Vědecko-výzkumné Projekty

Kombinace hydrologických, hydrogeologických přístupů a GIT pro řešení komplexní bilance a dynamiky vodní složky v krajině s ohledem na specifika urbanizovaných území

SP2011/99

Řešitelský tým chce navázat na úspěšné řešení SGS probíhající v minulém roce (SP/2010101 Integrace GIS a numerických modelů pro analýzu zranitelnosti území a operativní krizové řízení ve vztahu k vybraným přírodním a antropogenním rizikům) a následně rozvinout tento projekt o další nové cíle. Jedním z nich je rozšíření propojení hydrologických a hydrogeologických modelů pro posilnění komplexity řešení bilančních a dynamických prvků vodní složky krajiny. Dále vliv urbanizace na odtokové poměry území zkoumán v relaci na další faktory, které tento proces ovlivňují. Pokračovat budeme také ve vývoji vlastních aplikací pro usnadnění práce s hydrologickými modely. Spolu s doprovodnými vyvíjenými aplikacemi se předpokládá dobudování komplexního řešení využitelného zejména v oblastech plánování rezortů MŽP, MZe a krizového řízení rezortu MV. Všechny stanovené cíle výzkumu budeme realizovat ve spolupráci s těmito organizacemi: ČHMÚ, VÚMOP, VÚLHM, ČIŽP, HZS ČR, PřF UPOL, PřF OU, STU Bratislava, DHI Czech, a.s. Řešitelský tým chce navázat na úspěšné řešení SGS probíhající v minulém roce (SP/2010101 Integrace GIS a numerických modelů pro analýzu zranitelnosti území a operativní krizové řízení ve vztahu k vybraným přírodním a antropogenním rizikům) a následně rozvinout tento projekt o další nové cíle. Jedním z hlavních cílů je rozšíření komplexity řešení o specifika hydrologie a hydrauliky urbanizovaných oblastí. Tato území jsou jednak zdrojem určitých typů rizik ve vztahu k vodní složce (povrchové a podpovrchové vody) a jednak jsou i nejzranitelnější z hlediska dopadů hydrologických extrémů. Tuto skutečnost se snaží zohlednit americké (FEMA), evropské (Flood Directive 2007/60/EC) i národní direktivy (tzv. Vodní zákon č. 254/2001 Sb. a nově jeho novela č. 150/2010 Sb., Metodiky MŽP) k managementu hydrometeorologických extrémů. Mimo jiné vzhledem k náročnosti výpočtů byla hydrologie a hydraulika urbanizovaných území zanedbávána či zjednodušeně parametrizována. V současnosti již výkon pracovních stanic a serverů není limitem, přesto jsou komplexní nástroje používány jen zřídka už s ohledem na požadavky na erudici zhotovitele či provozovatele takovýchto komplexních simulačních a predikčních nástrojů. Metodika pro nalezení efektivní kombinace nástrojů a přístupů s akcentem na minimalizaci datové a uživatelské náročnosti je jedním se základních cílů předkládané SGS. Odhad nejistot vstupních dat, citlivostní analýzy s využitím metod Monte Carlo, Bayesovských metod či Markovových řetězců, problémy simulace v podmínkách neurčitosti, optimalizace výpočetní infrastruktury stran vzájemného předávání dat a okrajových podmínek či optimalizace vstupních datových setů jsou základní úkoly pro vybudování životaschopného simulačního a informačního systému využitelného v dalších výzkumných projektech i operativní praxi. Vliv urbanizace na všechny fáze odtokového procesu bude nadále zkoumán v relaci na další faktory, které tento proces ovlivňují – zejména geomorfologii, pedologii, hydrogeologii a krajinný pokryv či využití půdy pilotních území. A to jak na úrovni krátkodobých epizod či dlouhodobých scénářů. Výsledky jsou uplatnitelné v krajinném plánování, optimalizaci v oblasti zemědělství (LPIS, delimitace kultur) nebo Lesní hospodářské plány ÚHÚL. Rovněž Plány oblasti povodí se stále častěji snaží o využití výstupů matematických modelů a GIT. Předpokládá se rozšíření a podrobnější rozpracování výsledků a výstupů a jejich publikace v časopisech s impakt faktorem. Předpokládá se publikování těchto výsledků v časopisech jako je European Journal of Forest Research (IF 1.867), Landscape and Urban Planning (IF 2.170) nebo Journal of Hydrology and Hydromechanics. Protože infrastruktura založená na kombinaci srážkoodtokových, hydrodynamických, hydrogeologických a dynamických erozních modelů představuje spolu s analytickým aparátem GIS pokročilé a komplexní řešení, jehož výstupy jsou uplatnitelné ve výzkumu různých aspektů dynamiky krajiny, plánujeme dílčí výstupy publikovat i v časopise CATENA (IF 1.933), který se touto problematikou dlouhodobě zabývá. V roce 2009 probíhal i vývoj vlastní aplikace pro rychlé úpravy parametrů schematizace povodí a kalibrace modelu HEC-HMS. Tato aplikace se osvědčila i v operativní praxi (pobočka ČHMÚ v Ostravě a Ústí nad Labem, Katedra Fyzické geografie a geoekologie PřF OU) a proto by řešitelský tým rád pokračoval v dalším vývoji a rozšiřování funkčnosti této aplikace, která významnou měrou snižuje čas běžně potřebný pro úpravu schematizací HEC-HMS, významně přispívá k vyšší efektivitě práce hydrologa při analýze vlastností, charakteristik povodí a při prováděných výpočtech. Předpokládaná rozšíření je na úrovni konverze schematizací povodí dle požadavků na metody výpočtu srážkoodtokového procesu (např. SCS-CN, Green-Ampt, Sacramento SMA), export výstupů modelů do GIS s využitím knihoven ESRI ArcObjects a konverze schematizací modelu DHI MIKE SHE na schematizace modelu HEC-HMS. V současné době se rozvíjí i spolupráce s prof. RNDr. Otakarem Štěrbou, CSc. z PřF UPOL, ve které by řešitelský tým i nadále rád pokračoval a tím dále rozvinul a obohatil metodiku tohoto projektu. Uvažuje se reálně o společné publikaci v časopise Ecohydrology & Hydrobiology. S týmem prof. Ing. Jána Szolgaye, Ph.D. z STU Bratislava se zase daří rozvíjet spolupráci na úrovni komplexních přístupů ke studiu dynamiky vodní složky v krajině a plánování společných publikačních výstupů. Z dalších institucí, které by chtěly spolupracovat s HGF VŠB-TUO i prostřednictvím předkládané SGS, lze jmenovat Český hydrometeorologický ústav (ČHMÚ), Výzkumný ústav meliorací a ochrany půd (VÚMOP), Výzkumný ústav lesního hospodářství a myslivosti (VÚLHM), Českou inspekci životního prostředí (ČIŽP), Hasičský záchranný sbor (HZS) ČR či DHI (Danish Hydraulic Institute). Tyto instituce podpoří SGS na úrovni dodávky dat, konzultací a testování výstupů, metodik a aplikací pro potřeby praxe v jednotlivých rezortech. Dalším očekávaným přínosem předkládané SGS je i aktualizace dat a zejména metod pro stanovení hydrologických poměrů území ČR. Hydrologické poměry ČR a Moravskoslezského kraje jsou často odvozovány z analogových metod za období 1931-1980. Tímto způsobem vzniklo komplexní a koncepčně jednotné dílo, avšak změny ve vodním režimu krajiny a antropogenní činnost v územích spolu s pokrokem výpočetní techniky v současnosti vyžadují revizi přístupů s ohledem na nově vyvstávající hydrologické extrémy a rizika. Z těchto rizik lze namátkou jmenovat např. sucho, kontaminace vodního, půdního a horninového prostředí nebo povodně z regionálních či konvektivních srážek. V rámci směrnic EU je vyvíjen stále větší tlak na budování operabilní IT infrastruktury pro řešení těchto problémů. S rostoucím výkonem výpočetní techniky se zjevně stupňuje také tlak na využití komplexních řešení založených na distribuovaných modelech a analytických přístupech GIT. Ve vztahu k urbánní hydrologii se však objevují pouze vágní proklamace o nutnosti analýz i této složky, přesto stále přetrvává zásadní nedostatek kvalitních případových studií tohoto typu. Řešitelský tým by chtěl své zkušenosti a výstupy zúročit i v tomto ohledu. Shrnutí: Výše zmiňovaná hlediska vyžadují efektivní přístupy v operativní i bilanční fázi založené na využití geoinformačních technologií a matematického modelování. Jedním z nejsložitějších úkolů v tomto ohledu je integrace hydrologických a hydrogeologických modelů do komplexního expertního systému pro řešení výše uvedené problematiky. Hlavními úlohami jsou zde stanovení a optimalizace parametrů modelů s využitím GIS (preprocessing), úprava okrajových a počátečních podmínek řešení, zvolení efektivního měřítka pro výpočty hydrologické a hydrogeologické části procesu a kalibrace modelů pro podmínky Moravskoslezského kraje a ČR i s ohledem na nejistoty vstupních dat. Pro komplexní řešení lze zvolit variantu integrovaného komerčního řešení (např. MIKE SHE/MIKE 11/FEFLOW) anebo vybudování otevřeného modulárního systému, který implementuje více metod a programových prostředků. Spolu s doprovodnými vyvíjenými aplikacemi se předpokládá dobudování komplexního řešení využitelného zejména v oblastech plánování rezortů MŽP, MZe a krizového řízení rezortu MV. Závěrem lze tedy formulovat vizi, že předkládaný projekt SGS by měl přispět k dobré reprezentaci HGF VŠB-TUO na úrovni praxe i výzkumu. Zapojení jednotlivých řešitelů: Ing. Veronika Říhová – příprava dat, srážkoodtokové modelování (MIKE SHE), napojení hydrologických a hydrogeologických modelů (MODFLOW/FEFLOW), kvalita vod (SWAT), tvorba výstupů Ing. Mgr. Michaela Hořínková – příprava dat, srážkoodtokové modelování (HYDROG, HEC-HMS), kvalita vod (HEC-RAS), tvorba výstupů Bc. Marie Vyležíková – příprava dat, schematizace modelů, tvorba výstupů Mgr. Vladimíra Haplová – příprava dat, analýza zranitelnosti území, matice rizik, tvorba výstupů Mgr. Vladimír Těthal – příprava dat, hydrogeologické modely (MODFLOW/FEFLOW), tvorba výstupů Harmonogram prací: 1. Rozšíření metodiky z řešeného grantu SGS 2010 2. Výběr pilotních území, pořízení dat (VÚMOP, ČHMÚ) 3. Implementace získaných dat do vybraných modelů 4. Vývoj podpůrných aplikací 5. Proces modelování na reálných datech 6. Proces modelování při různých navrhovaných scénářích 7. Kalibrace modelů a verifikace získaných výsledků 8. Validace metodiky 9. Hodnocení výsledků 10. Tvorba výstupů (specializované mapy, publikace) Spolupracující organizace: ČHMÚ, VÚMOP, VÚLHM, ČIŽP, HZS ČR, PřF UPOL, PřF OU, STU Bratislava, DHI Czech, a.s.

2011

2011

Ministerstvo školství, mládeže a tělovýchovy

SGS

Specifický výzkum VŠB-TUO

Říhová Veronika Ing.