ABSTRAKT

V tomto příspěvku je prezentována aplikace vyvinutá v Českém hydrometeorologickém ústavu (ČHMÚ) pro podporu hydrologického modelování za primárního využití modelu HEC-HMS. Aplikace umožňuje hromadnou editaci vybraných parametrů schematizací modelu, automatické spouštění simulací, zobrazování vybraných výsledků simulací a komunikaci modelu HEC-HMS s GIS a dalšími vybranými modely, např. HEC-RAS nebo MIKE 11. Aplikace je koncipována tak, aby využívala pouze freeware a open source knihovny a je schopna provozu pod OS Windows i OS UNIX/Linux. Článek stručně popisuje současný stav vývoje aplikace a její funkcionality i pro čtenáře bez většího informatického zázemí. Další vývoj je nastíněn v poslední části příspěvku. Budoucí rozvoj aplikace je směřován k vyšší podpoře hydraulického modelování na úrovni samotné komunikace mezi modely HEC-HMS a HEC-RAS a také na úrovni automatické parametrizace a spouštění modelu HEC-RAS a jeho komunikace s ostatními nástroji, např. hydraulickým modelem MIKE 11 nebo GIS postprocesingem výsledků.

ÚVOD

Software pro srážkoodtokové modelování HEC-HMS (Hydrologic Engineering Centre Hydrologic Modelling System) patří k celosvětově nejrozšířenějším a jeho obliba vzrůstá. Jedním z hlavních důvodů je fakt, že je distribuován coby freeware včetně bohaté dokumentace [7]. Mezi další důvody můžeme zahrnout stále se rozšiřující paletu metod pro hydrologickou i hydraulickou transformaci v semi- i plně distribuovaném řešení (např. SCS-CN, Green-Ampt, SAC-SMA, kinematická vlnová aproximace, Muskingum-Cunge, lineární nádrž) a také to, že je validován a zařazen na seznam průmyslových standardů FEMA/NFIP [8]. V neposlední řadě je to i možnost komunikace s hydraulickým modelem HEC-RAS a modelem pro operativní simulaci a optimalizaci provozu vodohospodářských soustav HEC-ResSim, přičemž možnosti integrace výrazně zvyšují platformy HEC-WAT (Watershed Analysis Tool) a HEC-RTS (Real Time Simulation). Další nezanedbatelnou výhodou je i možnost provozu na více operačních systémech, konkrétně Windows, UNIX/Linux a macOS. Tento software je používán v ČHMÚ pro posudkovou činnost, hydrologické analýzy a na pobočce Ostrava spolu se srážkoodtokovým modelem HYDROG i pro operativní hydrologickou prognózu v rámci Hlásné a předpovědní povodňové služby (HPPS) ČR. Pro operativní hydrologickou prognózu jsou důležité i další aspekty, přičemž mezi ty nejzásadnější můžeme zařadit možnost automatické či poloautomatické úpravy vybraných parametrů, kalibrace a optimalizace a také automatického spouštění. Software HEC-HMS disponuje v nových verzích pokročilým API (Application Programming Interface) rozhraním založeném na jazycích Java, Python a Jython. Proto v ČHMÚ Ostrava postupně vznikala aplikace, která tyto automatické a poloautomatické funkcionality HEC-HMS uživatelsky zpřístupňuje a rozšiřuje. Základní motivací bylo zkrácení doby zpracování vstupních a výstupních dat srážkoodtokového modelování a také plné nebo částečné zautomatizování některých kroků v rámci srážkoodtokového modelování samotného, např. update parametrů metod odtokové ztráty podle ukazatele předchozích srážek či konverze schematizací mezi metodami SCS-CN a Green-Ampt.

Provoz modelu HEC-HMS na pobočce ČHMÚ Ostrava

Srážkoodtokový model HEC-HMS byl na pobočce ČHMÚ Ostrava postupně zaváděn a testován od roku 2013. Rutinně je provozován pro predikci průtoků na vybraných hlásných profilech na vodních tocích v územní působnosti pobočky od roku 2017 a slouží jako podpůrný systém, který je využíván během rozhodovacího procesu při vydávání výstražných informací o povodňových jevech v rámci Systému integrované výstražné služby [5]. Data pro srážkoodtokové modelování se exportují z databázového systému CLIDATA, konkrétně z modulu SOMDATA [3] v požadovaném formátu a struktuře a následně dochází k importu do databázového sytému HEC-DSSVue [6], který využívá spolu s dalšími nástroji USACE/HEC i model HEC-HMS. Po samotném výpočtu v modelu HEC-HMS jsou pak výsledky exportovány z databáze HEC-DSSVue a opět v požadovaném formátu importovány zpět do databáze CLIDATA pro další vy­užití v operativní praxi.

Pro vlastní predikci průtoků v modelu HEC-HMS je k dispozici modul Forecast Alternatives (dále Forecast), v němž se nastavuje datum a čas simulace a predikce, dále se modul napojí na konkrétní model povodí (Basin), určí se meteorologický model a zadají se konfigurace, kterými lze upravovat (kalibrovat) parametry modelu (nastavené metody hydrologické a hydraulické transformace srážky a základního odtoku) [7]. Přednostmi používání v operativním provozu jsou přehledné uživatelské prostředí, rychlost samotného výpočtu a možnost kalibrace jednotlivých parametrů. Vzhledem k výše popsaným krokům se pro zefektivnění a zrychlení práce nabízí zautomatizování jednotlivých části výpočtu. Výsledkem by mělo být urychlení exportu dat i zjednodušení a zrychlení samotného nastavení modulu Forecast, zejména změny parametrů pro kalibraci a automatické změny času simulace a predikce.

Popis rozhraní a funkcionalit aplikace

Jelikož HEC-HMS samotný je multiplatformní, aplikace vznikala rovněž ve variantě
pro OS Windows a OS Linux (testováno na distribucích openSUSE, Mageia a Ubuntu). Dalším požadavkem byla modularita, kdy doplnění nebo změna funkcí nemusí znamenat zásah do základního kódu aplikace. Z programovacích jazyků a vývojových prostředí byly využity Microsoft Visual Studio NET Enterprise 2022 (C++ a některé moduly Visual Basic), Java (Apache NetBeans), Python a Jython (Visual Studio Code nebo IronPython). Doprovodné skripty a dávkové soubory byly vytvořeny v prostředí Windows PowerShell nebo Bash (Bourne Again Shell) pro Linux.

Mezi základní funkcionality aplikace patří:

  • Automatické spouštění modelu HEC-HMS včetně automatického přepisu časových parametrů řídicích souborů (Control nebo Forecast).
  • Automatický update skriptů pro stahování dat z DBS ORACLE (CLIDATA) podle času vyvolání importů a simulace.
  • Automatická nebo poloautomatická úprava parametrů vybraných metod podle ukazatele předchozích srážek (v tuto chvíli pro metody SCS-CN a Green-Ampt).
  • Konverze schematizací modelu mezi metodami SCS-CN a Green-Ampt.
  • Automatická a hromadná úprava vybraných parametrů v souborech Forecast (tzn. nastavení parametrů, zón a alternativ předpovědi).
  • Prohlížení a základní editace GIS dat schematizací (za využití knihoven GDAL, SharpMap a MapWindow GIS).
  • Statistické vyhodnocení simulovaných hydrogramů (např. dle koeficientu Nash-Sutcliffe).
  • Zobrazování výsledků simulací (dispečerské okno pro vyvolání hydrogramů a hyetogramů).
  • Propojení s hydraulickými modely HEC-RAS a DHI MIKE 11 (předávání hydrogramy pro zvolené výpočetní uzly a update časových parametrů simulace pro neustálení proudění).
  • Exporty dat do MS Excel či ASCII formátů (CSV).

Základní rozhraní a hlavní okno aplikace je znázorněno na obr. 1, přičemž další funkcionality a okna se vyvolávají z hlavního menu.

Obr. 1. Základní uživatelské rozhraní a hlavní okno aplikace
Fig. 1. Basic user interface and the main window of the application

Okno pro úpravu parametrů schematizací založených na metodách SCS-CN a Gren-Ampt ilustruje obr. 2. Funkce úpravy schematizace načítá klíčové parametry ze souboru Basin, např. v případě metody SCS-CN hodnoty počáteční ztráty a CN křivky pro jednotlivá povodí. Ty pak lze podle ukazatele předchozích srážek nebo přepočetním koeficientem upravit. U metody SCS-CN jde o úpravu dle AMC (Antecedent Moisture Conditions) [1, 4, 7], u metody Green-Ampt opět o parametr počáteční ztráty, sacího vztlaku a hydraulické vodivosti [1, 7]. Na těchto principech funguje i konverze schematizací mezi metodami SCS-CN a Green-Ampt. Tato konverze je nezávislá na použité metodě hydraulické transformace a základního odtoku, pracuje tedy jen s vybranými parametry odtokové ztráty (Loss method) [7].

Obr. 2. Grafické rozhraní aplikace pro automatický update a konverze schematizací HEC-HMS
Fig. 2. Graphical interface for the automatic update and conversion of HEC-HMS schematizations

Vzhledem k tomu, že HEC-HMS ve verzích 4.x disponuje silnou podporou GIS funkcí a datových typů (ESRI shapefile, ASCII rastr, GeoTIFF apod.) a lze očekávat, že schematizace modelů probíhá dominantně v GIS prostředí, aplikace jako taková disponuje prohlížečem vstupních GIS dat (podpora rastrů i ESRI shapefile). Pro tuto funkcionalitu je nutné mít nainstalovány knihovny GDAL, ostatní knihovny jsou zahrnuty přímo v aplikaci. Všechny knihovny pro podporu GIS jsou open source, není tedy nutná instalace komerčního GIS softwaru na daném počítači. Knihovny GDAL se pro OS Windows i OS Linux instalují spolu s HEC-HMS, popř. GRASS GIS či QGIS. Nastavení cest pro oba operační systémy probíhá nejčastěji automaticky, a tak není třeba dalších uživatelských zásahů. Skripty pro samotné spuštění simulací HEC-HMS používají tyto implicitní adresářové cesty.

Aplikace na úrovni automatického spouštění importů a konverzí dat a spouštění skriptů HEC-HMS umožňuje nepřetržitý provoz, kdy se jen uživatelsky nastaví, v jakých intervalech se jednotlivé kroky opakují. Během tohoto automatizovaného běhu je možné interaktivně pracovat v ostatních uživatelských oknech, jako jsou GIS, update schematizace, dispečerské okno pro výsledky simulací nebo statistické vyhodnocení simulací.

Další rozvoj aplikace

Cílem vývoje a následného provozu této aplikace není duplikovat funkce komplexních rozhraní typu FEWS nebo HEC-RTS, nýbrž podpora parametrizace a automatizace srážkoodtokového a hydraulického modelování pro uživatele, kteří nemají zkušenosti s programováním skriptů a mají pouze základní znalosti o struktuře dat a souborů modelů HEC-HMS a HEC-RAS. Jelikož se v tuto chvíli teprve rozvíjí podpora modelu HEC-RAS pro OS UNIX/Linux a jeho dosavadní možnosti skriptování byly založeny na jazyku VBA (Visual Basic for Applications) [2], další rozvoj funkcionalit aplikace je plánován zejména tímto směrem. Dokumentaci podpory aktuální verze HEC-RAS pro OS Linux lze nalézt na jeho webových stránkách [9].

Další okruh pro rozvoj pak představují samotné logy simulací modelu HEC-HMS a systém logování chyb (Error), upozornění (Warning) a notifikací (Note) [7]. To spolu se systémem reportů vytváří komplexní strukturu souborů a informací, jež se zejména začínajícím uživatelům může jevit jako nepřehledná.

Proto se aktuálně pracuje na funkci filtrování logů takovým způsobem, aby si uživatel mohl zvolit, které informace jsou pro něj relevantní, a ty se pak zobrazí buď v dialogovém okně, nebo budou exportovány do textového souboru.

Posledním hlavním okruhem je podpora hydraulického modelu MIKE 11/1D a modelu urbánní hydrologie EPA SWMM. Důvodem je aktuální absence možnosti simulace proudění v potrubích a uzavřených profilech na úrovni modelu HEC-HMS.

Obr. 3. Dispečerské okno aplikace pro zobrazování výsledků simulací HEC-HMS
Fig. 3. Window for the result viewing of HEC-HMS simulations for the decision making

Základní motivace tedy zůstává stejná – rozvoj funkční aplikace, která zjednodušuje a urychluje práci s modely HEC-HMS a HEC-RAS a zefektivňuje jejich komunikaci se správcem datových sad HEC-DSSVue, databázovými systémy, GIS nebo dalšími modelovacími nástroji pro interaktivní uživatelskou práci i automatické spouštění simulací.

ZÁVĚR

V tuto chvíli byl tedy naplněn cíl zefektivnění a urychlení dílčích kroků v rámci celé kaskády operativní hydrologické prognózy, včetně automatizace vybraných procesů na úrovni zpracování dat i samotného srážkoodtokového modelování s tím, že pokračuje vývoj dalších funkcionalit. Základní schéma toku dat v aplikaci ilustruje obr. 4. Spojnice s plnou čarou znázorňují základní toky dat, jež se opakují při každé iteraci výpočtu, spojnice s přerušovanou čarou pak volitelné toky dat, které jsou řízeny uživatelem ručně či v rámci parametrizace automatického výpočtu.

Obr. 4. Tok dat v aplikaci
Fig. 4. Data flow in the application

Aplikace vznikla pro potřeby operativní hydrologické prognózy ČHMÚ; jelikož jsou však modely HEC-HMS a HEC-RAS využívány v ČR dalšími institucemi a odborníky, základní verze pro OS Windows (s omezením vybraných funkcio­nalit pro potřeby operativní prognózy HPPS ČR) bude výhledově dostupná ke stažení, popř. je možné kontaktovat autory aplikace a článku.

Poděkování

Příspěvek vznikl v rámci řešení projektu „Predikce, hodnocení a výzkum citlivosti vybraných systémů, vlivu sucha a změny klimatu v Česku, PERUN“ (SS02030040), který je podporován Technologickou agenturou ČR.

Příspěvek prošel recenzním řízením.