Upload
others
View
0
Download
0
Embed Size (px)
Citation preview
3
Obsah:• Ochrana pred povodňami –
hydrologické základy:– základné definície,
– základné paradigmy ochrany pred povodňami vo vodnom hospodárstve,
– metódy určovania návrhových veličín• štatistické metódy
• regionálne metódy
• (ak zostane čas: zrážkovo-odtokové modely)
– výhľad do budúcnosti.
6
Čo je povodeň?(Zákon o ochrane pred povodňami, Z.z. č.7/2010)
• Povodňou je dočasné zaplavenie územia, ktoré zvyčajne nie je zaliate vodou.
• Povodeň vzniká, keď:– sa prechodne výrazne zvýši hladina vodného
toku,• bezprostredne hrozí vyliatie vody z koryta vodného
toku
• alebo sa voda z koryta vodného toku už vylieva.
7
Povodeň: prečo môže vzniknúť?• dochádza k zaplaveniu územia vnútornými
vodami,
• zaplavuje sa územie v dôsledku vystúpenia hladiny podzemnej vody nad povrch terénu,
• voda sa vylieva v dôsledku:– chodu ľadov, vzniku ľadovej zátarasy, ľadovej zápchy
– alebo vytvorenia iných prekážok na mostoch, priepustoch alebo na zaplavenom území,
– havárie vodnej stavby,
• zaplavuje sa územie následkom intenzívnych zrážok alebo vody z topiaceho sa snehu.
10
Štrba, Štrbský potok (profil č. 2)
24.7.2001 15.50 LSEČ (cca 5minút po kulminácii)
14.8.2001, pri rekognosk14.8.2001, pri rekognoskááciiciipovodnepovodne
Komplex príčin a dôsledkov
11
Hlboký potok
14.8.2001, pri rekognoskácii povodne (cca 2,5 km po toku odprofilu č. 1)
Komplex príčin a dôsledkov
12
Ochrana pred povodňami:
• Činnosti, ktoré sú zamerané na:– zníženie povodňového rizika na povodňami
ohrozovanom území, – predchádzanie záplavám spôsobovaným
povodňami, – zmierňovanie nepriaznivých následkov
povodní,
• na ľudské zdravie, životné prostredie, kultúrne dedičstvo a na hospodársku činnosť.
13
Preventívne opatrenia na ochranupred povodňami (1)
Neštrukturálne – starostlivosť o krajinu, toky a bezpečnosť:
• opatrenia spomaľujúce odtok vody z povodia do vodných tokov:– ako sú úpravy v lesoch, úpravy na poľnohospodárskej
pôde a úpravy na urbanizovaných územiach, – opatrenia zabezpečujúce prietokovú kapacitu koryta
• revitalizácie inundácií,• odstraňovanie prekážok, nánosov z koryta vodného toku
a porastov na brehu vodného toku,
• vypracovanie plánov manažmentu povodňového rizika, – vrátane máp povodňového ohrozenia.
17
Preventívne opatrenia na ochranupred povodňami (2)
Technické opatrenia – vodné stavby:
• opatrenia transformujúce prietok povodne:– úprava vodných tokov, výstavba nádrží a poldrov,
• opatrenia chrániace územie pred zaplavením:– výstavba ochranných hrádzí,
• opatrenia chrániace pred zaplavením vnútornými vodami, – výstavba odvodňovacích kanálov,
– výstavba zariadení na prečerpávanie vnútorných vôd.
20
Spresnenie témy dnešnej kaviarne
• Protipovodňová ochrana spojená s odhadom rizika jej zlyhania sa vykonáva pre:
• tzv. „hydrologické“ povodne:– teda nie pre povodne v dôsledku:
• pretrhnutia hrádze,
• upchania mostného otvoru,
• ľadových zátarasov
• havárie vodnej stavby
• ......
21
POVODEŇ
• náhle zvýšenie prietoku vody v toku a jeho následný pokles
• dosiahnutie, alebo prekročenie kritickej hodnoty prietoku
• prívalové alebo dlhotrvajúce zrážky,
• náhle topenie snehu,
• kombinácia oboch.
Prietok
časPopis javu: Príčiny:
22
Dimenzovanie technickýchochranných opatrení
Dimenzujeme ich teda tak, aby bezpečne vydržali a odviedli „hydrologické“
povodňové vlny.
24
Hydrologické vstupy pre návrh vodných stavieb:
• Hydrologická návrhová veličina :– Hodnota hydrologického prvku alebo charakteristiky
• udávaná zväčša s jej VÝZNAMNOSŤOU,
• ktorá je odhadom miery možnosti jej prekročeniav budúcnosti.
• VÝZNAMNOSŤ:– pravdepodobnosť (dosiahnutia alebo) prekročenia.
– doba opakovania (dosiahnutia alebo) prekročenia.
25
VÝZNAMNOSŤ:• Pravdepodobnosť prekročenia
– šanca udávaná hodnotou medzi 0 a 1.• Pozn.: samozrejme má byť malá, napr. 0.01, 0.001.
• Doba opakovania:– počet rokov, počas ktorých sa hydrologický prvok priemerne raz
(dosiahne alebo) prekročí,
• alebo:– priemerný počet rokov, počas ktorých dôjde k dosiahnutiu alebo
prekročeniu návrhovej hodnoty.• Pozn.: samozrejme má byť veľká, 100, 1000, 10000 rokov.
• Významnosť a pravidelnosť výskytu: • Pr. tzv. storočná voda:
– hodnota, ktorej priemerná doba dosiahnutia alebo prekročenia je sto rokov:
– teda za dvesto rokov dvakrát, ale môže to byť aj v rokoch nasledujúcich .
27
Paradox č. 1:
• Vodné diela dimenzujeme s istým rizikom zlyhania:– každé vodné dielo môže raz zlyhať
• lebo je tak navrhnuté!,
– vedome dimenzujeme so známym (ale veľmi malým) rizikom zlyhania.
• Prečo? Napríklad preto:– lebo zatiaľ nepoznáme maximálne možné povodne,
• hornú hranicu ohrozenia nechávame otvorenú,
– lebo to umožňuje porovnávať náklady a škody,• absolútna ochrana by bola veľmi nákladná,
– napr. stoková sieť by sa mohla rozmermi podobať na metro ,
– lebo sa to historicky tak zaviedlo,
– ........
28
Paradox č. 2:
• Voľbu významnosti návrhovej povodne určujú:– morálne a etické princípy,– nahromadené vedomosti a podklady,– politické a ekonomické požiadavky doby,
• napr. vo Švédsku, ČR a inde prehodnotili nádrže.
– …….
• Riziko zlyhania ale nie je stála veličina:– menia sa prírodné podmienky tvorby odtoku,– pribúdajú nové údaje,– zvyšujú sa naše vedomosti,– …...
29
• Prijaté konvencie kodifikujú technické normy, ale: – nie vždy presne vieme, prečo sme si ich v minulosti tak zvolili,– a či je to pre nás stále ešte prijateľné.
• ...Ůprava toku provádí se buď na– absolutní ochranu
• (při větších osadách),
– anebo na přiměřenou ochranu víceletou• (při pozemcích). ...
• ... Toto absolutní maximum má odpovídati povodni vyskytnuvší se v dlouhém časovém období. – Zpravidla předpokládame dobu asi 100 roků. ......
• BRATRÁNEK,A.: Hydrologické podklady pro dimensování říčních úprav. Čas. čs. inženýr, R. XLI, 1933, č.10, s.133 - 138.
Paradox č. 3
30
Paradigmy určovania návrhovýchveličín v hydrológii
Hydrologické neistoty v odhade návrhových prietokov
Neistôt nie je nikdy dosť.
31
Paradigmy určovania návrhových veličín
• Predpoklad stacionarity prietokových radov a/alebo priestorovej homogenity tvorby odtoku.
• Predpoklad, že minulosť sa v budúcnosti zopakuje v štatistickom zmysle.– Čo priniesli zmeny vo využívaní krajiny (homogenita a
stacionarita „minulosti“) ?
– Čo prinesie zmena klímy a zmeny vo využívaní krajiny (homogenita a stacionarita „budúcnosti“) ?
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1876 1896 1916 1936 1956 1976 1996
roky
Qm
ax
[m
3.s
-1]
32
Základné scenáre využívania
informácie z minulosti:
V danom profile toku:
• Máme dostatok dobrých údajov.
• Nemáme k dispozícii údaje.
• Údaje máme, ale sú nevhodné.
33
Niekoľko údajov
• Zaevidovaná celková dĺžka riečnej siete v SR:– cca. 61 147 km.
• V správe Slovenského vodohosp. podniku:– 38 211 km vodných tokov
• z toho vodohospodársky významných 11 850 km,• zvyšok sú drobné vodné toky.
• Počet vodomerných profilov SHMÚ:– v hydrologickom roku 2000: 392 vodomerných staníc, – z nich 382 s kontinuálnym záznamom vodných stavov.
• Teda: – údaje zväčša nemáme,– ale bez nich sa nepohneme tam, kde ich nemáme.
34
Základné neistoty
• Problémy kvality podkladových údajov - homogenita: – kvalita hydrologických meraní,
– vplyv zmien využívania krajiny (a zmeny klímy).
• Nedostatok poznatkov o analyzovaných procesoch:– zjednodušovanie ich pravdepodobnostného popisu.
• Neistoty vyplývajúce z vlastností metód odhadu:– neobíditeľné vlastnosti výpočtov.
• Neistoty odhadu parametrov hydrologických systémov v miestach bez hydrologických pozorovaní.
40
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1876 1896 1916 1936 1956 1976 1996
roky
Qm
ax
[m
3.s
-1]
?
Máme dostatok údajov pre aplikáciuštatistických metód.
41
Základný problém, ktorému čelíme pri návrhu vodohospodárskych stavieb:
U ohně sedím, přemítám,jaký to asi bude svět,
(jaké to bude dočkat zimya jaro - to už nevidět.)
Vždyť všechno, co jsem neviděl, je víc nežli to viděné! A každé jaro v každém háji je zase jinak zelené. J.R.R. Tolkien - Pán prstenů. Společenstvo Prstenu.
42
0 1 2 3 4 50
5
10
15
20
25
30C
ou
nts
Values
Sa mplesDis tr ibut ion
0 1 2 3 4 50
5
10
15
20
25
30
Co
un
ts
Values
Sa mplesDis tribution
0 1 2 3 4 50
5
10
15
20
25
30
Cou
nts
Values
SamplesDis tribution
0 1 2 3 4 50
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
Cou
nts
V a lu e s
S a m p le sD is tr ib u t io n
0 1 2 3 4 50
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
Cou
nts
V a lues
S a m p le sD is tr ib u t io n
0 1 2 3 4 50
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
Cou
nts
V a l u e s
S a m p le sD is tr ib u t io n
0 1 2 3 4 50
1 00
2 00
3 00
4 00
5 00
Cou
nts
V a lues
Sa m ple sD is tr ibut ion
0 1 2 3 4 50
5 0 0
1 0 0 0
1 5 0 0
Cou
nts
V a lues
Sa m ple sD is tr ibut io n
0 1 2 3 4 50
0 .5
1
1 .5
2
2 .5x 1 0
4
Cou
nts
V a lues
Sa m p le sD is tr ib ut io n
Histogramy tej istej premennej pri raste N
100
1000
10000 10000010000000
43
Podstata: prechod od histogramupočetnosti k hustote rozdelenia
pravdepodobnosti
1 1.5 2 2.5 30
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
Data
100 hodnôt
Den
sity
lognrv1 data
fit 1
1 1.5 2 2.5 3 3.50
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1
Data
Den
sity
1000 hodôt, relatívne po�etnosti
lognrv data
fit 1
44
Základné neistoty štatistického určovania QN
• Musíme spraviť rad rozhodnutí.
• Základné zdroje neistôt:– voľba obdobia spracovania – tzv. reprezentatívne obdobie,
• ako zohľadňovať historické povodne?
– voľba typu funkcie hustoty rozdelenia pravdepodobnosti,
– voľba metódy odhadu jej parametrov.
• Zlé návyky – prax nerada akceptuje neistoty:– žiada jednu hodnotu
– zvyčajne strednú hodnotu odhadu• (bez konfidenčných pásov).
45
Relatívny dostatok údajov - Dunaj v
Bratislave• ročné max. Q za obdobie 1876-2002
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
1876 1896 1916 1936 1956 1976 1996
ro ky
Qm
ax [
m3.
s-1]
46
Hodnoty Q1000 pre 30-ročné kĺzavé obdobia
Q1000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
16000
17000
18000
19000
20000
1876-1905 1896-1925 1906-1935 1916-1945 1926-1955 1936-1965 1946-1975 1956-1985 1966-1995 1973-2002
obdobie 30 rokov
Q [
m3
.s1
]
návrhová hodnota (Mišík, Čomaj,
VÚVH správa,2003)
Krátke rady: rozhoduje „obdobie“.
47
Hodnoty Q1000 pre 70-ročné kĺzavé obdobia
Q1000
10000
11000
12000
13000
14000
15000
16000
1876-1945 1886-1955 1896-1965 1906-1975 1916-1985 1926-1995 1932-2002
obdobie 70 rokov
Q [
m3.
s1] návrhová hodnota
(Mišík, Čomaj,VÚVH správa,2003)
Dlhšie rady: „rozhodujú použité metódy“.
48
1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 20000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Years
Qm
ax [
m3 /s
]
X0
h
sY
1
Y2
Y3
Využitie historických informáciíA – systematické údajeB – historické údaje
B1 – známe historické udalosti
B2 – neznáme hist. udalostiX0 – hraničná hodnotah – dĺžka historického obdobia
A
B
B1
B2Funkcia vierohodnosti pozostáva z 3 súčiniteľov:
B1 B2 A
[D – data; θ – parametre; F(.) – kumul. distr. fcia; f(.) – hustota pravdep.]
01 1
|k s
h k
X j X X ij i
D f y F X f x
49
Neurčitosť v hist. informáciách
1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 20000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Years
Qm
ax [
m3/s
]
X0
h
sY1u
Y1d
Y2u
Y2d
Y3u
Y3d
1800 1820 1840 1860 1880 1900 1920 1940 1960 1980 20000
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
1800
2000
Years
Qm
ax [
m3/s
]
X0
h
s
(1) (2) (3)
? ? ?
01 1
|k s
h k
X jd X ju X X ij i
D F Y F Y F X f x
0 01
| 1s
k h k
X X X ii
D F X F X f x
Hodnoty historických prietokov poznáme iba s určitou neistotou:
Vieme iba to, že hist. prietoky presiahli hraničnú hodnotu X0
50
Distribution function: Johnson
1 10 100 1000 10000
01
000
200
030
004
000
5000
T [years]
Q [m
^3/s
]
Orlík, Max. discharges in summer;estimation: T(hist) = 1500 years
—-
DF Johnson (M=8000, m=60)5-95% conf. int.Systematic dataHistorical data
1 10 100 1000 10000
01
000
200
030
004
000
5000
T [years]
Q [m
^3/s
]
Orlík, Max. discharges in summer;No historical information
—-
DF Johnson (M=8000, m=60)5-95% conf. int.Systematic data (incl.2002)
51
Otázky, pred ktorými stojíme
• Dostupné hydrologické rady sú krátke pre kvalitné odhady:– teda N-ročné prietoky sa môžu počas životnosti diela „meniť“.
• Ako ďalej (aj vzhľadom na možnú zmenu klímy)?– Zachovať súčasný systém a spoliehať na voľbu reprezentatívneho
obdobia?
• Ak áno, tak akého reprezentačného obdobia:– aby bolo charakteristické pre budúci hydrologický režim,
– aby slúžilo pre zvýšenie bezpečnosti návrhu?
• Máme úplne zmeniť systém?
52
Ďalšie neistoty súčasnéhosystému:
Odhad N-ročných prietokov pre povodia
s krátkym pozorovacím radom, alebo
bez hydrologických pozorovaní.
53
Regionálna frekvenčná analýza
• Základná myšlienka: • Ak je režim povodní v rámci určitej skupiny
povodí podobný:– tak spoločná analýza ich údajových súborov
umožňuje dosiahnuť spoľahlivejší odhad,– než aký umožňuje analýza iba v niektorom z nich.
• Barter: – meníme „čas za priestor“.– predlžujeme si „čas“.
54
VýsledokVýsledok Spôsob typizSpôsob typizááciecie
PrincPrincíípy hydrologickej py hydrologickej regionalizregionalizááciecie a a regionregionáálnej typizlnej typizááciecie
Regionalizácia:súvislé územie
s podobným režimom alebovlastnosťami
Regionálna typizácia:vzájomne nesusediace
priestorové jednotkys podobným režimom
alebo vlastnosťami
55
TypizaTypizaččnnéé premennpremennéé Spôsob typizSpôsob typizááciecie
HydrologickHydrologickáá regionalizregionalizáácia a regioncia a regionáálna lna typiztypizááciacia
Fyzicko-geografickéa klimatické
charakteristiky povodí
Štatistickécharakteristiky
Qmax
Regionalizácia:súvislé územie
s podobným režimom alebovlastnosťami
Regionálna typizácia:vzájomne nesusediace
priestorové jednotkys podobným režimom
alebo vlastnosťami
56
Regionalizácia podľa akademika Duba
Dubov vzorec
qmax- 100-ročný špecifický odtok [m3.s-
1.km-2]
F- plocha povodia [km2]
A, n regionálne parametreOi –opravy
Obalová čiara (zostane taká?)
DQS100=10/F^0.494q
A
Fo
n imax( )
.( )
11
3
Regionálna bezpečnosť = iná v každom povodí.
57
501050205025
5050
506050655070
5080
50905095
510051055120
5130
5160
51705200
5210
524052505260
53005310531153225330
533653405350
53805390540054105460
546554805490
55005510
5520
5530
55405590
5600563256445650
56605680
57205730
5740
5790
579757995800
58035810
5820
583358405845
58705890
5930
59405950597059805990
602060306040
60606070
61006110
6150
61706179
6190
62306240626062706280
6290630063106330
63406360
6362
6370
63906400
641064206450
6460
64706540
65506560
6620
6650
6670
66906700
675067606800
68206840
691469226925693069506960
69726975
69907000
70107030
704070457050
7060706570707080
7090
7115712071257140714571507170
718071837190
72157220
72287280
7345
74057410
7420
7430
746074707490
750075107520
7560
758076007630
7660
76807690769377057710
773077387740
776277827785
77907793
7800
7810
783078407855
7860
7870
7880
7885
79307940
799080008010
802080308060807080808100811081408150
8270
83008330
83708380839084008420
846084808530
8540 85658590
86008640
8670
8680
871087408750 8830
884088508860
8890
89108920
8950
8970
89808990
9000
90509060
908090909100
91109130
91409150
91609170
918092009210
925092609280
9300
9310
9350
937093809390
9450
9490
95509570
95809590
9610
9620
96609700
Digitálny model reliéfu
Dlhodobý priemerný ročný odtok (l.s-1.km-2)
V regiónoch používame tiež regionálne regresné rovnice
•• NaprNaprííklad:klad:–– 267 povod267 povodíí
–– rady rorady roččných a sezných a sezóónnych nnych QmaxQmax
– mapy fyzicko-geografických a klimatických charakteristík (FGK)
– hydrologické mapy
– ........
58
Q k A B CLa b c . . . ..... QL = k+ a.A + b.B + c.C...
0
2 0
4 0
6 0
8 0
1 0 0
1 2 0
1 4 0
1 6 0
1 8 0
2 0 0
0 2 0 4 0 6 0 8 0 1 0 0 1 2 0 1 4 0 1 6 0 1 8 0 2 0 0
Z Q 1 0 [m 3 .s -1 ] - s ta t is t ik
ZQ
10
[m
3.s
-1]
- re
gio
na
l
Q 1 0
Q 1 0 V Z
Q 1 0 A S S L
Q 1 0 S S T L
Flyšové pásmo
Regionálne regresné rovnice
59
Problémy a neistoty:
• Možno kompenzovať poddimenzovanie predimenzovaním?– Iba ak sú obe veľmi malé.
• Základné problém – subjektivita:– zdôvodnenie výberu premenných,
• často iba na základe dostupnosti,
– zdôvodnenie tvaru rovnice.
60
Regionálna hydrologická typizácia
• Povodia, ktoré majú blízke hodnoty vybraných FGK charakteristík sú si podobné.
• Takéto povodia nemusia „susediť“ v priestore.
Je potrebné preukázať:• podobné povodia majú podobnú hydrologickú odozvu
– priemerom normovanú čiaru prekročenia Qmax,
• priemerná maximálna ročná povodeň sa dá vypočítať:– regresiou z FGK charakteristík,– alebo určiť pomocou hydrologického mapovania.
61
DDáátata
MatematickoMatematicko--šštattat. analýza d. analýza dáát (tet (teóória Lria L--momentov)momentov)ŠŠtandardiztandardizáácia cia ččiar prekroiar prekroččenia enia QQmax indexovou povodňou
RegionRegionáálna typizlna typizááciacia
Zaradenie do reg. typuZaradenie do reg. typu
IndexovIndexováá povodepovodeňňRegionRegionáálne rozdelenie lne rozdelenie QQmax
FGK charakteristiky
Testovanie regionálnej heterogenity
Zhlukovanie povodí do typov
RegionRegionáálny odhad Qlny odhad QNN
Databáza Qmax
Databáza FGK
Postup - regionálna typizácia:
62
Q 100, reg ionálny typ 4
01020304050607080
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Q 100, štatistický odhad
Q 1
00
, re
gio
ná
lny
od
ha
d
Zhlukovanie podľa FGK
Problémy a neistoty:
• pod- a nadhodnotenie• výber premenných pre zhlukovanie•„leopardia koža“
63
Malé povodia:každé malé povodie je jedinečné.
Dnes:
- aspoň ilustračné video o variabilite zrážok,
- tri fólie o procesoch vzniku odtoku.
65
Teória tvorby odtoku z premenlivých zdrojových oblastí:
Prie
tok
Čas Čas
Čas Čas
Prie
tok
Prie
tok
Prie
tok
68
Dôsledok pre návrh protipovodňových opatrení
0 5 10 15 20 25 30 35 40 45
SHMÚ
Dub(1940)
Dub (1957)
Kohnová Lq100pov(1997)
Kohnová Lq100gm(1997)
Halasi-Kun(1968)
FGK.(reg GEV)
L-mom.(reg GPA)
DVWK (ročné) bez 1999
DVWK (letné)bez1999
DVWK (ročné)
DVWK (letné)
Q100 [m3.s-1]
Porovnanie hodnôt Q100 podľa rôznych metód pre profil Hájovňa Slače na Vyčome, F=32,25 km2
69
Závery
• Určovanie QN nie je postup s jednoznačným výsledkom.
• Frekvenčná analýza extrémov dnes poskytuje podstatne viac možností než v minulosti.
• Výsledky rôznych metód sú rovnocenné, ak boli dodržané podmienky ich správneho používania.
• Dobré mravy zabezpečujeme zatiaľ technickou normalizáciou a centralizáciou.