103 Razvoj sistema za napovedovanje hidroloških razmer na poreč jih Save in Soč e Sašo Petan * , Nejc Pogač nik * , Mojca Sušnik * , Janez Polajnar * , Gregers Jørgensen ** Povzetek Agencija Republike Slovenije za okolje je v okviru projekta Nadgradnja sistema za spremljanje in analiziranje stanja vodnega okolja izvedla nadgradnjo in širitev sistema za napovedovanje hidroloških razmer, ki je bil leta 2006 vzpostavljen za poreč je Mure v okviru regijskega sodelovanja s hidrološko službo avstrijske Štajerske. V prispevku so opisani zasnova in zgradba prognostič nega hidrološkega sistema na poreč jih Save in Soč e, kalibracija hidrološkega in hidrodinamič nega modela, operativno delovanje sistema in prikaz njegovih rezultatov, trenutne omejitve sistema in predviden razvoj v prihodnosti. Uvod V okviru projekta River Basin Agenda Alpine Space, ki ga je podprla iniciativa EU INTERREG IIIB, je bil leta 2006 izdelan sistem za napovedovanje hidroloških razmer na reki Muri. To je bil prvi konceptualni hidrološki prognostič ni sistem, ki sta ga hidrološki službi Slovenije in avstrijske Štajerske vpeljali v svoje operativno delo. Ker se je takšno operativno orodje izkazalo kot zelo koristno in nepogrešljivo pri opravljanju vsakodnevnih nalog prognostič nih služb, so se prav kmalu pojavile tudi potrebe po širitvi prognostič nega sistema na druga poreč ja in tudi njegovi nadgradnji, kar bi še dodatno poveč alo operativno uč inkovitost hidrološke prognostič ne službe v Sloveniji. Tako je Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO) že leta 2006 prič ela s pripravo projekta Nadgradnja sistema za spremljanje in analiziranje stanja vodnega okolja ali BOBER (Boljše opazovanje za boljše ekološke rešitve), s katerim je kandidirala na razpisu Evropskega kohezijskega sklada - Operativni program razvoja okoljske in prometne infrastrukture za obdobje 2007–2013 in pozneje tudi pridobila sredstva za njegovo izvedbo. V okviru projekta BOBER je bila pripravljena naloga širitve in nadgradnje obstoječ ega prognostič nega sistema za poreč ji Save in povodje Soč e. S to nalogo je bil zač rtan razvoj Oddelka za hidrološko prognozo na Agenciji RS za okolje med letoma 2010 in 2015. Širitev in nadgradnja sistema za napovedovanje hidroloških razmer Sistem za napovedovanje hidroloških razmer se je v okviru projekta BOBER razširil na poreč je reke Save do zadnje vodomerne postaje na slovenskem ozemlju – Jesenice na Dolenjskem, in celotno povodje reke Soč e, skupaj z italijanskimi pritoki, do izliva v Jadransko morje. Nadgradnja prognostič nega sistema je poleg razvoja kontrolnega orodja in izboljšane uporabniške izkušnje obsegala še naslednje tri bistvene sklope: • vključ itev dodatnih meteoroloških modelov, katerih napovedi služijo kot vhodni podatek za simulacije hidroloških modelov prognostič nega sistema, * Agencija RS za okolje, Vojkova 1b, SI-1000 Ljubljana ** DHI, Agern AllØ 5, DK-2970 Hørsholm, Danska. 104 • navezavo sistema na sistem za opozarjanje širše javnosti pred poplavno nevarnostjo Hidroalarm, • izdelavo spletne strani, ki je namenjena prikazu modelskih rezultatov hidrološkega prognostič nega sistema zainteresiranim uporabnikom. Modelski območ ji poreč ij Save in Soč e zajemata 53 % oz. 11 % površine Slovenije. Tako lahko Oddelek za hidrološko prognozo pri napovedovanju hidroloških razmer v Sloveniji sedaj uporablja rezultate hidrološkega prognostič nega sistema, ki obsega cca 70 % slovenskega ozemlja na poreč jih Mure, Save in Soč e. Zasnova hidrološkega prognostič nega sistema Osnovna ideja pri izgradnji hidrološkega prognostič nega sistema je bila zasnovati tak sistem, ki bo omogoč al enoten, enostaven in hiter pregled hidrološkega stanja in napovedi v izbranih prognostič nih profilih na poreč jih Save, Soč e in Mure. Zato smo se odloč ili za ohranitev modelskega jedra sistema – programskega paketa MIKE11 skupine DHI, ki je že bilo uporabljeno na poreč ju Mure. Hidrološki prognostič ni sistem smo želeli v največ ji meri zgraditi okoli že obstoječ ih hidroloških, meteoroloških in prostorsko-informacijskih baz podatkov na ARSO. Izgradnja sistema se je tako usmerila k pridobivanju podatkovnih virov oz. pregledu njihovega stanja, pripravi potrebnih vhodnih podatkov in parametrov za potrebe modeliranja, zasnovi kontrolnega orodja sistema in pregledovalnika modelskih rezultatov ter njihovega shranjevanja za potrebe poznejših analiz. Slika 1: Delitev poreč ij Save in Soč e na podporeč ja glede na izbrane prognostič ne profile hidrološkega prognostič nega sistema Na poreč ju Save (10 843 km2) smo izbrali 40, na povodju Soč e (3 426 km2) pa 31 vodomernih postaj za prognostič ne profile znotraj sistema (Slika 1). Območ ji obeh poreč ij smo razdelili na prispevna območ ja izbranih prognostič nih profilov. Tako smo določ ili 105 izhodišč a za hidrološka modela Save in Soč e, ki smo ju zastavili v osnovni komponenti paketa MIKE11 – NAM. Gre za deterministič en in konceptualen hidrološki model, ki s semi-empirič nimi matematič nimi izrazi poenostavljeno opisuje komponente hidrološkega kroga pri tleh. NAM določ a površinskih odtok iz prispevnih območ ij prognostič nih profilov, ki so znotraj modela obravnavana kot posamezne rač unske enote. Z vključ itvijo enostavnega snežnega modula pa model upošteva tudi akumulirano vodo v snegu na različ nih višinskih conah prispevnih območ ij. Za izgradnjo enodimenzijskega hidrodinamič nega modela, ki služi kinematič ni propagaciji valov površinskega odtoka vzdolž poenostavljene hidrografske mreže, smo zbrali razpoložljive preč ne profile vodotokov in informacije o več jih hidrotehnič nih objektih na vodotokih (pregrade in akumulacije hidroelektrarn, jezovi in talni pragovi). Pri operativnem delovanju je sistemu dodan še modul za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev. Ta modul znotraj hidrodinamič nega modela popravi modelirane pretoke in vodostaje z izmerjenimi vrednostmi ob upoštevanju eksponentne funkcije približevanja k napovedanim vrednostim. Kalibracija hidrološkega in hidrodinamič nega modela Po opravljeni delitvi poreč ij Save in Soč e na podporeč ja oz. rač unske enote hidrološkega modela so bili pripravljeni vsi potrebni podatki za kalibracijo: 10-letni nizi (1998–2007) urnih podatkov o temperaturah in padavinah iz meteorološke mreže merilnih postaj, pretokih in vodostajih na vodomernih postajah hidrološke merilne mreže in potencialne evapotranspiracije na rač unskih enotah (dnevni podatki). Hidrološki model je bil pripravljen za kalibracijo po izrač unu uteži za določ itev srednje vrednosti padavin in temperature na posamezno rač unsko enoto, določ itvi površin 100-metrskih višinskih pasov znotraj rač unskih enot in izbiri temperaturnih in padavinskih gradientov po višini. Glavni kriteriji pri kalibraciji hidrološkega modela so bili naslednji: ujemanje vodne bilance, visokovodnih konic, padajoč ih delov hidrogramov in baznega odtoka znotraj 10-letnega obdobja kalibracije. Kalibracija parametrov hidrološkega modela je bila opravljena predvsem roč no z obč asnimi zagoni modula za avtokalibracijo. Pri tem smo ponekod naleteli na težave predvsem zaradi slabše raziskanih ali določ enih razvodnic na kraških območ jih. Konč ni rezultat kalibracije je bil zelo odvisen od kakovosti podatkov o padavinah in pretokih. Kalibriran hidrološki model je bil nato povezan s hidrodinamič nim modelom. Zaradi preredke mreže znanih preč nih prerezov na vodotokih je bila kalibracija hidrodinamič nega modela opravljena predvsem v izbranih prognostič nih profilih tako, da so bili dodani bistveni elementi, ki opredeljujejo hidrodinamič ne razmere na obravnavanih odsekih. Tako smo pri različ nih vodnih stanjih dosegli odstopanje simuliranega vodostaja od izmerjenega znotraj intervala ± 20 cm. V model so vstavljeni tudi glavni hidrotehnič ni objekti s pravili obratovanja regulacijskih naprav. Operativna postavitev sistema za napovedovanje hidroloških razmer Hidrološki model znotraj operativnega hidrološkega prognostič nega sistema vzame kot vhodne podatke izmerjene količ ine padavin in temperature na avtomatskih meteoroloških postajah, ki so vključ ene v mreže hidroloških in meteoroloških opazovanj Slovenije in tudi sosednjih držav, ter napovedane količ ine padavin in temperature z različ nimi meteorološkimi modeli. Hidrološki prognostič ni sistem izdela napoved pretokov in 106 vodostajev v izbranih prognostič nih profilih za 72 in 144 ur vnaprej glede na kombinacijo merjenih in z različ nimi meteorološkimi modeli napovedanih količ in padavin in temperatur. Tako znotraj sistema obratujejo štiri različ ne postavitve hidroloških modelov, ki jih prikazuje Preglednica 1. Posebnost druge postavitve je ta, da meteorološki model INCA-CE za zelo kratkoroč no napovedovanje, ki izdeluje napovedi v polurnih intervalih, vsebuje tudi analizo meteoroloških razmer za pretekle pol ure glede na meritve avtomatskih meteoroloških postaj in vremenskega radarja. Ob tem se vhodni č asovni nizi meteoroloških spremenljivk kreirajo vsako uro tako, da se analize predhodnih napovedi INCA-CE ohranjajo. Č etrta postavitev hidrološkega modela je eksperimentalne narave, saj služi testiranju določ enih rešitev zaradi slabšega poznavanja dejanske porazdelitve merjenih padavin v prostoru ali pravil obratovanja hidrotehnič nih objektov, ki so vključ eni v hidrodinamič ni model. Preglednica 1: Različ ne postavitve hidroloških modelov znotraj sistema za napovedovanje hidroloških razmer na poreč jih Save in Soč e Hidrološki prognostič ni sistem se avtomatič no zažene vsako uro in izdela napovedi pretokov in vodostajev, ki jih korigira glede na izmerjeno hidrološko stanje na avtomatskih vodomernih postajah v zadnji uri. Ob zač etku simulacije hidrološkega in hidrodinamič nega modela sistem razbere robne pogoje oz. njihovo zač etno stanje iz predhodne simulacije. Napredno pregledovanje rezultatov in krmiljenje hidrološkega prognostič nega sistema omogoč a orodje Flood Watch Online (Slika 2), ki ga je izdelal, nadgradil in dopolnil izvajalec naloge glede na zahteve in potrebe hidrološke prognostič ne službe ARSO. V sistemu so na prognostič nih profilih prikazane tudi opozorilne vrednosti pretokov in vodostajev, ki so usklajene s sistemom za opozarjanje pred visokimi vodami Hidroalarm. Tako je omogoč eno tudi povezovanje obeh sistemov in delne avtomatizacije procesov opozarjanja pred visokimi vodami. Orodje Flood Watch Online omogoč a tudi vpogled v pretekle simulacije hidrološkega prognostič nega sistema in simulacijo scenarijev hidroloških dogodkov, ki jih merilni instrumenti niso zaznali ali pa jih meteorološki modeli niso predvideli: po opravljenem posvetovanju med dežurnim hidrologom in meteorologom lahko zelo hitro izvedemo novo simulacijo z roč no korigiranimi vrednostmi izmerjenih ali napovedanih količ in padavin. INCA-CE za prihodnjih 12 ur NMM za prihodnjih 72 ur ALADIN/SI za prihodnjih 72 ur ECMWF za prihodnjih 144 ur SAVA1/SOČ A1 ● ● ● SAVA2/SOČ A2 ○ ● ● SAVA3/SOČ A3 ● ● SAVA4/SOČ A4* ● ● * eksperimentalna postavitev meritve avtomatskih merilnih postaj zadnjih 120 ur napovedi meteorološkega modela postavitev hidrološkega modela 107 Slika 2: Orodje za pregledovanje rezultatov in krmiljenje hidrološkega prognostič nega sistema – Flood Watch Online. Levo – simulacija pretokov na v. p. Sava Hrastnik; desno – prikaz izmerjenih in napovedanih padavin na prispevnem območ ju v. p. Vipava Vipava. Verifikacija sistema za napovedovanje hidroloških razmer S testnim operativnim obratovanjem hidrološkega prognostič nega sistema smo prič eli aprila 2011. Hidrološki model znotraj operativnega sistema se poganja s padavinami in temperaturami, ki so izmerjene na avtomatskih meteoroloških postajah in napovedane z meteorološkimi modeli. Parametri hidrološkega modela so bili v č asu kalibracije določ eni iz podatkov, ki so bili izmerjeni na merilnih mestih najširše meteorološke mreže, in se razlikujejo od tistih znotraj operativnega sistema. Zato nač rtujemo izvedbo verifikacije kalibriranega hidrološkega modela na operativnem izboru avtomatskih meteoroloških postaj. V okviru projekta je bila zgrajena tudi podatkovna baza simulacij hidrološkega prognostič nega sistema, ki bo uporabljena za analizo kakovosti simulacij in verifikacijo napovedanih pretokov v posameznih prognostič nih profilih. Tovrstno verifikacijo predvidevamo, ko se bo v podatkovni bazi nabral statistič no zadosten vzorec visokovodnih valov. Bistvena ugotovitev, ki se poraja iz testnega obratovanja sistema je ta, da je trenutna mreža avtomatskih merilnih postaj padavin preredka za podrobnejši zajem precej razgibane prostorske porazdelitve padavin v Sloveniji. Tako so simulacije hidroloških modelov v posameznih primerih dokaj negotove. Kombinacija omenjene ugotovitve in nač ina delovanja modula za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev privede do omejenih napovedi hidrološkega prognostič nega sistema, ki zahtevajo kritič no presojo hidrologa prognostika. Prič akujemo, da se bo to stanje precej izboljšalo v prihodnjih letih s postavitvijo novih avtomatskih merilnih postaj in vremenskega radarja v okviru projekta BOBER ter z nadaljnjim razvojem hidrološkega prognostič nega sistema. Prikaz rezultatov sistema za napovedovanje hidroloških razmer V okviru projekta BOBER je bila izdelana spletna stran, ki prikazuje rezultate hidrološkega prognostič nega sistema in je trenutno dostopna vsem uporabnikom na ARSO, 108 saj so rezultati sistema uporabni tudi pri optimiziranju delovanja drugih strokovnih služb, npr. s področ ja kakovosti voda in hidrometrije. V prihodnje bo dostop do rezultatov sistema omogoč en tudi zunanjim zainteresiranim uporabnikom, vendar v omejenem obsegu in pod določ enimi pogoji, saj je za pravilno interpretacijo rezultatov sistema potrebna kritič na hidrološka presoja. Spletni prikaz rezultatov prognostič nega sistema (Slika 3) temelji na prostorskem prikazu modelskih poreč ij s podporeč ji oz. rač unskimi enotami in lokacij prognostič nih profilov na obstoječ ih geografskih podlagah, ki jih omogoč ajo dostopni spletni servisi. Spletna stran omogoč a vpogled v rezultate hidrološkega prognostič nega sistema: • v prognostič nih profilih, kjer so prikazani č asovni nizi napovedanih pretokov in vodostajev ter predviden potek gladine v preč nem prerezu, ter • na prispevnih območ jih posameznih prognostič nih profilov, kjer so prikazani č asovni nizi izmerjenih in napovedanih padavin in temperatur zraka, izrač unanih deležev vode v tleh in vodnega ekvivalenta snežne odeje. Na diagramih č asovnih nizov so ob napovedanih prikazani tudi merjeni vodostaji in pretoki ter pripadajoč e opozorilne vrednosti, ki so skladni s sistemom Hidroalarm. Slika 3: Spletni prikaz rezultatov hidrološkega prognostič nega sistema. Levo – simulacija vodostajev na v. p. Savinja Celje s prikazom preč nega prereza in opozorilnih vrednosti vodostajev v barvni kodi Hidroalarma; desno – simulacija pretokov na v. p. Vipava Dolenje s prikazom opozorilnih vrednosti pretokov. Na spletni strani je poleg modelskih rezultatov v vsakem prognostič nem profilu na voljo tudi dokument, ki vsebuje izbor metapodatkov o pripadajoč i vodomerni postaji iz katastra vodomernih postaj, informacije o trenutno delujoč ih merilnih instrumentih, aktualni pretoč ni krivulji in preč nem prerezu, povezavo do morebitne spletne kamere na postaji ter izbor hidroloških znač ilnosti, kot so povratne dobe malih in velikih pretokov, obdobne letne statistike pretokov in temperatur ter kratek opis razmer ob treh najvišjih zabeleženih vodah. 109 Zaključ ki Hidrološke napovedi so v preteklih letih temeljile na subjektivnih ocenah hidrologa prognostika in enostavnih regresijskih modelih. Z razvojem kompleksnejših numerič nih modelov in avtomatizacijo meteoroloških in hidroloških merilnih mrež so hidrološke napovedi postale tehnič no bolj objektivne. Ob upoštevanju znanih omejitev in nezanesljivosti modelov je mogoč e zgraditi dovolj kakovosten hidrološki prognostič en sistem, ki bo omogoč al pravoč asno in natanč nejše opozarjanje pred visokimi vodami. Sistem za napovedovanje hidroloških razmer je sodobno orodje, ki je izrednega pomena za hidrološko prognostič no službo in tudi druge strokovne službe na Agenciji RS za okolje pri opravljanju vsakodnevnih nalog. Z njegovim razvojem so omogoč eni enoten, enostaven in hiter pregled hidrološkega stanja in napovedi pretokov in vodostajev v izbranih prognostič nih profilih na poreč jih Save, Soč e in Mure. Sistem izdela hidrološke napovedi na osnovi simulacij razvoja vremena različ nih meteoroloških modelov. Hidrološki prognostič ni sistem je v svojem temelju zasnovan za napovedovanje poplavnih dogodkov. Tako lahko pri manjših in zmernih porastih rek prihaja do relativno velikih odstopanj med napovedanim in pozneje izmerjenim hidrološkim stanjem v posameznih prognostič nih profilih. Lahko nastanejo tudi nelogič ne napovedi prognostič nega sistema kot posledica delovanja modula za korekcijo napovedanih pretokov in vodostajev z merjenimi vrednostmi. Zato je za pravilno interpretacijo rezultatov sistema nujno potrebna kritič na in strokovna presoja hidrologa prognostika. Glavne omejitve hidrološkega prognostič nega sistema izhajajo predvsem iz pomanjkljivosti vhodnih podatkov ali relativno preprostih modulov, ki so vključ eni znotraj sistema. Zaradi relativno redke mreže preč nih prerezov, ki je vključ ena v hidrodinamič ni model sistema, lahko pride do nestabilnosti in neprič akovanih nihanj simuliranih pretokov in vodostajev, predvsem pri visokih in izredno nizkih hidroloških stanjih. Trenutna mreža avtomatskih merilnih postaj padavin je preredka za natanč en zajem precej razgibane prostorske porazdelitve padavin v Sloveniji. Tako so simulacije hidrološkega modela v posameznih primerih dokaj negotove. Snežni modul, ki je trenutno vključ en v hidrološki model sistema, uporablja relativno enostavno rač unsko metodo, ki daje nezanesljive rezultate predvsem na območ jih z razgibanim reliefom. V našem primeru modelske napovedi o vodnem ekvivalentu snežne odeje odstopajo od dejanskega poteka akumulacije in taljenja snega. Hidrološka prognostič na služba upošteva vse zgoraj omenjene omejitve pri operativnem delovanju sistema. Tako se bodo z operativnim delovanjem sistema nabirale izkušnje, ki bodo omogoč ale pripravo izboljšav hidrološkega prognostič nega sistema kot celote. Že v okviru projekta BOBER se bosta do leta 2015 zgostili mreži avtomatskih meteoroloških in tudi hidroloških merilnih mest. Tako bomo hidrološki model sistema poganjali s prostorsko bolje porazdeljenimi padavinami in korigirali napovedane pretoke v več prognostič nih profilih. To pomeni, da bo sistem omogoč al toč nejše napovedi, delovanje sistema pa bo stabilnejše. Nač rtujemo tudi zamenjavo snežnega modula z bolj kompleksnim, ki bo ravno tako prispeval k boljšim napovedim sistema. Prihodnje analize modelskih rezultatov pri izjemnih hidroloških dogodkih bodo omogoč ile izboljšanje kalibracije tako hidrološkega kot tudi hidrodinamič nega modela. Že v prihodnjih mesecih pa bomo hidrološkemu prognostič nemu sistemu dodali še hidrološke napovedi na osnovi skupinskih numerič nih napovedi razvoja vremena z meteorološkim modelom ALADIN in izvedli povezavo s sistemom Hidroalarm ter tako dosegli višjo stopnjo avtomatizacije procesov pri opozarjanju pred visokimi vodami. 110 Literatura Arhiv Agencije RS za okolje. DHI Software, 2009. Mike 11, A modelling system for rivers and channels, User manual (http://www.dhigroup.com/Software/WaterResources/MIKE11.aspx) Pogač nik, N., Gosar, L., Ruch, C., 2008. Hidrološki prognostič ni sistem : uporaba prostorskih podatkov. V: PERKO, D. (ur.), Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, (GIS v Sloveniji, 9), Ljubljana, str. 129-141. Pogač nik, N., Petan S., Sušnik, M.,Jorgensen, G., Polajnar, J., Ruch, C.: Development of a flood forecasting system on the Sava river in Slovenia, XXVth Conference of the Danubian Countries, 16-17 June 2011 – Budapest, Hungary. Ruch, C., Jørgensen, G., Polajnar, Sušnik, M., Hornich, R., Schatzl, R., Pogač nik N. 2006: Trans - boundary forecasting system on Mur river. 23. Conference of the Danubian countries on the hydrological forecasting and hydrological basis of water management, 28.-31, August 2006, Belgrade.