Hlásná a předpovědní povodňová služba

Český hydrometeorologický ústav

Průvodce informacemi Hlásné a předpovědní povodňové služby ČHMÚ

Pro veřejnost

Pro povodňové orgány

Pro vodohospodáře

Průvodce informacemi Hlásné a předpovědní povodňové služby ČHMÚ pro vodospodáře

Využití pravděpodobnostní předpovědi ve vodohospodářské praxi

Vodní díla (nádrže) jsou většinou víceúčelová, a musí proto při hospodaření s vodou zajišťovat účely, které mají často protichůdné požadavky. Hospodaření s vodou v nádržích je zásadním úkolem vodohospodářů a hydrologická předpověď je požadovaným a možná nejdůležitějším vstupem pro rozhodování. Pravděpodobnostní předpověď je jednou z možností jak zlepšit a rozšířit podklady pro řízení hospodaření s vodou v nádržích v České republice.

Pravděpodobnostní předpověď bude především využívána pro předpověď přítoku do významných nádrží a rozhodování o manipulacích na odtoku. Pracovníky ČHMÚ bude vydávána krátkodobá pravděpodobnostní předpověď na 48 hodin, která doplní stávající deterministickou předpověď, a dlouhodobá 30-denní předpověď.

Využití pravděpodobnostních předpovědí při řízení nádrží Pravděpodobnostní koncept řízení nádrží je teoreticky znám a rozvíjen od 50. let 20. století (Little, 1955). Používání pravděpodobnostních předpovědí přítoku do nádrží k rozhodování o manipulcích se již v praxi uplatňuje v řadě případů. Příkladem může být software SOCRATES (Jacobs et al. 1995) pro řízení produkce elektrické energie v podmínkách nejistoty vyvinutý pro Pacific Gas and Electric Company. Její využitelnost je snadnější v oblastech s výrazným oddělením srážkové a suché části roku, kde je význam nádrží zejména v zásobování vodou v suchém období.

Teoretických přístupů k rozhodovacímu procesu řízení nádrží na základě pravděpodobnostních informacích o očekávaném přítoku je celá řada a zahrnují stochastické lineární programování (které minimalizuje potenciální dopady činěného rozhodnutí, jež by mohlo mít v dalších krocích vývoje), nebo stochastické dynamické modelování (které postupuje od budoucího časového kroku v budoucnosti směrem k současnému času s cílem maximalizovat benefity v každém kroku rozhodování), nebo v podobě Bayesiánského stochastického dynamického modelování (např. Mujumdar, Nirmala, 2007).

Ukázka rozhodovacího stromu pro tři stupně (budoucí období). Rozhodování je založeno na předpovědi pravděpodobnosti výskytu “nadprůměrného”, “průměrného” či “podprůměrného” přítoku do nádrže. Zatímco bez předpovědi by bylo uvažováno “klimatické pozadí” (červená čára) předpokládající stejné pravděpodobnosti rozložení průtoku, předpověď (modrá čára) podává informaci o aktuálních šancích výskytu uvedených kategorií na základě stavu povodí a očekávaném vývoji meteorologických podmínek.

Rozhodovací systémy jsou v takových případech většinou řešeny specialiovanými softwary založenými na sofistikovaných statistických metodách (Markovovy rozhodovací systémy, Monte Carlo optimalizace, umělé neuronové sítě aj.).

Relativně jednodušší rozhodovací proces lze aplikovat při řešení jediného dostatečně krátkého časového intervalu a současně uvažování jediného kritéria. Příkladem může být rozhodování o provedení určitého opatření v závislosti na míře předpovídané pravděpodobnosti jeho nutnosti. Například dojde-li při dosažení určitého průtoku k zaplavení části města s očekávanou škodou 100 mil. korun, jemuž však lze předejít vybudováním dočasných bariér, což vyžaduje náklad 10 mil. korun, vyplatí se z dlouhodobého hlediska vystavět bariéry vždy, když je predikovaná pravděpodobnost překročení limitního průtoku větší než 10 %. Ve většině případů samozřejmě provedené opatření nebude vlastně potřeba, protože povodeň tak vysoko nevystoupí a peníze na jeho provedení tak budou vynaloženy "zbytečně", ale každý případ, kdy opatření ochrání před škodami náklady vyváží. V případě znalosti výše potenciálních škod a nákladů na jejich předejití lze rozhodování založit na v podstatě prostých naznačených ekonomických analýzách.

Úlohu je však možno transformovat do jednoduššího kategorického schématu, kdy míra pravděpodobnosti předpovědi určitých limitních průtoků (či objemů odtoku) může být podkladem pro volbu předpřipravených strategií (konzervativní vers. aktivní aj.).

Při jednostupňovém rozhodování může být informace o tom, zda je očekávané období (modře) spíše “méně vodné” (vlevo) než dlouhodobý průměr (červeně), nebo naopak “vodnější” (vpravo).

Dlouhodobá pravděpodobnostní předpověď Z dlouhodobé 30denní pravděpodobnostní předpovědi lze především vyčíst minimální průměrný průtok v daném profilu s určitou zabezpečeností, např. 90 %. Pro dlouhodobou bilanci nádrže se uplatní hlavně předpověď minimálního zajištěného přítoku do nádrže. Podle této bilance pak lze optimalizovat plánované manipulace tak, aby se účinně hospodařilo s vodou a předešlo tak negativním dopadům sucha.

Maximální průtok v daném profilu však z dlouhodobé pravděpodobnostní předpovědi vyčíst nelze. V tomto směru není dlouhodobá předpověď v našich klimatických podmínkách dostatečně vypovídající a nedá se bez rizika využít například k předvypouštění nádrží.

Krátkodobá pravděpodobnostní předpověď Krátkodobá pravděpodobnostní předpověď na 48 hodin doplňuje stávající deterministickou předpověď. Dodává informaci o nejistotě předpovědi srážek a na ní závisející nejistotě hydrologické předpovědi. Při stejné deterministické předpovědi se může pravděpodobnostní předpověď pro jednotlivé situace lišit v závislosti na stavu počasí.

Pro vodohospodářské dispečinky je pravděpodobnostní předpověď využitelná především jako doplněk deterministické předpovědi přítoku do nádrže. Hydrogram s deterministickou předpovědí a jednotlivými členy ansámblu pravděpodobnostní předpovědi je pro potřeby dispečerů doplněn o statistické vyhodnocení objemu přítoku do nádrže na následujících 48 hodin. Ze členů ansámblu jsou spočteny hodnoty objemu přítoku za 48 hodin s pravděpodobností překročení 10 %, 20 %, ..., 90 %. Tyto hodnoty jsou uvedené v přehledné tabulce a zároveň jsou zobrazené ve sloupcovém grafu.

Pravděpodobnostní předpověď přítoku do VD Husinec

Z takto prezentované pravděpodobnostní předpovědi lze vyčíst dvě podstatné informace. První informací je rozptyl jednotlivých členů ansámblu, ze kterého lze vyčíst nejistotu předpovědi. Druhou je minimální průměrný přítok do nádrže s určitou zabezpečeností (např. 90%), ze kterého lze určit minimální odtok z nádrže tak, aby na konci předpovědního období byla zajištěna požadovaná hladina.

Nejistota předpovědi - Index nejistoty IN Z rozptylu, šíře vějíře, členů ansámblu pravděpodobnostní předpovědi lze získat informaci o nejistotě předpovědi. Hydrologická pravděpodobnostní předpověď vychází z výsledků meteorologické pravděpodobnostní předpovědi srážek a přebírá tak její nejistotu. Pokud je předpověď srážek jednoznačná (bezesrážkové období) je šíře vějíře malá a tedy i hydrologická předpověď více jistá. Naopak, pokud je předpověď srážek nejistá (bouřky, přívalové deště, ...) zobrazí se nejistota hydrologické předpovědi ve velké šířce vějíře.

Pro zhodnocení velikosti rozptylu, šíře vějíře, pravděpodobnostní předpovědi byl zaveden bezrozměrný index nejistoty předpovědi IN. Lze ho snadno spočítat z hodnot statistického vyhodnocení objemu přítoku do nádrže za následujících 48 hodin, které je součástí pravděpodobnostní předpovědi, podle následujícího vzorce:

IN = (P₁₀ - P₉₀) / P₅₀

Hodnotu tohoto indexu lze jednoduše spočítat pro každou pravděpodobnostní hydrologickou předpověď a dlouhodobým sledováním a zpětným porovnáním pravděpodobnostní předpovědi s nastalou skutečností lze určit intervaly hodnot indexu, kdy je předpověď jistá, méně jistá, či nejistá. Pro každý předpovědní profil budou meze těchto intervalů jiné, protože i úspěšnost předpovědí je pro každý profil jiná v závislosti na charakteristikách daného povodí. Dostatek dat pro vytvoření rozhodovacích intervalů indexu nejistoty předpovědi lze získat, buď ze zpětně simulovaných pravděpodobnostních předpovědí, nebo postupně při standardním používání pravděpodobnostních předpovědí v reálném čase.

Index nejistoty hydrologické předpovědi lze přidat jako jedno z kritérií do rozhodování o manipulacích na vodním díle. Proces rozhodování o manipulaci na vodním díle se tedy bude skládat z posouzení aktuální úrovně hladiny, aktuálních a výhledových provozních podmínek na vodním díle (omezení hladiny a odtoku) a předpovědi přítoku a její nejistoty.

Minimální průměrný přítok do nádrže se zabezpečeností 90 % - Q_min90 Minimální průměrný přítok do nádrže se zabezpečeností 90 %, lze získat převedením objemu přítoku do nádrže s pravděpodobností překročení 90 % v m3 za 48 hod. na průtok Qmin90 v m3.s-1. Na rozdíl od dlouhodobého minimálního průměrného průtoku získaného z dlouhodobé předpovědi, lze tento krátkodobý minimální průměrný průtok použít především při manipulacích během povodní. Kdy nám určuje spodní mez odtoku z vodního díla, při které je vysoká pravděpodobnost, že se nádrž nebude prázdnit.

INTERAKTIVNÍ HRA