervisory control, dispatching centers'
control, manipulation on water schemes, HEC-ResSim, river - basin of Ohre, rainfall-runoff
model, flow monitoring.
Anotace:
Monografie se zabývá posouzením současných možností matematického modelování procesu
řízení vodohospodářských soustav. Speciálně se zaměřuje na problematiku operativního řízení
za krizových situací vyvolaných hydrologickými extrémy. Vychází z rešerše dosud
používaných metod a uplatňovaných principů řízení, včetně nástrojů pro modelování řídicích
procesů v podmínkách neurčitosti. Přináší přehled a charakteristiku dostupných
programových prostředků, využitelných pro modelování funkcí vodohospodářských soustav.
Pro ověření teoretických předpokladů se monografie dále zabývá tvorbou experimentálního
modelu vodohospodářské soustavy v povodí Ohře, který zahrnuje všechna významná vodní
díla v povodí se závěrovým profilem pod VD Nechranice. Jako modelovací nástroj byl zvolen
program HEC-ResSim v aktuální verzi 3.0 s podporou HES-DSSVue. Cílem této části je co
nejpřesnější dekompozice a popis reálné vodohospodářské soustavy prostředky
matematického modelování. Vytvořený model byl ověřen na Dispečerských hrách konaných
na Povodí Ohře, s.p. v listopadu 2008. Byl testován pro povodňové řízení i pro teoretické
krizové řízení v podmínkách hydrologického sucha.
V závěru monografie je příklad možného systémového řešení s využitím modelu tohoto typu
pro optimalizaci krizového řízení vodohospodářské soustavy.
1
OBSAH
Obsah:
ÚVOD ........................................................................................................................................ 4 1. PŘEHLED PROBLEMATIKY .......................................................................................................................... 4 TEORETICKÉ ZÁKLADY MODELOVÁNÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH SOUSTAV . 6 1. 2. ZÁKLADNÍ POJMY Z TEORIE ŘÍZENÍ ............................................................................................................ 6 APLIKACE TEORETICKÝCH ZÁKLADŮ MODELOVÁNÍ ŘÍDICÍCH PROCESŮ NA ŘÍZENÍ VODOHOSPODÁŘSKÝCH
SOUSTAV ........................................................................................................................................................... 10 2.1. Všeobecně...................................................................................................................................... 10 2.2. Problematika řízení v podmínkách neurčitosti .............................................................................. 11 3. DALŠÍ METODY VYUŽITELNÉ V MATEMATICKÝCH MODELECH PRO VODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ ...................... 13 3.1. Petriho sítě ..................................................................................................................................... 13 3.2. Neuronové sítě ............................................................................................................................... 17 3.3. Genetické algoritmy ...................................................................................................................... 20 VÝBĚR DOSTUPNÝCH PROSTŘEDKŮ PRO VYTVÁŘENÍ MATEMATICKÝCH
MODELŮ VYUŽITELNÝCH PRO VODOHOSPODÁŘSKÉ SOUSTAVY................... 26 1. 2. 3. 4. 5. AQUALOG ................................................................................................................................................ 26 HYDROG .................................................................................................................................................. 29 MATLAB, SIMULINK ................................................................................................................................. 30 TIRS.NET ............................................................................................................................................... 31 PROGRAM HEC-RESSIM 3.0, JEHO ZÁKLADNÍ VLASTNOSTI A MOŽNOSTI VYUŽITÍ ................................... 32 5.1. Souborová databáze DSS............................................................................................................... 39 MODEL SOUSTAVY VODNÍCH DĚL V POVODÍ OHŘE V PROGRAMU HECRESSIM 3.0 ............................................................................................................................. 41 1. ÚVOD ....................................................................................................................................................... 41 1.1. Zdůvodnění volby modelové vodohospodářské soustavy ............................................................. 41 1.2. Povodí řeky Ohře, základní údaje a charakteristiky ...................................................................... 42 1.3. Soustava vodních děl v povodí Ohře ............................................................................................. 43 1.3.1. Základní údaje o vodních dílech ............................................................................................... 44 1.3.2. Dosavadní způsob řízení VS, poznatky a zkušenosti ................................................................ 50 2. PODKLADY PRO SESTAVENÍ MODELU V PROGRAMU HEC-RESSIM 3.0 ..................................................... 52 2.1. Mapové podklady .......................................................................................................................... 52 2.2. Vstupní údaje vodních děl ............................................................................................................. 53 2.3. Další podklady z manipulačních řádů ............................................................................................ 54 2.4. Podklady o korytech vodních toků ................................................................................................ 55 2.5. Podklady pro běh simulace – vodní stavy, předpovědi, měřené průtoky ....................................... 55 3. POSTUP VYTVOŘENÍ MODELU................................................................................................................... 56 3.1. Práce s mapovým podkladem ........................................................................................................ 56 3.2. Vytvoření základních komponent a topologie systému ................................................................. 58 3.3. Definování charakteristik nádrží a jejich objektů .......................................................................... 60 3.4. Práce s říčními úseky ..................................................................................................................... 64 3.5. Definování zón nádržního prostoru a pravidel řízení..................................................................... 64 3.6. Využití logických konstrukcí a skriptů .......................................................................................... 67 3.7. Definování součinnosti v soustavě vodních děl ............................................................................. 69 OBSAH
4. 2
SPOUŠTĚNÍ SIMULAČNÍCH VÝPOČTŮ A VYUŽITÍ MODELU ......................................................................... 71 4.1. Definování alternativ a okrajových podmínek ............................................................................... 71 4.2. Spouštění simulací ......................................................................................................................... 72 4.3. Simulace operativních opatření při extrémních situacích .............................................................. 73 4.3.1. Problematika povodňového řízení ............................................................................................. 73 4.3.2. Problematika sucha ................................................................................................................... 74 4.4. Kalibrace a testování modelu ......................................................................................................... 75 4.5. Zkušenosti s tvorbou a aplikací modelu VS v povodí Ohře ........................................................... 77 4.6. Kritické zhodnocení funkcí programu HEC-ResSim ver. 3.0 ........................................................ 80 4.7. Závěr .............................................................................................................................................. 82 MOŽNOSTI OPTIMALIZACE ŘÍZENÍ SOUSTAVY VODNÍCH DĚL S VYUŽITÍM
PROGRAMU HEC-RESSIM 3.0 ......................................................................................... 84 1. 2. 3. 4. 5. ÚVOD ....................................................................................................................................................... 84 KRIZOVÉ UDÁLOSTI – DEFINICE................................................................................................................ 85 PROBLEMATIKA OPTIMALIZACE S VYUŽITÍM MODELU VS ........................................................................ 86 DISKUSE ................................................................................................................................................... 92 ZÁVĚRY ................................................................................................................................................... 94 SOUHRNY.............................................................................................................................. 95 1. 2. 3. POUŽITÁ LITERATURA A PODKLADY ......................................................................................................... 95 SEZNAM TABULEK .................................................................................................................................. 100 SEZNAM VYOBRAZENÍ ............................................................................................................................ 100 OBSAH
3
Seznam zkratek:
ČS
DIBAVOD
DMÚ 25
Čerpací stanice
Digitální Báze Vodohospodářských Dat (provozuje VÚV TGM Praha)
Digitální model terénu 1 : 25 000, mapové dílo Vojenského geografického a
hydrometeorologického úřadu (VGHMÚř)
FSv
Fakulta stavební ČVUT v Praze
FŽP
Fakulta životního prostředí ČZU v Praze
GA
Genetcké algoritmy
GIS
Geografický informační systém
HEC
Hydrologic Engineering Center
IT
Informační technologie
KAGÚP
Katedra aplikované geoinformatiky a územního plánování, ČZU v Praze, FŽP
KHH
Katedra hydrauliky a hydrologie ČVUT v Praze, FSv
KHT
Katedra hydrotechniky ČVUT v Praze, FSv
KMŘ
Komplexní manipulační řád
KPK
Krajská povodňová komise
LG
Limnigraf
MŘ
Manipulační řád
MVE
Malá vodní elektrárna
NS
Neuronová síť
PN
Petriho sítě (Petri Net)
POP
Plán oblasti povodí (v tomto případě Ohře a Dolního Labe)
RPP
Regionální předpovědní pracoviště (pracoviště ČHMÚ)
SPA
Stupeň povodňové aktivity
TBD
Technickobezpečnostní dohled
TIN
Nepravidelná trojúhelníková síť (Triangulated Irregular Network)
UI
Umělá inteligence
UNS
Umělá neuronová síť
USACE
U.S. Army Corps of Engineers
USNWS
U.S. National Weather Service
US NWSRFS U.S. National Weather Service River Forecasting System)
VD
Vodní dílo
VHD
Vodohospodářský dispečink
VS
Vodohospodářská soustava
Úvod
4
Úvod
1. Přehled problematiky
Ochrana před povodněmi a účelné využívání vodních zdrojů se stává stále více
diskutovaným tématem nejen v odborných kruzích. Zejména v důsledku povodňových
událostí v posledních letech se toto téma dostává do širokého společenského povědomí.
Po relativně dlouhém období bez významných klimatických extrémů ve 2. polovině 20. století
přicházejí v létě 1997 první ničivé povodně na Moravě a krátce na to následují další (srpen
2002, zejména v povodí Vltavy a na dolním Labi, jarní povodně roku 2006 a letní lokální
povodně z přívalových dešťů v roce 2009). Menší pozornost naše společnost prozatím věnuje
problematice sucha, nicméně i v této oblasti dochází ve stejném období k extrémním situacím.
Příkladem může být rekordně dlouhé období s teplotami nad dlouhodobým průměrem v létě
2003 a opět v roce 2007. V těchto letních obdobích se rozhodující objem srážek realizoval
v přívalových deštích. Důsledkem bylo silně nerovnoměrné rozdělení srážek, vznik
hydrologického sucha v rozsáhlých regionech a současný výskyt lokálních ničivých povodní
na malých tocích v jiných lokalitách.
Zvýšená četnost výskytu extrémních meteorologických jevů i klimatických extrémů
v posledních letech potvrzuje prognózy přicházejících klimatických změn, jako důsledku
globálního oteplování.
V podmínkách, které vývoj v posledních letech předznamenává, budou požadavky na
manipulace na vodních dílech (především operativní) a na řízení vodohospodářských soustav
(dále jen VS) náročnější než dosud. Optimalizace všech funkcí jak jednotlivých vodních děl
(VD) tak i vodohospodářských soustav, bude vyžadovat zdokonalení modelů řízení, bude
třeba se vyrovnat s vyšší mírou neurčitosti. Z tohoto pohledu vzniká potřeba přehodnocení
dosavadních metod řízení VS i přístupu k využívání a interpretaci dat z dlouhodobého měření
vodních stavů, průtoků i meteorologických pozorování.
Využití metod umělé inteligence v procesu řízení VS se zejména v současných podmínkách
stává velice naléhavým, právě tak jako těsné provázání řídicích systémů VS na
hydrometeorologickou prognózní službu. Analýza všech událostí se musí zpětně promítnout
do řídicích funkcí systému. Systémy řízení musí mít ve svém základu zakotvenu schopnost
průběžného zdokonalování a vývoje.
V současné době je k dispozici dostatek poznatků z oblasti matematické teorie,
hydroinformatiky, geoinformatiky a dalších souvisejících teoretických disciplín, byly
vyvinuty kvalitní softwarové nástroje i dostatečně výkonné hardwarové prostředky, které
vytvoření funkčního systému řízení VS umožňují. Rezervy a další možnosti lze spatřovat
v hlubším propracování a detailním dořešení funkčních řídicích systémů.
Úvod
5
Do popředí zájmu se zcela zákonitě a oprávněně dostala problematika řízení VS za povodní.
V souladu s dokumentem Komise evropských společenství ve svém "sdělení radě,
evropskému parlamentu, evropskému hospodářskému a sociálnímu výboru a výborům
regionů" (Kom2004-472 ze dne 12.07.2004), je kladen mimo jiné důraz na připravenost na
povodňové jevy, které mohou být optimalizací řízení VS omezeny ve své ničivé síle a o
jejichž očekávaném průběhu může být obyvatelstvo včas a s větší konkrétností informováno.
Vzhledem k oboustranně extrémním klimatickým jevům posledního desetiletí nelze opomíjet
ani řízení VS zaměřených na optimální hospodaření s vodou v obdobích sucha, na zajištění
dostatečné akumulace pro zachování vodních zdrojů pro obyvatelstvo, energetiku, plavbu a
ochranu ekosystémů v tocích.
Sucho se od ostatních přírodních rizik, např. povodní, liší v mnoha směrech. Začátek a konec
sucha lze velmi obtížně stanovit. Účinky sucha mají kumulativní charakter, neboť intenzita
sucha se zvyšuje s jeho délkou. Ztráty způsobené suchem tak dosahují značných rozměrů.
(Blinka 2002)
Funkční řídicí systém musí být navržen tak, aby zvládl obě zmíněné polarity krizového řízení.
Musí mít propracovány metody analýzy každého překonaného krizového stavu a zpětný
přenos zkušeností z předchozích analýz do procesů navazujícího řízení VS.
Současná praxe v řízení VS a hydrologických systémů obecně preferuje deterministické
metody vycházející ze schválených manipulačních řádů, postrádající flexibilitu v reakci na
mimořádné situace. Tato praxe má pevnou oporu ve vodoprávní legislativě a
vodohospodářské dispečinky nemají možnost překročit limity dané pravidly zakotvenými
v manipulačních řádech. Tato pravidla však často nezohledňují situace, které po dobu
sledování na určitém povodí dosud nenastaly. To platí zejména o extrémních situacích
posledních let, které nebylo možné optimálně zvládat prostředky standardního řízení, a žádné
předem připravené postupy krizového řízení pro takovéto extrémy k dispozici nebyly.
V těchto situacích selhávala i některá uplatnění metod umělé inteligence, např. metod
umělých neuronových sítí, pro které nebyly při katastrofických povodních v roce 2002 ještě
v potřebném rozsahu k disposici trénovací množiny.
Řízené hydrologické systémy obecně a VS především sestávají z většího počtu matematicky
neslučitelných procesů. Sjednocení formulací těchto podsystémů, pokud je to v reálných
podmínkách vůbec možné, bývá založeno na některé z metod dekompozice přírodních a
technologických procesů. Nedostatek vhodných nástrojů, potřebných pro takovou abstrakci
znehodnocuje využitelnost modelů dílčích procesů, byť sebelépe funkčních při absenci
zpětných vazeb.
Z hlediska nových směrů bychom měli dát proto přednost metodám řízení, které zohledňují
podmínky neurčitosti hydrologických a technologických procesů, využívají metody umělé
inteligence a jsou v dnešní době po stránce teoretické dostatečně rozpracovány.
Teoretické základy modelování vodohospodářských soustav
6
Teoretické základy modelování vodohospodářských
soustav
1. Základní pojmy z teorie řízení
Zásadní význam pro řízení mají matematické modely řízeného objektu (nebo soustavy) a
zpětná vazba. Podle stupně automatizace rozlišujeme následující režimy řízení:
-
Off line - Pro řízení se používá počítač který není spřažen s řízeným procesem.
Vkládání dat probíhá přes běžná periferní zařízení. Proces neprobíhá v reálném čase.
Výsledky zpracování slouží až pro následné operarace.
-
On line – Počítač je přímo napojen na řízený proces odkud snímá přes číslicové
převodníky hodnoty měřených veličin. Počítač určuje optimální provozní režim
řízeného objektu, stanoví příslušné nastavení regulačních prvků a informaci o této
činnosti a pokyny pro obsluhu předá na displeji operátorovi. Ten reaguje podle
vlastního uvážení v závislosti na situaci a nastaví hodnotu řízené veličiny. Počítač tak
funguje jako rádce operátora. Tento systém se nejčastěji používá pro řízení na vodních
dílech a pro řízení VS.
-
In line – Systém pracuje v reálném čase bez přímé účasti člověka. Při využití počítače
se jedná o tzv. přímé číslicové řízení; probíhá pak nespojitě v předem stanovených
časových intervalech - cyklech. Využití in-line číslicového řízení je ve vodním
hospodářství typické pro technologické procesy nebo izolované samostatné objekty.
Základním prvkem řídicích systémů je zpravidla regulační obvod, který na základě zjištěné
regulační odchylky generuje hodnotu akčního zásahu tak, aby regulovaná hodnota byla
udržována na stanovené úrovni. Vazby mezi vstupními a výstupními veličinami regulačního
obvodu mohou být statické a dynamické. Statické vlastnosti vyjadřují závislost mezi vstupní a
výstupní veličinou po doznění všech přechodových procesů. Dynamické chování celého
regulačního obvodu při reakci na regulační odchylku se nazývá regulačním pochodem a lze
ho obecně vyjádřit diferenciálními rovnicemi popisujícími vztah regulované veličiny a řídicí
veličiny nebo regulované veličiny a poruchy. Rozhodující pro správnou funkci regulačního
obvodu je jeho stabilita, která se hodnotí podle toho, v jak krátkém čase dosáhne regulovaná
veličina hodnoty určené veličinou řídicí. Podle vztahu mezi akční veličinou a aktuální
hodnotou odchylky se zpravidla rozlišují tři typy regulátorů: proporcionální, derivační a
integrační. Jejich kombinací se získávají další typy regulátorů, např. proporcionálně
integrační, atd.
Aplikace jednoduchých regulačních obvodů není příliš vhodná pro podmínky řízení ve
vodním hospodářství, protože nepostihuje fenomén tzv. dopravního zpoždění. Proto další
vývoj směřoval k dynamickým systémům řízení. Dynamický systém je chápán jako systém,
jehož okamžité hodnoty výstupních veličin závisejí nejen na okamžitých hodnotách vstupních
veličin, ale též na hodnotách vstupních, popřípadě i výstupních veličin v minulých cyklech.
7
Takový systém musí disponovat pamětí, která se podílí na jeho vývoji a umožňuje predikci
jeho chování. Formalizace dynamiky chování takových regulačních obvodů je rozpracována
v dostupné literatuře. Jako příklad je uvedena rovnice pro model ve tvaru lineární regrese
s konečnou pamětí:
N
N
N
i 1
i 1
i 1
y (k )  a(k )   qi y (k  i )   pi u (k  i )   si z (k  i )  e(k )
(1)
Kde N je počet předcházejících hodnot výstupní veličiny y, u představuje akční veličiny a
z poruchové veličiny, e je náhodná odchylka a k vyjadřuje diskrétní krok řízení.
Pro operativní řízení VS jsou při použití výkonných počítačů vhodné simulační modely, které
zobrazují realitu na principu podobnosti mezi systémy. Z hlediska matematické teorie
rozlišujeme mezi izomorfními a homomorfními systémy. Na izomorfní systém je kladen
požadavek aby si všechny prvky a jejich vazby u obou systémů, reálného i modelovaného,
jednoznačně odpovídaly . Vektory vstupů jednoho systému tedy musí odpovídat vektorům
vstupů systému druhého. U systémů homomorfních si část vstupů a tudíž i výstupů odpovídat
nemusí. Homomorfní systémy jsou tedy méně dokonalé. Odvodit izomorfní model reálného
systému v oblasti vodního hospodářství, zvláště pak pro systém celé VS je z důvodu složitosti
skutečných jevů a procesů nereálné.
Homomorfní modely umožňují přibližně řešit i velmi složité problémy. Samy o sobě nejsou
optimalizačním nástrojem, mohou být ale k optimalizaci řízení s výhodou použity neboť
umožňují mnohonásobné testování předpokládaného chování systému při různých scénářích
řízení a jsou tedy využitelné pro operativní řízení v podmínkách neurčitosti.
Na modelu je možné prověřit velký počet variant rozhodování podle podmínek, které by
v budoucnosti mohly nastat a rovněž využít archivovaná data z minulosti. Na základě
statistického vyhodnocení vygenerovaných výstupů pak lze vybrat optimální variantu pro
řízení v reálném čase.
Následující vývojové schéma představuje příklad vývoje řídicího systému s využitím
matematického modelu.
8
START
Identifikace systému, formulace:
1) cílů a omezení
2) kritérií (účelových funkcí)
Formulace variant řešení
Vstupy řešení
Sestavení modelů řízení
Podrobné řešení variant
Změna parametrů
řízení nebo další
varianta
Výstupy
modelového řešení
NE
Vyhodnocení vhodnosti variant
řízení podle daných kriterií a
technické proveditelnosti variant
Splnění
požadovaných
cílů?
ANO
KONEC
Obr. 1 Jednotlivé fáze vývoje řídicího systému
(podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)
Využívání matematických modelů vede postupně k vývoji prostředků pro inteligentní řízení,
tedy plného uplatnění UI. Inteligentní řídicí systém podle Burnse zahrnuje tři hlavní
subsystémy:
Subsystém vnímání, který shromažďuje informace o regulované soustavě a prostředí a
zpracovává je do formy srozumitelné subsystému poznávání. Takový systém je tvořen
9
konvenčními moduly (automatizovaného) informačního systému IS (AIS), jako např. senzory,
jež poskytují primární naměřená data, systémy zpracování signálu, prostředky analýzy dat
(zpravidla multikriteriální), s cílem representace regulované soustavy a jejího prostředí.
Klíčovou technologií je teorie rozpoznávání - „recognition“.
Subsystém poznávání v inteligentním řídicím systému využívá rozhodovacích procesů
v podmínkách neurčitosti. Klíčové technologie zahrnují logickou dedukci, tvorbu znalostních
bází, adaptivní vyhledávání, genetické algoritmy a učení. Tyto technologie zařazujeme rovněž
do bloku získávání informací, v porovnání s předchozími však na vyšší úrovni informatiky,
která je specifická právě pro inteligentní řídicí systémy.
Subsystém ovládání zahrnuje akční členy řídicích systémů, které využívají signály ze
subsystémů poznávání (IS) s cílem řídit regulovanou soustavu k určitým požadovaným cílům.
V případě selhání akčního členu (popřípadě snímače) by inteligentní řídicí systém měl být
schopen překonfigurovat svou strukturu i systém řízení. Ve své podstatě představuje tento
třetí subsystém například prostředky, pro něž byl v minulosti formulován termín
automatizovaných systémů dispečerského řízení (ASDŘ).
Prostředkem pro snížení neurčitosti v operativním řízení jsou hydrologické předpovědi.
Předpovědní modely na rozdíl od simulačních modelů odhadují budoucí stav sledovaného
jevu v reálném čase. V hydrologii se uplatňují krátkodobé, střednědobé a dlouhodobé
předpovědi. Spolehlivost předpovědí se rychle snižuje s délkou předstihu. Podle příručky
Světové meteorologické organizace (WMO, 1994) se předpovědní techniky člení do čtyř
kategorií :
-
modely empirické a fyzikálně založené, konceptuální
-
metody založené na procesech výměny tepla ve vodním prostředí
-
empirické a fyzikální modely pro výpočty pohybu povodňové vlny a translaci
-
modely založené na analýze procesů cirkulace v atmosféře
Již počátkem 80. let 20. století vznikl autoregresní předpovědní model Szölossy-Nagy. Jeho
schéma je označováno jako self-tuning algoritmus, neboť základní myšlenkou je využití
předchozí předpovědní chyby jako proměnné modelu, která se opravuje v dalším kroku.
Z dalších metod se zmiňuje např. rozšířená předpověď průtoků – „Extended Streamflow
Prediction (ESP)“ vyvinutá americkou Národní službou počasí (USNWS). Vychází
z předpokladu pravděpodobného opakování zaznamenaných jevů a dává středně až
dlouhodobou předpověď hydrologických stavových veličin.
10
2. Aplikace teoretických základů modelování řídicích procesů na řízení
vodohospodářských soustav
2.1. Všeobecně
Z hlediska matematické abstrakce můžeme VS považovat za dynamický systém (dále
jen DS), k jehož základním vlastnostem patří spojitost při změně jeho stavů, které jsou z
obecného pohledu charakterizovány výměnou energií, případně i médií - hmoty, v případě VS
vody. Další charakteristickou vlastností DS je setrvačnost a závislost výstupů na vnitřních
stavech systému. DS je možné popsat dvěma způsoby:
Vnější popis vycházející z relace vstup - výstup.
Vnitřní popis vycházející z relace vstup - stav - výstup.
Vnější popis DS se omezuje na vyjádření dynamických vlastností systému závislostí mezi
jeho vstupem a výstupem. Systém tak hodnotíme jako "černou skříňku" s počtem vstupů - n a
výstupů - m, nezabýváme se vnitřním uspořádáním systému a předpokládáme jeho "nulový"
počáteční stav. Pro vnější popis systému stačí rozbor experimentálně získaných vstupních a
výstupních veličin. Vnější popis jednoduchého lineárního DS s jednou vstupní a výstupní
veličinou může být vyjádřen např. diferenciální rovnicí nebo přenosem, např. pomocí
Laplaceovy transformace, ale i dalšími způsoby.
Obecný popis diferenciální rovnicí má tvar:
an y ( n ) (t )  an y ( n 1) (t )  ...  a1 y´(t )  a0 y (t )  b0u (t )  b1u´(t )  ...  bn 1u ( n 1) (t )  bn u ( n ) (t ) (2)
Kde ai a bi jsou konstantní parametry, u(t) je vstupní veličina a y(t) je výstupní veličina.
(Tůma F., 2005)
Konkrétní diferenciální rovnici popisující systém můžeme získat, např. když vyjádříme
fyzikální vztahy systému, pokud jsou nám známy, pomocí obecně platných fyzikálních
zákonů (např. St.Venantových rovnic, apod.) a podaří se nám eliminovat veškeré proměnné,
kromě vstupní a výstupní veličiny.
Přenos lineárního spojitého DS s jedním vstupem a výstupem je poměr Laplaceova obrazu
výstupní veličiny a Laplaceova obrazu vstupní veličiny při nulových počátečních
podmínkách, čemuž obecně odpovídá následující vztah:
F ( p) 
L y(t) Y ( p)

L u(t) U ( p)
(3)
Diferenciální rovnici popisující systém pak získáme zpětnou Laplaceovou transformací pro
konkrétně definovaný přenos. (Tůma F., 2005)
Jako jednoduché systémy podobné výše obecně popsaným mohou být representovány např.
dílčí komponenty modelů VS.
11
Vnitřní popis DS dovoluje zahrnout stav systému a jeho strukturu. Systém je možné popsat
stavovou rovnicí a výstupní rovnicí, které se nazývají dynamické rovnice systému. Stavovou
rovnici systému je možné zapsat ve tvaru:
x=A(t)x+B(t)u
(4)
Výstupní rovnici je možné zapsat ve tvaru:
y=C(t)x+D(t)u
(5)
Kde A, B, C, D jsou matice s konstantními parametry a proměnná x představuje stav systému,
u vstup a y výstup. (Tůma F., 2005)
Jde o nejobecnější matematické vyjádření, z něhož bychom mohli vyjít například při
vytváření modelů jednotlivých komponent v některém programovacím jazyce nebo
obdobném nástroji, jakými je třeba prostředí Matlab se svými rozšířeními – Simulink,
Stateflow, Control System Toolbox, apod., které je rovněž možné považovat za
vysokoúrovňový programovací jazyk. Cílem monografie není však postup vytváření
programových komponent matematických modelů, ale analýza možnosti využití již
vytvořených modelovacích nástrojů.
Modelovací nástroje můžeme obecně rozdělit na deterministické a stochastické. Pro
modelování VS se dosud téměř výhradně využívají deterministické modely, neboť fyzikální
podstata dynamických dějů ve VS je dobře formulovatelná řídicími rovnicemi jednotlivých
procesů jako např. průtoků v korytech, průtoků běžně používanými přelivy a uzávěry na
vodních dílech, apod. Chování určitých komponent modelů VS může být určeno vnějšími
vstupy časových řad měřených nebo předpovídaných veličin. Funkce vodních nádrží je pak
možné popsat základní diferenciální rovnicí úkonu nádrže:
F.d h  P d t  O d t
(6)
Kde F je plocha hladiny nádrže při výšce h, P je přítok do nádrže v čase t a O odtok v čase t.
(Votruba L., Broža V., 1980)
Další otázkou je již jen, jakou numerickou metodou provedeme řešení této a jiných řídicích
diferenciálních rovnic, které model využívá. V ucelených modelovacích nástrojích pro
vytváření modelů VS se uplatňují převážně koncepční přístupy (zahrnují jistou míru
empirických vztahů) a fyzikální komponentně distribuované (0D) modely, případně propojené
hydrodynamickými modely říční sítě (1D) .
2.2. Problematika řízení v podmínkách neurčitosti
Neurčitost je chápána jako vlastnost některých jevů a procesů vyznačujících se nahodilostí
nebo vágností. Při rozhodování v oblasti vodního hospodářství se s neurčitostí rozličného
původu a míry pravidelně setkáváme prakticky na všech rozhodovacích úrovních. Neurčitost
pochází v první řadě ze složitostí a nahodilostí přírodních jevů a procesů, které figurují
nejčastěji v oblasti vstupů pro následné procesy rozhodování a řízení. V druhé řadě jsou
zdrojem neurčitosti nutné abstrakce a zjednodušení, které musí být přijaty, aby mohl být
12
vytvořen např. funkční numerický model pro řízení VS a které nemohou v celé šíři postihnout
složitost a nahodilost přírodních a fyzikálních procesů. Zdrojem neurčitosti mohou být i
neúplnosti časových řad měření, nepřesnosti měření, výpadky, poruchy a také údaje o
stavových veličinách vyjádřitelné pouze verbálně.
Hodnocení neurčitosti plynoucí z nutných zjednodušení při vytváření matematických modelů
představuje složitou problematiku z oblasti teorie systémů, která studuje vztahy mezi
složitostí, důvěryhodností a neurčitostí modelu.
Teorie rozhodování rozlišuje dvě základní rozhodovací situace –
-
rozhodování v podmínkách neurčitosti, kdy neznáme pravděpodobnosti rizikových
faktorů.
-
rozhodování za rizika, kdy dovedeme pravděpodobnosti rizikových faktorů
odhadnout.
Teorií neurčitosti dat a znalostí se zabývají následující teorie: teorie fuzzy množin a fuzzy
logika, teorie fuzzy řízení, teorie fuzzy míry, Dempsterova – Shaferova teorie, teorie
možnosti, teorie informace, teorie integrace neurčitých znalostí.
V problematice vodního hospodářství se v našich podmínkách doposud pracovalo s teorií
fuzzy množin a fuzzy logiky, byly studovány možnosti aplikace fuzzy řízení a v oblasti
hydrologie se aplikují metodické postupy teorie informace.
Teorie fuzzy množin a fuzzy logika je zobecněním klasické Cantorovy teorie množin. Zkoumá
zejména vlastnosti vágních významů termínů přirozeného jazyka, pravdivostní hodnoty a
jazykové modely.
Teorie fuzzy řízení využívá metody teorie fuzzy množin a fuzzy logiky k odvození
rozhodovacích pravidel a modelů pro potřeby řízení systémů v podmínkách neurčitosti.
Teorie informace zkoumá neurčitost daného typu rozložení pravděpodobnosti pomocí
entropie. Entropii lze využít pro srovnávací analýzu neurčitosti skryté v různých časových
řadách a úsecích časových řad, jako kriterium uspořádanosti výstupů řízených systémů nebo
jako míru uspořádanosti struktury složitých vícerozměrných dynamických systémů.
Ve vodním hospodářství se široce využívají matematické modely pracující na různých
matematických principech s různou přesností, mírou podrobnosti řešení a s různým stupněm
kalibrace a verifikace. Pokud chceme matematický model využít pro rozsah hodnot stavových
veličin a parametrů, ležících mimo oblast pro niž byl odvozen a verifikován (někdy se může
jednat i o řádové rozdíly), je třeba provést analýzu spolehlivosti výstupu. Doporučuje se
(Beven 1989), aby se odhad neurčitosti stal součástí výstupů z matematických modelů. Při
stanovení míry neurčitosti je třeba vzít v úvahu následující faktory:
1. Neurčitosti ve stavbě modelu, způsobené např. nevhodnou volbou numerických metod
využitých při simulaci procesu, jejich vzájemných vazeb a způsobu jejich vyjádření
(zpětné vazby mezi hydrologickými procesy, topologické rozhraní komponent).
13
2. Neurčitosti v hodnotách parametrů modelu, které byly získány ve fázi identifikace a
kalibrace a měly být spolehlivě verifikovány.
3. Manipulace na vodních dílech způsobují nehomogenitu výchozích podkladů a vedou
tudíž rovněž k jejich neurčitosti.
4. Neurčitosti v hodnotách měření vlivem nepřesností nebo poruch pozorovací sítě.
K těm dochází při poruchách měření, při přenosu dat a jejich primárním zpracování,
často v extrémních hydrologických situacích.
5. Neurčitosti spojené s odhadem budoucího chování hydrologických systémů a
vodohospodářských objektů. Do této oblasti patří obtížně předpovídatelné povodně,
dopady vývoje klimatu, dopady antropogenních změn v povodí a pod.
6. Neurčitost mohou ovlivňovat také systémové změny v národohospodářské oblasti,
které mohou znamenat jiné požadavky na vodní hospodářství.
Výše uvedené problémové okruhy je třeba posuzovat ve vzájemných souvislostech, kde se
mohou kombinovat s různými vahami v lineárním i nelineárním průběhu. Tento stav vede
obecně k zásadnímu požadavku na řešení UI – vyvozování globálních závěrů z dílčích
neurčitých faktorů.
Dále stručně popíši problematiku využití matematických modelů pro řízení VS v podmínkách
neurčitosti. V souladu s moderní teorií řízení se řízením rozumí účelové působení na systém,
aby se dosáhlo jeho požadované funkce. Pojem řízení je v současnosti široce pojímán a
zpravidla se rozlišuje: řízení strategické (vrcholové), taktické, operativní a operativní
v reálném čase. Řídicí působení v oblasti VH se zpravidla realizuje v kratších časových
intervalech, které mohou být voleny jako pravidelné nebo nepravidelné. Z matematického
hlediska jde o diskrétní řízení. Tomu odpovídá diskrétní matematický model. Diskrétní
charakter je základním rysem činnosti všech zařízení pracujících na digitálním principu.
3. Další metody využitelné v matematických modelech pro vodní
hospodářství
3.1. Petriho sítě
Algoritmy Petriho sítí (Petri Net, dále PN) obecně poskytují nástroje pro modelování
struktury systémů. Ve vodním hospodářství pak zejména pro nestacionární kódování
topologie řízených, řídicích i neřízených objektů vodohospodářských soustav (hydrotechnické
stavby, turbogenerátory, vodní nádrže, odtokové procesy v povodí, v říční síti ad.). Tyto
metody směřují k automatizované dekompozici systému a k uživatelsky nezávislé numerické
simulaci jeho chování, tedy k automatizovanému výpočtu. Řešený systém, složený z takových
objektů lze vyjádřit bipartitním grafem. Potřeba nestacionárního kódování grafu vyplývá
jednak z případné nedostupnosti vstupních dat způsobené výpadky systémů jejich sběru
(obvykle při řešení soustav v reálném čase), jednak z charakteru řízení vodního díla se
záměrem dosažení cílové funkce jeho chování a udržování řízených veličin dle předem
stanoveného předpisu.
14
Metody Petriho sítí prvně popsané Petrim v jeho „Kommunikation mit Automaten“ 1962,
otevřely objevením okamžitého kauzální vztahu příčina-důsledek (event-fire up) novou
generaci nástrojů řešení nestacionárních grafů. Od té doby jsou PN v mnoha oborech (teorie
sítí, robotika, kybernetika, procesy řízení ad.) považovány za vysoce účinné formální
prostředky při řešení asynchronních procesů prostorově rozdělených, deterministických i
stochastických. Sítě PN jsou založeny na principu autonomních nezávisle operujících
konečných automatů. Jsou využívány v architektuře paralelních počítačových systémů jako
např. při návrhu počítačových sítí, databází, kompilátorů (např. sémantika jazyka SmallTalk) i
jinde v telekomunikačním inženýrství, strojnictví a ekonomii.
Obdoba mezi elektronickými, technologickými a ekonomickými metodami řízení na jedné
straně a řízením vodních zdrojů na straně druhé je zřejmá. U řídicích systémů, pracujících dle
principu PN je třeba se však zmínit o důležitém detailu: o úloze času a z toho vyplývajících
problémů při toku informace různými subsystémy díky tzv. dopravnímu zpoždění. Zatímco
elektronické regulátory reagují okamžitě, časový faktor v hydrologických systémech hraje
zásadního roli.
Petriho síť může být chápána jako grafický a matematický modelovací prostředek, schopný
modelovat paralelní a distribuované systémy (Best, Devillers, Koutny, 1998), (Češka, 1994).
Základní PN obsahuje čtyři komponenty: místa, přechody, hrany a tečky (Places, Transitions,
Arcs, Tokens). V našich úvahách vystačíme s obyčejnými PN (Ordinary Petri Nets). Tyto sítě
obsahují pouze hrany s vahou 1, která je určena počtem značení potřebných pro svou aktivaci.
Petriho sítě rozlišují dva základní objekty: stav a činnosti. Činnost je při tom chápána jako
změna stavu.
Vrcholy grafů PN jsou dvojího typu: tvoří je konečná množina míst (Places) a konečná
množina přechodů (Transitions). Konečná množina hran grafu vzájemně propojuje místa s
přechody a opačně. V množině míst (Places) je umístěno značení (Tokens), tvořené jedním
nebo několika body. Počet těchto bodů je označován jako značení (Marking). Množina hran
v zásadě působí jako vstupně/výstupní generátor který zařizuje přenos bodů z jednoho místa
do sousedního. Formulace tohoto asynchronního procesu je formulována vztahem
PN = (P, T, F, B, M0)
kde
P
množina míst
T
množina přechodů
F
dopředná incidenční matice
Β
zpětná incidenční matice
M0
počáteční značení
(7)
15
Před akcí
Po akci
Obr. 2 Elementární akce na Petriho síti
(Krejčí J., Zezulák J., 2006 )
Petriho myšlenka je prostá a elegantní. Elementární operace v PN tak jak je ukázána na
Obr. 2 již nepotřebuje další vysvětlení. Průnik TP je nulový, množiny nemají společné
prvky. V obyčejných PN jsou obě kategorie vrcholů jednoduše propojeny a neexistují
vícenásobné hrany. Pro potřeby modelování VS a jejích komponent, zejména nádrží se
vystačí většinou s obyčejnými PN. (Krejčí J., Zezulák J., 2006)
Místo (Place) je základní prvek PN, reprezentující určitou podmínku. Vyjadřuje stav systému.
Je-li místo součástí vstupní funkce I určitého přechodu, pak se stává nezbytnou podmínkou
pro aktivaci tohoto přechodu, určitého jevu. Je-li místo součástí výstupní funkce O určitého
přechodu, pak již byl tento přechod aktivován, tzv. 'odpálen' (fired). V návrhu PN jsou místa
graficky vyznačena jako kružnice.
Přechod (Transition) je základní prvek PN, reprezentující určitou akci. Akce může být
spuštěna za předpokladu, že všechny vstupní místa přechodu obsahují tečky. Jen tehdy je
možno aktivovat vstupní hranu přechodu. Akce „odpálení“ přechodu způsobí přemístění teček
ze všech vstupních do výstupních míst. Přechod může tvořit např. model procesu.
Hrana grafu (Arc) je objekt PN, který určuje vztahy mezi místy (Places) a přechody
(Transitions) a naopak. Hrana tím pro každý přechod vytváří funkci vstupně-výstupních
operací. V návrhu PN je hrana vyjádřena orientovaným segmentem křivky.
Tečka (Token) je základním prvkem PN, rezidentní v určitém místě. Tečka signalizuje, že
určitá místa (nebo podmínky) jsou realizovatelné. Větší počet teček v určitém místě obvykle
reprezentuje násobné zdroje, vedoucí na redundantní (přeurčenou) formulaci problému. Počet
teček je mírou značení místa.
Konservativnost (Conservative) vyjadřuje zachování celkového počtu teček v síti jako
konstantní pro všechny možné hodnoty značení.
Značení (Marking) mapuje tečky v místech a definuje okamžitý stav PN.
Počáteční značení (Initial Marking) přiřazuje tečky k místům v počátečním stavu PN.
Vstupní funkce (Input Function) I mapuje přechod tj do množiny míst I(tj), definovaných jako
vstupní místa přechodů.
16
Výstupní funkce (Output Function) O mapuje přechod tj do množiny míst O(tj), definovaných
jako výstupní místa přechodů.
Bezpečnost místa (Safe). Místo je bezpečné, jestliže pro všechna možná značení počet teček v
něm nepřesáhne jednotku. PN je definována jako bezpečná, jestliže všechna její místa jsou
bezpečná.
Terminální vrchol (Terminal Node) je značení, které je již generováno při sestavování stromu
dostupných operací a kterému neodpovídají žádné aktivní přechody. Růst stromu je ukončen
dosažením terminálního vrcholu.
Duální vrchol (Duplicate Node) je značení, které je již zavedeno do stromu dostupných
operací a nemusí být proto při jeho tvorbě analyzováno. Všichni následníci tohoto vrcholu již
byli generováni při prvním výskytu tohoto značení.
Strom dostupných operací (Reachability Tree) reprezentuje všechna dostupná značení PN.
Strom startuje z počátečního značení směrem nového značení pro každý dostupný přechod.
Proces je opakován pro každé nové značení, které není terminálním ani duálním vrcholem.
Proces je ukončen, jakmile jsou všechna možná značení vyhledána.
Živost (Live) znamená, že zatím neexistuje žádný konečný vrchol ve stromu dostupných
operací. Pro každé značení v tomto stromu existuje nejméně jeden přechod, který je pro toto
značení otevřen.
Zablokování (Deadlock) je stav PN, při němž všechny paralelní procesy (přechody) čekají na
přidělení prostředků (teček), obsazených jinými procesy (přechody). Z hlediska
programového kódu lze tuto situaci nazvat zacyklením.
Nástroje PN umožňují sestavit a analyzovat stromové posloupnosti dosažitelných operací
(Reachebility Tree) z hlediska bezpečnosti, zablokování, živosti a konservativnosti, (Krejčí J.,
Zezulák J., 2006)
Na principu PN pracuje např. procedura MAN (model hydrotechnického opatření)
modelovacího systému AquaLog. Jeho důležitým principem je nezávislá komunikace mezi
hydraulickými a hydrologickými procesy. Každý z nich při tom využívá jednotných
topologických formalizmů, nezávisle na své hydraulické/hydrologické podstatě a bez ohledu
na vnitřní výpočetní struktury. Veškerá specifika definovaná ve stupni dekompozice jsou
využita ve všech ostatních procesech. Neurčitosti v dostupnosti dat jednotlivých subsystémů,
způsobené nejčastěji selháním systémů sběru nebo přenosu dat způsobují neurčenost
matematických formulací. Matematická neurčenost čí přeurčenost má za důsledek,
v algoritmickém smyslu, vznik abnormálního stavu výpočtu. Ten přeruší automatizovaný
výpočet a vyžádá si zásah obsluhy modelu formou dialogu.
Schéma v obr. 3 znázorňuje jednotlivé prvky vodního díla Orlík z hlediska rozlišovacích
schopností modelovacího systému AquaLog: nádrž, čtyři říční úseky a čtyři ikony
označujících přítoky z povodí. Pět pozorovacích stanic (červené šipky) určují okrajové
17
podmínky tvořené přítoky do nádrže jako výsledek modelů srážko-odtokového vztahu nebo
vodoměrná pozorování na tocích.
L64
W65
Varvažov
W6 4
České Budějovice
W63
Písek
Ostrovec
EL
N
Bechyně
QV
H
3
LL
W P0
Or
lík
LP5
VD
LP4
Obr. 3 Definiční schéma nádrže a navazujících hydrologických subsystémů
(Krejčí J., Zezulák J., 2006 )
3.2. Neuronové sítě
Systémy založené na umělých neuronových sítích (NS) se využívají zejména pro
rozpoznání závislosti ve vstupně-výstupních vztazích. Ve vodním hospodářství (a nejen v
této oblasti) se využívají zejména pro simulaci chování systémů, u kterých není dostatečně
známa jejich struktura a proto je někdy vhodné k nim přistupovat jako k systémům s
neznámou strukturou (black box). První poznatky o NS byly publikovány v roce 1943
(McCuloch, Pits, 1943), v roce 1949 navrhl Donald Hebb model založený na biologické
podobnosti se schopností učení.
NS zvládají značnou míru neurčitosti ve vstupních údajích a jsou optimálním prostředkem pro
úlohy rozpoznávání. Proto našly rozsáhlé uplatnění v nejrůznějších diagnostických zařízeních.
Základem neuronové sítě je zjednodušená elektronická analogie biologického neuronu.
Umělý neuron se chová jako extrémně jednoduchý počítač, který na základě daného algoritmu
provádí vyhodnocení a transformaci vstupních signálů do svého výstupu. Umělou neuronovou
síť můžeme definovat jako orientovaný graf, ve kterém množinu vrcholů tvoří těla neuronů a
množinu hran tvoří spojnice neuronů. Neurony jsou v síti rozčleněny do vrstev např. podle
následujícího schématu.
18
n1
n4
Vstupy
n2
n7
n5
Výstup
n8
n3
Vstupní
vrstva
n6
Skrytá
vrstva
Výstupní
vrstva
Obr. 4 Umělá neuronová síť
Vstupní vrstvu tvoří vstupní neurony, za ní následuje skrytá vrstva, případně více skrytých
vrstev a vrstva výstupní. Neurony jsou v NS průběžně očíslovány. Každý neuron v libovolné
skryté vrstvě je spojen hranou s každým neuronem vrstvy předchozí i následné.
Funkci neuronu v umělé NS je možné popsat na neuronu nj vyjmutém ze skryté vrstvy.
Označíme-li u počáteční a v koncové číslo neuronu ni předávajícího signál neuronu nj podle
průběžného číslování neuronů. Dále označme jako Oi signál vystupující z i-tého neuronu a Oij
signál procházející hranou hij z neuronu ni do neuronu nj, jejichž počáteční číslo značíme r a
koncové s. Nechť Wij a Wjk jsou synaptické váhy, kterými je vynásobena velikost signálu Oij a
Ojk a to vždy na konci příslušné spojnice. Pro signál Oj pak platí:
 v

O j  TFj   Wij Oij   j 
 i u

(8)
kde TFj (.) značí přenosovou funkci j-tého neuronu a j představuje tzv. práh j-tého neuronu.
Následující vztah se nazývá aktivační funkcí:
 v

Aj    Wij Oij   j 
 i u

(9)
Pokud je hodnota aktivační funkce kladná, neuron „vzplane“ a propustí signál dále. Kladné
váhy přispívají ke vzplanutí, záporné působí proti. Ke vzplanutí tedy může dojít, pokud
úroveň součtu vstupních signálů překročí mezní hodnotu – práh j.
NS mohou být jednak jednosměrné, kdy signál postupuje vždy pouze od vstupních neuronů
směrem k výstupním, existují však i sítě zpětnovazební (feedback networks) kde signál může
postupovat v obou směrech. Typická uspořádání sítí mají vlastní pojmenování zpravidla po
19
svých autorech, např.: Hopfield, BAM, ART, Percepton, Kohen, atd. (Nacházel K., Starý M.,
Zezulák J. a kol. 2004)
Přenosové funkce TF(A) se používají několika typů:
Logistická sigmoidální funkce, Skoková přenosová funkce, Lineární prahová funkce,
Gaussova přenosová funkce.
Základem učení NS (trénování) je tréninková matice, která má n řádků a m sloupců, které
jsou rozděleny na sloupce vstupní (symbol  ) obsahující vstupní hodnoty X1 až Xn a výstupní
(symbol  ) obsahující hodnoty Y1 až Yn. Jeden řádek pak odpovídá jednomu požadovanému
vztahu mezi vstupem a výstupem, tvoří jeden vzor.
Schéma tréningové matice:
tab. 1 Příklad tréninkové matice






i
X1
X2
X3
X4
Y1
Y2
1
0,8
12,7
5,1
26,5
6,8
0,0
2
0,4
15,6
3,8
21,7
3,3
0,2
.
.
.
.
.
.
.
n
Xn,1
Xn,2
Xn,3
Xn,4
Yn,1
Yn,2
V průběhu učení – trénování – vstupují po řádcích do NS vstupní signály – tréninkové vzory.
V závislosti na velikosti vah a prahů pak vystupují z výstupních neuronů hodnoty výstupních
signálů. Odpověď NS na vstupní signál je zpravidla odlišná od výstupu požadovaného. Součet
čtverců odchylek vypočtený pro každý vzor zvlášť je chybou vzoru Ev. Součet chyb Ev ze
všech vzorů je celková chyba E.
V procesu trénování se hledají takové hodnoty synaptických vah, aby pro všechny řádky
tréninkové množiny tyto odchylky nepřekročily povolenou toleranci. Trénování NS pro
všechny uvažované vzory představuje optimalizační postup, při kterém se minimalizuje
celková chyba E. Vektorem neznámých v tomto procesu je vektor w, jehož prvky tvoří
neznámé váhy, popřípadě i parametry přenosových funkcí a hodnoty prahů, v závislosti na
konkrétní NS.
Pro nalezení nejvhodnějších hodnot vektoru w se používá řada různých optimalizačních
metod např.: gradientní metody, metody zpětného šíření, metody genetických algioritmů atd..
Neuronovou síť je možné simulovat jednak hardwarovými prostředky nejčastěji v provedení
jako speciální karty do PC, na nichž jsou neurony a spoje mezi nimi vytvořeny pomocí
mikroelektronických obvodů. Tyto prvky jsou velmi výkonné, ale nebývají pro běžná
výzkumná pracoviště dostupné. Funkci neuronové sítě je možné simulovat i softwarově.
20
Softwarové simulátory jsou náročnější na strojový čas a kapacitu PC. Po natrénování sítě však
dávají dobře využitelné možnosti. Z komerčních produktů je možné zmínit program
BrainMarker Professional od společnosti California Scientific Software, USA, nebo program
ARTINT společností Mentar a EGÚ z ČR. Z českých programů např. Neurex 5.1..
Simulátor neuronové sítě je součástí programu MATLAB od společnosti Mathworks,
Inc (USA). MATLAB vytváří integrované prostředí pro vědeckotechnické výpočty, které se
neustále zdokonaluje a přizpůsobuje současným požadavkům. Mezi jeho rozšiřující moduly
(toolboxes) patří i Neural Networks Toolbox, který funguje jako simulátor neuronové sítě se
širokými možnostmi využití. (Fošumpaur P., 1998)
NS se používají především jako efektivní nástroje v procesu rozpoznávání a klasifikace
závislostí mezi vstupními a výstupními údaji. V procesu rozpoznávání mnohdy předčí lidské
smysly a jsou spolehlivější v situaci, když jsou data neúplná, nebo je jejich část neplatná.
Proto našly uplatnění zejména v lékařské diagnostice a ve vojenství, např. při rozpoznávání
nepřátelských objektů z radarového pozorování.
Ve vodním hospodářství mohou najít uplatnění např. ve varovných systémech pro lokality
ohrožené povodněmi.
NS nejsou nástrojem pro přesné výpočty, pracují však uspokojivě a rychle v podmínkách
neurčitosti. Proto mohou najít uplatnění i v operativním řízení VS. (Starý M., 2004)
Výhodou NS je i značná adaptabilita, která může do určité míry operativně pokrýt změny
řízeného systému doplněním odpovídajících tréninkových vzorů do tréninkové matice a
přetrénováním NS.
3.3. Genetické algoritmy
Na genetické algoritmy (GA) můžeme hledět jako na prohledávací metodu vhodnou
ke stanovení optimálního řešení z hlediska zvolených kriterií. Obecně slouží k
optimalizaci mnohorozměrných problémů. Rozvoj teorie GA se datuje od 70. let 20. století,
počátkem významnější etapy rozvoje, který zasáhl i do praktických aplikací, bylo vydání
knihy „Genetic Algorithms in Search, Optimalization and Machine Learning“ (Goldberg,
1989). V této době se objevuje pojem evolučního algoritmu (EA) a vzniká vědní oblast
označovaná jako „evolutionary computing“.
V literatuře (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol., 2004) je uveden následující přehled
hlavních proudů EA a jejich představitelů:
- Evoluční programování (EP) – L. Fogel, A. Owens a M. Walsech.
- Evoluční strategie (ES) – L. Rechenberg, H. Schwefel.
- Klasifikační systémy (CS) – J. Holland.
- Genetické algoritmy (GA) – J. Holland a D. Goldberg.
- Genetické programování (GP) – J. Koza.
Vznik GA byl inspirován analogií s procesy mutace a selekce, které se uplatňují ve vývoji
živých organismů, v buněčné genetice. GA lze s výhodou aplikovat na problémy, u nichž je
21
možné hodnotit kvalitu řešení na základě stanoveného kriteria. V GA se používá termín
hodnota „fitness“ (analogie s vhodností chromozomu), která je dána kriteriální funkcí.
Stanovení (vyhledání) „fitness“ hodnoty může být prováděno analyticky nebo odvozeno
z chování sledovaného reálného systému. Množinu všech možných řešení, mezi nimiž leží
řešení požadované, označujeme jako „prohledávaný prostor“. Optimální řešení pak odpovídá
extrému dané kriterální funkce. Způsoby prohledávání daného prostoru mohou být voleny
různě. Mohou být založeny na krokování se zvolenou přesností a následném výběru
nejlepšího řešení. Prohledávání může být vedeno od několika zvolených prvních bodů
prohledávaného prostoru, tzv. násady „seeding“, pomocí určeného algoritmu. Algoritmy
mohou být založeny na principu gradientních i bezgradientních metod, metody Monte Carlo,
mřížkových metod a metod GA. Metody GA poskytují zpravidla vyhovující řešení, i když
nelze vždy prokázat, že se jedná skutečné optimum.
Hlavní rysy vyhledávací metody GA jsou uvedeny v (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a
kol. 2004) následovně:
- Pracují s řetězcem zakódovaných parametrů – chromozomem, ne s parametry
samotnými.
- Představují vyvážený poměr mezi hledáním nových řešení v parametrickém prostoru a
využíváním informací již objevených.
- Jsou náhodnými algoritmy v tom směru, že používají operátory, jejichž výsledek závisí
na pravděpodobnosti. Výsledky těchto operací jsou založeny na hodnotě náhodného
čísla.
- Pracují s několika řešeními současně (paralelismus). Přenášejí informace z aktuálního
hledání přímo do následného hledání. Schopnost pracovat s několika řešeními současně
způsobuje, že jsou méně náchylné k uváznutí v oblastech lokálních minim.
- Vlastnost implicitního paralelismu u nich způsobuje, že populace jedinců najde řešení
rychleji, než kdyby prohledávali prostor samostatně jednotliví jedinci.
- Využívají pouze hodnotu kriteriální funkce, nikoliv její derivace nebo další doplňující
znalosti, což je příznačné například pro gradientní metody. Uvedené vlastnosti z nich
činí univerzálnější a obecnější optimalizační nástroje než klasické optimalizační
metody.
Řešení pomocí GA má rysy evolučního řešení. Kandidát řešení je nazýván „jedinec“. Ve
většině modelů obsahuje jedinec jeden chromozom. Jedinci jsou seskupováni do množin
zvaných populace. Po sobě následující populace se nazývají generace. Řešení začíná
s počáteční populací jedinců. Jedinci současné populace pomocí mutace a křížení ovlivní
vznik další generace.
Jedinci jsou vybíráni na základě kritérií a každému jedinci je přiřazena určitá míra kvality.
Vybraní jedinci (princip selekce) se podílejí na vzniku další generace. Po selekci proběhne na
základě stanoveného algoritmu křížení, kdy dojde ke kombinaci chromozomů rodičů a
vznikne zcela nový chromozom potomka. Ten může být na základě náhodnosti pozměněn,
dochází k mutaci. Po operaci křížení a mutace je dokončen chromozom jedince následující
generace. Tento postup je možné provádět v podobě cyklu a vyhodnocovat vlastnosti jedinců,
22
až do dosažení stanovených kriterií. Viz následující vývojový diagram (Prax P., 1999 in
Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004).
START
Náhodné vygenerování N jedinců populace
Ohodnocení
každého
jedince
pomocí
kriteria
Splnění
ukončovací
podmínky?
KONEC
Výběr vhodných rodičů použitím selekce
Aplikace operátorů křížení vždy na dva
náhodně vybrané rodiče
Aplikace operátorů mutace na náhodně
vybrané jedince z nové generace
Obr. 5 Základní genetický algoritmus
(podle Prax P., 1999)
Křížení a mutace jsou dvě nejdůležitější operace v teorii GA, které dominantně ovlivňují
rychlost a konvergenci řešení. Tyto operace probíhají nad „chromozomy“. Matematická
analogie chromozomů může mít tvar např. vektoru nebo binárního řetězce. Příklad operace
křížení při binárním zápisu kódu chromozomu je uveden v následující tabulce. Bod křížení je
vyznačen svislicí. Může být pro každý rodičovský pár vybrán náhodně. Mohou být
definovány různé metody křížení s různým vlivem na průběh řešení dané úlohy.
23
tab. 2 Příklad křížení chromozomů
Rodič 1
100101010110|0110101111110
Rodič 2
111000110100|1000101001101
Potomek 1
100101010110|1000101001101
Potomek 2
111000110100|0110101111110
Operací mutace se náhodně změní chromozomy potomků. Mutace je prevencí proti nalezení
pouze lokálního extrénu řešeného problému. Diverzifikuje vlastnosti jedinců v nové generaci.
V případě binárního kódování chromozomů se mutace může realizovat náhodnou záměnou
vybraných bitů, jak je například uvedeno v následující tabulce:
tab. 3 Příklad mutace chromozomů
Původní potomek 1
1001010101101000101001101
Původní potomek 2
1110001101000110101111110
Mutovaný potomek 1
1000010101101000101001101
Mutovaný potomek 2
1110101101000110101111110
Operátor mutace může být rovněž nastaven různým způsobem, může probíhat na základě
různých algoritmů s využitím náhodnosti.
Úlohy řešené pomocí GA začínají inicializací – počátečním nastavením populace. Obvykle
bývají chromozomy počáteční populace nastaveny náhodně. Při počátečním nastavení i
později v běhu řešení úlohy je třeba ošetřit vznik duplicity chromozomu.
Výběr jedinců pro křížení, selekce, je analogií přirozeného výběru podle Darwinovy evoluční
teorie. Principem přirozeného vývoje je výběr pouze nejlepších, nejživotaschopnějších
jedinců, kteří mohou založit další generaci. Svou roli i v přirozeném biologickém prostředí
hraje náhodnost.
Uvádějí se následující postupy selekce (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol., 2004):
- Nejlepší výběr – z populace jsou vybráni pouze nejkvalitnější jedinci podle nejvyšší
hodnoty nastaveného kriteria.
- Uniformní výběr – rodiče jsou vybráni zcela náhodně. Každý jedinec má stejnou
pravděpodobnost, že bude vybrán.
- Deterministický výběr – deterministický selektor užívá dvoufázové selekční procedury.
V první fázi se vypočítá předpokládané kritérium nových jedinců od všech rodičů.
Dočasná populace je pak naplněna nejdříve jedinci s nejvyššími očekávanými
hodnotami kriteria. Druhá fáze je uniformní náhodnou selekcí z dočasné populace.
24
- Stochastický výběr – jde opět o dvoufázovou selekci. První fáze je shodná
s deterministickým výběrem s tím, že zbývající pozice se obsadí náhodně vybranými
jedinci z předchozí generace. Druhá fáze je pak opět náhodnou selekcí.
- Metoda rulety – podle hodnoty kriteria zvýhodňuje ve výběru kvalitnější jedince.
jedinec s vyšším kriteriem má úměrně vyšší pravděpodobnost, že bude vybrán.
- Metoda lineárního pořadí – je vhodná v případě, že se hodnoty kriteria pro výběr
významně liší. Z jedinců je sestavena řada podle výše kriteria a pravděpodobnost
výběru nezávisí na hodnotě kriteria, ale na pořadovém čísle jedince.
- Metoda exponenciálního třídění – je založena na stejném základě jako metoda
předchozí, liší se tím, že pravděpodobnost výběru má exponenciální závislost na pořadí
jedince.
- Metoda turnaje – nepožaduje setřídění populace. Z n jedinců je vybráno t soutěžících.
Pro vznik další generace je vybrán nejlepší z těchto t jedinců. Celý postup se opakuje
tolikrát, kolik jedinců je potřeba vybrat. Metoda obvykle vybere častěji jedince
s vyšším kriteriem, než metoda rulety.
- Metoda ustáleného výběru – ve skutečnosti se nejedená o prostou metodu výběru, ale o
postup, kdy GA vytváří novou generaci tak, že z několika vybraných rodičů s nejvyšší
hodnotou kriteria vygeneruje potomky a z výchozí populace odstraní stejný počet
jedinců s nejnižším kriteriem, jako je počet nově vytvořených potomků. Velká část
chromozomů tak zůstane zachována v nové „generaci“.
V procesu výběru může být uplatněn princip elitismu, který chrání systém před ztrátou
nejlepších jedinců v procesu výběru. Uplatnění elitismu znamená, že se do nové populace
zkopíruje daný počet nejlepších chromozomů. Zbytek nové populace se vytvoří některou
z popsaných výběrových metod.
Pro praktické využití GA se doporučuje:
- poměr křížení v rozmezí 0,80 až 0,95,
- poměr mutace velmi nízký, kolem 0,005 až 0,01,
- velikost populace 20 až 30 jedinců,
- pro selekci využít metodu rulety, někdy může být metoda lineárního pořadí vhodnější,
- uplatnit metodu elitismu.
Metody GA mohou být uplatněny jako metody optimalizačního programování. Jejich
výhodou je odolnost proti uvíznutí (zacyklení) v lokálním extrému a snadná implementace již
jednou vytvořených algoritmů na podobné úlohy. Nevýhodou je vyšší potřeba strojového
času, mohou být pomalejší než jiné optimalizační metody. Využívají se v následujících
oblastech aplikací, (Nacházel, K., Starý, M., Zezulák, J., a kol. 2004):
- nelineární dynamické systémy – predikce, analýza dat,
- umělé neuronové sítě – topologie, proces učení,
- neuro-fuzzy genetické systémy – topologie, proces učení,
- genetické programování – vývoj programů v jazyce LISP,
- strategické plánování,
- řešení problémů obchodního cestujícího a pod.
25
V Česku se aplikací GA ve vodním hospodářství v teorii nádrží a vodohospodářských soustav
zabývali např. Nacházel a Toman (1995). V souvislosti s dalšími vodohospodářskými
problematikami pak Kremláček (2000), Ošmera, Prax, Mičín a Šimoník (1995) a Prax (1999).
Dostupné prostředky pro modelování vodohospodářských soustav
26
Výběr dostupných prostředků pro vytváření
matematických modelů využitelných pro
vodohospodářské soustavy
1. AquaLog
Systém Aqualog je produktem firmy AquaLogic Consulting s.r.o.
Aqualog má stavebnicovou formu a jeho modelovací techniky představují soubor procedur,
které lze využívat jako nástroj pro simulace hydrologických a vodohospodářských procesů. Z
hydrologického hlediska pak představuje semi-distributivní přístup matematického
modelování: povodí (vodohospodářská soustava) je členěno do subsystémů (komponent),
representovaných některou z výše uvedených kategorií procesů.
Systém tvoří prostředí, ve kterém lze snadno vyčlenit prvky hydrologického systému a zajistit
předávání stavových veličin v rámci sousedních komponent. Tvorba a provoz takto získaného
modelu probíhá ve třech úrovních: MAKRO-, MEZZO- a MIKRO-topografie. Integrovaný
systém komponent umožňuje simulovat odtokový režim ve složitých konfiguracích
odtokových oblastí, říčních toků, jezů, kaskád nádrží i složitějších VS, včetně
nejednoznačných směrů proudění. Jednotlivé modelovací techniky mohou řešit široké
spektrum vodohospodářských aplikací. Ústřední moduly, zajišťující hydrologické aplikace,
jsou posíleny kompaktním systémem řízení výpočtu, grafické i textové prezentace
vstupně/výstupních informací a statistik časových řad. Systém je modulární a umožňuje
snadné rozšiřování knihovny modelovacích technik, poskytující výběr metod pro simulaci
hydrologických procesů v přirozených či v ovlivněných hydrologických systémech a ve VS.
Základní princip tvorby modelu spočívá v prostorové dekompozici původního
hydrologického systému do dílčích, dostatečně representativních komponent, které je možno,
na vhodně zvolené rozlišovací úrovni, matematicky formulovat. Takto je možné pracovat s
modely srážko-odtokových vztahů, říčních úseků a nádrží. Nádrž může být vybavena
ovládacími mechanizmy pro řízení odtoku s časově proměnným režimem pohybování. Před
srážko odtokový model může být předřazena modelovací technika, která zprostředkuje
redukci nebo přírůstek objemu vody vlivem tání, výparu a podobně.
Výstupy operativního systému sběru dat jsou zastoupeny následujícími druhy časových řad:
- vodní stavy nebo průtoky,
- srážky,
- teploty,
- nastavení poloh uzávěrů objektů,
- boční přítoky,
- odběry, vody
27
- výška sněhové pokrývky,
- vodní hodnota sněhu,
- potenciální evapotranspirace.
Model SNOW-17 simuluje proces tání a také vytváření sněhové pokrývky na základě údajů o
teplotě vzduchu. Modelovací technika byla vyvinuta USNWS a je součástí koncepčního
modelu Sacramento. SNOW-17 vyjadřuje matematicky nejdůležitější procesy, které tvorbu a
tání sněhové pokrývky provází: výpočet sněhové vrstvy a plošného rozsahu sněhové
pokrývky, výměny tepla mezi sněhem a ovzduším a mezi sněhem a půdou a retenci tekuté
vodní fáze. Model SNOW-17 v rámci AquaLogu zpracovává hodnoty vstupních srážek do
modelů kategorie „povodí“ a provádí příslušné úpravy (redukci srážky nebo její zvětšení) v
závislosti na aktuálních klimatických a hydrologických podmínkách během formace a tání
sněhu. V MAKRO-topografii systému je proto vždy předřazen modelům této kategorie (na
příklad modelu APIc). Žádné další aktuální časové řady než srážkové a teplotní tento model
nevyžaduje, pro identifikaci parametrů ani pro provoz v reálném čase. V případě updatingu je
možno zadat časové řady vodní hodnoty sněhu a výšky sněhu.
Model SAC-SMA (Sacramento Soil Moisture Accounting Model) vyvinutý US National
Weather Service River Forecast System (NWSRFS) představuje povodí jako soustavu
vertikálně a horizontálně uspořádaných zón, resp. nádrží. V nich je voda zadržována
(intercepce v horních zónách) a z nich je buď odčerpávána vegetací (evapotranspirace) nebo
infiltruje do hlubších zón (půdní vláha a zásoby podzemní vody), resp. odtéká ve formě
různých komponent celkového odtoku:
- přímý odtok, tj. odtok z ploch, jež jsou dočasně nepropustné - po dosažení nasycenosti
půdní zóny,
- odtok z nepropustných ploch,
- povrchový odtok, míněn je odtok jako plošný jev,
- podpovrchový odtok, tj. odtok vytvořený přebytkem vody v zónách spojených
s vegetačním krytem (zóna aerace),
- dodatkový podzemní odtok, tj. sezónní složka celkového podzemního odtoku.
Relativně proměnlivý, vytvářený z mělkých kolektorů podzemních vod,
- primární podzemní odtok, vytvářený ze zásob s dlouhou dobou zdržení v povodí, tj.
odtok především z hlouběji uložených kolektorů.
Parametry vlastního srážko-odtokového modelu charakterizují výlučně proces déšť - odtok. V
programu jsou navíc začleněny další charakteristiky ovlivňující srážko-odtokový proces:
- korekční faktory pro dešťové a sněhové srážky,
- teplotní výškové gradienty a nadmořské výšky teploměrných stanic,
- jednotkový hydrogram charakterizující transformační účinky povodí a
- dlouhodobé průměrné měsíční úhrny evapotranspirace reprezentující optimální
požadavky vegetace - evapotranspirační potřeba, aj.
Model APIc Modelovací technika vychází ze Sittner-Schauss-Monro algoritmu, odvozeného
z tradičních koaxiálních korelací. Přednost této koncepce spočívá ve sloučení empirického
28
přístupu s intuitivními a logicky oprávněnými formami vztahu, které jsou navíc přehledně
graficky interpretovány.
Model Muskingum- Cunge vychází z analogie parametrů osvědčené techniky Muskingum s
numerickým schématem pro kinematickou vlnu upraveným Cungem. Empirický algoritmus
původního modelu tím získal fyzikální zdůvodnění a původní nenáročnost na vstupní údaje.
Model nevyžaduje zaměřené příčné profily koryta.
Model TDR Transport-difusní model TDR je v současné době využíván v hydroprognózním
provozu ČHMÚ. Na rozdíl od empirických a kinematických vztahů umožňuje předběžně
oceňovat fyzikálně interpretovatelné parametry na základě geometrické konfigurace říční
soustavy a případně registrovaných hydrogramů na 'vstupech' a na 'výstupu'. Umožňuje
rovněž jejich opravy v případě změn konfigurace toku (úpravy toků a jiné změny v korytě).
Umožňuje rozlišovat pohyb vlny v korytě a v inundaci s rozdílnými parametry v závislosti na
velikosti průtoku. Nemá nároky na podrobnou geometrii koryta. Model umožňuje určení
hladinového režimu pouze v uzávěrových profilech říčního úseku na základě existence
měrných křivek.
Model FLDWAV je hydraulický model pro stromové i okružní říční sítě. Je standardním
hydraulickým modelem nestacionárního proudění ve stromové říční síti, využívající implicitní
schéma Preismana. Pracuje pro stromové i okružní sítě a umožňuje aktualizaci (updating)
řešení v dolním uzávěrovém profilu.
Model SLF je založen na autoregresivním algoritmu typu ARMA SLF.Autoregresní model
SLF je uvažován jako náhradní procedura jejíž parametry (dimenze) nemají fyzikální význam.
Předpovědní horizont modelu je omezen na 2 časové intervaly (výpočtové) a je vhodný
především pro modelování plynulých odtokových vln (hladin či průtoků). Zkušenost ukazuje,
že pro naladění schématu je potřebná historie asi 40 předchozích měření modelované řady. Při
splnění těchto podmínek je program SLF vhodnou předpovědní procedurou v případě, že
chybí předchozí pozorování potřebná pro kalibraci deterministických modelů.
Model MAN je určen pro interaktivní simulace řízení odtoku různými objekty nádrže. Model
MAN využívá technologie Petriho sítí pro integraci hydrotechnických objektů vodních děl.
Tato metoda umožňuje zahrnout matematicky nekonsistentní procesy, které se uplatňují v
řízených hydrologických systémech: modely representativních hydraulických objektů a
hydrologických procesů umožní sestavit obecné výpočetní schéma pro libovolnou konfiguraci
vodního díla. Model MAN zahrnuje následující modelovací techniky, všechny pod jednotným
řízením systému AquaLog:
- RES kinematická rovnice nádrže,
- MS3 řízený přeliv,
- MB3 řízený výtok základovou výpustí,
- ELN turbo-generátor,
- DMY pomocná,
- QVH měrná křivka.
29
Systém Aqualog umožňuje modelování všech běžných funkcí VS. Jeho výhoda je možnost
kontinuálního provozu. Je v současnosti využíván předpovědní službou ČHMÚ pro povodí
Labe a Vltavy. (AquaLogic s.r.o., Programová dokumentace, 1999)
2. Hydrog
Program Hydrog je produktem firmy HySoft, jeho autorem je prof. Ing. Miloš Starý,
CSc., v současnosti je aktuální verze 9.1. Program byl vyvinut především jako distributivní
srážko-odtokový model zaměřený na simulaci, operativní předpovědi a operativní řízení
odtoku vody z povodí. Program rovněž umožňuje výpočet a optimalizaci odtoků ze soustavy
nádrží, v tomto ohledu je zaměřený především na povodňové řízení.
Program pracuje se schematizací povodí. Reálné povodí se nahrazuje orientovaným
ohodnoceným grafem. Říční síť je rozdělena na úseky a k nim příslušející mezipovodí (v
programu označované jako "zavěšené plochy"). Každému úseku a každé ploše mezipovodí
jsou přiřazeny příslušné atributy (délka, průměrný sklon, typ povrchu apod.). Povrchový
odtok z povodí je rozdělen na plošný odtok z příslušných mezipovodí a koncentrovaný odtok
v říční síti. Odtok se řeší kinematickou vlnovou aproximací Saint-Venantových rovnic pro
neustálené proudění (Stephenson and Meadows, 1986). Výpočet zohledňuje počáteční ztrátu
infiltrací. Simulace tání sněhu je řešena kalibrovaným (degree-day) modelem. Pro numerické
řešení rovnic popisujících tok vody úseky koryt toků a po plochách mezipovodí je použita
jednokroková explicitní diferenční metoda.
Podzemní odtok se počítá podle koncepčního regresního modelu (McCuen and Snyder, 1986),
kdy se v povodí uvažuje jedna podzemní nádrž - velikost odtoku z této nádrže je pak
rozpočítána v každém časovém kroku v poměru velikostí mezipovodí na velikost podzemních
odtoků z těchto ploch. Ztráta infiltrací je řešena Hortonovou metodou (Jacobsen, 1980), kdy
je hodnota počáteční infiltrace odhadnuta podle srážkového úhrnu za předchozí období.
Program provádí simulaci transformace povodňové vlny nádržemi. Základní diferenciální
rovnice nádrží jsou řešeny metodou Runge Kuta IV. řádu. Při simulaci se předpokládá, že
hydrodynamické vlastnosti systému se nemění, tj. regulační uzávěry nádrží jsou pevně
nastaveny. Odtok z nádrží však může být stanoven i na určitou zadanou hodnotu, nereálně
zadané odtoky z nádrží je program schopen korigovat.
Systém je upraven pro subjektivní i automatickou kalibraci vybraných vlastností, např.
drsnost a hydraulická vodivost zavěšených ploch apod. Umožňuje do grafického výstupu
přímo zadat průběhy měřených průtoků ve vybraných profilech a ze srovnání měřených a
simulovaných průběhů usuzovat na změnu kalibrovaných veličin. (Starý M., 2001), zdroj:
www.hysoft.cz
Vstupními údaji pro předpovědi jsou - měřené srážky v hodinovém kroku,
- měřené teploty vzduchu v hodinovém kroku,
30
- měřené průtoky v hodinovém kroku,
- měření výšky sněhu a jeho vodní hodnoty,
- předpovědi srážek v 6 hodinových úhrnech, program dobře spolupracuje s
předpovědnímm systémem (ALADIN) a bere v úvahu plošnou nerovnoměrnost
rozdělení srážek,
- předpovědi teplot v 6 hodinovém kroku,
- počáteční stavy hladin v nádržích.
Program Hydrog spolupracuje s operativní hydrologickou databází AquaBase (Aqualogic,
s.r.o.), kterou je účelné využívat k editaci vstupních dat. Systém je orientován zejména na
jednorázové spouštění a využívání především za povodňových situací.
Systém Hydrog je využíván regionálními pracovišti ČHMÚ v Brně a Ostravě pro povodí
Dyje, horní Moravy, Bečvy a Odry. Dále pak dispečerskými pracovišti podniků Povodí Ohře
s.p., Povodí Moravy s.p. a Povodí Odry s.p.
3. Matlab, Simulink
Matlab, produkt firmy MathWorks Inc. (USA), je nejčastěji charakterizován jako
"programový balík" pro multioborové technické výpočty. Jde de facto o vysokoúrovňový
programovací jazyk doplněný množstvím nástaveb a rozšíření, označovaných nejčastěji jako
"toolbox", které se již mnohdy orientují na některou z konkrétních oblastí vědy a techniky.
Patrně nejrozšířenější z těchto nástaveb, která neztrácí univerzální charakter je Simulink,
který využívá funkcí Matlabu pro modelování, simulaci a analýzu dynamických systémů.
Jedná se v principu o prostředek pro numerická řešení nelineárních diferenciálních rovnic.
Disponuje přehledným uživatelským rozhranním s intuitivním ovládáním.
Podrobnější charakteristika Matlabu jako prostředí je nad rámec této monografie.
Pro matematické modelování v oblasti vodního hospodářství Matlab poskytuje výkonné a
snadno použitelné prostředky pro práci s časovými řadami. Jde zejména o výkonné nástroje
pro maticový počet a interpolace.
Pokud je potřeba do modelu např. nádrže nebo VS vnést prvky událostmi řízené logiky, je
optimální využít možností dalšího rozšíření Matlabu a to nástroje Stateflow, který je snadno
propojitelný se Simulinkem. Opět disponuje intuitivním grafickým uživatelským rozhraním.
Stateflow pracuje na základě teorie konečných automatů a disponuje různými možnostmi
systémových reprezentací.
Využití prostředků Matlab, Simulink a Stateflow, případně dalších "toolboxů", např. Control
System Toolbox, je reálné pro modelování nejen samostatných vodních děl, ale i VS
(Fošumpaur P., 2001). Obraz modelované VS jako systému je možné na základě jeho
dekompozice vytvořit v Simulinku s využitím komponent dostupných v základních
knihovnách. Jde především o potřebný počet implementací integrátoru a komponent
representujících přenosové a další funkce. Ty representují funkce nádrží, uzávěrů, přelivů,
31
transformační funkce říčních koryt, soutoky, atd. Representaci zpětných vazeb využívaných
pro řízení VS, např. podmínky nepřekročení neškodného průtoku v daném profilu na toku,
nebo naopak zachování minimálních požadovaných průtoků, se nabízí řešit např. pomocí
funkcí toolboxu Stateflow. Další možné uplatnění Stateflow se nabízí při simulaci manipulací
daných pravidly manipulačního řádu v závislosti na daných vstupech – např. datum (měsíc,
roční období), přítok do nádrže, úroveň hladiny, apod. Nejsložitější podmínky v rámci
modelové VS v povodí Ohře jsou takto v manipulačním řádu stanoveny pro VD Skalka.
Využití těchto nástrojů může představovat alternativu pro dále rozpracovaný model VS v
povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0, která může být ověřena a využita v průběhu
dalšího výzkumu. Nespornou výhodou je možnost mnohonásobného spouštění za různých
podmínek z prostředí Matlabu.
Nevýhody jsou obecně stejné u všech universálních systémů - nejsou připraveny žádné
specifické nástroje a řešení zaměřená na řešenou speciální problematiku a všechny
komponenty systému se musí od základu vytvářet. Dá se očekávat, že s množstvím
definovaných vazeb na úrovni VS, zejména podmínek a pravidel pro součinnost manipulací
na více nádržích, se bude rapidně zvyšovat složitost celého programu.
4. TIRS.NET
Systém TIRS.NET od firmy CORAL s.r.o., aktuální verze 5, je řídicí a informační
systém kategorie SCADA/HDMI se základní orientací na tvorbu průmyslových řídicích
systémů. Disponuje nástroji pro vytváření dispečerských aplikací pomocí interaktivního
grafického prostředí. Systémy se sestavují z předdefinovaných komponent. Umožňuje
vytváření on-line řídicích systémů využívajících telemetrie a dalších progresivních metod
spojení a implementace do řízeného systému.
Výrobce mimo jiné nabízí předpřipravené monitorovací a řídicí systémy pro přehrady, které
představují kompletní vybavení dispečinku umožňujícího monitoring a ovládání:
- Hydrotechnických a hydrologických situací (stavy hladin, průtoků, naplnění prostorů),
- Meteorologických veličin (teplota ovzduší, teplota vody, srážky, vlhkost, intenzita
slunečního záření, síla a směr větru, výška sněhu, vodní hodnota sněhu, atd.),
- Uzávěrů a klapek výpustí vodního díla,
- Chodu vodní elektrárny, přepočet dodávané energie na průtoky,
- Parametrů životního prostředí (pH vody, vodivost, obsah kyslíku ve vodě, obsah
škodlivin v ovzduší),
- Vodárenského odběru a jiných odběrů vody,
- Sond technicko-bezpečnostního dohledu, průsaků, atd.,
- Stavu plavební komory a pohybu lodí.
32
Obr. č. 6 Příklad vizualizace aktuálních hodnot stavů a průtoků v programu TIRS.NET
Programové prostředky TIRS.NET dosud nebyly ověřeny pro modelování VS a jejího řízení,
využívají se ponejvíce v oblasti technické regulace (čerpací stanice, úpravny vody apod.).
Jejich současné využívání se omezuje na automatizované systémy sběru dat a to i pro potřebu
VHD (např. Povodí Labe, s.p.) a vybavení dispečinků větších vodních děl, zejména s
hydroelektrárnami. V současné podobě se dá nicméně předpokládat, že by tento nástroj mohl
být pro tvorbu modelu VS využit. Nabízí se například využití komponent a celků již pro řízení
samostatných vodních děl ověřených. Podle informací odborníků z firmy Coral s.r.o. v
současnosti nejsou v tomto systému k dispozici prostředky pro modelování neustáleného
proudění ve vodních tocích jako přenosové funkce mezi bloky simulujícími vodní nádrže.
Vytvoření takových programových komponent by patrně možné bylo. (zdroj: www.coral.cz ,
e-mailová korespondence s firmou Coral s.r.o.)
5. Program HEC-ResSim 3.0, jeho základní vlastnosti a možnosti
využití
Program HEC-ResSim (Reservoir System Simulation program) vytváří prostředí pro
modelování funkcí vodních nádrží a VS. Patří do celosvětově známé a využívané skupiny
programů vytvořených inženýrským centrem ženijní složky armády USA - "US Army Corps
of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering Center (HEC), Davis,
CA, USA". Z nich nejběžněji používané byly uvolněny pro veřejnost jako freeware.
33
HEC-ResSim v současné podobě vznikl jako jeden z programů označovaných jejich autory
jako "nová generace" (the Next Generation), jejímiž hlavními rysy je přechod z platformy
DOS na novější operační systémy, zejména MS Windows, některé z těchto programů, jsou
rovněž navrženy pro Unix nebo Solaris, eventuelně Linux. Pro ovládání při běžných
uživatelských situacích je připraveno standardní menu a dialogová okna vytvořená nejčastěji
ze zdrojů běhového prostředí JAVA (Sun Microsystems, Inc.). Mezi programy této skupiny
patří:
HEC-RAS (River Analysis System), v aktuální versi 4.0, celosvětově využívaný jako nástroj
pro 1D modelování proudění v otevřených korytech v ustáleném i neustáleném režimu,
disponující množstvím dalších funkcí, např. výpočty pohybu splavenin, kvality vody (ředění),
teplotního režimu, atd.
HEC-HMS (Hydrologic Modeling System), v aktuální versi 3.4, nástroj pro modelování
srážko-odtokových procesů, včetně např. tání sněhu a základního odtoku. Dovoluje zohlednit
rozmanitosti členění a uspořádání povodí, včetně transformačních procesů povodňových vln v
nádržích a v otevřených korytech. Nabízí možnost aplikace různých metod výpočtu a
efektivní nástroje pro kalibraci. Je např. rutinně využíván hydrologickými pracovišti ČHMÚ.
Oba výše uvedené programy lze považovat za obecně nejznámější a nejvíce využívané. Jsou
navrženy i pro využití a spolupráci s GIS. Tým HEC vyvinul extenze HEC-GeoRAS a HECGeoHMS pro programy ArcView GIS 3.x a ArcGIS řady 8 a 9 od firmy ESRI, Inc, které
umožňují zpracování, import a export geografických dat a efektivní zpracováni geografických
podkladů ve 3D (ESRI TIN).
Dále je z této skupiny vhodné zmínit:
HEC-FDA (Flood Damage Reduction Analysis), nástroj pro analýzu povodňových rizik.
HEC-EFM (Ecosystem Functions Model), nový program uvolněný v červenu 2008 pro
analýzu změn ekosystému v závislosti na změnách režimu průtoků.
HEC-SSP (Statistical Software Package), statistický software zaměřený na zpracování
hydrologických dat.
HEC-RPT (Regime Prescription Tool), vizualizační nástroj používaný pro sledování a
zobrazování hydrologických i jiných (např. biologických) měřených a vypočtených veličin a
údajů v reálném čase. Je koncipovaný pro spojení s jinými programy HEC. Prozatím ale není
znám žádný možný způsob jeho propojení a využití v souvislosti s modely VS vytvořenými
v HEC-ResSim. Avizována je budoucí dostupnost prostředků HEC-RPT z menu HECResSim, ale až od plánované verze HEC-ResSim 4.0 (Users Manual HEC-RPT).
HEC-GeoDozer je jedním z posledních uvolněných prostředků. V tomto případě však nejde o
samostatně fungující program ale o extenzi pro systém ArcGIS (ESRI, Inc.) ve verzi 9.2 a 9.3.
Umožňuje editaci digitálních modelů terénu a je orientován především na podporu programu
HEC-HMS, resp. HEC-GeoHMS.
34
V neuvolněné beta-verzi je testován HEC-WAT (Watershed Analysis Tool), integrovaný
softwarový systém sestávající z grafického uživatelského rozhraní, databázového subsystému
a nástrojů pro správu map, grafů a výstupů. Měl by se stát sjednocujícím prostředím pro
týmovou spolupráci a sdílení vstupů a výsledků z výše uvedených samostatných programů.
Důležitým jednotícím prvkem celé této skupiny je jednotný formát souborové databáze HECDSS (HEC Data Storage System), která v USA představuje obecný standard pro uchovávání
dat využívaný např. federálními institucemi (USACE HEC, USNWS, EPA, USGS, USSCS) i
dalšími subjekty včetně soukromých, které v oblasti vodního hospodářství působí. Pro
vizualizaci správu a snadnou úpravu dat ve formátu HEC-DSS je k dispozici nástroj HECDSSVue (Data Storage System Visual Utility Engine)
Program HEC-ResSim rovněž patří k prostředkům uvolněným jako fereware a jeho instalační
soubor je k dispozici na webové stránce: "www.hec.usace.army.mil/software/hecressim/downloads.html". Instalace je možná pouze pod operačními systémy MS Windows
2000, XP a Vista. U Windows 2000 a XP nelze použít lokalizované verze. Program se sice
nainstaluje a je možné ho spustit, nelze však korektně zadávat časové údaje a následně
spouštět simulace. Nastavení jazyka a měrných jednotek problém neřeší, je proto třeba použít
originální verzi operačního systému v angličtině. U systémů Vista není lokalizace na
překážku, je však třeba nastavit odpovídající formát pro čísla, čas a datum. Pod systémy řady
Windows 7 HEC-ResSim verze 3.0 nepracuje, resp. má nefunkční některé základní ovládací
prvky. Změna se dá očekávat s vydáním avizované další verze tohoto programu.
Používání uvedeného programu je dovoleno i pro komerční využití za podmínky souhlasu s
licenční smlouvou. Zdrojové kódy programu nejsou uživateli dostupné, nicméně soubory
obsahující konfigurace je možné editovat nezávisle na běhu programu v libovolném textovém
editoru. Rovněž lze editovat programem uložené časové řady ve formátu HEC-DSS např. s
použitím HEC-DSSVue.
V dubnu roku 2007 byla uvolněna aktuální verze programu HEC-ResSim 3.0 (Klipsch J. D.,
Hurs M. B., 2007), která oproti předchozí verzi 2.0 představuje robustnější modelovací
nástroj. Přináší nové možnosti v oblasti modelování funkce čerpacích stanic a vodních
elektráren, možnost uplatnění logických konstrukcí typu „If – Then – Else“, uživatelských
skriptů a řízení na základě uživatelsky definovaných časových řad a další podstatná vylepšení
velké řady funkcí známých z předchozí verze. HEC-ResSim 3.0 tak představuje nástroj
vhodný pro simulaci řízení všech podstatných funkcí vodních nádrží a vodohospodářských
soustav (VS) za normálních i extrémních situací. V tomto prostředí lze definovat model
jakékoliv běžné VS s dostatečnou podrobností a spouštět simulace na základě časových řad
definovaných buď podle skutečných událostí v povodí, na podkladě předpovědí, nebo
jakýchkoliv jiných prověřovaných alternativ. Pro vstupy i výstupy časových řad se využívá
napojení na databázi HEC-DSS.
Veškeré informace o každém konkrétním modelu nádrže nebo VS ResSim ukládá do
samostatného uživatelem určeného umístění - adresáře, který obsahuje standardní strukturu
podadresářů a souborů a je pojmenován zpravidla podle řešené VS. Takovýto celek je v
35
terminologii programu označován jako "Watershed", což má tedy v tomto případě širší
význam, než překlad tohoto slova jako "povodí".
Dalším základním rysem programu je jeho rozdělení do tří modulů - "Watershed Setup",
"Reservoir Network" a "Simulation".
Obr. č. 7 Modulová skladba programu ResSim
(HEC-ResSim 3.0 User's Manual)
Modul "Watershed Setup" slouží především k vytvoření základu - kostry pro topologii VS. Ta
se buduje zpravidla na mapovém podkladě, který může být representován různými formáty
vektorových nebo rastrových map. Podporovány jsou formáty: ESRI Shapefile, ESRI
ArcInfo, Auto CAD *.dxf, Rastry *.img, *.gif a *.jpg, formáty USGS (US geological survey)
*.dlg a *.dem, model terénu ASCI NetTIN. Přípustná je i kombinace různých formátů map v
jednom projektu. Optimální je použití hladin ESRI Shapefile, protože umožňuje import
liniových prvků z mapy do modelu a jejich využití jako základu pro vytvoření geometrické
kostry systému. V modulu "Watershed Setup" se nejprve jako základ pro další komponenty
vytváří kostra říčních úseků (streams). Spojením úseků vznikají soutoky (junctions). Dále pak
uživatel definuje nádrže a podle potřeby další objekty různého typu, např. odbočení
(diversions), výpočtové body (computation points), podélné hráze (levees), oblasti akumulace
36
vody mimo tok (off-channel storage areas), oblasti ovlivnění (impact areas) a další, včetně
možnosti definování vlastních typů objektů.
V modulu "Reservoir Network" se na základě vytvořeném v předchozím modulu dokončuje
topologie VS a jsou podrobně definovány vlastnosti jednotlivých prvků VS. Především se
stanoví nádrže s jejich charakteristikami, objekty a pravidly řízení a definují se říční úseky
soutoky a odbočení. Modul umožňuje uložit několik pojmenovaných variant těchto sestav
označovaných jako „network“.
Stanovit vlastnosti lze u všech objektů v tomto modulu vytvořených. U říčních úseků je
potřeba definovat metodu transformace povodňové vlny (např. Muskingum, MuskingumCunge, atd.). U soutoků je možné definovat místní přítok, měrnou křivku apod.
Nejvíce vlastností se definuje u nádrží. Jde zejména o základní charakteristiky nádržního
prostoru, čáru objemů a zatopených ploch. Následují údaje o hrázi, především výškové kóty a
další doplňující údaje informativního charakteru. Podrobně se definují funkční objekty a
uzávěry - nejčastěji spodní výpusti a bezpečnostní přelivy, k dispozici je několik možností,
jak zadat jejich měrné křivky a to i při částečném otevření. Mnoho možností je k dispozici pro
vodní elektrárny, odběry a čerpací stanice, které mohou mít definovány časové
harmonogramy a další podmínky funkce v nejrůznějších kombinacích. Pro definování funkcí
vodních elektráren je povinné zadat úrovně hladiny dolní vody. Pro ostatní objekty hráze
nejsou k dispozici vazby na úroveň dolní vody, např. ovlivnění kapacity výpustí a přelivů.
Tyto funkce jsou avizovány pro chystanou verzi 3.1, nicméně program umožňuje využít pro
tyto případy uživatelské skripty. U většiny vodních nádrží to však v praxi není potřeba.
K základní filosofii ResSimu patří vazba pravidel řízení pro výpusti, hrazené přelivy a další
prvky nádrže na definované nádržní prostory (zones). Program standardně nabízí tři
předdefinované prostory, pro které je třeba nastavit úrovně hladin: zásobní (Conservation),
ochranný (Flood Control) a mrtvý prostor (Inactive), pro který se pravidla nedefinují.
Strukturu nádržních prostorů je ale možné vytvořit jakkoliv podle skutečných podmínek na
vodním díle a jejich hladiny nastavit jako časově závislé podle dispečerských křivek.
Pravidla řízení, která jsou pro vodní díla k dispozici lze v zásadě rozdělit na:
- Pravidla pro vypouštění (Release Function), která lze definovat pro nádrž jako celek,
hromadně pro objekty hráze se stanovením priorit jejich využití (např. upřednostnění
hydroelektráren) a pochopitelně pak pro jednotlivé ovladatelné přelivy, výpusti a
odběry (případně jejich uživatelem definované skupiny).
- Pravidla řízení závislá na průtoku ve stanoveném profilu pod vodním dílem
(Downstream Control Function), definovaná pro vodní dílo jako celek.
- Tandemové operace (Tandem Operation) zajišťující optimalizaci využívání kapacit
v kaskádě vodních děl.
- Pravidla pro extrémní povodňové situace (Induced Surcharge).
- Pravidla řízení závislá na rychlosti změn jiných hodnot, např. přítoku, odtoku, pohybu
hladiny (Flow Rate of Change Limit, Elevation Rate of Change Limit).
37
- Pravidla řízení pro čerpací stanice a hydroelektrárny s možností uplatnění několika
úrovní časových harmonogramů a dalších specifických pravidel.
- Pravidla řízení definovaná skriptem.
Pravidla pro vypouštění a rovněž některá z dalších skupin pravidel mohou být nově
definována v závislosti nejen na čase a modelových proměnných příslušného vodního díla, ale
také na uživatelsky definovaných stavových veličinách, které musí být definovány pomocí
skriptu a na externích proměnných representovaných časovými řadami uloženými
v samostatných soborech ve formátu HEC-DSS.
S verzí 3.0 přichází rovněž možnost využívání logických konstrukcí typu „If – Then – Else“,
v editoru vlastností a funkcí nádrže (Reservoir Editor). To například umožňuje nastavit i
poměrně složité podmínky pro manipulaci závislé jak na aktuální úrovni hladiny, tak na
velikosti přítoku do nádrže, jak jsou stanoveny v některých manipulačních řádech. Program
pak provádí takovéto manipulace automaticky v daném časovém kroku.
Definováním tzv. "tandemových operací" v soustavě nádrží řazených na toku za sebou se
implicitně vytváří nádržní systém (Reservoir system). Pomocí editoru (Reservoir System
Editor) je možné nádržní systém i explicitně vytvořit a podmínit tak vzájemně některé
manipulace i na nádržích ležících např. nad společným soutokem. V praxi bývají podmínky
"spolupráce" nádrží ležících nad blízkým společným soutokem obvykle v manipulačních
řádech zakotveny.
Poslední operací prováděnou v modulu "Reservoir Network" bývá vytvoření alternativ v
"editoru alternativ". Každá z takto vytvořených alternativ má definovány okrajové podmínky
pro následující běh simulace a definuje formou připojení časových řad uložených ve formátu
DSS přítoky do jednotlivých uzlů systému ve formě hydrogramu.
Modul "Simulation" je určen pro spouštění simulací, které jsou definovány počátečním časem
simulace (Start Date), časem předchozího kroku (Lookback Date), koncem simulace (End
Date), krokem simulace (pro povodňové řízení obvykle 1 hodina) a některou z alternativ
definovaných v předchozím modulu. Jednotlivé definice i dokončené běhy simulací se
ukládají pod jménem.
Po ukončení každého běhu simulace je možné odečíst průtoky nebo stavy hladin prakticky
pro všechny komponenty systému v libovolném čase, po který simulace probíhala.
K dispozici jsou jak přehledné grafické výstupy, tak jim odpovídající výstupy tabelární, které
je možné tisknout nebo dále zpracovat např. MS Excelu.
Volně šiřitelná verze programu nedovoluje krokování simulace a neumožňuje žádné přerušení
a vstup uživatele do běžící simulace. Není orientována na využití on-line, což patrně pro
modifikace využívané rutinně složkami USACE-HEC nebude platit. Dovoluje ale prověřit
velké množství alternativ v krátkém čase a tak s velkou podrobností analyzovat funkci VS.
I přes nově ve verzi 3.0 implementovanou možnost vytváření uživatelských skriptů, nelze
zatím ResSim spouštět dávkově se zadanými vstupními parametry, tak jako je to například
možné u aktuální verze programu HEC-HMS. Tato skutečnost zatím ochuzuje možnosti
38
využití tohoto modelovacího nástroje o začlenění do automatických optimalizačních systémů
a snižuje tak poněkud jeho možnosti uplatnění pro efektivní řízení v podmínkách neurčitosti.
Uživatelské skripty jsou určeny především pro vytvoření vlastních pravidel řízení, vztažených
k daným subsystémům a komponentům v konkrétní struktuře VS, jak už je uvedeno výše,
která není možné definovat pomocí standardních nástrojů. Nicméně aktuální verze programu
předpokládá prakticky veškeré běžné podmínky a požadavky, které při manipulaci na vodní
nádrži nebo při řízení VS mohou nastat, takže potřeba vytváření uživatelských skriptů bude
patřit skutečně jen k velmi nestandardním úlohám. Uživatelské skripty je třeba psát v syntaxi
jazyka Jython (implementace jazyka Python v prostředí JAVA). Program disponuje kvalitním
editorem pro psaní skriptů včetně vzorových šablon a přehledného seznamu dostupných
objektů programu v hierarchické struktuře. Uživatelské skripty však zásadně zůstávají vnitřní
součástí programu a nelze je spouštět z jiného prostředí. Proto i nadále není prozatím možné
využívat ResSim 3.0 v té podobě, jak byl pro veřejnost uvolněn, pro systémy řízení on-line.
Situace se však může změnit s avizovaným vydáním následující verze, kterou má být HECResSim 3.1, podle internetových zdrojů (The Hydrology and Hydraulics Software News,
April 27th, 2009) by mohl být uvolněn ještě do konce roku 2009. Nová verze 3.1 by mohla
podle očekávání (Advancements in Reservoir Simulation Modeling HEC HEC-ResSim
Version 3.0, Klipsch. J., USACE Infrastructure Systems Conference, June 2007) umožňovat
spouštění dávkovým souborem (batch). Spolu s dalšími očekávanými vylepšeními by tak
mohla být efektivně začleněná do automatických optimalizačních systémů.
Dávkové spouštění programu HEC-ResSim se ověřuje v rámci hydrologické předpovědní
služby (NOAA NWS) v USA v rámci systému NWSRFS (National Weather Service River
Forecast System). Využívá se pro to softwarový "adaptér FEWS", vyvinutý hydrologickým
týmem společnosti Deltares, Delft, Nizozemí. Adaptér FEWS je speciálně pro toto použití
vyvinutý komerční software, který nebyl jako freeware uvolněn a ani není určen k běžnému
prodeji. Na podkladě emailové korespondence s výše uvedenými pracovišti má FŽP ČZU s
Dr. R. Hartmanem, USNWS a Dr. M. Wernerem, Deltares, příslib budoucí spolupráce,
jakmile bude jimi dořešena problematika používání HEC-ResSimu v rámci hydrologické
předpovědní služby NWSRFS.
Komponenty programu HEC-ResSim se využívají spolu s ostatními programy, např. HECRAS, HEC-HMS, apod. jako součásti integrovaného systému CWMS (Corps Water
Management System), provozovaného pracovišti USACE pro potřeby řízení vodních děl a VS
ve Spojených státech. Jde o systémy pracující v reálném čase, vyvíjené individuálně pro
konkrétní vymezené oblasti, zahrnující technologie automatizovaného sběru dat a další
moderní technologie pro řízení VS.
Na rozdíl jiných programů ze skupiny HEC nejsou k ResSimu k dispozici žádné podrobné
reference týkající se hydraulických a jiných fyzikálních principů fungování programu. O
fungování programu je možné si učinit představu pouze z podkladů uvedených v manuálu a
pak již jen nepřímo ze zkušenosti z jeho využívání.
39
Program HEC-ResSim je vzhledem ke svým současným vlastnostem a širokým možnostem a
zejména pak s ohledem na perspektivu jeho očekávaného dalšího vývoje progresivním
nástrojem pro vytváření modelů VS jak pro praxi dispečerských pracovišť, tak pro další
výzkumnou práci v této oblasti.
5.1. Souborová databáze DSS
Pro využívání programu HEC-ResSim v jeho aktuální verzi i s perspektivou jeho
dalšího avizovaného vývoje a pro jeho používání v kombinaci s ostatními programy
vyvinutými týmem HEC, ale nejenom z této produkce, je klíčovým prostředím a sjednocující
platformou souborová databáze HEC-DSS. Je proto třeba zmínit její základní vlastnosti a
možnosti využití.
Databázový systém HEC-DSS (Data Storage System) je určen pro ukládání, archivování,
zobrazování a statistické zpracování hydrometeorologických a technologických dat a dalších
dat z oblasti hydrologie, vodního hospodářství a ochrany životního prostředí. Pracuje
přednostně s daty ve formě časových řad, závislostí (X-Y) a prostorově-orientovaných
gridových dat, není však na tyto kategorie omezen. Systém je vybaven uživatelskými
programy a rozhraními, usnadňujícími provoz modelů.
První verze HEC-DSS byla vytvořena pro ovládání v režimu příkazové řádky v prostředí MS
DOS (pracuje i v jiných systémech) obsahuje knihovnu procedur v počtu cca 20 aplikačních
programů, které využívají prostředí HTSL (HTSL - Hydrologic Time Series Language, blíže
na http://troca.ford-consulting.com/htsl ). Systém je tedy otevřen pro další vývoj podle potřeb
uživatelů a je portabilní pro různé systémové architektury, má dostupný zdrojový kód a
vysokou rychlost vybavování rozsáhlých souborů dat z databáze. DSS je vhodný především
pro data sekvenčního charakteru.
HEC-DSSVue - HEC Data Storage System Visual Utility
V roce 2003 uvolnilo vývojářské středisko U.S. Army Corps of Engineers Hydrologic
Engineering Center novou formu (the Next Generation) systému HEC-DSS, funkční pod
systémem MS Windows, nazvanou HEC-DSSVue verze 1.2. Systém je navržen pro
usnadnění práce s aplikačními programy, které DSS databázi využívají. Vizualizační utility
HEC-DSSVue umožňují grafické a tabulkové zobrazování časových řad a jsou vhodné pro
prohlížení, editování a další manipulace s daty v registrech HEC-DSS. Mají vysokou
přizpůsobitelnost požadavkům uživatele na zobrazení a jsou vysoce portabilní (export do
formátu jpeg, png tisky a přenos přes schránku). Program zahrnuje 50 matematických funkcí
pro zpracování dat. Jeho výhodou je i plošné využití ve Spojených státech a s tím spojená
standardizace. HEC-DSSVue je přímo navázána na většinu programových prostředků HEC.
Skutečnost, že soubory DSS jsou v relaci k souborům časových řad prostřednictvím cest
(pathnames) zlepšuje organizaci a přehlednost databáze. Tyto linky jsou rozděleny do šesti
segmentů, oddělených lomítky "/" a označenými písmeny "A" až "F." Pro standardní zápis
úložiště časové řady potom platí:
40
A název projektu,
B měrné místo nebo identifikátor zařízení,
C typ stavové veličiny, např. FLOW nebo PRECIP,
D datum startu řady ve formátu 01JAN1980 (tzv US Military),
E časový krok,
F další popisná informace.
Seznam těchto linek tvoří přehledný katalog, ve kterém lze údaje snadno vyhledávat.
Ovládání programu HEC-DSSVue obsahuje následující základní skupiny příkazů:
- volba záznamu z katalogu HEC-DSSVue,
- základní menu,
- tabelární a grafické zobrazení vstupních časových řad a výsledků,
- editování tabelárních dat,
- vyvolání matematických funkcí,
- manuální vstupy časových řad např. z prostředí MS Excel,
- tisky grafů a tabulek.
Na sklonku roku 2009 byla uvolněna další verze tohoto nástroje označená jako HEC-DSSVue
2.0. Přináší produktivní nástroje pro práci s daty ve formátu Microsoft Excel.
Pro konverzi dat mezi formáty MS Excel a HEC-DSS je možné využít programový
prostředek HEC-DSS MS Excel Add-In, který je aplikací v jazyce Visual Basic for
Application (VBA) a po instalaci funguje jako makro v programu MS Excel, poskytující
rozhraní pro převod dat. Program je rovněž volně šiřitelný a lze jej získat ze zdroje:
http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-dss/hecdss_msexcel_addin.htm (2009)
Model soustavy vodních děl v povodí Ohře
41
Model soustavy vodních děl v povodí Ohře v programu
HEC-ResSim 3.0
1. Úvod
V následující části monografie je popsána konkrétní aplikace matematického modelu na
reálnou VS. Byl zvolen program HEC-ResSim 3.0, protože je volně dostupný a zároveň
vybavený nástroji pro podrobné modelování komponent a funkcí vodních děl. Bez nutnosti
dalších doplňků umožňuje modelovat automatické manipulace na vodních dílech VS v
souladu s manipulačními řády i zásahy obsluhy nad rámec MŘ, např. v době mimořádných
situací.
1.1. Zdůvodnění volby modelové vodohospodářské soustavy
Jako modelový případ byla vybrána VS v povodí Ohře zahrnující celé povodí od
pramenů Ohře na území Bavorska po závěrový profil limnigraf Žatec, vzdálený 13,44 km po
toku od profilu hráze VD Nechranice (v ř.km 90). Jde o soustavu čítající šest významných
vodních děl s rozdílným účelem a využitím. Ve směru toku se jedná o vodní díla Skalka (na
Ohři) a Jesenice (na říčce Odravě) na Chebsku, která ve smyslu schválených manipulačních
řádů tvoří místní soustavu. Další významnou nádrží je VD Horka na Libockém potoce
s retenčním prostorem 2,12 mil. m3, i když jde o typickou vodárenskou nádrž a manipulačním
řádem vymezený ochranný prostor je pouze neovladatelný. Dalším významným prvkem
soustavy je dvojice vodních děl v povodí Teplé, VD Březová (na Teplé) a VD Stanovice (na
Lomnickém potoce), opět definovaná manipulačním řádem jako místní soustava. Největším
vodním dílem uzavírajícím celé povodí je VD Nechranice s celkovým ochranným prostorem
51,77 mil. m3 z toho 36,56 mil. m3 prostoru ovladatelného. Menší vodárenská nádrž - VD
Podhora nebyla do modelového případu zahrnuta. Důvodem je její poloha na horním toku
řeky Teplé - malé povodí (19,65 km2) a prakticky jednoúčelové využívání.
V relativní rovnováze a pestré skladbě jsou v modelové soustavě účely využití jednotlivých
nádrží. Jedná se v první řadě o využití pro zásobování vodou rozsáhlých průmyslových a
sídelních aglomerací, dále pro protipovodňovou ochranu, energetiku, nalepšování průtoků,
rekreaci i rybochovné využití. I když funkce zásobní představují z hlediska celku dominantní
využívání, nemají pro řízení VS natolik razantní dopady, která by způsobovala krátkodobé
kolísání průtoků a hladin jako například energetické využívání VD na Vltavské kaskádě.
Soulad s potřebami protipovodňové ochrany nepředstavuje tak složitý vztah, jako tomu bývá
při výrazné dominanci energetického využívání.
Vítanou příležitostí pro ověření modelu VS vytvořeného v HEC-ResSim 3.0 v praxi se staly
Dispečerské hry, které uspořádal, po několikaleté přestávce v této již dříve započaté tradici,
podnik Povodí Ohře s.p. ve dnech 10. a 11. listopadu 2008. Proto byl rozsah modelové VS
42
přizpůsoben tak, aby odpovídal rozsahu povodí vymezeného pro Dispečerské hry a byly do
něj zahrnuty nádrže, na nichž byly v rámci her simulovány manipulace.
1.2. Povodí řeky Ohře, základní údaje a charakteristiky
Ohře je nejvýznamnějším tokem západní části České republiky. Protéká krajinou,
která byla od pravěku osídlena a obhospodařována a díky kontinuitě osídlení se dochovalo i
pojmenování řeky, které je patrně keltského původu. Jeho obdoba se objevuje i v jiných
částech střední a západní Evropy, kde se formovalo keltské etnikum. Řeka byla těsně spjata s
okolními sídly, z nichž nejvýznamnější, Cheb, získal po řece své pojmenování v němčině Eger. Od středověku se na řece intenzivně využívala vodní energie a provozovalo rybářství.
Ohře pramení v nadmořské výšce 752 m na území Bavorska na svahu Schneebergu,
nejvyššího vrcholu v pohoří Smrčiny (Fichtelgebirge). Ústí do Labe jako jeho levostranný
přítok v Litoměřicích v nadmořské výšce 143 m.
Délka toku:
300,2 km,
z toho na českém území:
256 km
Celková plocha povodí Ohře:
5614 km2
z toho na českém území:
4601 km2
Plocha povodí k uzávěrovému profilu modelu VS:
3591 km2
tab. 4 Přítoky Ohře
Významné přítoky Ohře
levostranné
pravostranné
Röslau (Reslava)
Odrava (Wondreb)
Libocký potok
Svatava
Rolava
Teplá
Bystřice
Liboc
Blšanka
Chomutovka
Povodí Ohře je možné rozčlenit na tři charakteristické oblasti:
1. Chebská pánev, včetně bavorské části, svahů Smrčin a Českého lesa. Povodí má podhorský
až horský charakter, ve středu Chebské pánve přechází do mírně zvlněných plošin. Hlavní
toky - horní tok Ohře, Reslava a Odrava se stékají v centrální oblasti pánve v blízkosti
43
Chebu. I když hlavní tok uhýbá k jihozápadu mimo osu pánve, dá se hovořit o vějířovitém
uspořádání povodí. V této části povodí leží vodní díla Skalka, Jesenice a Horka.
2. Oblast středního toku od Kynšperku po Kadaň je charakterizována hlubokým údolím Ohře,
které probíhá podél struktur krušnohorského zlomu mezi Slavkovským lesem a
Doupovskými horami na pravém břehu a svahy Krušných hor na břehu levém.
Z krušnohorské části Ohře přijímá Svatavu, Rolavu, a Bystřici, ze Slavkovského lesa pak
Teplou, která se rovněž zahlubuje do úzkého údolí, v němž byla vybudována přehrada
Březová pro ochranu Karlových Varů a VD Stanovice na přítoku Teplé, Lomnickém
potoce. V koncové části tohoto úseku Ohře leží vodní dílo Kadaň, nízká betonová tížná
přehrada s přelivem o třech polích hrazených segmenty s nasazenou klapkou, šířky 3 x
15,0 m. VD Kadaň nedisponuje ovladatelným ochranným prostorem, neovladatelný
ochranný prostor činí pouze 0,13 mil. m3. Zásobní prostor 2,123 mil. m3 slouží k
zabezpečení odběru vody v profilu jezu Želina pro ČS TE Tušimice I. a II., zajištění
odběru vody ČS Mikulovice pro TE Prunéřov I. a II., zajištění odběru vody ČS Rašovice a
pro Průmyslový přivaděč vody, resp. Podkrušnohorský přivaděč. Jde o zásobní nádrž s
krátkodobým cyklem bez významného efektu v ochraně před povodněmi. Proto nebyla
zahrnuta do vodních děl, která byla předmětem simulovaných manipulací při
Dispečerských hrách (viz kap. B. 1.1.). Není proto zahrnuta ani do předkládaného modelu
soustavy vodních děl v prostředí HEC-ResSim.
3. Za Kadaní opouští Ohře sevřené údolí, obrací se k východu a později k severovýchodu a
jako nížinný meandrující tok protéká oblastí Žatecka a Lounska směrem ke svému ústí do
Labe. Na začátku tohoto úseku leží VD Nechranice.
1.3. Soustava vodních děl v povodí Ohře
Vodní díla v povodí Ohře vznikala od roku 1935, kdy byla jako první dokončena
přehrada Březová, do roku 1978, kdy bylo dokončeno VD Stanovice. Vznikala jako
samostatná vodní díla pro různé hlavní a vedlejší účely. Po dobudování VD Skalka a VD
Stanovice byla vytvořena pravidla spolupráce dvou dvojic vodních děl Skalka-Jesenice a
Březová-Stanovice. Jsou zakotvena ve společných manipulačních řádech soustavy vodních
děl vydaných pro každou z těchto dvojic. Cílem je optimalizace zásobních funkcí v rámci
obou dvojic nádrží a optimální využití retenčního prostoru pro ovládání povodňových
průtoků. V soustavě Březová-Stanovice navíc funguje přečerpávání vody z řeky Teplé do
zásobního prostoru VD Stanovice. Prvkem soustavy je tedy kromě obou nádrží i ČS Teplička
v ř. km 17,0 na toku Teplá nad vzdutím VD Březová. Tím je zajištěno optimální využití
zásobního prostoru vodárenské nádrže Stanovice, který pracuje s víceletým bilančním
cyklem.
VD Horka za běžných situací samostatně zajišťuje v rámci víceletého cyklu potřebnou zásobu
vody pro vodárenské odběry a v soustavě vodních děl se projevuje účinkem svého
neovladatelného retenčního prostoru při transformaci povodňové vlny. Možnosti manipulace
jsou omezeny pouze na případné předpouštění před příchodem povodňové kulminace.
44
Poslední v kaskádě vodních děl, Nechranice, zajišťuje v první řadě požadovaný zásobní
objem pro odběry technologické vody a pro nalepšování, avšak rovněž disponuje významným
ochranným prostorem. Po rekonstrukci hrazených přelivů jsou otevřené možnosti optimálního
ovládání tohoto ochranného prostoru při povodních.
V soustavě jako celku se významně projevuje značná odlehlost vodních děl v oblasti Chebska
a Karlovarska od největšího VD Nechranice. V toku o délce 112 km od soutoku Ohře s
Odravou po začátek vzdutí VD Nechranice, resp. délce 63 km od ústí Teplé po začátek vzdutí
VD Nechranice dochází k významné transformaci povodňových vln. V závislosti na průtoku a
tvaru průtokové vlny se mění celková doba toku. Významný je i přítok v tomto mezipovodí,
který je zcela neovlivnitelný manipulacemi na vodních dílech.
Pro modelovou VS je řídicím pracovištěm VHD Povodí Ohře s.p., který kromě
hydrologického povodí Ohře na území ČR monitoruje a řídí i VD na dalších tocích ve správě
podniku Povodí Ohře s.p. (Bílina, Ploučnice, Kamenice, Flájský potok, a další). Pracoviště je
vybaveno modelem povodí a VS v programu Hydrog (HySoft, autor prof. Ing. Miloš Starý,
CSc., viz. kap. 4.2). Pro modelování hladinového režimu využívá program HYDROCHECK
(Hydrosoft Veleslavín s.r.o.).
1.3.1. Základní údaje o vodních dílech
VD Skalka
rok dokončení: 1964,
tok: Ohře,
ř. km: 242,41
plocha povodí: 671,92 km2
účel: Hlavními účel - v součinnosti s VD Jesenice kompenzační nadlepšování průtoků v Ohři
pro profil Kadaň pro tepelné elektrárny, průmyslové podniky, pro zajištění minimálního
průtoku v toku v profilu Karlovy Vary a Kadaň, zajištění minimálního průtoku v profilu
limnigrafu Cheb, částečná ochrana území pod hrází před povodněmi a likvidace následků
havarijního zhoršení jakosti vody v toku Ohře.
Vedlejší účely - výroba elektrické energie v MVE, rekreace a provozování vodních
sportů.
hráz: přímá, sypaná, kamenitá s návodním betonovým těsnícím pláštěm
kóta koruny:
444,60 m n.m.
spodní výpusti:
2 x DN 1200
Malá vodní elektrárna:
2 x Kaplanova turbína horizontální, 2 x 4,5 m3/s, 2x 350 kW
Bezpečnostní přelivy:
hrazené,
1 x segment, š. 9,5 m
1 x klapka, š. 7,0 m
max. kapacita přelivů :
559 m3/s
Zásobní prostor max.:
13,659 mil. m3
plocha hladiny: 334 ha
3
Ochranný prostor ovladatelný:
1,349 mil. m
Ochranný prostor neovladatelný:
3,636 mil. m3
Celkový objem:
19,555 mil. m3
Prům. roční průtok: 6,22 m3/s
Q1 = 70 m3/s
Q100 = 277 m3/s
45
Obr. č. 8 VD Skalka
(foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
VD Jesenice
rok dokončení: 1961, tok: Odrava,
ř. km: 4,17
účel: Hlavními účel - v součinnosti s VD Skalka kompenzační nadlepšování průtoků v Ohři
pro profil Kadaň pro tepelné elektrárny, průmyslové podniky, pro zajištění minimálního
průtoku v toku v profilu Karlovy Vary a Kadaň, zajištění minimálního průtoku v toku pod
nádrží, snížení velkých vod na Ohři a částečná ochrana území pod hrází před povodněmi.
Vedlejší účely - likvidace následků havarijního zhoršení jakosti vody, výroba
elektrické energie v malé vodní elektrárně, rekreace a provozování vodních sportů.
hráz: přímá, sypaná zemní se šikmou jílovou těsnící vrstvou na návodní straně
kóta koruny:
443,07 m n.m.
spodní výpusti:
2 x DN 1400
Čerpadla Sigma 5x, max. 3,25 m3/s, 300 kW
nehrazený, boční vějířový, 90,7 m
max. kapacita přelivu :
167 m3/s
Zásobní prostor max:
47,119 mil. m3
plocha hladiny:
3
3,486 mil. m
7,400 mil. m3
Celkový objem:
60,150 mil. m3
Q1 = 23,2 m3/s
Q100 = 139 m3/s
46
Obr. č. 9 VD Jesenice
VD Horka
rok dokončení: 1969, tok: Libocký potok, ř. km: 10,40
účel: Hlavními účel - akumulace vody pro zásobení sokolovské oblasti pitnou vodou a
zajištění minimálního průtoku v toku pod hrází.
Vedlejší účely - částečná ochrana území pod hrází před povodněmi a energetické
využití odtoku v MVE.
hráz: přímá, sypaná, zemní se středním hlinitým těsněním
kóta koruny:
507,30 m n.m.
spodní výpusti:
2 x DN 800, rozstřik uzávěr 2 x DN 700
Není samostatná - několik soustrojí napojených na výpusti a
odběry v různých úrovních.
nehrazený, šachtový, kruhový, průměr 11,0 m
134 m3/s
16,780 mil. m3
plocha hladiny: 130,24 ha
3
2,120 mil. m
Celkový objem:
21,350 mil. m3
Q1 = 13,2 m3/s
Q100 = 62,7 m3/s
47
Obr. č. 10 VD Horka
VD Březová
rok dokončení: 1935, provoz od: 1937, tok: Teplá, ř. km: 8,21 plocha povodí: 294,2 km2
účel: Hlavními účel - ochrana města Karlovy Vary před povodněmi, zajištění minimálního
průtoku v profilu limnigrafu Březová-odtok a zajištění periodických proplachů koryta pod
hrází.
Vedlejší účely - výroba elektrické energie, regulovaný chov pstruhových ryb,
nadlepšování průtoků pod hrází VD Březová pro pořádání kanoistických závodů a výkon
rybářského práva.
hráz: přímá, betonová, gravitační
kóta koruny: 433,95 m n.m.
spodní výpusti:
levá - DN 2100
pravé - 2 x DN 1500
2 x Francisova turbína, 2 x 1,3 m3/s, 2 x 216 kW
Čerpadlo Sigma (revers), 0,250 m3/s, 42 kW
Bezpečnostní přeliv:
nehrazený, přímý, korunový
s přelivnou plochou o pěti přelivných polích, dl. 66 m
179,8 m3/s
0,518 mil. m3
plocha hladiny:
3
3,134 mil. m
0,989 mil. m3
48
Celkový objem:
5,687 mil. m3
Q1 = 35,2 m3/s
Q100 = 140 m3/s
Obr. č. 11 VD Březová
VD Stanovice
rok dokončení: 1978, tok: Lomnický potok, ř. km: 3,20 plocha povodí: 92,1 km2
účel: Hlavními účel - akumulace vody pro zásobení Karlovarska pitnou vodou, zajištění
minimálního průtoku v profilu limnigrafu Stanovice-odtok, ochrana města Karlovy Vary před
povodněmi a periodické proplachy koryta pod hrází.
Vedlejší účely - ovlivňování ledového režimu na toku Teplá pod jeho soutokem s
Lomnickým potokem vypouštěním teplejší vody z VD Stanovice, výroba elektrické energie,
účelové rybné hospodářství na VD Stanovice i výkon rybářského práva.
hráz: přímá, sypaná, kamenitá s návodním asfaltovým těsněním
spodní výpusti:
2 x DN 800
Turbína BANKI, 0,120 m3/s, 37 kW
Čerpadlo Sigma Meta (revers), 0,139 m3/s, 46 kW
Bezp. přeliv:
boční, nehrazený, 22,0 m
221 m3/s
3
20,164 mil. m
plocha hladiny: 142,0 ha
49
2,406 mil. m3
3,580 mil. m3
Celkový objem:
27,800 mil. m3
3
Prům. roční průtok:
0,57 m /s
Q1 18,6 m3/s
Q100 90 m3/s
Obr. č. 12 VD Stanovice
VD Nechranice
rok dokončení: 1968,
tok: Ohře,
ř. km: 103,44
plocha povodí: 3590 km2
účel: Hlavní účely - zajištění minimálního zůstatkového průtoku pod VD v profilu Stranná,
nadlepšování pro vodárenské zásobení, pro průmysl, energetiku, zemědělství a rekultivace,
snížení velkých vod na Ohři, částečná ochrana území pod nádrží před povodněmi a výroba
elektrické energie v MVE Nechranice.
Vedlejší účely - likvidace následků havárií, ovlivňování zimního průtokového režimu
pod vodním dílem za účelem omezení nežádoucích ledových jevů, vodní sporty, sportovní
rybolov a rekreace.
hráz: Zemní sypaná, přímá, jednou lomená
spodní výpusti:
2 x DN 1800
2 x Kaplanova turbína, 2 x 16 m3/s, 2 x 5,0 MW
Korunové, hrazené 2 x hydrostat. segment, š. 2 x 15,0 m
1 x zdvižný segment, š. 13,0 m
50
max. kapacita přelivů :
1193 m3/s
233,215 mil. m3
plocha hladiny: 1220 ha
3
36,562 mil. m
15,205 mil. m3
Celkový objem:
287,632 mil. m3
Prům. roční průtok:
30,8 m3/s
Q1 199 m3/s
Q100 753 m3/s
Obr. č. 13 VD Nechranice
1.3.2. Dosavadní způsob řízení VS, poznatky a zkušenosti
Za běžných podmínek VHD Povodí Ohře se sídlem v Chomutově sleduje a řídí
manipulace na podkladě údajů z automatického sběru dat. Koordinuje a zajišťuje řešení
aktuálních požadavků a problémů při provozu vodních děl a toků. (konzultace na VHD, 2009)
Sběr „surových“ dat z celé řízené oblasti podniku Povodí Ohře s.p. se děje v základním
desetiminutovém kroku. K měřeným údajům patří úrovně hladiny ve sledovaných profilech,
z nichž jsou odvozeny aktuální průtoky; pro řízení VS jsou důležité zejména přítoky do a
odtoky z nádrží. Dále se sledují srážky, teploty vody a vzduchu. Odděleně se sledují údaje
technicko bezpečnostního dohledu (TBD). Data se ukládají v databázovém systému
ORACLE. Verifikaci a komentování surových dat současný systém umožňuje po dva měsíce
od naměření. Automatický sběr dat je funkční od roku 1983 a jeho systém prošel již mnoha
technickými změnami. Záznamy o měření na vodních dílech (deník hrázného, hlášení, atd.)
51
jsou archivovány od roku 1964, podle dokončení VD, např. VD Nechranice 1968. Souborné
zpracování dat za hydrologický rok vydává Povodí Ohře s.p. formou Hydrologické ročenky,
která je určena pro vnitřní potřebu podniku a je předávána rovněž ČHMÚ, MZe ČR a jeden
výtisk KHT ČVUT.
Celý informační systém VHD je koncipován jako kompatibilní s informačním systémem
Povodí Ohře, s.p. a je nedílnou součástí monitoringu vodní složky životního prostředí, tj.
Regionálního hydroekologického informačního systému.
VHD využívá předpovědní službu ČHMÚ. V rozsahu řešené VS ČHMÚ dodává průběžně
jednodenní předpovědi vodních stavů pro profil LG Citice, LG Drahovice a na přítoku do VD
Nechranice, v případě potřeby je možná předpověď v hodinovém kroku. Standardní
předpovědní doba je 48 hodin. Předpověď je vytvářena modelem Aqualog.
Dalším vstupem pro rozhodování jsou předpovědi srážek z modelu ALADIN. Pro posouzení
dynamiky srážek na povodí jsou na VHD sledovány informace z radiolokátoru
(„meteoradar“) ČHMÚ a předpověď je konfrontována s dalšími zdroji, např. WeatherOnline.
VHD Povodí Ohře je vybaven matematickým modelem Hydrog. Model je využíván pro
odvozování přítoků do nádrží a ověřování funkcí nádrží a VS za významnějších srážkových
epizod nebo tání sněhu. Není určen pro kontinuální provoz. V současnosti jsou modelem
ověřovány manipulace za vyšších průtoků ve vazbě na prognózu srážek a vypočtených
přítoků. Funkce systému Hydrog pro automatické modelování manipulací se v současnosti
nevyužívají.
Při používání modelu jsou zpětně s využitím nástrojů tohoto programu konfrontovány vstupy
z předpovědí s naměřenými srážkami a vstupy modelu jsou na tomto základě korigovány. Pro
modelové povodí je optimální rozlišení rastru srážek pro výpočty odtoků programem Hydrog
1,5 km2.
Větší VD vybavená elektrárnou mají svůé vlastní řídicí dispečerské systémy (Skalka,
Březová, Nechranice).
VS v povodí Ohře za sebou nemá dlouhou existenci v porovnání s dobami opakování velkých
povodní. Nejstarší nádrž, Březová, byla uvedena do provozu v roce 1937, ostatní nádrže
vznikaly v šedesátých a sedmdesátých letech 20. století. Soustavou v její současné podobě
prošlo 10 významnějších povodňových epizod, žádná však v rozměrech katastrofální
povodně, jaké proběhly v letech 1997 a 2002 v povodí moravských řek, v povodí Vltavy a na
dolním Labi.
Na základě zkušeností z provozu a docenění významu zejména speciální povodňové ochrany
povrchových dolů a průmyslových závodů a bezpečnosti vodních děl, byla provedena
dodatečná opatření na bezpečnostních přelivech nádrží Skalka a Nechranice.
Doplňkový bezpečnostní přeliv hrazený klapkou byl na VD Skalka uveden do provozu v roce
2000 a téměř o 50% zvýšil původní kapacitu bezpečnostního přelivu na hodnotu, která se blíží
pětisetleté vodě.
52
Na VD Nechranice byla v roce 2004 dokončena rekonstrukce středního pole bezpečnostního
přelivu, kdy bylo původní střední pole stejného provedení, jako současná pole krajní –
hydrostatické segmenty, nahrazeno zdvižným segmentem s předsazenou nornou stěnou,
s přelivným prahem, který je při vyhrazení segmentu o 5 m níže, než byly přelivné hrany
původní. Tím došlo ke zvýšení objemu ovladatelného bezpečnostním přelivem z 36,578 mil.
m3 na 105,578 mil. m3.
Na základě dlouholetých zkušeností vedení VHD byla vypracována přesná pravidla pro
manipulace na VD Skalka za povodňových stavů, která představují optimální postup, jak
využít retenční objem nádrže. Nádrž Skalka leží pod soutokem Reslavy a horního toku Ohře,
které odvodňují bavorskou část Chebska. Toto povodí o ploše 671 km2 vějířového typu rychle
reaguje na vydatné deště a celkový retenční prostor, kterým VD Skalka disponuje, necelých
5 mil. m3, neumožňuje významné snížení kulminací opravdu velkých povodní, které by
teoreticky mohly nastat.
Zkušenosti s provozem VD Březová prokázaly účinnost předpouštění nádrže před příchodem
povodňové kulminace ve vztahu k povodňové ochraně Karlových Var.
2. Podklady pro sestavení modelu v programu HEC-ResSim 3.0
2.1. Mapové podklady
Základním mapovým podkladem pro vytvoření modelu je digitální mapa a databáze
DMÚ 25, produkt Vojenského geografického a hydrometeorologického úřadu (VGHMÚř)
v Dobrušce (dříve VTOPÚ). Byla použita ve formátu ESRI-Shapefile v souřadném systému
JTSK, mapové listy Cheb, Sokolov, Karlovy Vary a Chomutov. Byly použity hladiny nesoucí
údaje o zástavbě, názvech obcí, vegetačním pokryvu, komunikacích a výškopisu - vrstevnice
ve 2D.
Tento podklad byl doplněn ze zdrojů VÚV, Digitální Báze Vodohospodářských Dat,
(DIBAVOD), které jsou dosažitelné na internetu na adrese:
www.vuv.cz/oddeleni-gis/17/geodatabaze-dibavod.html. (12. 2009)
Byly použity rovněž podklady ve formátu ESRI-Shapefile v systému JTSK a to objekty:
A01 - vodní tok (CEVT)
A02 - vodní tok (jemné úseky)
A03 - meliorační kanály
A05 - vodní nádrže
A06 - bažina, močál
A07 - hydrologické členění - povodí IV. řádu
A08 - hydrologické členění - povodí III. řádu
A09 - hydrologické členění - povodí II. řádu
A10 - hydrologické členění - povodí I. řádu
A11 - povodí vodoměrných stanic
53
A12 - kilometráž toku odvozená z DIBAVOD
A16 - břehové linie
D01 - záplavová území pětileté vody
D02 - záplavová území dvacetileté vody
D03 - záplavová území stoleté vody
D05 - hranice aktivní zóny záplavového území pro Q100
E04 - vodoměrná stanice
E05 - místa monitoringu povrchových vod
I01 - jezy
Výše uvedené podklady pokrývají převážně pouze území České republiky. Přesah cca 1 až 5
km na území Bavorska (SRN) mají v okrajové části podél státní hranice mapy DMÚ 25 a z
podkladů DIBAVOD mají využitelný přesah pouze objekty nesoucí údaje o plochách a
hranicích povodí. V České republice nejsou běžně dostupné zdroje digitálních dat o území
jiných států obdobného členění a rozsahu, jako jsou výše popsané podklady. S ohledem na to,
že na území Bavorska neleží žádná významná vodní díla, která by mohla být začleněna do
řešené VS, není pro vytvoření topologie modelu žádný mapový podklad z tohoto území
nutností. Nicméně pro lepší vypovídací hodnotu modelu a rovněž z důvodu ověření
deklarovaných možností programu HEC-ResSim, byl mapový podklad pro bavorskou část
povodí Ohře doplněn s použitím ortofotomapy.
Ortofotomapa byla získána exportem z programu GoogleEarth. Pro zachování potřebného
rozlišení bylo použito pro celé povodí na území Bavorska 14 snímků ve formátu JPG.
V programu Bentley MicroStation V8 byly sesazeny s využitím vícebodové transformace a
následně byly spojeny do bezešvého rastru, rovněž ve formátu JPG se známými souřadnicemi
rohových pixelů. Od takto vytvořeného podkladu se nedá očekávat přesnost odpovídající
standardním mapovým dílům. Pro potřeby orientace a doplnění modelu VS však dosažená
přesnost plně postačuje.
2.2. Vstupní údaje vodních děl
Pro potřeby sestavení modelu je pro vodní díla - nádrže nezbytné zadat následující
údaje:
1.
Řídící křivky hospodaření s vodou, které udávají požadované úrovně hladiny zpravidla
pro jednotlivé měsíce roku. Jsou povinnou součástí manipulačních řádů, kde jsou uvedeny
formou tabulky i grafu.
2.
Charakteristické křivky nádrže. V manipulačních řádech se uvádějí tabelárně i
graficky jako čára objemů (tis. m3, na tři desetinná místa) a čára zatopených ploch (ha, na dvě
desetinná místa) ve vztahu k úrovni hladiny v nadmořské výšce (v ČR v systému Balt po
vyrovnání).
3.
Konsumpční křivky přelivů vztažené k úrovni hladiny v nadmořské výšce.
U hrazených přelivů je nezbytné zadat konsumpční křivku vyhrazeného přelivu. Jako čistě
informativní údaj je možné zadat i konsumpční křivky při částečném otevření, nebo při plném
54
uzavření a přepadu přes jezový uzávěr, např. klapku nebo sektor v horní poloze. Údaje o
maximální rychlosti otevírání a uzavírání nejsou běžně dostupné v manipulačních řádech ani
v jiné méně podrobné dokumentaci o vodním díle a nejsou pro funkci modelu nezbytné. Je
však třeba doporučit zjištění i tohoto údaje, nebo alespoň rychlosti odhadnout na podkladě
údajů o obdobných jezových uzávěrech. Rychlost otevírání a uzavírání může mít vliv při
kratším časovém kroku simulace, např. při vytváření alternativ povodňového řízení.
4.
Konsumpční křivky spodních výpustí. Opět platí, že minimálně je třeba zadat
konsumpční křivku při plně otevřeném uzávěru a jako doplňující informativní údaj je možné
zadat i konsumpční křivky při částečném otevření, většinou definovaném v procentech. Údaje
o maximální rychlosti otevírání a uzavírání nejsou nezbytné, ale pro funkci modelu, zvláště
při kratším časovém kroku simulace, např. při vytváření alternativ povodňového řízení je
zadání rychlostí potřebné.
5.
Kóta koruny hráze v nadmořské výšce. HEC-ResSim umožňuje zadat i doplňující čistě
informativní údaje, jako je délka hráze a rok uvedení VD do provozu.
6.
Údaje o vodní elektrárně, pokud je na VD a to alespoň její maximální hltnost a úroveň
hladiny v nádrži, kdy je ještě využitelná. Povinné jsou také údaje o kótě hladiny dolní vody,
která může být vztažena k průtoku vypouštěnému z nádrže. Pro vodní elektrárnu je možné
zadat značně sofistikovaná pravidla řízení vč. časových harmonogramů, což ale pro systém s
MVE, které využívají kontinuelně pokud možno veškerá běžně vypouštěná množství, není
potřeba.
7.
Údaje o odběrech z nádrže, nebo vodních toků. Pro modelování alternativ
povodňového řízení zpravidla nemají význam. Uplatní se při studiu funkcí VS za běžných
průtoků a zejména pro případy sucha.
Výše uvedené podklady jsou zpravidla obsaženy v manipulačních řádech vodních děl. Jejich
upřesnění je snadno proveditelné dotazem na dispečerské pracoviště nebo přímo na obsluhu
vodního díla.
8.
Údaje o výparu z volné hladiny, je možné zadávat v měsíčních úhrnech v mm, nebo v
časové řadě ve formátu DSS s libovolným časovým krokem. Tyto údaje musí být odvozeny
na základě měřených údajů (teplota, relativní vlhkost, rychlost větru), nebo zadány na základě
předpovědi.
9.
Údaje o průsaku hrází nebo do podloží, je možné zadávat buď konstantní hodnotou
nebo ve vazbě na úroveň hladiny v nádrži. U vodních děl v modelované soustavě v povodí
Ohře nejsou průsaky z hlediska celkových bilancí významné a nejsou ani nikde uváděny.
2.3. Další podklady z manipulačních řádů
V této kategorii podkladů jde ponejvíce o zásady manipulací, které jsou vyjádřené
slovně a představují podmínky pro rozhodování obsluhy při manipulaci. Mezi nejjednodušší a
obecně používané u vodních děl, kde energetická funkce není prioritní, patří např., že se až do
vyčerpání kapacity turbín odtoky převádějí přednostně přes vodní elektrárnu. Další z
55
takových podmínek však již bývají značně specifické a zohledňují konkrétní podmínky na
daném vodním díle. Jde například o maximální rychlost poklesu vodní hladiny, která se
stanovuje ve vazbě na typ hráze apod. Další kategorie zahrnuje podmínky zachování
minimálních průtoků v daných profilech pod VD, nebo naopak nepřekročení bezškodních
průtoků pod VD nebo v některém oddáleném profilu v rámci VS. Pokud se jedná o oddálené
profily, v jejichž povodí leží dvě nebo více vodních děl, jsou takovou podmínkou implicitně
stanoveny podmínky spolupráce více nádrží.
Podmínky součinnosti dvou a více nádrží mohou být stanoveny i sofistikovanějším způsobem,
který definuje optimalizaci využívání zpravidla zásobních, nebo i ochranných prostorů nádrží.
V modelové VS jsou například stanoveny společnými manipulačními řády pro dvojice nádrží
Skalka-Jesenice a Březová-Stanovice. Zapracování těchto podmínek stanovených
manipulačními řády do matematického modelu vyžaduje individuální přístup pro každé vodní
dílo a je popsán pro konkrétní případy v níže uvedených kapitolách 3.5 až 3.7.
V manipulačních řádech jsou také zpravidla uvedeny přípustné odchylky od kót hladin
stanovených dispečerskými grafy. Implementace povolených odchylek je v běžně
používaných modelech problematická. Pokud jde o model v programu HEC-ResSim, který
simuluje zásahy obsluhy, tak zpravidla v co nejrychlejším čase, daném definicí omezujících
podmínek (kapacita výpustí, dovolená rychlost pohybu hladiny), dosahuje hladiny předepsané
příslušnou řídící čarou.
2.4. Podklady o korytech vodních toků
V modelované VS je možné z podkladů odečíst pouze délky úseků říčních koryt.
Pokud by koryto mělo pravidelný prismatický tvar, bylo by možné vstupní údaje pro model
zpřesnit. Jako podklad je možné pro výpočet metodou Muskingum-Cunge zadat parametry
pravidelného lichoběžníkového koryta nebo koryta s kynetou a bermami a to i
nepravidelného. Pak je třeba zadat sklon a Maningův součinitel, v případě kynety a berem je
možné zadat různé součinitele pro kynetu i každou bermu. Koryto Ohře a jejích přítoků však
nelze v dostatečně dlouhých úsecích považovat za takto pravidelné.
2.5. Podklady pro běh simulace – vodní stavy, předpovědi, měřené průtoky
Stavy hladin v nádržích, měřené nebo předpovězené jsou povinným vstupem pro běh
simulace, kde představují nutnou počáteční okrajovou podmínku.
Podklady pro běh simulace dále představují časové řady přítoků do VS ve stanovených
profilech, zpravidla na vtocích do nádrží. Pokud jsou k dispozici údaje o přítocích z
mezipovodí, zadávají se v soutocích a uzlech uvnitř VS. Pokud nejsou k dispozici údaje o
vtocích do uzlů, kde logicky přítok existuje, je možné tento přítok odhadnout jako
procentický podíl z některého zadaného přítoku v blízkém uzlu VS.
Časové řady, které representují reálné nebo předpovězené hydrogramy většinou bývají k
dispozici ve formátu MS Excel nebo v textovém souboru. Pro použití v HEC-ResSimu je
nutné převést je do databáze DSS, což je možné v programu HEC-DSSVue.
56
Pro říční úseky a uzly (soutoky, výpočtové body) je možné zadat do modelu časové řady
pozorovaných průtoků, pro nádrže i časové řady pozorovaných stavů hladiny. V uzlech je
možné zadat i konsumpční křivku koryta. Tyto údaje slouží pro srovnání s vypočtenými
hodnotami a pro potřeby kalibrace.
V modelované VS nebyly měřené údaje a konsumpční křivky prozatím zadávány.
3. Postup vytvoření modelu
3.1. Práce s mapovým podkladem
Mapové podklady vyjmenované v kapitole 2.1. nebyly použity přímo, tedy v podobě,
jak byly získány. Zpravidla se týkaly většího území, než bylo potřeba pro vypracování
modelu, např. podklady z databáze DIBAVOD jsou v rozsahu pro celé území České
republiky. Podklady DMÚ 25 byly v rozsahu čtyř okresů. Vznikaly by tedy zbytečně velké
objemy dat mapového podkladu. Pro práci v HEC-ResSimu bylo také vhodné hladiny
systematicky a přehledně pojmenovat pro rychlou orientaci při práci s mapovým podkladem.
Jako základ pro redukci mapových podkladů byla vytvořena hladina s polygony povodí IV.
řádu, z nichž se území modelové VS skládá. Touto hladinou pak byly "oříznuty" všechny
další hladiny převzaté z podkladů uvedených výše. Hladiny byly pojmenovány tak, aby byl
snadno patrný jejich obsah v seznamu hladin, který se zobrazuje v okně "Layer Selector".
Kromě těchto hladin byly vytvořeny z výše uvedených zdrojů i zcela nové hladiny, například
hladina vodních nádrží zahrnutých do VS a pomocné hladiny nutné pro import úseků vodních
toků do modelu. Samostatnou hladinu představuje rastrový mapový podklad pro území
Bavorska.
HEC-ResSim zobrazuje mapové hladiny v zásadě obdobně jako jednoduché prohlížeče pro
GIS. Je možné nastavovat zobrazování bodů, linií i polygonů v barvě podle atributů a
zobrazovat popisky podle zvolených atributů. Rovněž je možné nastavit zobrazování hladiny
v závislosti na měřítku pohledu. Toho je v mapovém podkladu využito pro zobrazování
vrstevnic a názvů měst a obcí, které se zobrazí až při přiblížení pohledu a v celkových
pohledech neruší. Není ale možné zobrazovat různé tloušťky a typy čar.
57
Obr. č. 14 Práce s hladinami
Součástí modelu je tabelární přehled všech hladin určených pro vytvoření mapového
podkladu, včetně stručného popisu jejich obsahu, které jsou uloženy v příslušném adresáři
modelu -(.. base\Ohre\maps). Do mapového podkladu je možné připojit pouze mapy, které
jsou uloženy právě v tomto adresáři. Ne všechny v přehledu uvedené mapy musí být aktuálně
připojeny a zobrazeny v základní sestavě modelu VS. Možnost podle potřeby připojovat a
řídit zobrazení dalších hladin představuje širší možnosti využití modelu zejména při
presentaci jeho výstupů. Připojování map a nastavování jejich viditelnosti a způsobu
zobrazení se provádí v modulu "Watershed Setup".
58
Obr. č. 15 Zobrazení vrstevnic a popisků
Obr. č. 16 Vektorový a rastrový podklad, překryv
3.2. Vytvoření základních komponent a topologie systému
Základní komponenty modelu VS byly vytvořeny převážně v modulu "Watershed
Setup". V první řadě šlo o osy sítě říčních úseků (streams), které byly importovány z
mapového podkladu. Nejprve však byly z originálních mapových podkladů v prostředí
ArcGIS 9.2 vytvořeny hladiny s upravenými liniemi, které representují základní úseky toku.
Linie z originálních podkladů DIBAVOD bylo třeba pospojovat, aby importem nevznikly
příliš krátké úseky, na nichž by např. nemohly být umístěny nádrže. Význam má i orientace
linie v nově vytvořené hladině, která se importem přenáší do objektu "stream" a určuje směr
staničení a toku, obrátit směr je nicméně později možné. Pro optimalizaci grafu VS je vhodné
volit importované linie pokud možno co nejdelší. Optimálně pro každý tok jednu linii dlouhou
minimálně ke konci vzdutí nejvýše položené nádrže. Import není bezproblémový, některé v
GISu vytvořené úseky se bez zjistitelných důvodů importovat nepodařilo. Proto bylo nutné
vytvořit a do modelu připojit několik pracovních hladin ve formátu "shapefile" a úseky
importovat postupně.
Na stycích objektů typu "stream" se implicitně vytvářejí objekty uzlů grafu - soutoky
(junctions). Pokud je potřeba doplnit výpočtové body (computational points), je možné je v
libovolném bodě hrany grafu umístit.
Na objektech typu "stream" se v dalším kroku vyznačují ve směru od konce vzdutí polohy
nádrží (reservoirs). Nádrž nesmí přecházet na jiný "stream". Pokud má nádrž více přítoků, je
nutné, aby hlavní tok nebyl v místě napojení přítoku přerušen a tvořil tedy jeden průběžný
"stream". Nádrže představují další objekty modulu "Watershed Setup" označovaných
souhrnně jako „projects“.
Kromě výše uvedených je možné vytvářet ještě objekty jiných typů a to: podélná hráz
(Levee), odbočení (bifurkace) (Diversion), definované úpravy koryt (Channel modification),
oblasti ovlivnění (Impact Area), oblasti akumulace (Off-Channel Storage Area), uživatelem
59
definované objekty (Other project) a značky pro vstupy z časových řad (Time-Series Icon)1.
Pro řešený model VS nebylo potřeba žádné z těchto objektů vytvářet.
V modulu "Watershed Setup" není mnoho možností, pro zadání vlastností vytvořených
objektů. Omezují se vesměs na jejich unikátní pojmenování - identifikátor a komentář.
Geometrické vlastnosti vytvořených objektů je možné zobrazit, ale není možné je editovat
zadáním jiných hodnot. Editace je možná pouze graficky pomocí tahu myší za uzly objektu v
režimu editace.
Pečlivé sestavení a ověření vytvořené topologie je základem a podmínkou pro úspěšné
pokračování práce v dalších modulech programu, zejména pak pro běh simulací.
Nastavení vytvořená v modulu "Watershed Setup" je možné uložit v několika variantách jako
pojmenované konfigurace. Pro řešenou VS byla vytvořena pouze jediná základní konfigurace
Hry_1. Nenastal důvod vytvářet konfigurace další.
Další komponenty systému, které nesou kromě mnoha jiných vlastností údaje o topologii, se
vytvářejí ještě v následujícím modulu "Reservoir Network". Jsou to především úseky říčních
koryt, označované jako "routing reach", které se zadanými vlastnostmi vstupují do výpočtů
pohybu vody v otevřených korytech. Vymezují se na dříve vytvořených objektech "stream",
jako jeden nebo více objektů "routing reach" a nemohou přecházet na jiný "stream". Tyto
objekty je nutné pro chod modelu jednotlivě vytvořit. Objekty nádrží, soutoků a výpočtových
bodů se vytváří automaticky z objektů vytvořených dříve v modulu "Watershed setup" a v
modulu "Reservoir Network" je nutné doplnit jejich další vlastnosti a v případě nádrží i další
komponenty, což bude popsáno v následujících kapitolách.
Z dalších objektů definovaných topologicky, které je v modulu "Reservoir Network" možné
vytvořit, byl využit odkloněný odtok z nádrže "diverted outlet". Pomocí něho je definována
situace na VD Nechranice, kde jsou u mimořádně dlouhé zemní hráze rozloženy ve
vzdálenosti 2,12 km od sebe funkční objekty spodních výpustí a MVE, které převádějí běžné
průtoky a objekt bezpečnostních přelivů. Oba tyto objekty ústí do samostatných koryt, která
se spojují prakticky 3 km od výtoku z MVE a 1 km od bezpečnostních přelivů. Bezpečnostní
přeliv je proto definován v modelu jako odkloněný odtok napojený na samostatný úsek koryta
(routing reach) nad výše popsaným soutokem. To umožňuje samostatně stanovit průtoky ve
výše uvedených korytech, ale především je věrněji reflektován faktický stav na vodním díle.
V průběhu prací na modelu VS a ověřování variant se v počátku prací používal model bez
odkloněného odtoku, který schematizoval reálnou situaci jako jedinou hráz s funkčními
objekty a jediné koryto pod hrází. Výsledky simulací se pro tato dvě řešení prakticky neliší,
nicméně schematizace s jediným korytem pod VD působí velmi hrubě. Při prověřování
dalších variant sestavení modelu bylo pro finální verzi vybráno přímé napojení odkloněného
1
Pozn.: Objekty "Time-Series Icon" mají podle stručné zmínky v manuálu význam při spolupráci s jinými
programy, zejména v rámci CWMS. Při využívání programu HEC-ResSim samostatně nemají žádný význam.
Možnosti propojení programů HEC navzájem a do systémů nejsou uživatelům freeware zpřístupněny.
60
odtoku do koryta pod nádrží bez propojujícího říčního úseku. Toto řešení se jeví jako
nejspolehlivější z hlediska stability modelu.
Obr. č. 17 VD Nechranice, odkloněný odtok
Další odkloněné odtoky jsou definovány na VD s odběrem vody, kterými jsou VD Horka,
Jesenice a Stanovice pro umístění těchto odběrů. V těchto případech nejsou napojeny na
žádný jiný prvek v soustavě a odebíraná voda tak výpočtově mizí ze systému.
Odběry vody na trati toků jsou representovány objektem odbočení "diversion". V modelované
VS jde o odběr vody čerpací stanicí Teplička v soustavě Březová-Stanovice, odběr vody pro
Podkrušnohorský přivaděč čerpacími stanicemi u Rašovic a Mikulovic.
Po vytvoření všech objektů s topologickými vlastnostmi, se doporučuje zkontrolovat
konektivitu modelu. V programu HEC-ResSim lze zobrazit tabulku konektivit (Network
Connectivity Table) a provést kontrolu. V zájmu vyloučení dalších problémů je třeba případné
nespojitosti opravit před následným zpracováním dat.
3.3. Definování charakteristik nádrží a jejich objektů
Všechny dále popsané úkony se provádějí v modulu "Reservoir Network". Jakmile
jsou v systému svou polohou definovány nádrže, je možné zadávat charakteristiky zdrže, tedy
čáry objemů a zatopených ploch. To je první základní předpoklad umožňující řešení
diferenciální rovnice úkonu nádrže. Dalšími vstupy jsou časové řady přítoku a odtoku z
nádrže. Přítok je zadán buď časovou řadou průtoků, hydrogramem, uloženým v databázi DSS,
který vstupuje do modelu v příslušném uzlu, nebo hydrogramem získaným jako výsledek
61
výpočtu ve výše položeném segmentu soustavy. Abychom mohli definovat odtok jako funkci
času, musíme nejprve na modelu nádrže vytvořit objekty, kterými se odtok děje a zadat jejich
vlastnosti.
V programu HEC-ResSim slouží pro vytváření modelů funkčních objektů nádrže a zadávání
jejich vlastností komplexně pojatý nástroj "Reservoir Editor". Pokud nejsou ještě žádné
objekty definovány, ukazuje se v levém okně editoru název vodního díla a objekty zdrž
(pool) a hráz (dam). Pokud byl definován odkloněný odtok, objevuje se jako třetí položka.
Pro všechny tyto položky je možné přidat objekty představující ve výpočtu složky celkového
odtoku z nádrže.
Pro zdrž je možné definovat ztráty výparem a průsak. Průsak v řešeném modelu definován
není. Průsak do podloží se u předmětných vodních děl nepředpokládá; průsaky hrází nejsou
nikde uváděny a neměly by mít z hlediska celkových bilancí význam.
Ztráty výparem představují nezanedbatelnou položku bilance, zejména v málovodných
obdobích. Je možné je zadat jako měsíční úhrn v mm nebo uživatelsky definovanou časovou
řadou. Pro potřeby ověření modelu byly zadány předpokládané měsíční úhrny výparu
odvozené z tabulky a grafu v příloze B ČSN 75 2410 Malé vodní nádrže. Mají platnost
hrubého odhadu. Připojit místo těchto zadaných hodnot časovou řadu odpovídající hodnotám
výparu odvozeným z meteorologických veličin na VD naměřených, nebo odečtených z
přímých měření výparu na VD nebo připojit předpovězenou časovou řadu, je možné podle
potřeby.
Pro hráz nebo odkloněný odtok je možné definovat stejné objekty. Jsou to: ovládaná výpust,
neovládaná výpust - přeliv, vodní elektrárna, čerpací stanice a průsak tělesem hráze, který je
možný vztáhnout k aktuální úrovni hladiny. Specifickou položkou mezi těmito objekty, která
se nepodílí na žádné ze složek odtoku z nádrže je "úroveň dolní vody" (Tailwater Elevation).
Je povinnou položkou pro funkci vodní elektrárny a umožňuje pouze definovat úroveň
hladiny dolní vody a to buď konstantní hodnotou nadmořské výšky, nebo na základě
konsumpční křivky koryta v závislosti na odtoku z nádrže, nebo ve vztahu k hladině níže
položené nádrže. V celé řešené VS byly zadány úrovně dolní vody podle údajů o vodním díle
z manipulačního řádu konstantní hodnotou. Změny této konstanty v rozmezí několika metrů
neměly na žádný vliv na průběh simulace.
V případě nehrazených přelivů se do modelu zadává knsumpční křivka, která je povinnou
součástí manipulačních řádů. Nehrazené přelivy se nacházejí na vodních dílech Jesenice,
Horka, Březová a Stanovice.
Pro hrazené přelivy jsou v manipulačních řádech k dispozici pouze konsumpční křivky při
plném vyhrazení a údaj o výšce hradicího tělesa a šířce hrazeného otvoru. Pro běh simulace
zadání konsumpční křivky pro plně otevřený jezový uzávěr stačí. Je ale třeba si uvědomit, že
dochází k určitému většinou nepodstatnému rozporu s reálným stavem. Model vyhodnotí
zahrazený uzávěr vždy jako neprůtočný a nebere v úvahu přepad přes např. klapku v horní
poloze, horní hranu spuštěného segmentu nebo přelivnou hranu hydrostatického sektoru v
62
horní poloze. Model pak začne samočinně otevírat jezový uzávěr při vyčerpání kapacity
spodních výpustí. Většinou se jedná o simulaci odpovídajícího zásahu obsluhy, ale nemusí to
platit ve 100% případů. Pro všechny ovladatelné uzávěry je možné zadávat buď jedinou
konsumpční křivku pro plně otevřený uzávěr, nebo více konsumpčních křivek pro uzávěr
částečně otevřený. I přes to, že se podaří zadat pro hrazený přeliv konsumpční křivku jak pro
hodnotu 100%, tedy pro plné otevření, tak i pro hodnotu 0%, tedy zahrazený uzávěr a mohli
bychom tedy považovat problém tímto zadáním za vyřešený, není tomu tak. Poznámka v
kapitole 10.16 manuálu informuje o tom, že HEC-ResSim prozatím neumí údaje o kapacitách
částečně otevřených uzávěrů ve výpočtu využít a odvozuje generované časové řady odtoku
uzávěrem pouze z údaje pro plně otevřený uzávěr. Není tím míněno to, že by se v simulacích
nevyskytovaly průtoky uzávěrem menší, než odpovídá jeho maximální kapacitě při aktuální
výšce hladiny. HEC-ResSim reguluje průtok ovladatelným uzávěrem plynule, ale zadané
konsumpční křivky pro částečná otevření k tomu nijak nevyužívá. Program ověří maximální
kapacitu při dané úrovni hladiny a nastaví požadovanou hodnotu odtoku nižší, než je aktuální
maximum.
Pokud by bylo potřeba modelovat situace, kdy dochází k přelivu přes hradicí těleso v
uzavřené poloze, např. situace, kdy nastane porucha pohybovacího zařízení apod., bylo by to
řešitelné definováním fiktivního ovladatelného uzávěru se zadanou konsumpční křivkou
platnou pro přeliv přes zahrazený původní uzávěr a podmínku definovanou skriptem, že
uzávěr je v činnosti pouze při nulovém průtoku "reálným" uzávěrem. Reálný uzávěr je pak
možné vyřadit z provozu pomocí pravidla s vyšší prioritou, viz článek 3.5.
O zadávání konsumpčních křivek pro spodní výpusti platí totéž, co pro hrazené přelivy. Pro
funkci modelu plně postačí zadání konsumpční křivky pro plně otevřený uzávěr. Protože v
manipulačním řádu pro VD Nechranice jsou konsumpční křivky pro částečně otevřené spodní
výpusti uvedeny, byly zadány i do modelu VS, s výhradou zmíněnou výše.
63
Obr. č. 18 definování konsumpčních křivek spodních výpustí VD Nechranice
Pro malé vodní elektrárny (MVE) na vodních nádržích je jako jejich základní vlastnosti třeba
zadat alespoň minimální výšku hladiny, kdy je dosažen potřebný spád na turbíny, aby
elektrárna mohla fungovat a maximální hltnost. Podrobnější pravidla pro funkci MVE jsou
pak zadána v rámci pravidel řízení, viz kapitola 3.5.
VD Horka není vybaveno typickou MVE, ale pouze jednotlivými soustrojími o nízkém
výkonu (25 až 250 kW) osazenými na jednotlivé odběry vody pro zásobování v různých
úrovních a na spodní výpust. Pro funkci modelu tu proto není třeba samostatný objekt MVE
definovat, protože nevzniká žádná samostatně fungující kapacita pro vypouštění vody.
Odběry vody pro zásobování vodárenských soustav a průmyslu jsou simulovány objekty
čerpacích stanic (pump) na odkloněných odtocích, které nejsou napojeny na žádný prvek,
který by vracel vodu do systému, viz kapitola 3.2. Na čerpacích stanicích byly nastaveny
konstantní odběry. Konstantní odběr je možné nahradit časovým harmonogramem s různou
periodou nebo uživatelsky vytvořenou časovou řadou.
Modely funkčních objektů hrází lze slučovat do skupin, kterým je možné zadávat některé
společné vlastnosti a především stanovovat společná pravidla řízení. Pokud je na VD několik
výpustí nebo přepadů shodného provedení, je možné pro ně zadat parametry společně a uvést
počet těchto objektů. Následně už ale nelze zadávat pravidla řízení jinak, než opět společně
pro takto definované objekty. Tento způsob byl použit pro dvojici hydrostatickým segmentem
hrazených přelivů ve funkčním objektu přelivů VD Nechranice, a pro dvojice shodných
64
spodních výpustí, které se nacházejí na všech ostatních VD (VD Březová má jednu dvojici a
jednu samostatnou spodní výpust).
3.4. Práce s říčními úseky
Pro povodí Ohře v rozsahu řešené VS není reálné využít podrobných údajů o tvaru a
charakteru koryt toků, které jsou sice na většině území k dispozici, protože byly pořízeny pro
potřeby stanovení rozsahu zátopového území programem HYDROCHECK (Hydrosoft
Veleslavín s.r.o.). Program HEC-ResSim však nedává možnost použít zaměřené příčné
profily toku nebo údolní profily přímo v modelu. Dovoluje pouze zadat buď parametry
souměrného lichoběžníkového koryta nebo složeného profilu s kynetou a bermou, k tomu
sklon a Maningův koeficient a to jednotně pro celou délku úseku. V daných podmínkách by
se jednalo o velmi hrubou schematizaci, která by vzhledem ke skutečným poměrům na tocích
postrádala smysl. Model provádí přibližný výpočet transformace povodňové vlny při
neustáleném proudění. Pro tento účel lze pro vymezené říční úseky (routing reaches) nastavit
několik metod řešení. Z výše uvedených důvodů je pro všechny úseky zvolena implicitně
nastavená metoda Muskingum, pro kterou program požaduje zadání tří údajů:
- Koeficientu K v hodinách, který odpovídá předpokládané době toku úsekem.
- Koeficientu míry transformace X v rozmezí 0,0 až 0,5. Hodnota 0 vyjadřuje maximální
zploštění průtokové vlny, hodnota 0,5 znamená průtok bez transformace.
- Počtu dílčích výpočtových úseků, který se doporučuje stanovit jako podíl doby toku
úsekem a délky výpočtového kroku zaokrouhlený na celé číslo.
Jak již zdůvodněno v článku 2.4, u všech úseků se v první řadě odečítá jejich délka z
mapového podkladu. Pak se stanovují na podkladě znalostí o charakteru koryta výše uvedené
koeficienty.
Při testování modelu byla rovněž ověřena metoda součinitelů zploštění povodňové vlny
(Coefficient Routing Method). Byla testována s hodnotami doporučenými v uživatelském
manuálu i s navrženou modifikací těchto hodnot. Jako výhodnější z hlediska jednoduchosti
kalibrace se prokázala metoda Muskingum.
Modely říčních úseků jsou oproti propracovanosti vodních děl schematizované s menší
přesností. Pro potřeby vyjádření běžných hydraulických procesů je však tento stav po
zkušenosti s testováním vytvořeného modelu VS možno považovat za vyhovující.
3.5. Definování zón nádržního prostoru a pravidel řízení
Před zadáním pravidel řízení pro jednotlivé prvky nádrže (rozumí se celé vodní dílo
vč. hráze a všech dalších objektů) a jejich souborů je nutné stanovit zadáním požadovaných
úrovní hladiny (absolutně v nadmořských výškách) prostory nádrže (zones), tak jak jsou
definovány v manipulačním řádu. Přednastavené jsou tři základní prostory - prostor stálého nadržení (inactive),
- zásobní prostor (conservation),
- ochranný prostor (flood control).
65
Program umožňuje definovat větší množství nádržních prostorů a implicitně vytvořené
prostory přejmenovat nebo zrušit. Jelikož v manipulačních řádech všech vodních děl v
modelované VS jsou vymezeny minimálně tři výše uvedené prostory, nebylo třeba pro
potřeby simulace povodňového řízení žádné nádržní prostory rušit, pouze z pravidla na
základě MŘ definovat rozčlenění zásobního prostoru na další zóny. Prostor stálého nadržení a
ochranný prostor jsou určeny kótou hladiny, která zůstává v čase konstantní. Hladina
zásobního prostoru a případně jeho jednotlivých zón je stanovena dispečerským grafem
v závislosti na období během roku.
Pro zavedení pravidel pro hospodaření s vodou za běžných průtoků a v době sucha je třeba
zavést větší počet prostorů podle počtu dispečerských křivek, různě pro jednotlivá VD: pro
VD Jesenice- 4 křivky, Skalka- 2 křivky, Horka- 2 křivky, Březová- 1 křivka, Stanovice - 5
křivek, Nechranice- 2 křivky. Ne všechny z nich však mají význam pro definování
samočinných řídících funkcí VS. Pokud např. nezavedeme sofistikované řízení vodní
elektrárny, což je i s využitím všech možností, která přinesla nová verze 3.0, problematické,
díky nepravidelnosti elektrárenských odběrů, pak ani nemá smysl určovat prostor pro
optimalizaci provozu MVE (tzv. dispečersko energetický prostor). To se týká VD Jesenice a
VD Stanovice. Právě tak nemá z tohoto hlediska smysl zavádět prostor odpovídající čáře pro
dovolený pokles hladiny při odledňování toku (VD Stanovice).
Řídicí křivka pro zásobní prostor je implicitně nastavena jako hlavní řídicí křivka, která
určuje úroveň hladiny, jež má být v optimálním případě dosažena. V rámci nastavených
pravidel a omezení systém usiluje o nejrychlejší dosažení této úrovně hladiny. Jako hlavní
řídicí křivku (Guide Curve) je možné označit kteroukoliv ze zadaných křivek.
Program umožňuje ukládání pojmenovaných sestav (Operation Set), které zahrnují definice
nádržních prostorů i pravidel řízení. V testovaném modelu je pro všechna vodní díla
definována vždy jedna sada operací pojmenovaná „Manipulace MR“ která obsahuje pravidla
pro automatické manipulace, které v maximální dosažitelné míře odpovídají požadavkům
MŘ. Jednou definované sady je možné duplikovat a následně upravovat a tak vytvářet velký
počet variant pro různé požadavky řízení VS.
Multifunkční nástroj pro editaci vlastností a funkcí nádrží (Reservoir Editor) kromě výše
popsaných funkcí umožňuje vytvářet pravidla pro řízení (rules) vybraných objektů (uzávěrů,
výpustí, apod.), jejich skupin a celků vodního díla (hráz, vodní dílo jako celek). V této oblasti
poskytuje program nejširší možnosti. Pravidla pro řízení jsou vždy vázána na konkrétní
nádržní prostor (zone). Přitom pravidlo definované na jednom vodním díle se může uplatnit
současně ve více zónách.
Podle vytvořených pravidel řízení model provádí samočinně manipulace na vodních dílech
VS.
66
Pravidla řízení, která jsou pro vodní díla k dispozici lze v zásadě rozdělit na:
‐
Pravidla pro vypouštění (Release Function), která lze definovat pro nádrž jako celek,
hromadně pro objekty hráze se stanovením priorit jejich využití (např. upřednostnění
hydroelektráren) a pochopitelně pak pro jednotlivé ovladatelné přelivy, výpusti a
čerpací stanice (případně jejich uživatelem definované skupiny).
‐
Pravidla řízení závislá na průtoku ve stanoveném profilu pod vodním dílem
(Downstream Control Function), definovaná (v aktuální verzi) vždy pouze pro vodní
dílo jako celek.
‐
Tandemové operace (Tandem Operation) zajišťující optimalizaci využívání kapacit
v kaskádě vodních děl.
‐
Pravidla pro extrémní povodňové situace (Induced Surcharge).
‐
Pravidla řízení závislá na rychlosti změn jiných hodnot, např. přítoku, odtoku, pohybu
hladiny (Flow Rate of Change Limit, Elevation Rate of Change Limit).
‐
Pravidla řízení pro čerpací stanice a hydroelektrárny s možností uplatnění několika
úrovní časových harmonogramů a dalších specifických pravidel.
‐
Pravidla řízení definovaná skriptem. Jsou určena především pro speciální úlohy
ovládání výpustí.
Pravidla pro vypouštění a rovněž některá z dalších skupin pravidel mohou být nově
definována v závislosti nejen na čase a modelových proměnných příslušného vodního díla, ale
také na uživatelsky definovaných stavových veličinách, které musí být definovány pomocí
skriptu. Dále je nově možné stanovit vazby na externí proměnné representované časovými
řadami uloženými v samostatných soborech ve formátu HEC-DSS. Pro potřeby vypracování i
poměrně náročného modelu, který je sestaven s ohledem na co nejuniversálnější možnosti
testování, nebylo třeba těchto možností využít.
V rámci vytváření pravidel je možné volit, zda pravidlo nastavuje maximální hodnotu určité
veličiny, např. průtoku, minimální, nebo její přesnou hodnotu. Jednoduchým způsobem
vertikálního řazeni v grafickém rozhranní editoru se určují priority jednotlivých pravidel.
Při definování funkcí výpustí, přelivů a elektráren byly využity nové možnosti verze 3.0 a to
možnosti podrobnějšího určení režimu vypouštění (Specifying Release Allocation). Tato
funkce, kterou je možné volitelně aktivovat, dovoluje definovat pořadí činných výpustí
(Sequential) nebo vyváženost vypouštěných množství (Balanced) jednotlivými výpustmi
pomocí vah určených pro každou z nich, nebo v kombinaci obou těchto metod v postupných
krocích podle narůstajícího průtoku (Stepped). V řešené VS bylo použito pouze volby pro
sekvenční otevírání jednotlivých výpustí a to zejména pro nastavení priority MVE. V případě
VD Nechranice je touto funkcí definována i přednost využívání středního segmentu pro
vypouštění vody bezpečnostními přelivy před otevřením krajních polí přelivu. Protože VD
Nechranice má dva oddělené objekty pro vypouštění a topologie modelu respektuje tento fakt,
bylo nutné nejprve stanovit priority mezi nimi. Věž se spodními výpustmi a MVE má prioritu
67
před objektem bezpečnostních přelivů a v rámci věžového objektu má přednost MVE. Aby
nebyly základové výpusti otevírány zbytečně, protože nejsou manipulačním řádem určeny
k běžné regulaci průtoků, pokud je možné požadovaný odtok zajistit manipulací na středním
poli (zdvižném segmentu) přelivů a MVE, je mezi pravidla řízení vložena podmínka, že
základové výpusti mohou být aktivovány, pouze pokud hladina v nádrži klesne pod kótu
263,00, což je úroveň přelivné hrany středního pole bezpečnostního přelivu. Toto nastavení
jako podklad pro automatické manipulace odpovídá většině běžných provozních situací.
Obr. č. 19 VD Nechranice – přelivy
(z www.poh.cz)
Obr. č. 20 VD Nechranice, věžový objekt
(z www.poh.cz)
3.6. Využití logických konstrukcí a skriptů
S verzí 3.0 přichází rovněž i možnost využívání logických konstrukcí typu
„If – Then – Else“, a to opět v editoru vlastností a funkcí nádrže (Reservoir Editor).
Tyto možnosti byly využity při modelování VS pro definování pravidel řízení nádrže Skalka
za povodně tak, aby se prakticky přesně vyhovělo poměrně složitým podmínkám stanoveným
manipulačním řádem. MŘ určuje vypouštěný průtok poměrně striktně v závislosti na přítoku
do nádrže a několika vymezených intervalů stavů hladiny v ní. Tato ustanovení MŘ vychází z
dlouholetých zkušeností s provozem tohoto vodního díla. Za průběžné manipulace podle MŘ
je dosaženo velmi efektivního využití jinak ne příliš velkého retenčního prostoru této nádrže,
jak je pak patrno z Obr. 21, na kterém je ukázán grafický výstup ze simulace průchodu
povodňové vlny použité při Dispečerských hrách v listopadu 2008.
Obr. č. 21 Definice pravidel pro povodňové řízení VD Skalka
68
69
Obr. č. 22 Výsledek simulace - graf úrovně hladiny VD Skalka, hydrogram přítoku a odtoku (dole)
3.7. Definování součinnosti v soustavě vodních děl
Pokud v modelu VS uplatníme pravidla označovaná jako tandemové operace „tandem
operations“ pro nádrže v kaskádě, nebo pravidla řízení závislá na průtoku v oddáleném
profilu níže na toku „downstream operations“, který je společný pro dvě a více nádrží, tak
taková pravidla definují součinnost vodních nádrží v soustavě při využívání jejich retenčních
a zásobních prostorů. Uplatněním těchto pravidel je implicitně definována soustava vodních
děl a manipulace na jedné nádrži se nadále řídí nejen stavovými veličinami pro tuto nádrž, ale
v úvahu jsou brány i stavové veličiny druhé nádrže (nebo více nádrží) a společně tvoří vstup
pro algoritmus naprogramované manipulace sledující definovaný stav ovlivnitelný jak jednou,
tak druhou, eventuelně i další nádrží. Soustava může být tvořena dvěma i více nádržemi
řazenými v kaskádě na jednom toku, nebo v paralelní konfiguraci na tocích se společným
soutokem.
Již v první funkční verzi modelu byla uplatněna pravidla pro ochranný prostor nádrží
Skalka a Jesenice sledující nepřekročení neškodného průtoku 55 m3/s v profilu pod soutokem
Odravy a Ohře. Obdobné pravidlo bylo stanoveno pro dvojici nádrží Březová-Stanovice a to
s cílem nepřekročit neškodný průtok 90 m3/s pod soutokem Teplé a Lomnického potoka,
který odpovídá fakticky nejvyššímu přípustnému průtoku lázeňskou čtvrtí v Karlových
70
Varech v měrném profilu limnigrafu u hotelu Thermal. Těmito kroky byly v rámci modelu
implicitně definovány dvě podsoustavy vzájemně se ovlivňujících nádrží. Pro potřeby
povodňového řízení postačila tato implicitní definice bez dalšího upřesňování způsobu
vzájemného ovlivnění nádrží. V mezích ovladatelných retenčních prostorů se systém snaží
proporcionálně využívat tyto prostory u obou nádrží. Pokud na některé z nich dojde
k vyčerpání ovladatelného retenčního prostoru a hrozí překročení nastaveného maxima v níže
položeném profilu, pak systém omezí, někdy i dost razantně, vypouštění z druhé nádrže. Pro
tento případ je třeba pamatovat na uplatnění pravidla nastavujícího minimální hodnoty
průtoků pod spolupracujícími vodními díly.
Jiná situace nastane, když je třeba řešit spolupráci nádrží při zajišťování zásobních
funkcí, která je např. v MŘ soustavy Skalka-Jesenice s potřebnou podrobností popsána. Jedná
se o slovně vyjádřené priority ve využívání zásobních prostorů těchto nádrží. V případě
soustavy Březová-Stanovice jsou zásobní funkce soustředěny převážně ve VD Stanovice a je
možné je v souladu s podmínkami MŘ dobře definovat i bez nutnosti vytváření vzájemných
vazeb na podstatně menší zásobní prostor VD Březová.
Spolupráce v soustavě Skalka-Jesenice je MŘ definována v principu tak, že větší
zásobní prostor nádrže Jesenice je přednostně využíván a ve fázi plnění zásobních prostorů se
rovněž přednostně plní. Podrobnosti jsou uvedeny v příslušných ustanovení části „C“ MŘ
soustavy. Aby se těmto požadavkům mohly naprogramované samočinné manipulace co
nejvíce přiblížit, bylo potřeba oproti první verzi modelu pro povodňové řízení definovat více
dispečerských křivek dělících zásobní prostor obou nádrží na více částí s odlišnými pravidly.
Přednost ve využívání těchto prostorů je možné definovat ve vztahu k celkovému prostoru
(součtu) prostorů obou nádrží začleněných do soustavy procentním podílem. K tomu slouží
editor systému nádrží „Reservoir System Editor“ dostupný v modulu „Resevoir Network“.
Jeho prostřednictvím je pod názvem Skalka-Jesenice definována tato soustava a jsou
nastaveny její parametry, jak je patrno z Obr. 22.
71
Obr. č. 23 Resrvoir System Editor – nastavení pro VS Skalka-Jesenice
4. Spouštění simulačních výpočtů a využití modelu
4.1. Definování alternativ a okrajových podmínek
Podmínkou pro běh simulací je definování okrajových podmínek a připojení vstupních
časových řad reprezentujících hydrogramy na přítocích do VS. Program, jak výše uvedeno,
disponuje editorem alternativ, ve kterém se automaticky vytvářejí položky podle
definovaných komponent modelové VS, včetně uzlů s definovaným přítokem „Local Flow“.
Pokud by byly definovány i jiné vstupy dané časovými řadami, např. externí proměnné, které
je možné používat, objeví se příslušná položka pro jejich připojení právě v editoru alternativ.
V konečné verzi modelu je definováno pouze po jedné sadě manipulací s označením
„Manipulace MR“ pro každou nádrž, viz článek 6.3. Pokud by bylo třeba vytvořit více sad pro
modelování VS za různých situací lze s výhodou využít možnosti duplikace stávajících sad.
Okrajové podmínky určují průtoky jednotlivými uzávěry, a přelivy a úrovní hladiny v nádrži
na počátku simulace. V konečné verzi modelu VS jsou nastaveny hodnoty, které byly použity
při zahájení simulace na Dispečerských hrách.
Připojení časových řad je provedeno na příslušné kartě editoru alternativ s využitím vlastností
souborové databáze DSS formou zadání cesty k jednotlivým oddílům databáze. Databáze
časových řad přítoků, soubor „povoden88.dss“ je uložena v adresáři modelu v podadresáři
„DSS“ v jeho dalším podadresáři „pracovni“ jsou uloženy další časové řady ve formátu DSS
použité při Dispečerských hrách na Povodí Ohře.
72
Každá kombinace definovaných sad s pravidly řízení, okrajových podmínek a připojených
časových řad musí být uložena pod názvem jako „alternativa“. Pod tímto označením se potom
užívá při vytváření jednotlivých běhů simulace.
V editoru alternativ, tak jako např. v editoru uzlů (Junction Editor) je rovněž možnost uložení
pozorovaných časových řad. Program však nedisponuje žádnou funkcí pro posouzení shody
vypočtených časových řad s pozorovanými při kalibraci. Tyto možnosti má např. program
HEC-DSSVue, který je pro tyto účely možné samostatně použít.
4.2. Spouštění simulací
Po otevření modulu „Simulation“ se na pravé straně okna programu objeví okno
správce simulací. Jak v něm, tak z hlavního menu je možné definovat nové běhy simulací.
Běh simulace je definován základními časovými údaji – začátkem a koncem simulace a
časovým údajem pro odečtení počátečních podmínek (Loockback Date), které musí obsahovat
dřívější časový údaj, než je zadaný počátek běhu. Dále je simulace určena použitím jedné
z uložených alternativ, viz článek 4.1.
Časové rozmezí zadané pro běh simulace musí korespondovat s daty a časem v připojených
časových řadách. Časové řady použité pro ověření modelu na Dispečerských hrách jsou
v modelovém časovém rozsahu od 27. 5. 2088, 6:00 do 2. 6. 2088, 6:00.
Spuštění a dokončení první simulace představuje zároveň úspěšné ověření konektivity všech
součástí modelu. Po ukončení každého běhu simulace, lze odečíst průtoky a stavy prakticky
pro všechny komponenty systému z libovolné fáze simulace. K dispozici jsou jak přehledné
grafické výstupy, tak jim odpovídající výstupy tabelární, které je možné tisknout nebo dále
zpracovat např. MS Excelu.
Pro každou vytvořenou simulaci se v základním adresáři modelu v podadresáři „rss“ vytvoří
samostatný podadresář pojmenovaný shodně s definovanou simulací, který obsahuje veškeré
potřebné údaje pro opětovné spuštění této simulace i pro případ, že nastavení, za kterých byla
vytvořena, uživatel změní. Podmínkou opětovného spuštění však je, aby zůstal zachován
soubor se zdrojovými časovými řadami v původním umístění. V každém adresáři příslušném
k vytvořené simulaci je obsažen soubor „simulation.dss“, který obsahuje hodnoty pro
jednotlivé prvky systému vygenerované během simulace.
Volně šiřitelná verze programu nedovoluje krokování simulace a neumožňuje ani přerušení a
dialogový vstup uživatele do průběhu simulačního výpočtu. Běh simulace je i pro poměrně
rozsáhlou VS rychlý, je otázkou několika vteřin. Proto není problém vyhodnotit proběhlou
simulaci a v případě potřeby vložit mezi pravidla řízení např. pravidlo představující
požadovanou manipulaci s konkrétním uzávěrem v daném čase a spustit simulaci znovu.
Námi využívaná verze programu příliš nepodporuje on-line zpracování, což patrně pro
modifikace HEC-ResSim využívané rutinně složkami USACE-HEC neplatí. Umožňuje však
účinně v krátkém čase prověřit značný počet alternativ řízení a tím i velmi podrobnou analýzu
funkcí VS.
73
4.3. Simulace operativních opatření při extrémních situacích
4.3.1. Problematika povodňového řízení
Testování modelu VS v podmínkách povodňového řízení spočívá především ve
vytváření variant simulovaných manipulací nad rámec MŘ. Tento způsob je možné považovat
za základní. Model VS je nastaven na automatické provádění manipulací v mezích MŘ a
KMŘ a nad těmito manipulacemi representovanými systémem pravidel sdružených do sad se
vytvářejí pravidla reprezentující mimořádné zásahy obsluhy. Při testování povodňové situace
vytvořené pro účel Dispečerských her šlo výhradně o definované předpouštění zásobního
prostoru. Pro tuto potřebu byla vytvořena pravidla pro vypouštění (Release function)
definovaná na VD pro objekty hráze jako celku. V případě VD Nechranice kromě objektu
hráze (Dam), představovaném věžovým objektem s MVE a spodními výpustmi a proto
v modelu pojmenovaném „Nechranice vez MVE“ i pro odkloněný odtok (Diverted outlet)
v modelu pojmenovaný „Nechranice Prelivy“ s blokem bezpečnostních přelivů, z nichž
střední, zdvižný segment, může zajistit i masivní předpouštění zásobního prostoru. Tato
pravidla musí být nastavena na konkrétní hodnotu (nikoliv na maximum či minimum) a
nastavena na vyšší prioritu, než pravidla základní – odpovídajcí MŘ nebo KMŘ, avšak na
nižší prioritu, než umožňují pravidla povodňového řízení za vyšších průtoků a pravidlo pro
ochranu hráze před přelitím (Induced Surcharge Rule). Jde o pravidla definovaná pro
konkrétní časový rozsah ve dnech a v hodinách. V rámci jednoho pravidla se vypouštěné
množství může měnit s časem. Pokud nastavíme konstantní hodnotu a model má správně
nastavená omezení vyplývající z maximální rychlosti pohybu uzávěrů, pak vypouštěné
množství stoupá technologicky nejvyšší možnou rychlostí až k požadované hodnotě. Pro práci
s těmito pravidly je vhodným nástrojem pro kopírování vytvořit zvláštní sadu nebo více sad
operací, ke kterým je možné se vracet.
Pokud tímto postupem testujeme účinky předpouštění zásobního prostoru před příchodem
rozhodujícího objemu povodňové vlny, pak máme možnost prověřit poměrně snadno a rychle
velké množství variant. Pokud nastavený odtok pro předvypouštění nepřekročí neškodný
odtok pod VD a nedojde ani k překročení limitního odtoku v profilu pod více nádržemi, jedná
se stále zpravidla o manipulaci v mezích MŘ nebo KMŘ. V průběhu Dispečerských her byly
prověřovány i varianty masivnějšího předpouštění, než by odpovídalo neškodným odtokům
povoleným v MŘ nebo KMŘ. V některých případech, kdy je zřejmé, že příchod katastrofální
povodňové vlny je již nevyhnutelný, takové opatření může znamenat postup vedoucí
k minimalizaci povodňových škod. Pokud bychom výši povodňových škod vztahovali pouze
k dosažené hladině v toku a k velikosti zaplaveného území, tak bychom k takovému výsledku
v mnoha případech jistě došli. Ve „hře“ má důležitou roli rovněž i časový faktor, v případě
povodní velmi významný. Je třeba si vždy položit otázku, zda zpomalení nástupu povodně
naopak neumožní včasnou evakuaci obyvatel a záchranu cenného majetku a území pak
s menšími škodami přečká i vyšší zaplavení vodou.
Pro zodpovězení obdobných otázek může nasazení modelu VS přinést díky krátké době
výpočtu relevantní podklady.
74
Kromě prověření optimálního předpouštění zásobních prostorů VS je možné prověřit i další
možné varianty manipulací za povodně zařazením odpovídajícího pravidla do vytvořené
základní sady manipulací nebo její kopie.
4.3.2. Problematika sucha
Pro využití modelu VS pro testování v podmínkách nedostatku vody je nutné
zakomponování objektů a pravidel reprezentujících odběry a ztráty vody. Jedná se o několik
typů rozšíření, o která je třeba doplnit model povodňového řízení. Jsou to:
- ztráty vody výparem z volné hladiny,
- odběry vody z nádrží,
- odběry vody prostřednictvím objektů na tocích,
- podrobné definování pravidel pro jednotlivé zóny zásobního prostoru,
- definování součinnosti nádrží při využívání zásobního prostoru.
V porovnání se simulacemi povodňového řízení je také vhodné prodloužit časový krok
výpočtu. Problematika sucha nevyžaduje vyhodnocování stavů soustavy v hodinovém kroku.
Podle požadované podrobnosti výstupů postačí šestihodinový krok, nebo při hodnocení
delšího časového období i časový krok po 12 hodinách nebo dnech. Existuje však nebezpečí,
že delší časový krok přinese zkreslení při povodňových epizodách, pokud předmětem
numerického experimentu bude delší časové období, zahrnující povodňový odtok a současně i
dlouhodobé sucho.
Pro ověření modelu byly použity hypotetické časové řady přítoků do nádrží s počátkem na
hodnotě 270-ti denní vody a klesající po 6 měsíců, od května do října, exponenciálně na
hodnotu 364-ti denní vody. Model byl spuštěn s časovým krokem 12 hodin. VS se dostala do
kritického stavu za 145 dní.
Sestavení modelu pro ověřování situací s nedostatkem vody je náročné na definování odběrů
a ztrát. Provedený pokus představuje především ověření možnosti využít program HECResSim 3.0 i pro tento režim. Prokázalo se, že to sice systém umožňuje, praktické využívání
by si však vyžádalo náročnou kalibraci modelu, zejména při výpočtu ztrát výparem z volné
hladiny a průsakem tělesem hráze, případně dnem zdrže a obtížně vyčíslitelných ztrát
v tocích. V testovaném modelu bylo použito jen hrubého nastavení. Ztráty výparem byly
definovány měsíčním úhrnem v mm v závislosti na nadmořské výšce podle přílohy B
ČSN 75 2410. Model umožňuje zadat ztráty výparem formou časových řad. Ztráty v korytech
toků nebyly uvažovány.
Využití modelu VS v programu HEC-ResSim jako nástroje pro prognózu dlouhodobé bilance
zásob vody by bylo reálné patrně ve quasi kontinuálním provozu s možností průběžné
korekce vstupních údajů a kalibrace modelu, zejména v oblasti reálných ztrát vody. Je
otázkou, zda některá z nových verzí programu nepřinese rozhodující změnu v možnostech
jeho využití pro kontinuální nebo quasi kontinuální provoz. Zejména možnost dávkového
spouštění a propojení s řídicím systémem pro tento účel vytvořeným.
75
4.4. Kalibrace a testování modelu
HEC-ResSim 3.0 na rozdíl od jiných programů vyvinutých týmem HEC (např. HECHMS 3.3) nedisponuje žádným zvláštním nástrojem pro kalibraci a ladění. Umožňuje pouze
ukládat v DSS databázi měřená data pro porovnání. Pro vyhodnocení vzájemné podobnosti
časových řad s použitím metod matematické statistiky je vhodným prostředím např. program
HEC-DSSVue.
Verifikace a kalibrace je nutnou fází vývoje každého hydrologického modelu.
V případě modelů vytvořených v prostředí HEC-ResSim se jedná zpravidla o modely
konkrétních, již existujících VS, kde porovnání vypočtených hodnot s měřenými a
nepředstavuje složitý problém. Jinou otázkou je, jaké možnosti kalibrace modelu program
vůbec nabízí.
Nejpřesnějšími údaji, které jsou při tvorbě modelu zadávány, jsou údaje o nádržích.
Možnosti jejich dalšího zpřesňování jsou minimální, a pokud nedojde např. k odhalení zřejmé
chyby v zadání hodnot, nebudou mít pro praktické využití modelu žádný význam. Předmětem
upřesňování by mohly být měrné křivky objektů, které jsou odvozeny z pravidla z rovnic,
jejichž parametry jsou v zásadě spekulativní, nicméně experimentálně ověřené. V porovnání
s bezpečnostními přelivy a základovými výpustmi je nejpřesněji možné stanovit průtok vodní
elektrárnou, podle přepočtu výkonu na průtok. Vzhledem k propracovanosti metod
hydrotechnických výpočtů, se však významná upřesnění očekávat ani v této oblasti nedají.
Mnohem nepřesnější jsou zadávané parametry pro výpočet proudění v korytech. Zde
je mnohem širší prostor pro kalibraci na základě srovnání s hodnotami naměřenými. Ve
zkoumaném modelu VS je reálné, především vzhledem k celkovému měřítku řešeného území
a nutné generalizaci údajů vztažených k jednotlivým říčním úsekům, uplatnit pouze metodu
Muskingum ve zjednodušené podobě se zadáváním tří údajů:
- Koeficientu K, který odpovídá předpokládané době toku úsekem v hodinách.
- Koeficientu transformace X v rozmezí 0,0 až 0,5.
- Počtu výpočtových podúseků, který se stanoví jako podíl předpokládané doby toku
úsekem a výpočtového kroku (v případě povodňového řízení 1 hodina).
Změna všech koeficientů X ve všech říčních úsecích ověřovaného modelu z hodnoty 0,1 na
hodnotu 0,4 vede ke změně hodnoty vypočtené kulminace v závěrovém profilu o 12%. Tento
údaj postačí pro základní orientaci. Pro provedení klasické citlivostní analýzy by bylo potřeba
mít k dispozici více údajů o říční síti.
Nejdůležitější a realitě nejbližší jsou možnosti kalibrace založené na upřesnění neměřených
přítoků do VS, které se dějí z poměrně značné části povodí. Plocha povodí přítoků do VS
s měřeným odtokem činí 1982,2 km2, vyznačeno růžově a plocha bez měření činí 1542,8 km2,
vyznačeno zeleně.
76
Obr. č. 24 Rozdělení ploch s měřeným a neměřeným odtokem
Přítoky z povodí bez pozorování příčinná srážka – odtok do uzlů systému se odhadují
procentním podílem z nejbližšího povodí s tímto pozorováním. Ten je určován podle velikosti
ploch s přihlédnutím k jejich charakteru (horská území, zemědělská krajina, urbanizace,
apod.). Při nezbytném zjednodušení hraje lidský faktor, zkušenost s provozem toků a vodních
děl a další místní znalosti významnou roli. Určení nepozorovaných přítoků je pro kalibraci
modelu rozhodující.
Na základě zkušenosti s provozem modelu při Dispečerských hrách, viz dále, byla provedena
základní kalibrace podle hodnot přítoku do VD Nechranice, který byl vypočten systémem
Hydrog, provozovaným VHD Povodí Ohře při použité modelové povodni.
Tuto kalibraci je třeba považovat za první krok a pouze hrubé přiblížení. Pokud bude model
dále pro výzkum nebo podporu řízení VS používán, bude třeba model rekalibrovat na základě
měřených časových řad, především z LG Žatec, Kadaň, Drahovice a Citice.
Využívání možnosti připojit do uzlů soustavy přítok definovaný procentním podílem
měřeného nebo předpovídaného přítoku na jiném blízkém povodí je zdrojem nepřesnosti
modelu a lze ho akceptovat s určitými výhradami. Přesnějším postupem by bylo vymezit ke
každému takovému přítoku konkrétní povodí, což je stejně provedeno pro potřeby odhadu
procentního podílu, jak je výše popsáno a odtok z tohoto povodí odvodit srážkoodtokovým
modelem. Tímto způsobem by bylo možné zohlednit plošnou nerovnoměrnost příčinné
srážky. Při absenci měření odtoků z těchto povodí není vypočtené přítoky možné verifikovat.
77
Je možné je ověřit pouze nepřímo podle měřených údajů na limnigrafech na hlavním toku,
což pro kalibraci srážko-odtokového modelu nebude postačovat. Přítoky z povodí bez měření
vždy zůstanou zdrojem neurčitosti modelu.
4.5. Zkušenosti s tvorbou a aplikací modelu VS v povodí Ohře
První verze modelu, koncipovaná výhradně pro potřeby povodňového řízení, byla
připravena pro ověření na Dispečerských hrách pořádaných na podniku Povodí Ohře s.p.
v Chomutově ve dnech 11. a 12. listopadu 2008 vedením podniku a především pracovníky
dispečinku povodí. Dispečerské hry obnovené na základě předchozí tradice se staly jednou
z nejvýznamnějších vodohospodářských akcí roku 2008 s významem přesahujícím do mnoha
dalších oblastí, kterých se problematika ochrany před povodněmi týká. Akce se kromě
samotných dispečerů z podniků Povodí Labe, Moravy, Odry a Vltavy zúčastnili také zástupci
státní správy a samosprávy, krizového řízení z povodí Ohře, další zástupci podniků Povodí i
další zájemci a pozorovatelé.
Simulace povodně byla vytvořena na základě skutečné události z jara 2006, která byla pro
účel hry přiměřeně zvýšena. Pracovníky VHD byly připraveny i veškeré podklady pro
rozhodování dispečerských týmů, tedy meteorologické a hydrologické předpovědi, údaje
z vodních děl a z limnigrafů. Byl podrobně rozpracován i časový postup hry, která probíhala
v předem daných krocích tak, aby celá, v reálném čase šest dní trvající událost, byla
„odehrána“ během cca 8 hodin.
Účastníci byli rozděleni do 4 hracích týmů podle podniků povodí, každý tým měl ve svých
řadách zástupce všech rozhodujících složek, které se účastní vodohospodářského a krizového
řízení a měl k dispozici samostatnou místnost.
S laskavým svolením pořadatele Dispečerských her bylo umožněno ověřit možnosti modelu
VS v programu HEC-ResSim 3.0 a jeho využitelnost jako podpory pro rozhodování.
Provozovatelé modelu (v jeho první výše popsané verzi) byli s tímto cílem přiřazeni k týmu
Povodí Vltavy, s.p. Na modelu byly spouštěny simulace v jednotlivých krocích „Hry“, byly
nastavovány přímé manipulace na vodních dílech, např. předpouštění zásobních prostorů na
podkladě dostupných předpovědí vygenerovaných systémem AquaLog a byly prověřovány
jednotlivé varianty důsledků takových opatření. Jiné komponenty systému zůstaly nastaveny
na autoregulační funkce, závislé buď na poloze hladiny v nádržích, nebo na průtoku ve
sledovaných profilech říční sítě. Prvním výsledkem provozu modelu bylo zdůvodnění
poměrně masivního předpouštění na některých vodních dílech, zejména na Březové ve vztahu
k ochraně Karlových Varů a na Jesenici i VD Horka. Výsledky manipulací byly
vyhodnocovány modelem Hydrog, který je vodohospodářským dispečinkem Povodí Ohře
rutinně využíván.
Tato první verze modelu zahrnovala pravidla řízení nádrží simulující průběžné zásahy
obsluhy směřující k dodržení MŘ.V modelu již byla vytvořena i základní pravidla pro
spolupráci dvojic nádrží Skalka-Jesenice a Březová-Stanovice směřující k udržení
maximálních stanovených průtoků v profilech soutok Ohře a Odravy a soutok Teplé
78
s Lomnickým potokem. Po seznámení se s modelovými povodňovými vlnami, které vedení
her oznamovalo pro jednotlivé fáze simulace jako naměřené hodnoty na přítocích do nádrží a
prognózu přítoků pro další časové období do konce „hrané“ povodňové epizody, byly pro
každou z těchto vstupních sestav vytvořeny „alternativy“ v editoru alternativ, výše popsaným
postupem. To představovalo především rychlé převedení časových řad poskytnutých ve
formátu MS Excel do příslušného souboru databáze DSS. Ty byly pracovně označovány jako
„1. den“, „2.“ až „4. den“ a jsou v této podobě uloženy.
Modelová povodňová vlna dosáhla krátce po počátku vzestupu hodnot, které již nedovolovaly
udržet nastavené maximální hodnoty průtoků pro soutok Ohře s Odravou, 55 m3/s . Toto
pravidlo bylo pak pro další fáze herní simulace mimo funkci, což umožňovalo nastavení
preferencí v hierarchické struktuře definovaných pravidel pro VD Skalka a VD Jesenice. Dále
byla uplatňována jen pravidla pro maximální vypouštění z obou těchto nádrží, již bez
vzájemné vazby mezi těmito nádržemi. Odlišná situace nastala v podsoustavě Březová –
Stanovice, kde pravidlo řízení, sledující nepřekročení maximálního průtoku 90 m3/s na
soutoku Teplé s Lomnickým potokem nevypadlo vlivem přetížení z funkce a projevilo se
automatickým snížením vypouštěného průtoku z VD Stanovice v situaci, kdy se zvýšil
neovladatelný odtok nehrazeným bezpečnostním přelivem na VD Březová. Na VD Stanovice
byl ještě k dispozici ovladatelný retenční prostor.
V průběhu „her“ se model osvědčil jako nástroj způsobilý pro podporu dispečerského
rozhodování ovšem za předpokladu, že budou vyřešeny následující problémy: Ve výpočtu
očekávaného přítoku do VD Nechranice v závěru „herní simulace“ byla modelem
vygenerována o cca 50 m3/s (o cca 8%) nižší kulminace povodňové vlny, než byla vypočtena
programem Hydrog, kterým je vybaveno dispečerské pracoviště. To je zdůvodnitelné stavem
testovaného modelu bez kalibrace, zejména s ohledem na dlouhý úsek toku mezi VD Skalka a
VD Nechranice, jedinými nádržemi na hlavním toku a rovněž i poměrně dlouhým úsekem
mezi soutokem Ohře s Teplou a VD Nechranice, kde podstatná část přítoku z mezipovodí
byla odhadnuta jako procentní podíl nejbližšího měřeného přítoku, v tomto případě průtoku
v říčce Bystřice. Rovněž parametry pro transformaci povodňové vlny byly nastaveny
odhadem podle zjištěného a ohodnoceného charakteru koryt vodních toků..
Další rozdíly mezi funkcí modelu VS v programu HEC-ResSim a Hydrog jsou v pojetí
výpočtového kroku. Hydrog pracuje v nastaveném výpočtovém kroku a provádí průběžný
výpočet průtoků a úrovní hladiny v nádržích pro celou soustavu. Neprovádí však žádné
samočinné manipulace. V podmínkách Dispečerských her se pracovalo s určenými odtoky
z jednotlivých nádrží, které hráčské týmy měly možnost měnit jen v deseti krocích v předem
daných časech a to v časovém kroku 12 hodin v počátečních fázích simulace a 24 hodin ve
fázi poklesu povodně.
HEC-ResSim je schopen optimalizovat manipulace průběžně ve stanoveném výpočtovém
kroku, v případě výpočtů povodňových situací zpravidla hodinovém. Průběžná manipulace
optimalizuje využití retenčních prostorů na VD posuzovaných jednotlivě i v soustavě.
Reaguje na rychle se měnící hodnoty přítoku, zejména v počáteční fázi povodňové vlny a
79
reaguje dobře i na kolísání přítoku - dílčí kulminace a poklesy. Přesto, že manipulace
v hodinových intervalech není v reálných podmínkách zpravidla nezbytná, není v zásadě
nereálná. Za povodňových situací je na všech významných VD obsluha nepřetržitě přítomna a
je proto schopna bezproblémově manipulovat podle aktuálních stavů hladiny v nádrži a
měřeného přítoku. Testování modelu ukazuje, že význam časového kroku při automatické
manipulaci vzrůstá s velikostí povodňové vlny, (posuzována je absolutní hodnota kulminace a
objemu), rychlostí nástupu a členitostí tvaru hydrogramu. Takovou „jemnou“ manipulaci je
logicky účelné realizovat pouze v nádržích s významným podílem ovladatelného retenčního
prostoru, tedy u nádrží s hrazenými přelivy. V případě modelové VS jde o VD Skalka a VD
Nechranice. Jemnost časového kroku manipulace je tím významnější, čím je relativně menší
ovladatelný retenční prostor ve vztahu k objemu povodňové vlny. Tento jev je významný
např. při simulaci průchodu modelové povodně přes VD Skalka. Ve finální verzi modelu jsou
manipulace naprogramovány pomocí výše popsaných „If – bloků“ tak, aby automaticky
reagovaly na vstupní veličiny - úroveň hladiny v nádrži a aktuální přítok - podle podmínek
MŘ. Velmi uspokojivý výsledek tohoto postupu je presentován na výše uvedeném Obr. č. 21.
Následující Obr. 24 ukazuje hydrogramy odpovídající snížení časového kroku manipulací na
3 hodiny. Negativním důsledkem je překročení dovoleného absolutního maxima úrovně
hladiny a nutnost krátkodobého vypouštění vyššího průtoku, než je dosažené maximum na
přítoku do nádrže, aby nedošlo k přelití hráze.
80
Obr. č. 25 VD Skalka - Výsledek simulace pro časový krok 3 hod.
Model tedy prokazuje, že pokud by v případě stoleté povodně byly na VD Skalka prováděny
manipulace sice v souladu s MŘ, avšak v delším, např. v tříhodinovém intervalu manipulací,
nebylo by možno včas vyhradit uzávěry přelivů a mohlo by dojít k ohrožení VD.
Po prověření při příležitosti Dispečerských her byl model VS v povodí Ohře několikrát
přepracován a testován. Jednotlivé funkce programu byly při tom testovány na jednoduchých
samostatných pracovních modelech.
4.6. Kritické zhodnocení funkcí programu HEC-ResSim ver. 3.0
Program HEC-ResSim 3.0 vykazuje nižší robustnost softwaru v porovnání např. s
programem téže vývojářské dílny HEC-RAS. Tato skutečnost zřejmě vyplývá z počátečních
problémů převodu původní MS DOS verze programu HEC-5 do prostředí Next Generatin pro
MS Windows a menšího rozšíření v celosvětovém měřítku. Uživatel uvolněné podoby
software nemá přístupný zdrojový kód programu a v souladu s přijatou licenční úmluvou
nemá ani možnost strukturu programového prostředku analyzovat či dekompilovat apod.
Nemůže se nijak přímo podílet na jeho vývoji, nemůže se pokusit sám napravit zjištěné
nedostatky, nebo vytvořit vylepšení reagující na aktuální podmínky nasazení tohoto
programového prostředku.
81
První úskalí, se kterým se uživatel setkává, je skutečnost, že HEC-ResSim 3.0 nefunguje
korektně pod lokalizovanými systémy Windows XP. Při Dispečerských hrách byl program
spouštěn v prostředí Windows Vista CZ Enterprise při nastaveném národním prostředí US
s metrickými jednotkami. Program HEC-ResSim 3.0 není na rozdíl třeba od programu HECRAS 4.0 možné korektně spustit pod dosud uvolněnými versemi Windows 7.
Dalším problémem při vytváření složitější struktury VS, je výskyt možných diskontinuit
v topologické struktuře programu, které sice neznemožní další fáze zpracování dat a vytváření
i velmi složitých a propracovaných struktur toků, nádrží a jejich pravidel řízení, nicméně
mohou být příčinou selhání simulačního výpočtu. Pokud tyto diskontinuity nejsou odhaleny
již v začátku vytváření modelu, mohou představovat velké časové ztráty, neboť jejich
pozdější odstraňování je náročné a nemusí být vždy úspěšné. Tento nedostatek je především
způsoben tím, že pro vytváření topologie modelu program poskytuje pouze grafické
uživatelské rozhraní. Jedinou výjimkou je možnost importů objektů typu „stream“ z liniových
hladin GIS, formátu ESRI shapefile. Avšak i v tomto případě byl zaznamenán vznik
diskontinuity z nezjištěné příčiny. Program naštěstí disponuje přehledným výpisem struktury
buď celé soustavy, nebo pouze vybraných prvků. Jde o tabelární výpis, kde zkušený uživatel
poměrně rychle chybu objeví, avšak neexistuje možnost editace tabelárních údajů. Náprava je
tedy možná pouze návratem do grafického rozhraní a novou citlivější digitalizací.
Problémy s diskontinuitou modelu lze minimalizovat vytvářením pokud možno nejdelších
úseků typu „stream“ v rámci modulu „Watershed setup“ a jejich nejjednodušší struktury.
Současně je třeba doporučit nejdříve otestovat běh jednoduché simulace, kterou rozpracovaný
model umožní, např. i bez nastavení transportních charakteristik (routing) pro definované
říční úseky a všech parametrů definovaných nádrží.
Možnou příčinou zablokování simulace mohou být i některá nastavení parametrů nebo např.
napojení objektu odkloněného odtoku z nádrže (diverted outlet) a to i po ověření, že
nezpůsobuje chybu v topologii modelu VS. Chování tohoto objektu je někdy neočekávatelné
a veškeré jeho způsoby využití je třeba v konkrétním modelu nejprve ověřit pokusnou
simulací, před sofistikovanější. Správnost funkce tohoto objektu byla ověřena při jeho
napojení v níže položeném uzlu na tentýž „hlavní tok“ (příklad přelivy na VD Nechranice),
tedy, topologicky chápáno, na vrchol, ležící na témže objektu typu „stream“, jako nádrž, z níž
je vytvořeno odbočení. Program nevylučuje ani využití odkloněného odtoku jako prvku
odvádějícího vody mimo VS, nebo napojeného na jiný říční úsek. Taková konfigurace však
často způsobuje neodstranitelné problémy. V této fázi vývoje modelu bylo vždy nefunkční
napojení na říční úsek, jehož přítok z odkloněného odtoku znamenal jediný vtok do tohoto
úseku.
Na rozdíl od výše uvedeného a často nefunkčního vyznačuje se objekt odbočení z toku –
bifurkace (diversion) stabilitou, která umožňuje jeho použití pro simulaci odběru
realizovaného objektem na toku, např. ze vzdutí jezu, apod.. Bylo ověřeno jeho napojení do
jiného úseku v modelu VS, např. z uzlu na toku do vtokového uzlu vodní nádrže. Příkladem je
simulace čerpání z ČS Teplička do VD Stanovice. Dobře funguje i jako objekt odvádějící
82
vodu mimo model VS, například pro simulaci odběru průmyslové vody na ČS Rašovice u
Kadaně pro Podkrušnohorský přivaděč, nebo na ČS Mikulovice.
Dalším problémem je nefunkčnost některých nastavení pro pravidla vztažená k objektům typu
čerpadlo (pump), který je ve verzi 3.0 nový a byl v předkládaném modelu VS využit pro
simulaci vodárenských a průmyslových odběrů vody z vodních nádrží. Právě tak jako např.
objekty ovládaných nebo neovládaných výpustí a vodní elektrárny, lze čerpadla umísťovat do
hrází nebo do odkloněných odtoků (diverted outlet). Jejich využívání je však někdy
problematické. Tyto problémy sice nezablokují simulaci, nezahrnou však požadované čerpání
(odběr vody) do výpočtu.
Kromě možností programovat a to i na základě složitých logických struktur samočinně
prováděné manipulace, je jednou ze silných stránek programu možnost vkládání i velmi
rozsáhlých komentářů ke všem objektům a jejich souborům vytvářeným v rámci programu
pod unikátním identifikátorem. Při intenzivním využití této možnosti v sobě nese model VS i
jednoduchý, nicméně dobře prakticky využitelný informační systém (databázi) o vodních
dílech i dalších prvcích VS.
Je třeba konstatovat, že sestavení funkčního modelu složitější reálné VS v programu HECResSim 3.0 představuje poměrně komplikovaný proces, při kterém je potřeba překonávat dílčí
překážky a hledat funkční řešení různými metodami. Naproti tomu však program umožňuje
velmi podrobný popis všech běžných funkcí vodních děl a VS a jednou vytvořený funkční
model VS je možné produktivně všestranně využívat pro modelování chování VS za běžných
i extrémních podmínek.
4.7. Závěr
Ve výše uvedených kapitolách bylo zevrubně popsáno vytvoření matematického
modelu VS v povodí Ohře, který byl koncipován s cílem samočinné simulace zásahů obsluhy
předepsané manipulačními řády. Za běžných situací udržuje hladiny v nádržích na
předepsaných úrovních daných dispečerskými grafy, udržuje průtoky ve vybraných profilech
ve stanoveném rozmezí, zabezpečuje plánované odběry vody při předpokládaných ztrátách
výparem z volné hladiny. Zajišťuje požadovanou součinnost nádrží při využívání zásobního
prostoru, jak určují KMŘ soustav Jesenice-Skalka a Březová-Stanovice.
Model umožňuje aplikovat další pravidla řízení, která simulují zásahy nad rámec MŘ nebo
KMŘ, např. za povodně nebo v případech krizového řízení při nedostatku vody nebo při
ekologické havárii.
V současnosti není dostupný způsob, jak spouštět HEC-ResSim dávkově s nastavenými
parametry nebo modifikovanými vstupními nebo stavovými časovými řadami. Hydrologická
předpovědní služba USA, NOAA's National Weather Service, Office of Hydrologic
Development, používá HEC-ResSim v rámci systému NWSRFS a to prostřednictvím
softwarového adaptéru FEWS, produktu holandské firmy Deltares. Podle dostupných
informací není tato součinnost bez problémů a nebyla dosud otestována při žádné významné
povodňové epizodě. HEC-ResSim je při výpočtech spouštěn dvakrát. Při prvním spuštění jsou
83
upřesňovány okrajové podmínky a pak probíhá vlastní simulace. V současnosti US NWS
připravuje přechod na nový systém CHPS (Community Hydrologic Prediction System) avšak
dosud nejsou k dispozici žádné poznatky o využívání HEC-ResSim v těchto podmínkách.
Je reálné očekávat, že určitá vylepšení v možnostech dávkového spouštění přinesou další
avizované verze programu HEC-ResSim a rovněž budou k dispozici reference o možnostech
jeho využívání ve spolupráci s jinými systémy.
Možnosti optimalizace řízení soustavy vodních děl s využitím programu HEC-ResSim 3.0
84
Možnosti optimalizace řízení soustavy vodních děl
s využitím programu HEC-ResSim 3.0
1. Úvod
V předchozích kapitolách byla rozpracována problematika programových prostředků
pro tvorbu matematických modelů VS a modelování reálných i prognózovaných událostí.
Podrobně bylo rozpracováno vytvoření matematického modelu VS v povodí Ohře v programu
HEC-ResSim 3.0.
Dalším navazujícím tématem jsou možné způsoby, jak využít model reálné VS pro
optimalizaci jejího řízení v extrémních situacích. Tato problematika není závislá na
konkrétním modelu. Je zde pojata obecně. Pro dále uvedené postupy je totiž v zásadě možné
použít jakýkoliv model VS, který funkce reálné VS modeluje s dostatečnou přesností.
Teoreticky je možné využít i více modelů VS. Např. model optimalizovaný pro povodňové
řízení a jiný pro řízení v období sucha. Program HEC-ResSim 3.0 má výhodu v tom, že je
použitelný pro modelování téže VS jak v povodňových situacích, tak i za nedostatku vody.
Další velkou výhodou je možnost naprogramovat automatizované manipulace při běžném
provozu, které numericky simulují standardní úkony obsluhy na vodních dílech. Za
extrémních situací je pak možné se zaměřit pouze na zásahy překračující rámce
deterministického řízení v mezích manipulačních řádů.
Úvodem je třeba si uvědomit specifika krizového řízení VS. Vždy se jedná o rozhodování
v podmínkách neurčitosti. To je dáno jednak mírou nejistoty v prognózách složitých
fyzikálních dějů, tedy meteorologické situace, jejíž nepřesnost se zvyšuje nelineárně s délkou
horizontu hydrologické předpovědi, nepřesností srážko-odtokového modelu, apod. S těmito
nejistotami lze ovšem pracovat s využitím stochastických matematických nástrojů. Důležité
vstupy pro rozhodovací proces jsou však i jiného než fyzikálního charakteru. Jde o významné
vstupy z oblasti ekonomické a společenské, které nelze obecně numericky vyjádřit, ale často
jen slovním popisem, který má vždy vyšší či nižší míru vágnosti a neurčitosti.
Z výše uvedených skutečností vyplývá, že v dohledné době patrně nelze očekávat uplatnění
on-line technologií v krizovém řízení VS. Úloha člověka, dispečera, zůstane patrně i do
budoucna nezastupitelná.
Výstupy níže navržených postupů je proto třeba chápat pouze jako nástroje podpory
rozhodování za krizových situací. Takové nástroje již mohou a mají vznikat
standardizovaným postupem s využitím matematických modelů a vyhodnocování jejich
výsledků s využitím metod pro optimalizaci řízení v podmínkách neurčitosti. Algoritmizovat
a zautomatizovat proces řízení je na současné úrovni řídicích systémů jistě reálné. Pro jeho
funkčnost v podmínkách dispečerského řízení to však není reálné díky již zmíněné vágnosti
85
formulací omezujících podmínek. Jeho jednotlivé fáze a kroky lze však podpořit nástroji
samostatných programových prostředků.
2. Krizové události – definice
Přesná definice toho, co bude považováno za krizovou událost, je nutným
předpokladem pro další úvahy o možnostech optimalizace manipulací na vodních dílech VS
při krizovém řízení. Slovně můžeme takové události charakterizovat jako situace vyvolané
extrémními průtoky, nebo naopak dlouhodobým obdobím s malými průtoky, které vyvolávají
potřebu řešení nad rámec běžných manipulací stanovených v manipulačních řádech vodních
děl nebo soustav. Při povodňovém řízení jde o mimořádné manipulace s cílem zabránit
povodňovým škodám, nebo je minimalizovat. Při krizovém řízení v době sucha se jedná o
mimořádné manipulace vedoucí k zajištění požadovaných odběrů vody a minimálních
průtoků v tocích za cenu snížení hladin pod limity stanovené v dispečerských grafech, nebo o
omezení některých odběrů, či snížení stanovených minimálních průtoků na podkladě
odpovědně zvážených priorit. Tedy situace, kdy je zpravidla nutné v současných
legislativních podmínkách žádat vodoprávní úřad o souhlas s mimořádnou manipulací.
Takto vymezit krizové události v určité VS je spolehlivě možné pouze zpětně. Pokud ale
hledáme postupy optimalizace manipulací, musíme rozhodovat na základě aktuálních
naměřených průtoků a stavů hladin v nádržích a především na podkladě předpovědí přítoků
do nádrží. Musíme tedy být schopni určit předem, že se na základě těchto podkladů očekává
krizová situace a s využitím dále uvedených postupů se na ni připravit. S čím větším
předstihem bude o zahájení krizových opatření rozhodnuto, tím efektivnější bude eliminace
nepříznivých dopadů extrémní meteorologické a hydrologické situace. Může pochopitelně
dojít k tomu, že se předpověď nenaplní a krizový stav nenastane. Pokud byly krizové
manipulace již zahájeny, je třeba mít připraveny postupy, jak se v době co nejkratší navrátit
k původním hodnotám stavových veličin VS, do mezí stanovených manipulačními řády.
Jako prakticky použitelné objektivní kritérium pro případ povodňové situace se jeví dosažení
nebo překročení stanovené hodnoty předpovídaného průtoku v daných profilech. Obecně se
bude jednat o takové průtoky, které mohou vyvolat povodňové škody. Tyto hodnoty je třeba
stanovit na základě zkušenosti s provozem vodních toků, které podniky Povodí mají
v dostatečné míře. Pokud by byl níže navržený postup optimalizace prakticky využíván,
předpokládá se průběžné upřesňování těchto hodnot.
Na rozdíl od hodnocení závažnosti povodňových situací, kde jsou zpravidla k dispozici
poměrně spolehlivé předpovědi, protože se jedná o kratší časová období, tak pro období sucha
je situace složitější. V tomto případě se musí vyhodnocovat chování VS v delším časovém
období a spolehlivost dlouhodobých předpovědí je obecně podstatně nižší.
Jako prakticky použitelné kriterium pro definování krizové situace budou úrovně hladin
v nádržích s rozhodujícím podílem zásobní funkce a v úvahu je třeba vzít i dlouhodobou
předpověď srážek a teplot. Pro každou nádrž nebo dílčí soustavu jsou v manipulačních řádech
86
dispečerskými grafy stanoveny kóty hladin, kdy nádrž musí nějakým způsobem omezit svou
zásobní funkci. Připravovat optimalizaci řízení v období sucha je nutné vždy v předstihu, než
je kritické situace skutečně dosaženo.
Pro modelovou VS v povodí Ohře by bylo možné stanovit určitá kriteria pro definování
situace, kdy je třeba připravovat krizová opatření za povodně, např. pokud předpovídaný
průtok překročí v některém z následujících profilů dále uvedené hodnoty:
V profilu LG Citice přesáhne hodnotu:
80 m3/s
(I SPA)
V profilu LG Teplička přesáhne hodnotu:
67 m3/s
(neškodný průtok pod VD Březová)
V profilu LG Drahovice přesáhne hodnotu:
154 m3/s
(I. SPA)
V profilu LG Kadaň přesáhne hodnotu:
180 m3/s
(neškodný průtok pod VD Kadaň)
Pro přípravu krizových opatření za nedostatku vody je možné jako rozhodující kriterium např.
stanovit, kdy v podmínkách dlouhodobého sucha poklesne hladina alespoň v jedné
z následujících nádrží na úroveň:
Jesenice:
427,50 m n.m.
Horka:
481,80 m n.m.
Stanovice:
483,20 m n.m.
Nechranice:
235,60 m n.m.
Jde pouze o příklad, jak by kriteria mohla být stanovena.
3. Problematika optimalizace s využitím modelu VS
Matematický model VS je možné využívat v zásadě dvěma způsoby. Jako první se
nabízí verifikace manipulací na vodních dílech a funkce VS za historických krizových situací.
V povodí Ohře se průtoky a stavy hladin na vodních dílech sledují od jejich uvedení do
provozu a pořizují se záznamy o provedených manipulacích (deník hrázného). Prakticky jsou
využitelné písemné záznamy od roku 1964 (Skalka, Jesenice). Od roku 1983 funguje
automatický sběr dat.
V tomto období proběhlo 10 významnějších povodňových situací. Pro následující z nich byla
k dispozici vpracovaná vyhodnocení formou publikace:
- Jarní povodeň z ledna a února 2002,
- Srpnová povodeň 20022,
- Povodeň z přelomu roku 2002-2003,
- Jarní povodeň, březen 2005,
2
v povodí Ohře však nepředstavovala tak ničivou událost, jako v jiných částech ČR.
87
- jarní povodeň, březen-duben 2006.
Přehled historických povodní na Ohři a jejích hlavních přítocích v území VS podle evidence
Povodí Ohře s.p., viz příloha Plánu oblasti povodí Ohře a Dolního Labe je uveden v
následující tabulce:
Tab. č. 5 Historické povodně v povodí Ohře k profilu LG Žatec
červené datum ‐ letní
povodeň rok den Tok průtok m3/s 2006 2006 2006 2006 1.4 31.3 31.3 31.3 Ohře Svatava Svatava Teplá 2003 2003 2003 2003 4.1 3.1 3.1 3.1 Ohře Svatava Rolava Ohře 2002 13.8 Rolava 1998 1998 1998 1.11 1.11 2.11 Svatava Teplá Ohře 1997 1997 28.2 12.2 Ohře Teplá 1996 24.12 stav vodočtu povodeň cm číslo LG Drahovice Kraslice Svatava Teplička 284 103 185 184 1 Citice Svatava Strará Role LG Drahovice 293 154 187 265 2 261 3 Kraslice Teplička Citice 80 154 311 4 Žatec Teplička 161 147 5 Teplá Teplička 142 6 Svatava Svatava Teplá Svatava Svatava Teplička 156 141 186 7 8 1993 30.12 Teplá Teplička 168 9 1987 1987 1987 1987 11.4 10.4 10.4 2.2 Ohře Rolava Teplá Ohře LG Drahovice Strará Role VD Březová VD Skalka 315 217 122 252 10 11 1982 1982 6.1 6.1 Ohře Teplá VD Skalka VD Březová 288 105 12 1981 1981 1981 1981 12.3 11.3 12.3 12.3 Rolava Teplá Ohře Ohře 249 120 404 13 1980 1980 23.7 22.7 Ohře Rolava 141 182 14 1995 1995 1995 1.9 30.1 26.1 342,0
32,0
58,0
61,0
profil 39,3 Strará Role Strará Role VD Březová LG Drahovice 616,0 VD Nechranice Žatec Strará Role 88
1980 1980 7.2 6.2 Ohře Ohře Žatec VD Skalka 187
318
15 1979 1978 1978 14.3 9.5 8.5 Ohře Libocký p. Ohře Žatec VD Horka Žatec 167
86
179
16 17 1976 1976 12.1 12.1 Teplá Ohře VD Březová LG Drahovice 128
272
18 1974 1974 9.12 8.12 Ohře Rolava LG Drahovice Strará Role 303
216
19 1967 25.12 Ohře VD Skalka 259
20 1966 6.12 Ohře VD Skalka 239
21 1957 15.2 Odrava VD Jesenice 228
26 Teplá VD Březová 120
27 1948 28.12 Povodně jsou evidovány podle hlásných profilů, takže jedné povodňové události může
odpovídat několik řádků v tabulce, které jsou však, díky chronologickému řazení, vždycky
vedle sebe. Jsou zaznamenány jen ty povodně, které v některém hlásném profilu překročily
III. SPA. V tabulce tedy nenajdeme např. jarní povodeň z ledna a února 2002, která v řešeném
území nikde nepřekročila III. SPA. Povodeň ze srpna 2002 dosáhla III. SPA pouze na Rolavě,
na Ohři a dalších tocích v povodí nebyl III. SPA překročen. V tabulce je 47 záznamů, které
odpovídají 27 povodním. Převážná většina významných povodní pochází z tání sněhu. Pouze
4 povodně jsou letní z vydatných srážek. Jakou úlohu na tomto faktu má vliv srážkového stínu
Krušných hor, je těžké hodnotit, bylo by to již nad rámec této monografie. Lze pouze
konstatovat, že specifickým rysem povodí Ohře je, že nebylo v posledních desetiletích jako
celek zasaženo žádnou katastrofální povodní obdobnou povodním na Moravě v roce 1997 a
v povodí Vltavy a na dolním Labi v srpnu 2002. Jedná se tedy o řadu pozorování, ve které
taková, jistě možná, eventualita chybí. Výskyt ničivé povodně z vydatných letních srážek se
však v povodí Ohře nedá vyloučit a mohla by vyvolat průtoky, které ještě zaznamenány
nebyly.
Nejkritičtější známá období hydrologického sucha v povodí Ohře nastala v letech 1958, 1961
a 1963, tedy ještě před uvedením nádrží s rozhodující zásobní funkcí (Jesenice, Horka,
Stanovice a Nechranice) do provozu. Suchá období v posledních desetiletích zvládla VS
v rámci víceletého řízení v zásobních prostorech bez potřeby mimořádných opatření. Zůstává
však otázkou, jaký vývoj můžeme očekávat do budoucna s přihlédnutím na očekávané
klimatické změny. Prakticky všechny scénáře možných změn na území České republiky
pokládají za velmi pravděpodobný budoucí častější výskyt období sucha. Podle tzv. scénáře
89
EC2H poklesnou v roce 2050 dlouhodobé průměry průtoků v povodí dolního Labe na 80 %
současného stavu. V povodí Ohře se očekávají dlouhodobé průměry průtoků na 75 %
současného stavu. Zásobování vodou z velkých zdrojů v povodí Ohře není pro nejbližší roky
ohroženo, je však třeba připravit možné scénáře pro případný nepříznivý vývoj vodnosti toků
v dalších desetiletích v souvislosti s možnými změnami klimatu. (POP, Povodí Ohře s.p.
2009)
Ověření historických povodňových situací na modelu VS v programu HEC-ResSim 3.0 tak,
jak je v rámci této práce připraven, je možné. Pokud bychom chtěli tento model pro
optimalizaci krizového řízení využívat, jednalo by se o nutný první krok. Jeho výsledkem by
byla především optimalizace vlastního modelu s využitím metod a možností kalibrace, jak
byly uvedeny v odstavci 4.4.
V další fázi by proběhlo vyhodnocení provedených manipulací, pokud jsou o nich využitelné
záznamy. To by znamenalo zodpovědět otázku, zda se jednalo o optimální manipulace. Pokud
ne, pak by bylo třeba optimální manipulace pro danou situaci stanovit prostřednictvím
simulační analýzy různých scénářů. Současná verze HEC-ResSim neumožňuje automatickou
optimalizaci pro generování a vyhodnocování manipulací. Jediným v současnosti dostupným
řešením je proto manuální vytvoření co největšího počtu variant, které v dané situaci reálně
připadají v úvahu a podle stanovených kriterií vybrat optimální variantu. Do tohoto procesu
ovšem vstupuje subjektivní rozhodování dispečera a nelze vyloučit, že některá varianta
přinášející vhodné řešení nebude prověřena. S ohledem na značné zkušenosti správce toku a
vodních děl se v tomto případě jedná se však spíše jen o potenciální selhání. Pokud by např.
některá z dalších verzí programu HEC-ResSim přinesla možnosti automatického generování
manipulací a jejich vyhodnocení, otevřela by se i možnost hlubší optimalizace při
vyhodnocování historických událostí. V případě povodňového řízení může být kriteriem pro
optimalizaci manipulací dosažení nejnižšího vodního stavu ve stanoveném profilu.
V modelové VS se nabízí hodnocení v profilu LG Citice s vazbou na povodňovou ochranu
chemických závodů v Sokolově a v profilu LG Žatec.
Výše uvedeným postupem se generuje první kategorie podkladů pro optimalizaci budoucího
krizového řízení – podklady skutečných událostí, které tvoří časové řady měřených průtoků
v daných profilech na tocích a jim odpovídající údaje o optimálních manipulacích na vodních
dílech.
Tyto podklady, de facto scénáře, můžeme považovat za určité analogie podobných událostí,
které se v budoucnu mohou na tomtéž povodí vyskytnout. Pro předpovídanou povodeň
můžeme vyhodnotit podobnost s historickou povodní např. z těchto hledisek:
1. Relativní rozdíly v kulminačních průtocích v hodnocených profilech.
2. Relativní rozdíly v objemech předpovězených povodňových vln v hodnocených
profielch.
3. Kriteria pro tvar povodňových vln – jeden vrchol, dva, více výrazných vrcholů.
Absolutní kulminace na prvním, druhém či dalším z vrcholů.
90
Toto je ovšem příklad velmi hrubého hodnocení, nicméně prakticky využitelného. Tato
jednoduchá kriteria umožňují klasifikovat jednotlivé typy povodní z hlediska jejich dopadu na
řízení VS – jarní povodně z tání sněhu, letní povodně z vydatných srážek, často jdoucích
v několika vlnách. Jiná kriteria je pochopitelně třeba přijmout pro hodnocení analogií
krizových situací vyvolaných suchem. Další metody vyhodnocení podobností budou zmíněny
dále. Důležité je, aby pro historické povodně byly k dispozici údaje o průtocích ve stejných
profilech, pro které jsou k dispozici v současnosti měřené údaje a předpovědi průtoků
v současnosti využívané. Pokud by nebyly požadované údaje kompletní pro stanovené
profily, bylo by možné je s vědomím možných odchylek odvodit analogií.
Další možností využití modelu je vyhodnocování simulovaných krizových událostí, které
nebyly nikdy zaznamenány, ale existuje teoretická možnost, že nastanou. Je nemožné
takovými simulacemi pokrýt celé spektrum možných variant. Je však reálné tímto způsobem
doplnit databázi scénářů, tak aby riziko, že nastane situace nepodobná žádnému modelovému
scénáři, byla minimální. Existuje několik možností generování modelových krizových situací
a je žádoucí pro dosažení spolehlivosti navrženého systému pro podporu rozhodování, je ve
vyváženém poměru využít.
1. Modifikace historických událostí. Příkladem je vygenerování modelové povodně pro
potřeby Dispečerských her pořádaných na Povodí Ohře s.p. v listopadu 2008. Jako
základ byla vzata skutečná povodeň menšího rozsahu, která nastala v květnu 2006 a
byla zvětšena na hodnotu cca padesáti-, až sto-leté vody na jednotlivých tocích VS.
Tento postup představuje jednu z dobře využitelných možností pro tvorbu scénářů.
Z každé skutečné povodně je možné navýšením získat minimálně jednu další, ale spíše
několik modelových povodní. Je možné stanovit jednoznačné pravidlo, jakým se
navýšení provádí – např. do přibližné úrovně 50, 100, 200, 500 leté současné povodně
ve vybraném profilu nebo podle průměru kulminací v několika stanovených profilech.
Možná jsou i složitější pravidla zohledňující více podmínek.
2. Odvozením s využitím dalších fyzikálních modelů a analogií. Lze např. využít srážkoodtokový model a pro jeho vstup použít rastr příčinné srážky (postupující přes řešené
povodí), která vyvolala významnou nebo katastrofální historickou povodeň na jiném
povodí. Zde vstupuje do systému lidský faktor, neboť je třeba vybrat vhodnou událost
a způsob, jakým bude aplikována jako vstup do modelu. Každý takový postup
umožňuje vytvořit více variant a tím je možné subjektivitu do určité míry eliminovat.
Obdobné analogie je možné vytvářet např. v kombinaci s modely tání sněhu.
3. Stochastické generování časových řad s využitím
podmínek, které representují fyzikální podmínky
hodnot kulminace, maximální sklony vzestupných
podmínky pro gradienty změn, apod.). Tento
samostatného programu.
náhodných čísel a omezujících
(spojitost, dobu trvání, rozmezí
a sestupných větví hydrogramu,
postup předpokládá vytvoření
Více možností se nabízí pro modelování povodňových situací. Pro krizové situace vyvolané
nedostatkem vody bude třeba uplatnit jiné postupy. V zásadě lze vytvořit rozsáhlou databázi
91
scénářů a v případě hrozící krizové situace, ať již povodně, nebo kritického nedostatku vody,
hledat podle daných kriterií scénář s obdobnými vstupními časovými řadami. Pro vybraný
scénář by bylo k dispozici v první řadě hodnocení míry jeho podobnosti s předpovědí, nebo
s průběhem skutečných měřených časových řad a předpovědí jejich pokračování. Dále údaj o
tom, jakým způsobem byly tyto vstupy generovány a jaký byl návrh optimální manipulace za
dané situace.
Nejnáročnější operací tohoto postupu je výběr scénáře z rozsáhlé databáze, který nejvěrněji
vystihuje podmínky aktuální situace a prognózy. K tomu je možné využít několika metod od
jednoduchých výběrů podle zadaných kriterií, až po využití metod výběru pracujících na
principech umělé inteligence, např. neuronové sítě. Navržený systém je možné rozvíjet a
doplňovat s každou další vyřešenou krizovou událostí v rámci VS. Tím je zajištěn vývoj a
průběžné přizpůsobování měnícím se podmínkám klimatu. Soubor scénářů může být využit
pro vytváření báze znalostí a v konečném důsledku může vést i na vývoj expertního systému
řízení.
Funkci navrženého systému pro podporu dispečerského rozhodování můžeme znázornit
následujícím vývojovým diagramem. Jde o systém řízení za povodně, který je pro současný
stav aktuální. Obdobné schéma by bylo možné vytvořit i pro krizové řízení za stavu
hydrologického sucha. V situaci absence historických krizových událostí tohoto typu a pro
nejbližší desetiletí příznivé prognózy, takový systém prozatím není aktuální.
Obr. č. 26 Vývojový diagram systému podpory krizového řízení za povodně
92
Nejnáročnějším úkonem v tomto systému je porovnávání vstupních údajů pro výběr scénáře,
tj. časových řad prognózovaných přítoků do nádrží, v dalších krocích pak časových řad
vytvořených z měřeného přítoku a navazující prognózy, doplněné o údaje o úrovních hladin v
nádržích a o aktuálních průtocích s odpovídajícími údaji uloženými v databázi
vyhodnocených událostí – modelových povodní.
Tuto operaci lze provádět různými metodami. V zásadě se však vždy bude jednat o statistické
srovnávací metody. Využitelné jsou pro časové řady např. metody založené na vícenásobné
lineární regresi. Nejjednodušší bude patrně využití metody nejmenších čtverců aplikované na
několik úseků porovnávaných časových řad o stanovené délce. Otázkou je, do jaké míry by
bylo využitelné nasazení umělé neuronové sítě (UNS) pro vyhodnocení podobnosti
hydrogramů. Šlo by o typ využití UNS v oblasti vodního hospodářství doposud neověřený.
Ukládání vyhodnocených modelových povodní do databáze a procedura pro výběr té
nejpodobnější k aktuální situaci by si vyžádalo vytvoření samostatného programu založeného
na některém moderním databázovém systému. Reálná řešení by byla např. na platformě MS
SQL Server nebo ORACLE. Vlastní proces porovnání časových řad a zvolení vhodného
ukazatele pro hodnocení jejich podobnosti je řešitelný metodami matematické statistiky.
Sestavení funkčního systému je řešením technického problému v oblasti IT technologií.
Jakkoliv jde o složitou problematiku a náročná systémová řešení, z hlediska výše uvedené
koncepce se jedná o dílčí funkční subsystém, jehož vyřešení nebylo cílem této monografie.
Měnící se klimatické podmínky mohou přinést nejen změny vstupních meteorologických
veličin a ve svém důsledku hydrologické extrémy v minulosti nezaznamenané, mohou také
znamenat posun v požadavcích kladených na funkci VS. V tom případě by nastala nutnost
změn kriterií pro vyhodnocování modelových povodní nebo modelových situací
hydrologického sucha a bylo by nutné provést jejich nové vyhodnocení a úpravu scénářů pro
řízení, které budou k jednotlivým událostem v databázi připojeny.
4. Diskuse
Výsledkem případové studie, která je stěžejní součástí této monografie, je jednak
funkční model VS v povodí Ohře v programu HEC-ResSim 3.0, na kterém byly ověřeny
možnosti využití tohoto programu pro simulace povodňového řízení i pro simulaci řízení při
nedostatku vody, jednak návrh systémového řešení využití modelu tohoto typu pro
optimalizaci krizového řízení VS.
Je třeba vycházet ze současných vlastností programu, který byl uvolněn jako freeware. Není
však přístupný pro úpravy zdrojového kódu nebo jiné zásahy s cílem vytváření možností
začlenění tohoto programu do systémů spouštěných z jiných aplikací. Otázkou je, zda budou
takové možnosti dostupné v dalších uvolněných verzích, které jsou avizovány. Nadějný je
rovněž výše uvedený vývoj možností začlenění programu HEC-ResSim do předpovědních
systémů ve Spojených státech, kde je v současné době provozován v rámci předpovědního
systému NWSRFS s možností restartu v náhradním dávkovém zpracování prostřednictvím
93
operativní databáze DSS (viz. korespondence Zezulák J.– Hartman R.). Program i tak v
současné podobě umožňuje v režimu manuálního spouštění prověřit pro praxi dostačující
počet prověřovaných variant řízení VS v přijatelném čase.
Na těchto základech je navržen systém podpory operativního dispečerského rozhodování při
řízení VS v podmínkách hydrologických extrémů. Jde o systém pracující se scénáři jako
prostředky pro podporu rozhodování. Na základě konzultací s pracovníky VHD Povodí Ohře
s.p. a na základě dalších podkladů o úkolech a činnosti VHD obecně i zkušeností získaných
při účasti na Dispečerských Hrách 2008 na podniku Povodí Ohře s.p. se ukazuje, že jde o
optimální metodu, jak model VS i další prostředky pro modelování a automatizaci
rozhodování využít pro podporu řízení v praxi. Složitost podmínek, v nichž se za extrémních
situací rozhoduje o řízení VS nedává v současnosti naději na uplatnění plně automatizovaných
systémů rozhodování.
Možnosti aplikace moderních metod optimalizace a řízení v podmínkách neurčitosti se tak
omezují na optimalizaci manipulací, pro které jsou zadány hydrologické podmínky a
požadavky na funkci VS. Mohou tedy být nasazeny převážně „ex post“ při vyhodnocování
historických událostí nebo událostí simulovaných pro potřeby vytvoření databáze modelových
krizových událostí a jim odpovídajících scénářů pro optimální manipulace. Jejich efektivnímu
nasazení pro online podporu operativního řízení zatím brání nemožnost dávkového spouštění
programu HEC-ResSim a tím jeho začlenění do rámce předpovědních a řídicích systémů
vyšší úrovně.
Cílem je proto vybavit dispečera scénářem vybraným z databáze, který nejlépe odpovídá
aktuální situaci, tedy naměřeným údajům a výsledkům hydrologické prognózy, a obsahuje
optimální postup manipulací vedoucí k minimalizaci škod za povodně, nebo k udržení
požadovaných funkcí VS v období sucha po co nejdelší dobu. Zároveň se předpokládá, že
model VS může sloužit dispečerskému pracovišti při analýze důsledků krizových manipulací.
Zpětnou vazbu reflektující měnící se klimatické podmínky zajišťuje systém doplňování a
aktualizace databáze událostí.
Důležitou skutečností je, že součástí modelu VS v programu HEC-ResSim není srážkoodtokový model. Je otázkou, zda je tento fakt nedostatkem nebo předností. Optimální využití
modelu VS pro podporu řízení, ať již krizového za povodně, nebo v jiných možných
provozních situacích, předpokládá jeho začlenění do širšího systému sestávajícího z několika
základních bloků. V navrženém systému má zásadní důležitost blok databáze vyhodnocených
povodní s nástrojem pro výběr nejpodobnější dosud vyhodnocené události. Na něj navazují
další bloky systému a jedním z nich je i srážko-odtokový model. Modulární stavba
navrženého systému podpory rozhodování umožňuje záměnu jednotlivých komponent v
rámci dalšího rozvoje. Jedná se tedy o „otevřený“ systém.
Slabou stránkou navrženého systému je potřeba manuálního vyhodnocování všech
historických odvozených i vygenerovaných povodňových událostí. Za současné situace by to
znamenalo zdlouhavou práci s modelem. Je to nicméně možná varianta využití modelu VS do
doby, než budou zvládnuty postupy jeho automatizovaného spouštění („restartu“).
94
Zdrojem možné časové náročnosti je také potřeba převádění výstupů srážkoodtokového
modelu a pozorovaných časových řad do formátu databáze HEC-DSS. Výhodou by bylo
použití srážko-odtokového modelu s výstupem v tomto formátu. To např. umožňuje program
AquaBase, operativní databáze předpovědního systému AquaLog, provozovaného
předpovědními pracovišti ČHMÚ.
5. Závěry
Program HEC-ResSim 3.0 se osvědčil jako modelovací systém s nejširšími možnostmi
zohlednění funkcí reálné VS. V připravených nástrojích a funkcích pro formulaci vlastností
nádrží, programování manipulací, odběrů vody a definování součinnosti nádrží nechybí žádná
běžná eventualita. Navíc program umožňuje uživatelské definice pomocí skriptů, pokud by
jeho standardní nástroje pro numerickou simulaci funkcí VS nepostačovaly. Důležitou
vlastností ověřenou v této práci je jeho orientace nejen na řízení za povodňových situací, ale
rovněž na řešení úloh dlouhodobého bilačního charakteru se zohledněním odběrů a ztrát vody.
Je tedy využitelný i pro simulaci událostí hydrologického sucha nebo pro simulaci různých
variant rutinního provozu VS.
Možnosti jeho širšího využití v ucelených systémech pro podporu řízení VS, jak v krizových
režimech, tak v rutinním provozu jsou prozatím poněkud omezené pro zmíněnou absenci
dávkového spouštění a nasazení do systémů spouštěných z jiných aplikací. Totéž platí pro
jeho využití v hydrologických předpovědních systémech. Tyto problémy jsou v současnosti
řešeny ve spolupráci pracovišť USACE HEC, Delft Hydraulics a hydrologické předpovědní
služby USA, NOAA National Weather Service. V tomto směru se očekává další vývoj v
nejbližších měsících až letech, který by mohl otevřít další možnosti používání tohoto systému.
Zpracovaná monografie nicméně poskytuje návrh možného systémového řešení, jak využít
program HEC-ResSim v současné versi 3.0 se všemi ověřenými vlastnostmi a omezeními
aktuální verze k podpoře dispečerského krizového řízení obecné vodohohospodářské soustavy
za povodňové situace.
Rozpracování tohoto řešení může být předmětem dalšího výzkumu nebo může být řešeno na
konkrétní společenskou objednávku v kontextu s předpokládaným dalším vývojem programu
HEC-ResSim a vývojem prostředků pro jeho uplatnění v řídicích a předpovědních systémech.
Jeho předpokladem je sestavení řešitelského týmu a jeho materiální vybavení, především
potřebným softwarem, zejména vhodným srážko-odtokovým modelem, databázovým
systémem a prostředky pro vývoj uživatelského software. Zde již nelze vystačit s freewarem,
ale je nutné nasazení komerčních programů. V této práci nelze pokračovat bez aktivní účasti
zástupců VHD, příp. ČHMÚ a bez široké možnosti využívání archivních záznamů správců
povodí.
Digitální podoba modelu VS v povodí Ohře je dostupná u autora a je možné ji obdržet v
elektronické podobě po projevení souhlasu s ujednáním o autorských právech. Bližší
informace na : [email protected]
95
Souhrny
Souhrny
1. Použitá literatura a podklady
[1]
Bouček et al.: Vyhodnocení katastrofální povodně v srpnu 2002, VÚV TGM,
Praha, 2003
[2]
Blinka P.: Metoda hodnocení sucha, XIV. Česko-slovenská bioklimatologická
konference, Lednice na Moravě, sborník, ISBN 80-85813-99-8, Lednice na Moravě,
2002
[3]
AquaLogic s.r.o.: Programová dokumentace a uživatelské příručky systémů AquaLog
a AquaBase, AquaLogic s.r.o., Praha, 1999
[4]
Babuška I., Práger M., Vitásek E.: Numerické řešení diferenciálních rovnic, SNTL,
237 s, Praha, 1964
[5]
Bartko R., Miller M.: MATLAB I. algoritmizácia a riešenie úloh, Digital Graphic,
ISBN 80-969310-0-8, Trenčín, 2005
[6]
Broža V., Haindl K., Patera A.: Provoz vodních děl, ČVUT v Praze, 121 s.,
Praha, 1993
[7]
Broža V., Kazda I., Patera A., Přenosilová I.: Vodohospodářské stavby, ČVUT
v Praze, 162 s. Praha, 2005
[8]
Bruner G. W.: HEC-RAS River Analysis Systém, Hydraulic Reference Manual,
U. S. Army Corps of Engineers, 411 s., Davis, CA, USA, 2008
[9]
Bruner G. W.: HEC-RAS River Analysis Systém, User's Manual, U. S. Army Corps
of Engineers, 746 s., Davis, CA, USA, 2008
[10]
Čábelka J., Gabriel P.: Matematické a fyzikální modelování v hydrotechnice 1, ČSAV,
299 s., Praha, 1987
[11]
Daňhelka J.: Nejistota operativních hydrologických předpovědí, Doktorská disertační
práce, Universita Karlova, PřF, 217 s., Praha, 2005
[12]
Daňhelka J., Krejčí J., Šálek M., Šercl P., Zezulák J.: Posouzení vhodnosti aplikace
srážko-odtokových modelů s ohledem na simulaci povodňových stavů pro lokality na
území ČR, ČZU v Praze, 214 s., Praha, 2003
[13]
Egea M., Guerrero F., Loria J., Rincón E., Sant'Anna M., Seara D., Soto A.: SQL
Server 2005, základy databází, krok za krokem, Computer Press,
ISBN 978-80-251-1524-4, 318 s., Brno 2007
[14]
Feldman A. D.: Hydrologic Modeling Systém HEC-HMS, Technical Reference
Manual, U. S. Army Corps of Engineers, 155 s., Davis, CA, USA, 2000
96
Souhrny
[15]
Finnerty B .D., Smith M. B., Seo D. J., Koren V., Moglen G. E.: Space-time scale
sensitivity of the Sacramento model to radar-gage precipitation inputs, Journal of
Hydrology, 203 s., 1997
[16]
Forsythe G. E., Wasow W. R.: Finite-Difference Methods for Partial Differential
Equations, John Wiley and Sons, Inc., 444 s., New York, 1967
[17]
Fošumpaur P.: Použití umělých neuronových sítí ve vodním hospodářství, Doktorská
disertační práce, ČVUT v Praze, FSv, 143 s., Praha, 1998
[18]
Fošumpaur P.: Řízení nádrží a vodohospodářských soustav v prostředí MATLAB,
ČVUT v Praze, FSv, KHT, Příspěvek na konferenci MATLAB 2001, Praha, 2001
[19]
Fread D. L., Ming Jin, Janice M., Lewis.: An LPI Numerical Solution for Unsteady
Mixed Flow Simulation, North American Water Congress, Anehiem, CA, American
Society of Civil Engineers, Anehiem, CA, USA 1996
[20]
Graf W., Altinakar M. S.: Fluvial hydraulics, Flow and Transport Processes in
Channels of Simple Geometry, John Wiley and Sons, Ltd., New York, USA, 1998
[21]
Gürtler M., Kocich P.: Visual Basic .NET, Hotová řešení, CP Books a.s.,
ISBN 80-251-0367-6, 312 s., Brno, 2005
[22]
Henderson, F. M.: Hydraulic of Sediment Transport, BookCrafters, Inc, Chelsea,
Michigan, USA, 1984
[23]
Hrádek, F., Kuřík, P.: Hydrologie, ČZU FLE, KVH, ISBN 80-213-0950-4, Praha,
2004
[24]
Jeníček M.: Modelování průběhu extrémních povodní v kontextu krajinných změn a
integrované protipovodňové ochrany, Doktorská disertační práce, Universita Karlova
v Praze, přírodovědecká fakulta, Praha, 2009
[25]
Jeníček M.: Modelování srážko-odtokových procesů v měnící se krajině,
Projekt GAUK 255/2006, průběžná zpráva za rok 2007, Universita Karlova v Praze,
přírodovědecká fakulta, Praha, 2007
[26]
Karban P.: Výpočty a simulace v programech Matlab a Simulink, Computer Press,
ISBN 978-80-251-1448-3, 220 s., Brno, 2006
[27]
Kašpárek L.: Vyhodnocení jarní povodně 2006 na území ČR [online]
<http://www.chmi.cz/hydro/pov06/> VÚV T.G. Masaryka, Praha, 2007
[28]
Klipsch J. D., Hurs M. B.: HEC-ResSim, Reservoir Systém Simulation User's Manual
Version 3.0, U. S. Army Corps of Engineers, 512 s., Davis, CA, USA, 2007
[29]
Kovář P.: Využití hydrologických modelů pro určování maximálních průtoků na
malých povodích, ČZÚ v Praze, KBÚK, ISBN 80-213-0088, 140 s., Praha, 1990
[30]
Kovář, P.: Úpravy toků, VŠZ, skriptum, Praha, 1976
97
Souhrny
[31]
Krejčí J.: Influence, analysis and percpectives of use of the dams in flood protection
in Elbe catchment, Project: VAV-650-4-03, Aqualogic Consulting, Praha, 2006
[32]
Krejčí J., Zezulák J.: Předpovědní model pro povodí Lužnice, ČZU, FLE, KSÚP,
ISBN 80-213-1571-7, Praha, 2006
[33]
Krejčí J., Zezulák J.: Vliv nádrží a vodních děl na průběh povodní, Výběr z teorie
a případových studií, ČZU FLE KSÚP, ISBN 80-213-1569-5, Praha, 2006
[34]
Krejčí V. a kol.: Odvodnění urbanizovaných území – koncepční přístup,
NOEL 2000 s.r.o., ISBN 80-86020-39-8, Brno, 2002
[35]
Křovák F.: HEC-RAS stručný český manuál, KTI-AquaLogic, Praha, 2001
[36]
Kvasnička M. Vašíček O.: Úvod do anylýzy časových řad, Masarykova univerzita
v Brně, Ekonomicko-správní fakulta, Brno, 2001
[37]
Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol.: Využití metod umělé inteligence ve vodním
hospodářství, AVČR Česká matice technická, ročník CIX, spis 497, Academia Praha,
ISBN 80-200-0229-4, 320 s., Praha, 2004
[38]
Nacházel K.: Stochastické metody ve vodním hospodářství, ČVUT v Praze, 63 s.,
Praha, 2000
[39]
Němec J., Zezulák J.: Úvod do hydrologických předpovědních systémů: Operativní
hydrologie a řízení vodohospodářských soustav, CECWI, Praha,1998
[40]
Novák J., Pultarová I., Novák P.: Základy informatiky. Počítačové modelování v
Matlabu, ČVUT v Praze FSv, ISBN 80-01-03308-2, Praha, 2005
[41]
Nováková E., Hyánková M., Průchová L.: Laplaceova transformace - studijní text pro
cvičení v předmětu Matematika 2, Sudijní materiál ČVUT, projekt MŠMT, Praha,
2005
[42]
Novotný R., Pech P.: Základy mechaniky kontinua I., ČZU v Praze, FŽP, KSÚP, 67 s.,
Praha, 2007
[43]
Patera A., Nacházel K., Fošumpaur P.: Nádrže a vodohospodářské soustavy 10,
ČVUT v Praze, 213 s., Praha, 2002
[44]
Raudkivi, A. J.: Loose Boundary Hydraulics, Pergamon Press, Oxford,
New York,1990
[45]
Rektorys K.: Přehled užité matematiky I, II, Nakladatelství Prometheus, 7. vydání,
ISBN 80-7196-181-7, 906 s., Praha, 2000
[46]
Rychtmyer R. D., Morton K. W.: Difference Methods for Initial-Value Problems,
Interscience Publischers, A Division of John Wiley & Sons, 405 s., New York, 1967
[47]
Schlangerová H.: Prostředky výpočetní techniky pro studie protipovodňových opatření
v oblastech ohrožených záplavami. Řešení vybraných území, Diplomová práce, ČZU v
Praze, Praha, 2006
98
Souhrny
[48]
Singh V. P.: Computing model of watershed hydrology, Water Resources Publications,
ISBN 09-183-34918, Highlands Ranch, Colo., USA, 1995
[49]
Smetana J.: Hydraulika I., Nakladatelství Československé akademie věd, Praha, 1957
[50]
Sovina J.: Optimalizace operativního řízení vodohospodářských soustav v souvislosti s
hydrologickými extrémy. Doktorská disertační práce, ČZU v Praze, 2009
[51]
Špatka J.: Metodika stanovení aktivní zóny záplavového území, DHI Hydroinform,
Hradec Králové, 2005
[52]
Starý M.: Nádrže a vodohospodářské soustavy, VUT v Brně, FTAST, Brno,1990
[53]
Starý M.: HYDROG, Software pro simulaci a operativní řízení odtoku z povodí,
HySoft, Brno, 2001
[54]
Starý M.: Operativní řízení odtoku vody z nádrže za průchodu povodně,VUT v Brně,
FAST, Brno, 2001
[55]
Starý, M., Užití umělých neuronových sítí v aplikované hydrologii,
ISBN 80-214-2746-9, VUTIUM, Brno, 2004
[56]
Sturm T. W. : Open Channel Hydraulics, McGraw – Hill Higher Education,
New York, 2001
[57]
Todini E.: A mass conservative and water storage consist variable parameter
Muskingum-Cunge approach, Hydrology and Earth Systém Sciences, Copernicus
Publications, Göttingen, 2007
[58]
Tůma F.: Teorie řízení, ZČU v Plzni, Tiskové středisko, ISBN 80-7043-361-2, 203 s.,
Plzeň, 2005
[59]
Vajda I.: Teorie informace, ČVUT v Praze, FJFI, 109 s., Praha, 2004
[60]
Valenta P., Gabriel P.: Matematický model pro operativní řízení Labské kaskády,
HYDRO Expert s.r.o., 75 s., Praha, 2000
[61]
Votruba L., Broža V.: Hospodaření s vodou v nádržích, SNTL/ALFA, 443 s., Praha,
1980
[62]
Warner J. C., Brunner G. W., Wolfe B. C.: HEC-RAS River Analysis Systém,
Application Guide, U. S. Army Corps of Engineers, 349 s., Davis, CA, USA, 2008
[63]
Zaplatílek K., Doňar B.: Matlab pro začátečníky, 2. vydání, Technická literatura BEN,
ISBN 80-7300-175-6, Praha, 2005
[64]
Zezulák J. Krejčí J.: Přehled vybraných modelovacích systémů využitelných pro
podporu rozhodovacích procesů v integrovaných systémech ve VH, ČZU v Praze,
FLE, KS, Aqualogic, s.r.o., Praha, 2004
99
Souhrny
[65]
Zezulák J., Křovák F., Schlangerová H., Sovina J., Krejčí J.: Posouzení účinků rozlivů
velkých řek na průběh hydrogramů, ČZU FLE, KSÚP, ISBN 80-213-1570-9, Praha,
2006
[66]
Zezulák J.: Model povodňového řízení nádrží Lipno s využitím programu HEC-ResSim
2.0, Učební texty pro předmět hydroinformatika, ČZU FLE, KSÚP, ISBN 80-2131570-9, 30 s.,
Praha, 2005
[67]
Zezulák J.: Hydroinformatics: Selected Issues, ČZU FLE, KS, Praha, 2001
[68]
Zítek P.: Simulace dynamických systémů, SNTL, Praha, 1990
Hlavní internetové zdroje, stav k prosinci 2009:
[1]
Cenia
http://geoportal.cenia.cz
[2]
ČHMÚ
http://www.chmi.cz
[3]
ČHMÚ, operativní informace
http://hydro.chmi.cz/inetps/main.php
[4]
Google Earth
[5]
Povodí Ohře, státní podnik
[6]
US Army Corps of Engineers, Institute for Water Resources, Hydrologic Engineering
Center (HEC)
http://www.hec.usace.army.mil
[7]
VÚV, Heiss
http://heis.vuv.cz/
[8]
VÚV, Dibavod
http://www.vuv.cz/oddeleni-gis/
[9]
Web nejistoty ČVUT, FSv, KHH
http://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/default.htm
http://www.poh.cz
Dokumentace:
[1]
Plán oblasti povodí Ohře a Dolního Labe (POP)
Pořizovatel: Povodí Ohře, státní podnik
ve spolupráci s krajskými a ústředními vodoprávními úřady
Zpracovatel: HYDROPROJEKT CZ a.s.
Vodohospodářský rozvoj a výstavba a.s.
DHI Hydroinform a.s.
Aquatest a.s
Výzkumný ústav vodohospodářský TGM
[2]
Manipulační řád pro VD Horka, Povodí Ohře s.p.
Zpracovatel: Pail T., Fulierová J., 2007
100
Souhrny
[3]
Manipulační řád pro VD Nechranice, Povodí Ohře s.p.
Zpracovatel: Pail T., Kováříková V., 2004
[4]
[5]
Komplexní manipulační řád vodohospodářské soustavy Skalka - Jesenice,
Povodí Ohře s.p.,
Zpracovatel: Pail T., Kováříková V., 2003
Komplexní manipulační řád vodohospodářské soustavy Stanovice - Březová,
Povodí Ohře s.p.,
Zpracovatel: Břečka J., Pail T., Kovaříková V.,
1998, aktualizace 2003
[6]
Kompletní sada podkladů Povodí Ohře s.p. pro přípravu na Dispečerské hry 2008
Zákony:
[1]
Zákon č. 254/2001 Sb., o vodách a o změně některých zákonů (vodní zákon), ve
znění pozdějších zákonů.
[2]
Zákon č. 240/2000 Sb., o krizovém řízení a změně některých zákonů (krizový
zákon).
[2]
Zákon č. 239/2000 Sb., o integrovaném záchranném systému a o změně
některých zákonů.
Normy a předpisy:
[1]
Vyhláška č. 195/2002 Sb., o náležitostech manipulačních řádů a provozních řádů
vodních děl.
[2]
Metodický pokyn č. 4/2003 odboru ochrany vod Ministerstva životního prostředí ČR
k zabezpečení hlásné a předpovědní povodňové služby.
[3]
TNV 75 2910 – Manipulační řády vodních děl na vodních tocích, leden 2004.
2. Seznam tabulek
tab. 1 Příklad tréninkové matice (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004)
tab. 2 Příklad křížení chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004)
tab. 3 Příklad mutace chromozomů (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol., 2004)
tab. 4 Přítoky Ohře
tab. 5 Historické povodně v povodí Ohře k profilu LG Žatec
3. Seznam vyobrazení
Obr. č. 1 Jednotlivé fáze vývoje řídicího systému (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)
Obr. č. 2 Elementární akce na Petriho síti (Krejčí J., Zezulák J., 2006 )
Souhrny
101
Obr. č. 3 Definiční schéma nádrže a navazujících hydrologických subsystémů (Krejčí J., Zezulák J., 2006 )
Obr. č. 4 Umělá neuronová síť (podle Nacházel K., Starý M., Zezulák J. a kol. 2004)
Obr. č. 5 Základní genetický algoritmus (podle Prax P., 1999)
Obr. č. 6 Příklad vizualizace aktuálních hodnot stavů a průtoků v programu TIRS.NET (z www.coral.cz)
Obr. č. 7 Modulová skladba programu ResSim (HEC-ResSim 3.0 User's Manual)
Obr. č. 8 VD Skalka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 9 VD Jesenice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 10 VD Horka (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 11 VD Březová (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 12 VD Stanovice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 13 VD Nechranice (foto laskavě poskytl Povodí Ohře s.p.)
Obr. č. 14 Práce s hladinami
Obr. č. 15 Zobrazení vrstevnic a popisků
Obr. č. 16 Vektorový a rastrový podklad, překryv
Obr. č. 17 VD Nechranice, odkloněný odtok
Obr. č. 18 definování konsumpčních křivek spodních výpustí VD Nechranice
Obr. č. 19 VD Nechranice – přelivy (z www.poh.cz)
Obr. č. 20 VD Nechranice, věžový objekt (z www.poh.cz)
Obr. č. 21 Definice pravidel pro povodňové řízení VD Skalka
Obr. č. 22 Výsledek simulace - graf úrovně hladiny VD Skalka, hydrogram přítoku a odtoku (dole)
Obr. č. 23 Resrvoir System Editor – nastavení pro VS Skalka-Jesenice
Obr. č. 24 Rozdělení ploch s měřeným a neměřeným odtokem
Obr. č. 25 VD Skalka - Výsledek simulace pro časový krok 3 hod.
Obr. č. 26 Vývojový diagram systému podpory krizového řízení za povodně

Simulační modelování vodohospodářských soustav

Transkript

Podobné dokumenty

Počítačová síť VŠE - Výpočetní centrum Vysoké školy ekonomické v

Studie k statni doktorske zkousce

Systemizace exotických opcí Exotic Options Systemization

Rychlostní silnice R6

Možnosti využití srážko-odtokových modelů na malých a středně

Integrovaný nástroj pro krizové řízení a management povodí Floreon+

Přehled s-o modelů - Research group of Hydrology

BLOKOVOBAHENNÍ PROUDY V MASIVU SMRKU

Sport v životní dráze člověka s tělesným postižením

Vektorový datový model Müllerovy mapy Moravy

Diplomová práce

TEC-robot 1