ARDA FORECAST

Технология

Система за хидро-моделиране
Необходими данни
Застрашени участъци - "hot-points"
Нива на предупреждение
График на работа на системата
Представяне и тълкуване на прогнозата
Връзки
Ползвана литература

Система за хидро-моделиране

За предвиждане на речния отток могат да бъдат използвани много различни методи. В миналото са били използвани по-често статистически методи за големи речни басейни. Познаването на валежите и нивото на водата в горната част на басейна позволява, със статистически подход да се прогнозират нивата на реките в долната част на басейна. Днес с нарастването на честотата на интензивните валежи и поройни наводнения този подход не е вече подходящ. Поройните наводнения възникват за къс период, понякога един до три часа след регистрирането на интензивни валежи. Ето защо трябва, ако е възможно, да се предскаже деня на събитието и неговия интензитет преди то да се случи. Тук идват на помощ числените метеорологични модели, които повече или по-малко успешно предвиждат интензивността на валежите и местоположението им. Когато захраним хидрологичен модел с данни, идващи от прогнозиращ метеорологичен модел можем да предвидим в някаква степен водните нива, съответстващи на прогнозната интензивност на валежите и местоположението им. В този проект ние комбинираме валежите и температурата на въздуха с данни от следните прогнозиращи времето модели: A. Краткосрочен модел от регионален мащаб ALADIN - прогноза 3 дни напред; B. Средносрочен модел от световен мащаб - Европейски център за времето ( ECMWF ) - прогноза 5 дни напред.

Хидроложките модели обикновено обработват предварително определени стойности на повърхностни и дренажни води, като ги маршрутизират през речната мрежа, докато се достигне напречно сечение на реката което ни интересува ("чувствителна точка"), за които се изчисляват прогнозираните водни количества. Изчислителните на повърхностния отток и дренаж площ за единица тук е направено от повърхностната схема ISBA. ISBA ( Interface Soil Biosphere Atmosphere ), както и други специфични модели е вграден в SURFEX - платформа за симулиране на процесите между земната повърхност и атмосферата (Фиг. 1) разработена от научни колективи под ръководството на CNRM—Meteo-France. Хидроложкия модел съчетан с ISBA е версия на TOPMODEL, основаващ се на топографията на басейна. Съчетания модел е най-напред разработен за симулация на поройни наводнения в средиземноморския регион във Франция. Това прави моделите подходящи за проекта АРДАFORECAST където се налага също симулиране на средиземноморски реки.

Фиг. 1. Схема на симулационната платформа SURFEX (http://www.cnrm.meteo.fr/surfex)

Изчислените от TOPMODEL водни количества - текущи и прогнозни се използват за основа на изчислението на водните нива. Прехода от количества към нива се прави на базата на хидравличен модел или ключова крива. За гр. Смолян се използва по-подробен подход. Първо се приготвя статичен набор от хидравлични сценарии с HEC-RAS за наводнения с различни периоди на повторение. Тогава изчислените от TOPMODEL водни количества за реките в Смолян Черна и Бяла се сравняват с конкретните сценарии. Това позволява да се предостави по-подробна информация за прогнозиране на наводнените райони в града (Фиг. 2)

Фиг. 2. Схема на зоната за хидравлично моделиране — Смолян

To compute the forecasted outflows from the big reservoirs of Arda river reservoir cascade a water balance method is used. Knowing the initial water storage (and the capacities) of the reservoirs and the forecasted inflows into each of them, considering a statistically determined power plant outflow, we can estimate the eventual total outflow and/or overflowing of each of them.

In order to reduce the accumulation of errors due to the forecasted precipitation and air temperature data the models have to be initialized with enough long data series with measured data. This data is coming from the network of telemetric meteorological and hydrological stations in near real time (every hour).

Необходими данни

Моделиращата система ISBA-TOPMODEL се нуждае от някои статични физиографични данни. Повечето от данните за земната повърхност се намират в световните бази данни: надморска височина и топографски индекс с резолюция 1км, данни за почвата и растителността. В някои специфични случаи свойствата на почвата (дълбочина на кореновата с-ма, фракции пясък и глина) могат да бъдат променени, за да се подобрят резултатите от моделирането. От друга страна TOPMODEL използва по-подробна топографска информация с резолюция 50м или 100м. Това се използва за да се определи връзката между мрежата на ISBA и речната мрежа - например колко бързо и в коя посока на отток водите достигат до реката, и най-накрая напречното сечение в "застрашената точка". Един пример на такава информация е височинна карта на басейна на р. Арда нагоре от с. Китница близо до яз. Кърджали с резолюция от 50 m (Фиг. 3) и картата на речната мрежа (Фиг. 4).

Фиг. 3. "Запълнена височина" на р. Арда

Фиг. 4. "Речна мрежа" на р. Арда

Метеорологичните данни, използвани от ISBA да се изчисли евапотранспирацията, повърхностния и грунтов отток на единица площ включва: течни и твърди валежи, температура и влажност на въздуха, скорост на вятъра, слънчева и атмосферна радиация. Те може да бъдат предоставени от метеорологични модели за прогнозиране или от автоматични телеметрични станции. Променливите данни се интерполират в равномерна решетка (грид) над басейна на река Арда със стъпка време - 3ч и пространствена стъпка - 8 километра (Фиг. 5, 6).

Фиг. 5. Интерполация на дневна сума на валежа върху басейна на р. Арда [mm]

Фиг. 6. Интерполация на средно-дневна температура на въздуха върху басейна на р. Арда [°C]

Данните от хидрометрични станции на реките, инсталирани по проекта се публикуват на интернет страницата. Някои от серии от данни се използват за калибриране на модела, например данни от станциите на Върбица река до с. Балабаново (Груево) и на река Арда в района на с. Вехтино (Фиг. 7). Тези данни показват момента и амплитудата на високите вълни по главните притоци Арда. Станциите на по-малки, но опасни притоци като р. Бяла в Смолян и Елховска в Рудозем са също показани както и изтичащата вода от язовир Ивайловград, близо до границата между България и Гърция.

Фиг. 7. Хидрограф на едночасовите данни за ниво и количество за р. Арда при с. Вехтино [m³/s]

Застрашени участъци - "hot-points"

В рамките на "Предварителен план за оценка на риска" съгласно директива на ЕС 2007/60 се извършва оценка на населените места, където има исторически сведения за събития свързани с наводнения. Според този план след консултации на БДИБР с регионалните органи и звената за гражданска защита се избират местата подходящи за прогноза на наводнения. За тези места са измерени: сечение, надлъжен профил, подготвят се хидравлични и хидроложки модели. Карта на "застрашените точки" и свързаните с тях застрашени райони в басейна на р. Арда е дадена на Фиг. 8. Специално внимание е отделено за изготвянето предупреждения, свързани с преливане на язовири, което може да създаде опасност за крайречните зони под язовирите в България и Гърция. Поради тази причина две "застрашени точки" са нанесени след язовирната стена на яз. Студен Кладенец и яз. "Ивайловград" в близост до българо-гръцката граница (Фиг. 8).

Фиг. 8. Карта на застрашените от поройни наводнения зони в басейна на р. Арда

На картата от "Goggle Earth" (фиг. 9) са показани "Застрашени точки" в Гърция (благодарение на г-н Christos Partsias). От ляво на дясно: а. Мост Кипринос-Комара; б. Мост Елия-Филакио; в. заливна долина Кастаниес близо до моста Егнатия; г. "Ирландски брод" в Кастаниес. На една и съща карта, се виждат в дясно гръцко-турската граница, минаваща близо до р. Марица / Еврос (маркирана с жълта линия) и в долния ляв ъгъл българско-гръцката граница.

Таб. 1. Параметри на "Застрашените точки" на българска територия - характерни водни количества за годишен максимум с повторяемост 50%, 5% и 1%.

Фиг. 9. Карта на застрашените зони в басейна на р. Арда в Гърция (кредит: Christos Partsias)

Нива на предупреждение

Разделение между безопасните водни количества ( и нивото на водата ) и тези които създават опасност за крайбрежната зона е направено чрез два различни метода: първият разчита на статистически подход а втория се базира на местната инфраструктура. Разглеждат се само годишните максимуми на водното количество. Когато се ползва статистическия метод висока вода с повторяемост веднъж на всеки 100 години има 1% вероятност. Според теорията водни количества с вероятност по-малка от 1% са много опасни за крайречните селища. Следващи нива под 1% са 5% ( на всеки 20 години ) и 50% ( на всеки две години ). Вторият подход се оценява във връзка с човешката инфраструктурата около реката. Има например мостове, диги или временни постройки в близост до реката, които биха могли да бъдат застрашени от водни количества дори под границата от 50% вероятност на максималното водно количество.

За тъй наречените застрашени точки, определени след анализи на минали наводнения и консултации на БДИБР с обществеността (Фиг. 8) се изчислени характерни водни количества за годишен максимум с повторяемост 1%, 5% и 50%. (Таб. 1)

За тези характерни количества се изчисляват съответните нива и те са заложени в информационната система на проекта като нива за издаване на тревога (Alert levels). Когато прогнозата на съответната чувствителна точка достигне едно от тези три нива се издава предупреждение (Фиг. 10).

Трите "алармени прага" са изчислени в зависимост от площта на басейна и регионални хидроложки статистики. За да се изчислят се използва "методът на регионализация". Тези прагове могат да бъдат променяни в зависимост от местната инфраструктура. Трите прага ( Таблица 1 ) са между "Безопасна зона" ( в зелено) , зона на "Предупреждение " ( в жълто ), зона на "Внимание - риск от наводнения" ( в оранжево ) и зона "Тревога - наводнение" ( в червено ) ( напр. клетките са оцветени в жълто когато прогнозата за максималните водни количества с 50 % вероятност е надвишена) ( фиг. 10 ) . В ( Табл. 1 ) последните два реда показват "естествени" прагове след язовирната стена на Студен Кладенец и яз. Ивайловград. "Естествени" означава, без да взема предвид способността за задържане и съхранение (ретензия) на вода в каскада Арда. Тъй како язовирите силно намаляват върховете на хидрографа при високи води определяне на праговете след големите язовири е един итеративен процес. Трябва да се вземат предвид много фактори, включително и "естествените" прагове.

График на работа на системата

Системата за моделиране се инициализира със серии от данни от измервателните станции. Само данните за симулиране пет дена напред след "днес" идват от метеорологичните модели за прогнозиране. Тъй като времето за изпълнение на съвременни компютри е сравнително кратко, трябва да се произвеждат нови инициализиращи файлове ( т. нар. " горещ старт" ) на всеки два месеца. Така че първата автоматизирана стъпка е да се събере цялата информация в "реално време" от телеметрични станции, да се съчетае с данните от традиционните станции, да се произведат интерполираните полета ( Фиг. 5 , 6) на необходимите променливи: валежи, температура на въздуха и т.н. Това се прави до 9:30-10:00 часа. Паралелно с това се съчетават в единна БД и данните от прогнозните метеорологични модели ALADIN и ECMWF.

От моделна гледна точка първо се изчисляват прогнозираните водни количества в m3/s и стъпка 3 часа за избраните "застрашени точки" (Таблица 1 ) до 5 дена напред. Това се прави два пъти на ден преди 11:00 часа и 23:00 часа, съответно след получаване на прогнозата от метеорологичните модели. От тези водни количества се изчисляват съответните водни нива (и надморска височини). Конкретните предупреждения за сигнализиране на преминати прагове идват от сравненията на резултатите от предишното стъпало със статично определени алармени прагове (виж. по-горе).

Представяне и тълкуване на прогнозата

Тъй като прогнозите за наводнения се изчисляват два пъти на ден, 5 дни напред за определен час в рамките на следващите дни теоретично може да се натрупват до 10 различни прогнози. Прогнозите са различни заради промяна на първоначалните условия. Като се приближаваме до прогнозирания момент и явление, например интензивен валеж, прогнозите за наводнения се изместват като стойности и/или в пространството и времето. Ето защо ние можем да анализираме хода на произведените степени на тревога с времето. В уеб сайта 10 последователни прогнози са показани в отделни редове започвайки от най-долния ред. Най-новата прогноза ( който стига пет дни напред от днес) е на втория ред а на първия ред са стойностите за водните количества, изчислени с измерени (не прогнозирани) данни: валежи, температура на въздуха и др. Цвета на всяка клетка представя съответното "ниво на тревога" за поредни 3 часа. По този начин има 8 клетки на ден. Датите са показани в заглавния ред. На Фиг.10 от 20:00 до 23:00 часа жълтия цвят на клетките показва, че 6 часа водните количества в Златоград се очаква да бъдат в зоната на ниво на тревога "Предупреждение".

Фиг.10. Представяне на прогнозата за високи води в "застрашена точка" Златоград на 5-03-2014.

Представените хидро-прогнози са достъпни на уеб сайта на проекта през два интерфейса: в дървовиден изглед на "чувствителните точки" и чрез картов интерфейс (Фиг. 11)

Фиг. 11. Интерфейс за достъп до хидро-прогнозите за застрашените точки

Връзки

ECMWF: http://www.ecmwf.int
ALADIN: http://www.cnrm.meteo.fr/aladin/
SURFEX+ECOCLIMAP: http://www.geosci-model-dev.net/6/929/2013/gmd-6-929-2013.html
http://www.cnrm.meteo.fr/surfex/
http://www.geosci-model-dev.net/6/563/2013/gmd-6-563-2013.html
ISBA-TOPMODEL: http://hal.archives-ouvertes.fr/docs/00/59/53/55/PDF/these_complet_sansart.pdf
http://www.cnrm-game.fr/spip.php?article274
http://www.cnrm-game.fr/spip.php?rubrique180
HEC-RAS: http://www.hec.usace.army.mil/software/hec-ras/

Ползвана литература

Beven K. and Kirkby M.J., 1979В : A physically based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrol. Sci. Bull., 24, 43-69.

-------

Bouilloud, L., K. Chancibault, B. Vincendon, V. Ducrocq, F. Habets, G.-M.В Saulnier, S. Anquetin, Г‰. Martin, J. Noilhan, 2009В : Coupling the ISBA land surface model and the TOPMODEL hydrological model for Mediterranean flash-flood forecastingВ : Description, calibration and validation. Journal of Hydrometeorology, 11(2), 315-333

-------

Delrieu, G., V. Ducrocq, E. Gaume, J. Nicol, O. Payrastre, E. Yates, P.-E. Kirstetter, H. Andrieu, P. A. Ayral, C., Bouvier, J. D. Creutin, M.В Livet, A. Anquetin, M.В Lang, L. Neppel, C. Obled, J. Parent-du-Chatelet, G.-M.В Saulnier, A. Walpersdorf, and W. Wobrock, 2005В : The catastrophic flash-flood event of 8-9 September 2002 in the Gard region, FranceВ : a first case study for the CГ©vennes-Vivarais Mediterranean Hydro-meteorological Observatory. J. Hydrometeorology, 6, 34-52.

-------

Habets F., J. Noilhan, C. Golaz, J.-P. Goutorbe, P. Lacarre`re, E.Leblois, E. Ledoux, E. Martin, C. Ottle and D. Vidal-Madjar, 1999: Implementation of the ISBA surface scheme in a distributed hydrological model applied to the Hapex-Mobilhy area. Part II: simulation of streamflows and of annual water budget, J. Hydrol., 217, 97-118.

-------

Noilhan, J. and S. Planton, 1989: A simple parameterization of land surface processes for meteorological models. Mon. Weather Rev., 117, 536-549.

-------

Vincendon B., Ducrocq V., Saulnier G.M.В ; Bouilloud L., Chancibault K., Habets F., Noilhan J., 2010В : Advantages of coupling the ISBA land surface model with a TOPMODEL hydrological model dedicated to Mediterranean flash floods, Journal of Hydrology, doi:10.1016/j.jhydrol.2010.04.012.

-------

Vincendon B., Bouilloud L., Chancibault K., Saulnier G.-M., Ducrocq V., Habets F., Martin E., Noilhan J., 2007В : Flash-flood forecasting with the SURFEX/TOPMODEL coupled system 9th PLINIUS Conference on Mediterranean Storms, Varenna : Italie