Modelování odtoku z tajícího sněhu v povodí horního Hronu

Mgr. Kateřina Složilová, Ph.D.

Doctoral thesis

Snowmelt-runoff modelling in the Upper Hron river basin

Abstract:

Předmětem předkládané práce je modelování odtoku z tající sněhové pokrývky v povodí horního Hronu po vodoměrný profil Banská Bystrica. Samotné povodí o rozloze 1766 km2 bylo rozděleno na tři dílčí povodí, jejichž uzávěrové profily (Brezno, Hronec, Banská Bystrica) patří do sítě operativních stanic Hydrologické informační a předpovědní služby Slovenské republiky. Pro samotné modelování byl vybrán srážko-odtokový model HBV. Cílem práce je aplikace a ověření chování vybraného srážko-odtokového modelu tak, aby vhodně reprezentoval reálný systém (povodí) z hlediska modelování a následné predikce zvoleného jevu, tj. jarního odtoku ze sněhu. Jako modelovací období bylo zvoleno období od 1. listopadu 1990 do 31. října 2002. Řady vstupních údajů teploty vzduchu a atmosférických srážek pro hydrologické roky 1991–2001 byly sestrojeny v prostředí GIS. Pro hydrologický rok 2002 byly zkonstruovány syntetické řady vstupních údajů, které byly odvozeny metodami jednoduché a vícenásobné lineární regrese mezi plošnými průměry, vypočtenými mapovou algebrou v prostředí GIS, a bodovými měřeními jednotlivých klimatologických prvků. Pro kalibraci modelu byly vybrány roky 1992–1997, které byly z hlediska sněhových zásob průměrné i extrémní, tj. zahrnovaly jak zimy suché tak zimy s nadprůměrnými zásobami vody ve sněhové pokrývce. Vlastní kalibrace modelu pak byla zaměřena na jarní extrémní odtokové události. Nejlepších výsledků při kalibraci bylo dosaženo v povodí Banská Bystrica. Ukazuje to nejen vizuální interpretace výsledků, ale i hodnoty optimalizačních kritérií (Nash-Sutcliffův koeficient, ukazatel objemové shody), vypočítaných jak pro celé kalibrační období, tak i pro jednotlivé jarní odtokové sezóny. Testování odvozených parametrů na nezávislé řadě vstupních údajů, které pokrývalo období hydrologických let 1998–2002, potvrdilo výsledky kalibrace. Dobrou shodu mezi pozorovanými a modelovanými hydrologickými veličinami prezentovaly výsledky modelování v povodí Banská Bystrica. Ve zbylých dvou dílčích povodích byly dosažené výsledky podstatně méně uspokojivé podle toho, zda se vytvořil jarní odtok nebo nikoli. Pro všechny sezóny kalibrace i validace platilo, že hydrologický model nedokázal správně reagovat na krátká přechodná oteplení a většinou tyto události podceňoval. Kromě standardních kritérii, užívaných v hydrologii, byla úspěšnost modelování hodnocena také výpočtem vybraných statistických charakteristik a testováním. Pro jednotlivé sezóny jarního odtoku byly počítány charakteristiky střední hodnoty, variability, asymetrie a špičatosti rozdělení. Při výpočtu statistických charakteristik se největší rozdíly mezi odpovídajícími si výběry simulovaných a měřených průtoků projevily v charakteristikách asymetrie a špičatosti. Nejzřetelněji jsou tyto rozdíly vidět na suchých sezónách bez výraznějšího jarního odtoku, ve všech dílčích povodích především v sezónách 1993, 1997 a 2002. Ověření výsledků z pohledu statistiky, kdy byl na řady modelovaných a pozorovaných charakteristik odtoku aplikován t-test pro párované hodnoty, přineslo odlišné výsledky než hodnocení pomocí klasických hydrologických kritérií. Porovnají-li se hodnoty Nash-Sutcliffova koeficientu s výsledky t-testu, je možné zjistit, že vysoké hodnoty koeficientu, který z hydrologického hlediska popisuje dobrou shodu mezi sledovanými charakteristikami, automaticky nezaručují přijetí nulové hypotézy t-testu. Např. v sezónách 1998 a 1999 nebyly splněny podmínky testu ani v jednom povodí, ale hodnoty Nash-Sutcliffova koeficientu (0,979 a 0,968) v dílčím povodí Banská Bystrica byly pro obě sezóny nejvyšší z celého sledovaného období. H

Abstract:

ydrologický model představuje užitečný nástroj v rozhodovacím procesu v oblasti protipovodňové ochrany. S přihlédnutím k dennímu kroku vstupních údajů byly zkonstruovány možné scénáře odtoku z tající sněhové pokrývky, které by mohly právě při tomto rozhodování pomoci. Scénáře vypovídají o velikosti možného objemu jarního odtoku a jeho rozdělení v čase. Z výsledků modelování je zřetelný dominantní vliv počáteční vodní hodnoty sněhové pokrývky a srážek na velikost kulminace a objem odtokové vlny. Teplota vzduchu má rozhodující vliv na nastartování procesu tání sněhové pokrývky. Ve všech třech dílčích povodích vznikly nejkritičtější scénáře kombinací maximální vodní hodnoty sněhové pokrývky, maximálního srážkového úhrnu a nejvyšší průměrné denní teploty vzduchu. Modelování scénářů možného odtoku ze sněhu jasně poukázalo na nutnost reálných vstupů. Optimální by byla situace, kdy by se vytvořilo několik variant vstupních teplotních a srážkových řad, které by se od sebe vzájemně lišily nejen průměry či úhrny, ale i časovým rozložením. Těchto řad by se dalo využít ke konstrukci aktuálních scénářů odtoku ze sněhu, které by se opíraly o konkrétní údaje o zásobách vody ve sněhové pokrývce. Takto by měla hydroprognózní služba k dispozici několik variant možného odtoku ze sněhu vždy ke dni, kdy se vyhodnocují sněhové zásoby, tj. pravidelně jednou týdně v pondělí.

Abstract:

Thesis subject is snowmelt-runoff modelling in the Upper Hron river basin down to the gauging station Banská Bystrica. The basin with the area 1766 km2 was divided into three subbasins, whose outlets belong to the network of operation stations of Hydrological Information and Forecasting Service of the Slovak Republic. Conceptual rainfall-runoff model HBV was used for snowmelt-runoff modelling. The main goal is an application and testing of chosen hydrological model in order to properly represent real system (catchment) with respect to the modelling and prediction of selected event, e.g. snowmelt-runoff. Snowmelt-runoff modelling covered period from November 1st 1990 to October 31st 2002. Input data series of air temperature and precipitation for hydrological years 1991–2001 were constructed with the help of GIS. For hydrological year 2002 synthetic input data series were derived by simple or multiple linear regression between area averages computed using GIS and point measurements of several climatic elements. Model calibration within period 1992–1997 included years that were characterized by normal or extreme snow water storage, e. g. by dry, normal and wet winter seasons. Calibration alone was focused on spring extreme runoff events. Best results were obtained in subbasin of Banská Bystrica. This was shown by visual interpretation and by values of objective function (Nash-Sutcliff coefficient, relative volume error) computed for both the entire calibration period and the separated spring runoff seasons. Model validation during 1998–2002 on independent input data series confirmed the calibration results. Good agreement between measured and computed mean daily discharges was achieved again in the subbasin of Banská Bystrica. In the other subbasins obtained results were less satisfactory depending on whether snowmelt-runoff was created or not. For all calibration and validation seasons it was determined that the model can not correctly react on short temporary thaws and underestimates them. Except for standard criteria used in hydrology, model efficiency was evaluated by statistic characteristics and tests. The characteristics of the position, variability, asymmetry and skewness were computed for both measured and simulated mean daily discharges in all snowmelt seasons. The biggest differences between measured and simulated discharges were in characteristics of asymmetry and skewness. These differences are evidently shown during dry snowmelt seasons without any spring runoff, in all subbasins mainly in years 1993, 1997 and 2002. Statistic results assessment, which took the advantage of t-test for pair values applied on series of measured and simulated runoff characteristics, obtained different findings than model evaluation using standard hydrological criteria. If we compare values of Nash-Sutcliff coefficient and t-test results, we find out that high values of Nash-Sutcliff coefficient does not automatically guarantee the acceptation of the zero hypothesis of t-test. For example, in seasons 1998 and 1999 test conditions were not fulfilled in any subbasin, but in subbasin Banská Bystrica Nash-Sutcliff coefficient was the highest from whole period (0.979, 0.968). Hydrological model is a useful tool for decision-making process in the field of flood protection. Possible snowmelt-runoff scenarios were constructed, which could help in this process. Scenarios show the intensity of eventual spring flood wave volume and its distribution in time. It was found out that both initial snow water equivalent and precipitation have dominant influence on flood peak and volume. Air temperature has impact on timing of snowmelt. The most dangerous scenarios result from combination of maximum values of snow water equivalent, precipitation and air temperature. Modelling of snowmelt-runoff scenarios clearly indicated need for real input data. It would be optimal to create few variants of air temperature and precipitation series, which diffe

Abstract:

r not just by averages or sums but also time distribution. These input data series would be used in construction of actual snowmelt-runoff scenarios based on current information about snow water storage. Operational Hydrology Service should have number of possible snowmelt-runoff scenarios available on days when snow water storage are evaluated e. g. regularly once per week on Mondays.

Keywords

Odtok z tajícího sněhu, povodí horního Hronu, HBV, kalibrace, validace, scénáře Snowmelt-runoff, Upper Hron river basin, calibration, validation, scenarios

Language used: Czech

Date on which the thesis was submitted / produced: 25. 1. 2007

Thesis defence

• Date of defence: 25. 1. 2007
• Supervisor: prof. RNDr. Rudolf Brázdil, DrSc.

Masaryk University

Faculty of Science

Doctoral programme / field:
Geography / Physical Geography