Aplikace matematických modelů pro simulaci hydrologických poměrů na vybraných vodních tocích

Ing. Marie Kurková

Doctoral thesis

Application of mathematical models for simulation of hydrological conditions in selected streams

Abstract:

Povodeň je přírodní jev, který se vyskytuje v různé intenzitě a nepravidelných časových intervalech. Povodně představují pro Českou republiku největší přímé nebezpečí v oblasti přírodních katastrof a mohou být i příčinou závažných krizových situací, při nichž vznikají nejenom rozsáhlé materiální škody, ale rovněž ztráty na životech obyvatel postižených území a dochází k rozsáhlé devastaci kulturní krajiny včetně ekologických škod. Z hlediska eliminace potenciálního ohrožení a samotných následků těchto událostí jsou významné informace předpovědní povodňové služby o charakteru a o rozsahu záplavových území pro jednotlivé N-leté povodňové průtoky a konkrétní povodňové scénáře. Adekvátní představu o hloubkách a rychlostech při povodňové události, v podélném či příčném profilu vodního toku, poskytují hydrodynamické modely. Získané informace z hydrodynamických modelů tak zaujímají výsadní postavení z pohledu ochrany životů i zmírnění škod na majetku občanů. Zájmové území první studie se nachází na části vodního toku Úhlavy v lukách u Příchovic v blízkosti města Přeštice. Návrh protipovodňových opatření je součástí dokumentace k územnímu řízení: Přeštice -- Inundační průlehové koryto v lukách u Příchovic. Posuzovaná dokumentace byla zhotovena na základě hydrotechnických výpočtů a zkušeností z povodně v srpnu 2002. Matematický model je prakticky využit ve studii posouzení navržených protipovodňových opatření na vodním toku Úhlavy ve městě Přeštice. Posouzení je založeno na matematickém modelování odtokového a hladinového režimu na vodním toku Úhlavy. K vlastní simulaci je použit nekomerční software Hec-Ras, verze 3.1.1. Z provedeného posouzení navržených protipovodňových opatření by mělo být zřejmé, zda jsou navržena efektivně. Matematický model připravený pomocí uvedeného softwaru je možné využít jako podklad pro poskytnutí podpory při realizaci navržených protipovodňových opatření na vodním toku Úhlavy v lukách u Příchovic v rámci dotačního programu "Program prevence před povodněmi II" v gesci Ministerstva zemědělství. Ve druhém případě je matematický model využit ve studii hydrotechnického posouzení drobných vodních toků v katastrálním území obce Mochtín. Posouzení je založeno na matematickém modelování odtokového a hladinového režimu na vybraných tocích. K vlastní simulaci je použit nekomerční software HEC-RAS. Provedené posouzení by mělo ukázat na riziková místa v obci Mochtín. Matematický model připravený pomocí uvedeného softwaru je možné využít jako podklad pro předhodnocení plánovaných akcí zahrnutých do územního plánu nebo jako zdroj základního přehledu o možnostech protipovodňové ochrany na úrovni menší obce. Základním vstupem do hydrodynamických modelů jsou výškopisná data. Jedním ze způsobů získání dat je jejich pořízení metodou leteckého laserového skenování (LLS) z digitálního modelu reliéfu (DMR). Tato metoda je označována za jednu z nejpřesnějších metod pro získání výškopisných dat. Jejím úskalím je však neschopnost zaznamenat geometrii terénu pod vodní hladinou, a to díky pohlcení laserového paprsku vodní masou. Absence geometrických dat o průtočné ploše vodního toku může citelně ovlivnit výsledky modelování, zejména pokud chybějící část koryta reprezentuje svou kapacitou významnou průtočnou plochu. Jedním ze způsobů odstranění této chyby je dodatečné zahloubení koryta pomocí softwarových nástrojů, jakým je například CroSolver. Třetí příspěvek se zabývá sestavením hydrodynamického modelu s využitím dat DMR 5. generace a porovnává jeho výstupy při různých průtocích s modelem založeným na výškopisných dat

Abstract:

ech upravených pomocí nástroje CroSolver. Jedná se o srovnání výstupů hydrodynamických modelů v programu HEC-RAS při použití zahloubených dat a při použití neupraveného DMR. Srovnání je provedeno na úsecích dvou vodních toků s odlišnou morfologií terénu a velikostí toku. Doplňujícím výstupem je porovnání záplavových území vycházejících z obou variant modelů. Z výsledků vyplývá, že rozdíly ve výstupech jsou významné především u nižších průtoků (Q1, Q5), zatímco pro Q50 a Q100 je rozdíl zanedbatelný, přičemž velký vliv má samotná morfologie modelovaného území a velikost toku.

Abstract:

Flood is a natural phenomenon that occurs at different intensities and irregular time intervals. As to natural disasters, floods represent the greatest direct threat for the Czech Republic. They may cause serious critical situations during which not only extensive material damages are done, but may bring also losses of the lives of inhabitants in affected areas as well as vast devastation of cultural landscape including environmental damages. Important from the viewpoint of the elimination of potential threats and consequences of such events is the information issued by flood forecasting service about the character and size of flood areas for individual N-year flood discharges and specific flood scenarios. An adequate image of depths and flow rates in the longitudinal or cross profile of the watercourse during a flood event is provided by the hydrodynamic model. This is why the information obtained from the hydrodynamic models occupies a privileged position from the viewpoint of the protection of citizens' lives and mitigation of damage to their property. The first study is situated on the river Úhlava in meadows by Příchovice near the town Přeštice. The proposal of flood-protection measures is contained in Territorial control documentation. The documentation was elaborated on the basis of hydraulic calculations and experiences from the flood in August 2002. The mathematical model is practically used in the study of analysis of proposed flood-protection measures. The analysis is based on mathematical simulation of water outflow and water level on the river Úhlava. It is possible to use the non-commercial software Hec-Ras, version 3.1.1., for the simulation itself. One of the points of view of the possibility of using proposed flood-protection measures is total efficiency. The mathematical model is posssible to use as a basis of support for realization of proposed flood-protection measures on the river Úhlava in meadows by Příchovice within the grant programme "Program prevence před povodněmi II" under the control of the Ministry of Agriculture. In the second case the mathematical model is practically used in the study of hydrotechnical analysis of streams in cadastral unit. The analysis is based on matjematical simulation of water outflow and water level on chosen streams. It is possible to use the noncomercial software HEC-RAS for the own simulation. The analysis should be shown on dangerous places in the interest place. The mathematical model is possible of using to use as basis for revaluation of action in spatial plan or for view of the flood-protection measures in the village Mochtín. Basic input into the hydrodynamic models is represented by altimetry data. One of ways to obtain such data is through the method of aerial laser scanning (ALS) from the digital relief model (DRM). This method is considered one of the most accurate methods for obtaining altimetry data. Its bottleneck is however incapacity of recording terrain geometry under water surface due to the fact that laser beam is absorbed by water mass. The absence of geometric data on watercourse discharge area may perceptibly affect results of modelling, especially if a missing part of the channel represents a significant discharge area with its capacity. One of methods for eliminating the deficiency is a sufficient channel recess by means of software tools such as CroSolver. The third submitted paper deals with the construction of a hydrodynamic model using 5th generation DRM data, and compares outputs from this model at various discharges with a model based on the altimetry data modified by using the CroSolver tool. Outputs from the two hydrodynamic models are compared in HEC-RAS programme with the use of recessed data and with the use of unmodified DRM. The comparison is done on the sections of two watercourses with different terrain morphology and watercourse size. A complementary output is the comparison of inundation areas issuing from both model

Abstract:

variants. Our results indicate that differences in the outputs are significant namely in the lower discharges (Q1, Q5) whereas for Q50 and Q100 the difference is negligible with a great role being played by morphology of the modelled area and by the watercourse size.

Keywords

HEC-RAS, letecké laserové skenování (LLS), povodně, matematický model

Keywords

HEC-RAS, aerial laser scanning (ALS), floods, mathematical model

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 24. 9. 2015

Thesis defence

• Supervisor: doc. Ing. Zdeněk Vašků, CSc.

Czech University of Life Sciences Prague

Faculty of Environmental Science

Doctoral programme / field:
Landscape Engineering / Environmental Modelling