Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Šifra projekta: M2‐0135 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pregledni list za

Ciljni raziskovalni projekt »ZNANJE ZA VARNOST IN MIR 2006 – 2010«

Šifra projekta: M2‐0135

Naročniki: Republika Slovenija, Ministrstvo za obrambo, Uprava RS za zaščito in reševanje

Ministrstvo za okolje in prostor, Agencija Republike Slovenije za okolje

Izvajalci: Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Katedra za mehaniko tekočin

XLAB d.o.o.

Inštitut za hidravlične raziskave J.R.Z.

CGS plus, Inovativne informacijske in okoljske tehnologije, d.o.o.

Naslov projekta: Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Interactive visualization of floodplain areas for disaster response support

Ključne besede: Vizualizacija, poplave, GIS, interaktivno, podpora odločanju

Faza: Končno poročilo

Datum: junij 2008

Nosilec naloge: prof. dr. Franci STEINMAN, univ. dipl. inž. gradb. Vodja naloge: doc. dr. Primož BANOVEC, univ. dipl. inž. gradb. Sodelavci: mag. Leon GOSAR, univ. dipl. inž. gradb. asist. Gašper RAK, univ. dipl. inž. vod. in kom. inž. asist. Nejc POGAČNIK, univ. dipl. inž. vod. in kom. inž. asist. Daniel KOZELJ, univ. dipl. inž. vod. in kom. inž. dr. Gregor Petkovšek, univ. dipl. inž. gradb. mag. Gregor Pipan univ. dipl. inž. rač. dr. Matej Artač univ. dipl. inž. rač. dr. Marjan Šterk univ. dipl. inž. rač. Mariano Cecowski univ. dipl. inž. rač. Andrej Cvrle Sandra Pranjič

2 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Kazalo

1 Uvod 13

2 Tehnologija izvedbe naloge 14

2.1 Hidravlično modeliranje 14 2.1.1 Enačbe in predpostavke za račun 1D stalnega neenakomernega toka s prosto gladino 15

2.1.2 Gladinske krivulje 29

2.1.3 Metode reševanja 31

2.2 Podatki – vodenje 36 2.2.1 LIDAR podatki 38

2.2.2 Podatki o ranljivih objektih – kataster stavb, nadgradnja katastra stavb s podatki UJMA (št. prebivalcev v stavbi) 38

2.2.3 Podatki o izdanih vodnih soglasjih in vodnih dovoljenjih 45

2.2.4 Identifikacija poplavnih območij 45

2.2.5 Opozorilne karte poplav 49

2.3 Prenos in skladiščenje podatkov 54 2.3.1 Struktura podatkovnih datotek 56

2.3.2 Struktura podatkovnega modela 57

2.4 Vizualizacija 58 2.5 Hidrološko prognoziranje 61 2.5.1 Spremljanje in napovedovanje visokih voda v Sloveniji 61

2.5.2 Ekstremni hidrološki pojavi v Sloveniji 63

2.5.3 Pogostost visokih voda in poplav v Sloveniji 63

2.5.4 Vloga hidrološkega spremljanja in napovedovanja 64

2.5.5 Osnovna predstavitev nalog in orodij pri hidrološkem napovedovanju 64

2.5.6 Pomembnost podatkov za prognostične (opozorilne) sisteme 65

2.5.7 Vodenje in modeliranje v prognostičnem sistemu reke Mure 70

2.5.8 Predstavitev vhodnih podatkov in izračunov prognostičnega sistema Mura 71

2.5.9 Modeliranje s hidrološkim modelom TOPMODEL na povodju reke Soče 72

3 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

2.5.10 Ranljivost prognostično opozorilnih sistemov in hidrološko/hidravličnih modelov 81

3 Predstavitev orodij 83

3.1 Orodje hidravlika 83 3.2 Vhodni podatki 87 3.2.1 Podatki za definiranje geometrije 87

3.2.2 Enačbe in predpostavke uporabljene v programu 94

3.2.3 Možnosti izračuna v programu HEC‐RAS 106

3.2.4 Račun mirnega, deročega in mešanega toka 109

3.3 Orodja vizualizacija (možna orodja – našteti širše) 140 3.4 Orodje vizualizacija – konkretno 142 3.5 Tehnološke zahteve vezane na uporabo orodij 144

4 Obravnavana območja 146

4.1 Mali graben 146 4.2 Drava 165 4.3 Mura 166 4.4 Kokra 171 4.5 Reka Reka 174 4.6 Sava – Krško 179 4.7 morje – Koper 183 4.8 Vipava (Dornberk‐Miren) 192 4.9 Druga območja in integracija podatkov 196 4.10 Koncept vzdrževanja podatkov in vodenje evidence vodne infrastrukture 201 4.11 Potreba po določitvi in obdelavi novih obmoćij 202

5 Ravnanje s prostorskimi objekti na področju poplavne varnosti 220

5.1 Upravljanje s podatki v različnih programskih orodjih 220 5.2 Prenos objektov v skupno bazo 220 5.3 Delo s površinami z veliko točkami 221 5.4 Izdelava površin objektov 221 5.4.1 Izdelava površin iz LIDARskih posnetkov 221

5.4.2 Izdelava površin iz posnetih profilov 224

5.4.3 Obdelava površin – zmanjševanje števila točk 225

4 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

5.4.4 Izvoz v format COLLADA 227

5.5 Analiza napak pri poenostavljanju površin 228 5.5.2 Metoda 228

5.5.3 Rezultati in diskusija 231

6 Sistem 233

7 Integracija ukrepanja v primeru visokih voda 233

7.1 Obstoječi sistem ukrepanja 233 7.2 Ukrepanje – alarmiranje ranljivih objektov, lastnikov, prebivalstva, upravljalcev 236

8 Priporočila za nadaljnje delo 238

8.1 Kalibracija hidravlike 238 8.2 Uporaba rezultatov projekta za osveščanje pred nevarnostjo poplav 240 8.2.1 Vzdrževanje vizualizacije 242

8.2.2 Vzdrževanje vizualizacije 242

8.3 Dodajanje novih poplavnih območij 243 8.4 Zanesljivost podatkov in upravljanje z negotovostmi 245 8.4.1 Ocene negotovosti tipa A 246

8.4.2 Ocena napake tipa B 251

8.4.3 Kombiniranje negotovosti 253

8.5 Druge vsebine (sedimenti, erozijska območja, plazovita in plazljiva območja) 253 8.6 Prenos drugih dinamičnih podatkov 254

9 Zaključki 255

10 Literatura 258

5 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Kazalo slik

Slika 1: Izvajanje kontinuitetne enačbe ...... 15

Slika 2: Izvajanje kontinuitetne enačbe za tekočinski valj...... 17

Slika 3: Grafični prikaz dinamične enačbe...... 19

Slika 4: Grafični prikaz energijske enačbe med dvema prečnima profiloma...... 22

vv Slika 5: Shematični prikaz razširitve, kjer je > 21 ...... 23

vv Slika 6: Shematični prikaz zožitve, kjer je < 21 ...... 24

Slika 7: Grafična konstrukcija E krivulje...... 27

Slika 8: Shematični prikaz dveh profilov na razdaljah x1 in x2 ter z globinama y1 in y2...... 31

Slika 9: Shematični prikaz razdalje med profiloma 1 in 2...... 32

Slika 10: Prikaz sistema tabel v relacijski bazi podatkov...... 37

Slika 11: Osnovne relacije med nevarnostjo, ranljivostjo in tveganjem (hazard – vulnerability – risk) 40

Slika 12: a) Opozorilna karta poplav (MOP, 2007a); sliki b) in c) Prikaz obsega poplavljanja za poplave s 100‐letno povratno dobo in intenziteta pojava za kriterije po Pravilniku (2007); slika č) Končni rezultat: karta 4 razredov poplavne nevarnosti ...... 42

Slika 13: Kriteriji in oznake za kartiranje poplavne nevarnosti in ogroženosti, kot jih predpisuje novi Pravilnik (2007). Desno je primer podobne matrike (globina ‐ hitrost), uporabljene v Avstriji...... 42

Slika 14: Vzroki poplavljanja...... 47

Slika 15: Vzroki poplavljanja, za katere je potrebno ustanoviti pristojnost (institucij), razdeljeno odgovornost, obseg preostalega tveganja itd., in na tem temelju postaviti sistem protipoplavnih ukrepov...... 48

Slika 16: Sistem protipoplavnega ukrepanja. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)...... 50

Slika 17: Izdelava kart poplavne in erozijske ogroženosti na podlagi analiz nevarnosti in ranljivosti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana) ...... 51

Slika 18: Opozorilna karta poplav za Slovenijo...... 52

Slika 19: Meje območij, kjer so bili zajeti podatki s sistemom LIDAR...... 53

Slika 20: Vsebina tekstovne ASCII datoteke merilnih postaj...... 54

Slika 21: Shema prenosa in uporabe podatkov ...... 55

6 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 22: Struktura in relacije tabel hidroloških podatkov...... 58

Slika 23: Soča kot mirna reka (levo) in kot hudournik (desno) ...... 62

Slika 24:Najvišja izmerjena gladina 01.11.1990...... 63

Slika 25: Shema toka informacij in dela hidrološke prognoze...... 65

Slika 26: Organizacija izmenjave podatkov na Avstrijskem Štajerskem...... 67

Slika 27: Organizacijska shema izmenjave podatkov iz Slovenije do mednarodnega centra...... 67

Slika 28: Prikaz meteolorških in hidroloških podatkov iz avtomatskih postaj v GIS okolju prognostičnega sistema...... 68

Slika 29: Razvojna shema prenosa in uporabe podatkov...... 69

Slika 30: Operativna shema izmenjave podatkov...... 70

Slika 31: Status rečne mreže in primer grafa vodostaja in pretoka na vodomerni postaja Mura – Gornja Radgona...... 72

Slika 32: Horton‐ova funkcija infiltracije...... 73

Slika 33: Poenostavljena Horton‐ove funkcije infiltracije...... 73

Slika 34: Konceptualna struktura vertikalnega toka vode skozi zemljino v TOPMODELU (RZ – koreninska cona, UZ – nezasičena cona, SZ – zasičena cona,Di – deficit, T ‐ transmisivnost )...... 74

Slika 35: Visokovodni dogodek na delu povodja reke Soče...... 75

Slika 36: Shema priprave in izdelave operativnega hidrološkega programa TOPMODEL...... 76

Slika 37: Merjen in simuliran visokovodni dogodek na vodomerni postaji Zomppita v novembru 2000...... 77

Slika 38: Simuliranje napovedi pretokov na reki Natisone za dogodek 30.10. 2000...... 78

Slika 39: Model povodja Savinje z ombrografskimi postajami na povodju...... 80

Slika 40: Primerjava izračunanih in izmerjenih pretokov...... 81

Slika 41: Odvisnost prognostičnega sistema od podpornih sistemov...... 82

Slika 42: Shematični prikaz povezave GIS‐ov in programskega paketa AquaDyn...... 86

Slika 43: Grafični prikaz potrebnih vhodnih podatkov (priprava na račun)...... 93

Slika 44: Definicija stranski padcev za obravnavo enotnega Manning ‐ ovega koeficienta v kanalu ... 98

Slika 45: Grafični prikaz algoritma določevanja kritične globine po »parabolični metodi«...... 101

Slika 46: Grafični prikaz algoritma določevanja kritične globine po »sekantni metodi« ...... 102

7 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 47: Grafični prikaz algoritma računa karakteristik deljenega profila na poljubno število rezin. 108

Slika 48: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega in deročega toka ...... 112

Slika 49: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka...... 114

Slika 50: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe...... 115

Slika 51: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – tok se združi ...... 117

Slika 52: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe...... 118

Slika 53: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli ...... 119

Slika 54: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe...... 120

Slika 55: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – tok se združi...... 121

Slika 56: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe...... 122

Slika 57: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli...... 123

Slika 58: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe...... 124

Slika 59: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – tok se združi ...... 125

Slika 60: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe...... 126

Slika 61: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli .... 127

Slika 62: Primer vozlišča, kjer se tok združi ‐ za uporabo dinamične enačbe ...... 128

Slika 63: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli .... 130

Slika 64: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – tok se združi...... 132

Slika 65: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – tok se združi ...... 134

Slika 66: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli ‐ za uporabo dinamične enačbe ...... 135

Slika 67: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli ...... 137

Slika 68: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli...... 138

Slika 69: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli .... 140

Slika 70: Predstavitev zemljišča z GRID in TIN ...... 141

Slika 71: Preko modela reliefa prekrita rastrska slika karte...... 142

Slika 72: Prikaz vizualizacijskega orodja...... 143

Slika 73: Prikazuje arhitekturo vizualizacijskega programja...... 144

8 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 74: Primer spremembe padca, ki je eden izmed razlogov za uporabo 2D modela ...... 146

Slika 75: Način oblikovanja prečnih profilov...... 148

Slika 76: Pregledna slika kriznih mest in območij...... 149

Slika 77: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 120 m3/s ...... 150

Slika 78: Manjša smiselna območja na katerih je bil predviden račun 2D toka ...... 151

Slika 79: Območje 1 ...... 152

Slika 80: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 190 m3/s ...... 154

Slika 81: Območje 2 ...... 155

Slika 82: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 150 m3/s ...... 156

Slika 83: Območje 3 ...... 157

Slika 84: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 190 m3/s ...... 159

Slika 85: 3D vizualizacija poplave MG pri kombinacijah pretokov 250, 150, 130 m3/s...... 160

Slika 86: Območje 4 ...... 161

Slika 87: Pretoki MG – Meander...... 162

Slika 88: Posneto območje reke Drave ...... 165

Slika 89: Posneto območje reke Mure ...... 167

Slika 90: 3D vizualizacija poplave Mure pri pretoku 700 m3/s ...... 169

Slika 91: Posneto območje reke Kokre...... 171

Slika 92: Posneto območje reke Reke ...... 174

Slika 93: 3D vizualizacija poplave reke Reke pri pretoku 300 m3/s...... 176

Slika 94: 3D prikaz prelivanja ceste (na začetku snemanega območja) pri pretoku 250 m3/s...... 176

Slika 95: 3D prikaz prelivanja ceste (približno na sredini snemanega območja) pri pretoku 300 m3/s ...... 177

Slika 96: Posneto območje reke Save ...... 179

Slika 97: Visoke vode leta 1990 na območju mostu v mestu Krško. (vir: Ciuha, 1990)...... 180

Slika 98: Posneto območje Luke Koper...... 185

Slika 99: Izliv reke Rižane v Luki Koper ob bencinskem terminalu...... 186

9 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 100: Poplavna območja vsakoletnih in izjemnih poplav morja na območju Mestne občine Koper. (vir: Harpha sea d.o.o., 2007 Koper)...... 186

Slika 101: Območje Luke Koper...... 187

Slika 102: Nadgrajena mareografska postaja Koper. (vir: ARSO 2005) ...... 188

Slika 103: Slab zajem nasipov s prostorskimi podatki ...... 189

Slika 104: Poplave pri dvigu gladine za 0.5 m – poplavljanja ni...... 190

Slika 105: Poplave pri dvigu gladine za 1 m – poplavlja Škocjanski zatok ...... 190

Slika 106: Poplave pri dvigu gladine za 1.5 m – poplavlja Škocjanski zatok, Rižana, poplavljeni so najbolj obalni deli ...... 191

Slika 107: Poplave pri dvigu gladine za 2 m – poplavlja Škocjanski zatok, Rižana, poplavljeni so najbolj obalni deli in Luka Koper ...... 191

Slika 108: Posneto območje reke Vipave...... 192

Slika 109: 3D vizualizacija poplave Vipave pri pretoku s 100 letno povratno dobo ...... 193

Slika 110: 3D vizualizacija poplave Vipave pri pretoku s 1000 letno povratno dobo ...... 194

Slika 111: Posneto območje Draženci‐Gruškovlje...... 196

Slika 112: Skica avtocestnega odseka Slivnica ‐ Draženci. (vir: Dars 2007)...... 198

Slika 113: Posneto območje Jeprca‐Stanežiče ...... 199

Slika 114: Posneto območje Malenci...... 200

Slika 115: Medsebojni vplivi nevarnosti in škode poplav določajo stopnjo tveganja. Na podlagi tveganja se sprejemajo odločitve o ukrepih, ki se izvedejo na prizadetem območju...... 203

Slika 116: Kriterij za določanje razreda ogroženosti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)...... 205

Slika 117: Karta poplavne ogroženosti, ki prikazuje notranja območja nevarnosti in ranljivost območij. (vir: MOP 2007, Zmanjšanje poplavne in z njo povezane erozijske ogroženosti, Ljubljana) ...... 205

Slika 118: Število ogroženih prebivalcev na območjih poplav različne pogostoti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)...... 207

Slika 119: Osem obdelanih območij: Mali graben [1], Drava [2], Mura [3], Kokra [4], reka Reka [5], Sava – Krško [6], obalni pas – Koper [7], Vipava (Dornberk ‐ Miren) [8], pod ostala območja pa smo uvrstili še nekaj območij: AC Draženci, AC Stanežiče, AC Malence in Grosupeljščico [vsa območja obkrožena z rdečo barvo]...... 208

Slika 120: Ledava (Lendava)...... 209

10 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 121: Ščavnica (pri Ljutomeru)...... 209

Slika 122: Sotočje Voglajne in Savinje (Celje vzhod)...... 210

Slika 123: Celje zahod...... 210

Slika 124: Sava (Čatež ob Savi, Brežice)...... 211

Slika 125: Dobova (sotočje Save in Krke)...... 211

Slika 126: Krka (Kostanjevica na Krki, Krško)...... 212

Slika 127: Marijagraški ovinek (Laško)...... 212

Slika 128: Mirna (Mokronog)...... 213

Slika 129: Temenica (Trebnje)...... 213

Slika 130: Žalec (sotočje Savinje in Bolske)...... 214

Slika 131: Pšata (Komenda)...... 214

Slika 132: Pšata (Dragomelj)...... 215

Slika 133: Dob pri Šentvidu...... 215

Slika 134: Višnjica (Ivančna Gorica)...... 216

Slika 135: Sava (Medvode)...... 216

Slika 136: Sora (pod Škofjo Loko)...... 217

Slika 137: Sotočje Sore (Škofja Loka)...... 217

Slika 138: Selška Sora (Železniki)...... 218

Slika 139: Sora (Vodice)...... 218

Slika 140: Sotočje Ljubljanice, Save, Kamniške Bistrice in Pšate...... 219

Slika 141: Krčenje roba AB v točko A ...... 228

Slika 142: Elementi za izračun RMSE, MAE in ME med trikotnikoma dveh površin...... 231

Slika 143: Posnetka terena: ravninski (LIDAR 1, levo) in hribovit (LIDAR 2, desno)...... 232

Slika 144: Primer profila, uporabljanega za analizo...... 232

Slika 145: Ukrepi za zagotavljanje varnosti pred poplavami...... 1

Slika 146: Postopek umerjanja, verifikacije in validacije hidravličnih modelov...... 239

Slika 147: Natančnejši pristop dvostopenjskega umerjanja hidravličnih modelov ...... 240

11 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 148: Vizualizacija poplave v Biltmoru ...... 241

Slika 149: Generalni postopek oblikovanja poplavnih linij pri novih poplavnih območjih...... 244

Kazalo tabel

Tabela 1: Merila za določitev razredov ranljivosti...... 44

Tabela 2: Izbira metode za račun padca energije ...... 96

Tabela 3: Teoretične in dejanske vodne količine v prerezu Gradaščice pod Šujico – obstoječe stanje 147

Tabela 4: Pregledna tabela za posnet odsek Malega Grabna...... 164

Tabela 5: Pregledna tabela za posnet odsek Mure ...... 170

Tabela 6: Pregledna tabela za posnet odsek Kokre...... 173

Tabela 7: Pregledna tabela za posneto območje Reke...... 178

Tabela 8: Vrednosti pretokov za pretoke z različnimi povratnimi dobami...... 181

Tabela 9: Pregledna tabela za posnet odsek Save...... 182

Tabela 10: Pregledna tabela za posnet odsek Vipave ...... 195

Tabela 11: Kriteriji za določanje ranljivosti območja...... 204

Tabela 12: Primerjava srednje absolutne napake (MAE) in srednje napake (ME) za obe površini. .... 232

12 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

1 Uvod Ukrepi zaščite in reševanja v primeru visokih voda se izvajajo v razmerah, ki predstavljajo visok nivo zahtevnosti z vidika združevanja podatkov o poplavnih razmerah (narava poplavnega dogodka), škodnega potenciala (objektov v poplavnih območjih) ter programov interventnega ukrepanja, ki so usmerjeni v zmanjševanje poplavne škode. Trenutno najbolj napredno stanje integracije podatkov o teh razmerah se izvaja z GIS orodji, s katerimi se prostorsko preko sistema digitalne kartografije integrira predvsem 2D prostorske podatke.

V centru za obveščanje RS (CORS) je opazovalni sistem za spremljanje vodostajev rek – monitoring voda že več let preko omrežja internet povezan s strežnikom v omrežju ARSO, od koder CORS redno (na 15 minut) pridobiva najnovejše podatke o trenutnem vodostaju rek v RS iz merilnih postaj. Tako pridobljeni podatki se prikazujejo na poenostavljeni 2D karti in služijo za osnovno orientacijo o trenutnem vodostaju rek v RS.

Poplave in ostali pojavi hidrogeoloških tveganj pa so izrazito 3D pojav, ki ga z 2D orodji lahko le posredno opredelimo. Zaradi tega se pogosto pojavlja problem v orodjih za podporo odločanju, ko različni subjekti pristojni za odločanje o vprašanjih interventnega ukrepanja ob poplavah v omejenem času, ki ga imajo na razpolago ob intervencijah.

Obstoječe stanje, vezano na proces odločanja v času intervencij vezanih na poplavne dogodke, v veliki meri sloni na dokaj dobro delujočem sistemu spremljanja pretokov v vodotokih in napovedovanje povečanja pretokov v vodotokih na nekaterih slovenskih rekah.

Na podlagi teh podatkov se nato prožijo opozorila in alarmi ter povečana pripravljenost enot zaščite in reševanja ter enot koncesionarja na vodnih infrastrukturi na določenih poplavnih območjih.

V primerjavi z dobro obdelanim področjem napovedovanja in spremljanja stanja poplavnih pretokov, pa področje vrednotenja vplivov ni enakovredno obdelano, saj lahko identificiramo dva šibka člena:

‐ prenos informacije iz podatka o pretoku na merilnem mestu v podatek o ogroženosti na določenem poplavnem območju in ‐ prenos informacije o poplavni nevarnosti v podatek o poplavni ogroženosti in izhajajoči izvedbi intervencijskih ukrepov. Sistem zbirk prostorskih podatkov v Republiki Sloveniji omogoča izdelavo bistveno bolj učinkovitih orodij za podporo interventnemu ukrepanju v času visokih voda, saj drugje po svetu ne obstaja tako integriran sistem prostorskih podatkov o objektih (kataster stavb, zbirni kataster infrastrukture gospodarskih javnih služb idr), ki so podlaga za opredeljevanje ranljivosti, ki skupaj z analizo nevarnosti (poplavni dogodki) podajajo ogroženost poplavnih območij, ki je podlaga za izvajanje interventnih ukrepov.

Pomembno izhodišče za izvedbo projekta predstavljajo tudi vrhunska znanja in izkušnje, ki jih v projekt prinašajo izvajalci projekta. S svojimi izstopajočimi izkušnjami na področju vizualizacije in vrednotenja poplav predstavljajo ustrezno podlago za uspešno izvedbo projekta.

13 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

2 Tehnologija izvedbe naloge Pri vizualizaciji poplavnih območij smo se opredelili za uporabo centralizirane baze podatkov v kateri se bodo vzdrževali in vodili podatki o:

‐ pred‐izračunanih poplavnih poligonih in njihovem statusu glede na časovno dinamiko (vzdrževanje sprememb), stanje visokih voda in drugo (npr. case logika v primeru vodenja poplav – flood routing). ‐ časovnem statusu posameznih podatkov, ki se uporabljajo pri vizualizaciji (kataster stavb, ortofoto posnetki) in serviranju ‐ podatki o potrebnih transformacijah za potrebe vizualizacije podatkov. ‐ drugi podatki. Centralna baza podatkov se bo nahajala na strežniku naročnika in bo omogočala komunikacijo z vsemi centri zaščite in reševanja, hkrati pa tudi s ostalimi podatkovnimi viri – ARSO hidrološka napoved in ARSO hidrološko stanje, ter ARSO evidenca vodne infrastrukture in vodnih pojavov. Omogočala bo tako operativno uporabo (vizualizacijo v realnem času), kot tudi podporo pri vzdrževanju vizualiziranih vsebin.

Predvideno vizualizacijsko orodje uporabnika, bo povzemalo podatke iz (1) centralne baze podatkov za aktivne (dinamične) dogodke in (2) iz lokalne baze organizirane v datotečnem sistemu, ki se bo vizualizacijsko orodje nahajalo. Lokalno shranjevanje podatkov je potrebno zaradi velike količine podatkov, ki so potrebni za grafično podprto vizualizacijo. Lokalno orodje bo organizirano v obliki dveh orodij: (1) GIS orodja za 2D pregled podatkov, ki so predmet vizualizacije in (2) samega orodja za 3D vizualizacijo. Ob pregledu 3D orodij, ki bi lahko služila namenu projekta smo se odločili, da bomo zaradi odprtosti arhitekture uporabili programsko orodje World Wind. Dodatna prednost tega orodja je tudi v tem, da omogoča pregledovanje podatkov, ki so sicer slabše kakovosti, tudi izven opredeljenih poplavnih območij.

2.1 Hidravlično modeliranje Za enoznačno razumevanje protipoplavnih ukrepov (v nadaljevanju PPU) je nujno, da se prikaže opis najpomembnejših pojmov, ki bodo (na dolgi rok) omogočile lažje sporazumevanju različnih strokovnih javnosti in širše javnosti pri umeščanju PPU v prostor, pa tudi pri razpravah o stroških in koristih PPU in sofinanciranja prejemnikov koristi v sorazmernih deležih. Pri urejanju oz. spreminjanju naravnih danosti ali stanja urejenosti velja za presojo ukrepov naslednja delitev:

Vzpostavljeno stanje = Projektne obremenitve + Dogodki »višje sile«

(npr. varovanje pred VV) (npr. projektna vrednost QVV20 ) (tj. vsi Q večji od QVV20 )

Pogosto uporabljani termini »zaščita pred vodo« oz. »zaščita pred škodljivim delovanjem vode« (poplave, suše, erozije itd.) so do neke mere nenatančni, ker napeljujejo (laično) javnost k mišljenju, da gre za popolno zaščito. Kot pa je znano, imajo vsi antropogeni ukrepi meje svojega delovanja, zato tudi zaščita pred stohastičnimi, nepredvidljivimi naravnimi pojavi nikoli ni popolna. Zato je v projektni dokumentaciji (in v spremljajoči upravni dokumentaciji) zabeleženo, katere situacije so v obtežbenih

14 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju primerih upoštevane. Projekti morajo reševati najmanj tri situacije – običajni primer, izjemni primer (npr. okvara naprave) in ekstremni primer (v projektu upoštevane visoke vode QVV20 ), dogodki višje sile pa nastopijo šele v situacijah, ki prinašajo višje obremenitve od tistih, zajetih v projektu.

Pri oceni stanja ob naravnih in drugih (antropogenih) nesrečah se posledice delijo na tiste, za katere so nastale, ker zadevni objekti, naprave ali ureditve niso zdržali obremenitev, ki bi jih, v skladu z zagotovili v projektu morali prevzeti, ter na preostale, ki so nastale zaradi t.i. »višje sile«. Pri prvem delu gre za dokazovanje lastnika oz. upravljalca, da je izvajal vse, da so njegovi objekti, naprave ali ureditve dosegale s projektom predvidene funkcije. Pri primerih višje sile se največkrat lahko izvajajo le intervencijski ukrepi, čeprav je priporočljivo pripraviti še sekundarne ureditve. Prikazana razdelitev se uporablja v mnogih primerih, npr. za določanje odgovornosti oz. obveznosti, pa tudi za obravnavo tveganja posameznih dejavnosti. Iz zgornje delitve namreč neposredno izhaja, da tveganje lahko razdelimo v dva dela:

Dejansko tveganje = Prevzeto tveganje + Preostalo tveganje

(npr. za poplavljenost) (npr. po projektu do QVV20 ) (tj. pri Q , ki bo večji od QVV20 )

V življenjskih situacijah se je zato vedno treba odločati, kateri obseg prevzetega tveganja je sprejemljiv (npr. uporaba zaščitne opreme pri vstopu na gradbišče) in hkrati upamo, da se preostalo tveganje ne bo udejanjilo (npr. pade predmet, ki razbije varovalno čelado). Pri posegih v prostor, pri dejavnostih oz. pri ravnanju oseb so zato običajno predpisane mejne stopnje prevzetega tveganja. Takšni so npr. faktorji varnosti pri gradnji objektov, omejitve hitrosti v ovinkih (ki imajo projektno računsko hitrost vožnje), predpisana raba opreme (npr. varnostni pasovi v avtomobilih) itd.

2.1.1 Enačbe in predpostavke za račun 1D stalnega neenakomernega toka s prosto gladino

2.1.1.1 Kontinuitetna enačba

Slika 1: Izvajanje kontinuitetne enačbe

15 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Tekočina je sestavljena iz molekul, vendar se zaradi lažje obravnave predpostavlja , da so tekočinski delci večjega velikostnega reda kot same molekule. Če to upoštevamo, je masa tekočine zvezno (kontinuirano) porazdeljena po prostoru jo lahko za zaprto površino S, ki oklepa prostornino P, zapišemo kot [Rajar, 1997]:

m = ρdP (1) ∫∫∫P

Če zapišemo še neto masni pretok, ki izteka skozi površino (razlika med iztekajočim in vtekajočim pretokom) [Rajar, 1997] :

= ∫∫ ρρ dSvQ (2)

Ohranitve mase zahteva, da je časovna spremembe mase v volumnu P enaka neto masnemu pretoku skozi površino S [Rajar, 1997]:

∂ −= ∫∫∫∫∫ ρρ dSvdP (3) ∂t P S

Desni člen enačbe (3) je ploskovni integral in če ga po Gaussovem teoremu pretvorimo v prostorninskega in integrala združimo, dobimo enačbo, ki velja za katerikoli volumen. Prav zaradi tega pa mora biti izraz pod integralom identično enak nič. Tako dobimo kontinuitetno enačbo v osnovno obliki [Rajar, 1997]:

∂ρ ρv =∇+ 0)( (4) ∂t

Enačba (4) je zapisana tako, da se gostota spreminja tako prostorsko kot časovno. Glede na to, da bom v seminarju obravnaval enodimenzionalen, po prečnem prerezu povprečen tok, bom enačbo (4) poenostavil z uporabo naslednjih predpostavk:

‐ tok je stalen (gostota in hitrost se s časom ne spreminjata) ‐ imamo nestisljivo tekočino, kjer je gostota konstantna tudi po vsem prostoru ‐ tok je tlorisu enodimenzionalen ‐ hidrostatična porazdelitev pritiskov po prerezu ‐ naklon dna je majhen (za kote manjše od 1:10, kar znaša okoli 6° ‐ Chow, 1973), kjer je cos takšnega kota približno enak 1 ‐ notranjega trenja v tekočini ni Ob upoštevanju prvih dveh predpostavk lahko enačbo zapišemo [Rajar, 1997]:

ρ vvdiv =∇≡ 0)( (5) ali

∂u ∂v ∂w + + = 0 (6) ∂x ∂y ∂z

16 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Če pa upoštevamo še enodimenzionalen tok (smer toka je samo v smeri x) pa enačba (6) izgubi pomen, saj jo zapišemo kot [Rajar, 1997]:

∂u = 0 (7) ∂x

Zato se za primere enodimenzionalnega toka kontinuitetna enačbe izpelje tako, da obravnavamo tok po valjih. Za tok po valjih je značilno, da teče tok paralelno s stenami cevke in zato skozi stene ni nobenega pretoka, hkrati pa predpostavljamo enakomerno porazdelitev hitrosti v začetnem in konč nem preseku.

Slika 2: Izvajanje kontinuitetne enačbe za tekočinski valj

Ker gre za valj, lahko volumen valja enostavneje izrazimo [Rajar, 1997]:

∫ = δρρ sAdP (8) P

Zopet zapišemo neto masni pretok skozi površino (tokrat je to površina valja) S ∫ ρ dSv , ki pa je enak S razliki med dotokom skozi levo steno in dotokom skozi desno steno [Rajar, 1997]:

∂ ρAv)( δs (9) ρs)(

Upoštevamo osnovni zakon o ohranitvi mase (enačba (3)) in analogno zapišemo [Rajar, 1997]:

∂ ρAv ∂ ρA)()( + = 0 (10) ∂s ∂t

17 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Upoštevali smo že enodimenzionalen tok, sedaj pa še upoštevamo, da imamo nestisljivo tekočino in stalen pojav ter enačbo (10) zapišemo [Rajar, 1997]:

∂ Av)( 0 =⇒= konstAv . (11) ∂s

2.1.1.2 Dinamična enačba oz. zakon o ohranitvi gibalne količine V splošnem se dinamično enačbo izpelje glede na 2. Newtonov zakon, ki ga matematično zapišemo [Rajar, 1997]:

∑ x = maF (12)

Enačbo (12) pa lahko naprej zapišemo [Rajar, 1997]:

vd ρ = dPFdP + ∫∫∫∫∫∫∫∫ σρ ][ dS (13) P dt P S

Če enačbo izpeljemo na takšen način upoštevamo samo izgube zaradi trenja. Kadar pa imamo med dvema profiloma vodni skok (udarni val oziroma potujoči vodni skok), pa vemo, da imamo opravka z velikimi energijskimi izgubami. V tem primeru moramo dinamično enačbo izpeljati na osnovi ohranitve gibalne količine, ker bomo tako lahko s končno enačbo računali parametre vodnega skoka.

Izrek o gibalni količini se glasi [Rajar, 1980]:

=∑ ∫∫ρ )( + ∫∫∫ ρdPvSdvvF (14) SP

Če izrek napišemo še z besedami: Vsota vseh sil, ki na element delujejo je enako netto spremembi gibalne količine (razlika med iztokom in vtokom gibalne količine) plus časovna sprememba gibalne količine v elementu [Rajar, 1980].

Če se najprej posvetimo levi strani enačbe. Sile, ki delujejo na element so tri in sicer:

‐ sila težnosti W⇒ za 1D tok upoštevamo samo silo teže v smeri x ‐ Wx

‐ sila zunanjega trenja Ff ⇒ upoštevamo silo trenja tako na dno vodotoka kot na brežine

‐ sila pritiska P ⇒ upoštevamo silo pritiska tako na sprednjo kot na zadnjo ploskev P1 in P2 Desno stran enačbe pa lahko za potrebe 1D toka zapišemo kot razliko gibalne količine, ki vstopa in izstopa in sicer [Rajar, 1980]:

‐ gibalna količina, ki vstopa ∂ Δx Qv − ρρ Qv)( ∂x 2

‐ gibalna količina, ki izstopa

18 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

∂ Δx Qv + ρρ Qv)( ∂x 2

‐ razlika med iztokom in vtokom ∂ Δx ∂ Δx Qv + Qv)( Qv +− ρρρρ Qv)( ∂x 2 ∂x 2

∂ ρQv)( Δx ∂x

‐ časovna sprememba gibalne količine v elementu ∂ ρ ΔxSv )(

∂t

Če enačbo zapišemo v celoti se glasi [Rajar, 1980]:

∂ ρQv ∂ ρ ΔxSv )()( FWPP =−+− x +Δ 12 fx ∂x ∂t

Upoštevamo še predpostavko, da gre za stalni tok in zapišemo dinamično enačbo za vodno telo, ki je zaprto z dvema prečnima profiloma [US Army Corps of Engineers ‐ Hydraulics References, 2002]:

− 12 + − fx = ρΔvQFWPP x − )12( (15)

Slika 3: Grafični prikaz dinamične enačbe

Kjer pomeni:

‐ Pi sila pritiska na lokaciji 1 in 2 ‐ Wx komponenta sile teže v smeri x ‐ Ff sila zunanjega trenja ‐ Q pretok

19 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ ρ gostota ‐ ∆vx(2‐1) sprememba hitrosti od profila 2 do profila1 v smeri x

2.1.1.3 Energijska enačba Če zapišemo zakon o ohranitvi energije [Rajar, 1997] :

= − AQdE (16)

Takšen zapis zakona lahko z besedami opišemo kot spremembo celotne energije dE v sistemu, ki je enaka dovedeni toploti Q, zmanjšani za delo A, ki ga sistem odda.

Samo delo in energija sta za tok tekočin ponavadi sestavljena iz več komponent in sicer:

Komponente dela:

‐ Ap delo normalnih tlakov, ki delujejo na mejah sistema

‐ At delo tangencialnih napetosti, ki ga sistem opravi na svojih mejah na okoliško tekočino

‐ Am mehansko delo, ki ga opravi tekočina na nek rotirajoči element v sistemu in ga prenaša preko osi ven iz sistema Ob upoštevanju posameznih komponent dela in časovne spremembe lahko enačbo (16) zapišemo [Rajar, 1997]:

dQ dAp dA dA dE t m =−−− (17) dt dt dt dt dt

Komponente specifične energije:

‐ ei notranja energija na enoto mase, ki je povezana z lokalno temperaturo tekočine (aktivnost molekul, sile med molekulami) in spremembo faze snovi (plinasta, tekoča,trdna)

‐ ep potencialna energija na enoto mase 2 ‐ ek = v /2 kinetična energija na enoto mase, ki je odvisna od lokalne hitrosti tekočine v Specifična energija e je vsota vseh treh komponent.

Po nadaljnji izpeljavi in določenih predpostavkah [Rajar, 1997], lahko enačbo 17 zapišemo kot:

dQ dA e p v 2 e p v 2 m ( i h +++=− () i h +++− ) (18) Qgdt ρρ Qgdt g ρg 2g izhodno g ρg 2g vhodno

Zanimivo in predvsem uporabno za prakso je to, da je dimenzija posameznih členov v metrih oziroma v enotah dolžine (energija/enota teže = Nm/N = m).

Sedaj pa lahko enačbo (18) priredimo za tok s prosto gladino, kjer nam bosta kot vstopna in izstopna preseka oziroma meji kontrolnega volumna predstavljala dva prečna prereza med katerima bomo določali energijsko bilanco. Če gre za vodotok brez hidravličnih in hidroenergetskih strojev je

dAm mehansko delo na enoto teže enako nič ( =0), notranja energija (ei/g) in prenos toplote na ρQgdt

20 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

dQ enoto teže ( ) pa predstavljata spremembo vseh oblik nepovratnih notranjih energij oziroma ρQgdt izgube (∆E). Ob upoštevanju teh dveh dejstev, lahko enačbo (24) zapišemo med dvema prečnima prerezoma odprtega vodotoka (glej sliko 4):

p v 2 p v 2 1 h 1 2 h 2 Δ+++=++ E (18) ρg 1 2g ρg 2 2g

Enačba (18) predstavlja osnovno in eno najpomembnejših enačb za račun enodimenzijskega toka s prosto gladina. Uporabljajo ga skoraj vsi računalniški programi, ki računajo tovrstni tok. Da pa bi bil račun čim enostavnejši in hiter lahko enačbo (18) razvijemo oziroma oblikujemo v več oblik.

Zapišimo enačbo (18) ponovno, vendar bomo tokrat upoštevali nagnjenost terena in neenakomerno porazdelitev hitrosti po prerezu (glej sliko 4):

v 2 v 2 hz cos α 1 hz cos α 2 Δ++Θ+=+Θ+ E (19) 11 2g 22 2g

Zapišimo enačbo (19) tako, da upoštevamo naslednji predpostavki [Chow, 1973]:

dE dz ‐ upoštevamo izraza, da je ‐ = IE in ‐ = sinΘ = I0 dx dx dh dy ‐ koti so majhni (za kote manjše od 1:10, kar znaša okoli 6°): cosΘ ≈ 1 ⇒ h ≈ y =⇒ dx dx Enačba (19) se tako glasi [Chow, 1973]:

dy − II = 0 E (20) dx v 2 d 2g + α(1 ) dy

Enačba (20) predstavlja osnovno energijsko enačbo, ki je bolj poznana, če jo zapišemo kot:

v 2 v 2 hz α 1 hz α 2 Δ+++=++ E (21) 11 2g 22 2g

21 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 4: Grafični prikaz energijske enačbe med dvema prečnima profiloma

Naslednjo stvar, ki jo moramo definirati so izgube. V vodotokih so ponavadi izgube sestavljene iz treh vrst in sicer [Širca, 1989]:

‐ trenjske izgube (∆Etr)

‐ lokalne izgube zaradi razširitev in zožitev (∆Elok)

‐ izgube zaradi ovir (∆Eovir) Če povedano zapišemo še matematično:

∆E = ∆Etr+∆Elok+∆Eovir (22)

Trenjske izgube

22 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Q 2 xIE =Δ=Δ Δx (23) Etr S C R 222

IE lahko izrazimo iz De Chézyjeve enačbe za povprečno hitrost toka (I0 = Ig = IE)

= E /* ΔxRICv Q 2 xI Δ=Δ x E 22 RCS 1 1 C = R 6 nG 2 2 nQ G Etr 4 Δ=Δ x 2 RS 3

Ker trenjske izgube ponavadi računamo med dvema profiloma, obstaja več metod kako jih upoštevamo, ampak o tem bom več povedal pri opisu programa HEC‐RAS. V splošnem izračunamo izgube zaradi trenja v obeh profilih, povprečje pa nam predstavlja trenjske izgube na odseku med obravnavanima profiloma.

Lokalne izgube zaradi razširitev in zožitev (∆Elok)

2 −αα vv 2 E =Δ ξ 11 22 (24) lok 2g

Koeficient ξ je lahko koeficient razširitve ali zožitve. V splošnem je zelo malo informacij o velikosti koeficientov ξ pri odprtih vodotokih. Ponavadi se velikosti določajo z meritvami s čemer izvedemo kalibracijo matematičnega modela , če pa meritev nimamo, privzamemo priporočljive vrednosti.

ξ … koeficient razširitve (za Slovenske reke se priporoča 0.5‐1.0 – Širca, 1989)

Slika 5: Shematični prikaz razširitve, kjer je > vv 21

ξ …koeficient zožitve (za Slovenske reke se priporoča 0.0‐0.2 – Širca, 1989)

23 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 6: Shematični prikaz zožitve, kjer je < vv 21

Izgube zaradi ovir (∆Eovir)

v 2 E =Δ ς i (23) ovir 2g

Kjer je:

‐ ς koeficient izgub

‐ vi povprečna hitrost v i‐tem profilu Preoblikovanje osnovne energijske enačbe v obliko, ki se uporablja v metodi Runge‐Kutta

v2 d 2g Zapišimo člen α( ) enačbe (20) nekoliko drugače [Širca, 1989]: dy

v 2 Q 2 d d 2g 2 2gS αQ dS −22 αQ 2 αQ 2 dS α( = α() ) = S −3 )2( −=−= dy dy 2g dy 2g gS 3 dy

Sedaj pa ga vstavimo v enačbo (20) in jo preuredimo:

dy − II = 0 E dx αQ 2 dS 1− gS 3 dy dy αQ 2 dS II +−=− dx 0 E gS 3 dx

dS ‐ najprej lahko za izraz uporabimo parcialni odvod, ker je površina S v neprizmatičnih kanalih dx funkcija tako kote gladine z kot tudi stacionaže x

24 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

dy ‐ nato pa poskušajmo zapisati člen − I nekoliko drugače. Iz slike 4 je razvidno naslednje: dx 0

1120 +−=+− − + )]()[()( + yyzyzyxxI 21122

0 1 2 :/)( Δ++Δ−=+Δ xyyzyxI y +Δ yz )( y I + 1 −= + 2 0 Δx Δx Δx +Δ yz )( y y I −= + − 12 0 Δx Δx Δx

+Δ yz )( +−+ yzyz 1122 )()( + yzd )( y y − yy 1212 dy = = −= I g ; − = = Δx − xx 12 dx Δx Δx − xx 12 dx

dy II += 0 g dx

dy + yzd )( II −=−= g 0 dx dx

Če to upoštevamo lahko nadaljujemo z zgornjo izpeljavo in sicer:

dy + yzd )( αQ 2 ∂S ∂S + yzd )( I )( =−− I −−= (( + )) 0 dx dx E gS 3 ∂x ∂x dx + yzd )( αQ 2 ∂S + yzd )( I −−= (( + B )) dx E gS 3 ∂x dx α 2 BQ Fr = gS 3 + yzd ∂S + yzd )(11)( = Fr + Fr B − I dx B ∂x B dx E + yzd + yzd 1)(1)( ∂S − Fr B = Fr − I dx B dx B ∂x E + yzd )( 1 ∂S )1( =− FrFr − I dx B ∂x E

1 ∂S Fr − I + yzd )( E = B ∂x (24) dx 1− Fr

Tako smo dobili diferencialno enačbo, ki se uporablja pri metodi Runge‐Kutta. Če enačbo pogledamo

še enkrat lahko opazimo, da ko gre Fr proti 1 (gladina gre proti kritiči h = hkr), gre izraz na levi proti ∞. Matematično to pomeni, da je sprememba gladine v območje kritične gladine neskončna oziroma, da imamo vertikalni naklon gladine, hidravlično pomeni spremembo režima toka, v praksi pa to pomeni, da lahko uporabljamo navedeno enačbo oziroma računsko metodo, ki uporablja to enačbo do Fr. = 0,7.

25 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Omenimo še definicijo padca, ki je definiran kot sinus kota, ki predstavlja padec in je privzeto ,da je padec pozitiven, če pada v smeri toka in negativen če narašča [Chow, 1973]. Vsekakor pa je treba dE opozoriti, da je sprememba energije v smeri toka vedno negativna (razen, če je toku dodana dx dz zunanja energija) prav tako pa je sprememba višine dna negativna kadar je padec pozitiven (po dx dogovoru štejemo »naklon dna« kot pozitivnega, če se dno spušča v smeri toka). Ta pogoj smo + yzd )( dE dz upoštevali pri preoblikovanju izrazov ‐ ,‐ in ‐ v I , IE in I0. dx dx dx g

2.1.1.4 Enačba za izračun Froudovega števila in definiranje popravnega, Coriollisov­ega koeficienta α

2.1.1.4.1 Froudovo število Fr Po definiciji je Froudovo število razmerje med vztrajnostnimi in težnostnimi silami [Steinman, 1999]:

αv Fr = (25) ghn

v 2 v 2 2 Bv αααα 2 BQ Fr 2 ==== gh S gS gS 3 n g B

α 2 BQ Fr 2 = (26) gS 3

Froudovo število je brezdimenzijski parameter pri katerem velja:

‐ Fr = 1…kritični tok ‐ Fr < 1…mirni tok ‐ Fr > 1…deroči tok Če upoštevamo enačbo (26) lahko splošno za kritični tok zapišemo [Steinman, 1999]:

Q 2 S 3 = kr (27) g αBkr

Enačba (27) predstavlja pogoj za nastop kritičnih količin v profilu. Kritična globina je po definiciji globina pri kateri je energija minimalna za določen profil. Kritične količine lahko dobimo z direktnim izračun iz enačbe (27), ki ga izvedemo s pomočjo iteracij. Drug način določevanja kritičnih količin v prerezu (takšen način uporablja tudi HEC‐RAS) pa je z grafično konstrukcijo E‐krivulje, na kateri nato odčitamo Emin :

αv 2 yE += (28) 2g

26 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Več o samem postopku iskanja minimalne energije pa bom povedal, ko bom opisoval program HEC‐ RAS.

Slika 7: Grafična konstrukcija E krivulje

Popravni, Coriollisov koeficienta α

Ko računamo kinetični energijo toka v prerezu upoštevamo povprečno oziroma srednjo hitrost toka. Ker pa to v resnici ne drži (neenakomerna porazdelitev hitrosti po prerezu) zajamemo vpliv dejanskih razmer v popravnem, Coriollisovem koeficientu α. Glede na prejšnji stavek lahko sklepamo, da je njegova velikost odvisna od razlike med kinetično energijo, ko upoštevamo enakomerno porazdelitev hitrosti in ko upoštevamo neenakomerno porazdelitev hitrosti v prerezu. Matematično njegovo vrednost izpeljemo sledeče [Steinman, 1999]:

== dSvvSQ ∫ dv .. S ⎛ p v 2 ⎞ ⎜hE dv .. ⎟ dv .. ⎜ ++= ⎟ ⎝ ρg 2g ⎠ ⎛ p v 2 ⎞ ⎜hvQE ++= dv .. ⎟dS ∫ dv ... ⎜ ⎟ S ⎝ ρg 2g ⎠

1 ⎛ p ⎞ 1 E ⎜h += ⎟ dSv + 3 dSv ⎜ ⎟ dv .. ∫∫ dv .. Q ⎝ ρg ⎠S 2gQ S p 1 v 2 hE ++= 3 dSv 2 ∫ dv .. ρ 2gQg v S p v 2 1 hE ++= 3 dSv 2 ∫ dv .. ρg 2g vSv S

p v2 ⎧ 1 ⎫ hE ++= 3 dSv (29) ⎨ 3 ∫ dv .. ⎬ ρg 2 ⎩ Svg S ⎭

27 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Člen, ki je v zavitem oklepaju je popravni Coriollisov koeficient α, ki ga lahko imenujemo tudi koeficient energijske višine. Za potrebe računa (HEC‐RAS) koeficient zapišemo nekoliko drugače in sicer kot funkcijo preseka S in prevodnosti K. Sam zapis bom podal pri opisu programa HEC‐RAS.

2.1.1.5 De Chézyjeva in Manning­ova enačba za račun stalnega enakomernega toka v odprtih koritih

2.1.1.5.1 De Chézyjeva enačba Izpeljemo jo iz definicije enakomernega toka (sile upora toku so v ravnotežju s silami, ki povzročajo gibanje). Matematično to lahko zapišemo [Steinman, 1999]:

g = FF upor

2 ρgSLsin =Θ s vLOK ker je kot Θ zelo majhen privzamemo, da je sinΘ = tanΘ = I0

S upoštevamo, da je R = O

ρg v = = RICRI (30) K 0 0

2.1.1.5.2 Manningova enačba Enačba je nastala kot rezultat izvrednotenja eksperimentalnih podatkov (je enačba brez izpeljave) in sicer [Steinman, 1999]:

2 1 3 v = IR 0 (31) nG

5 I S 3 Q = 0 (32) n 2 G O 3

Ker morata obe enačbi dati isti rezultat za račun hitrosti sta koeficienta C in nG povezana in sicer [Steinman, 1999]:

1 1 C = R 6 (33) nG

Definirajmo še pojem prevodnost (K) in sicer tako, da iz enačbe (31) izluščimo veličine, ki zajemajo lastnosti prereza. Ob upoštevanju slednjega dobimo [Steinman, 1999]:

28 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

1 2 v = 3 IR n 0 G 2 Q 1 3 = IR 0 nS G

Q 1 2 K == SR 3 (34) I 0 nG

Obe enačbi (enačbi (30) in (31)) sta skoraj del vsakega hidravličnega izračuna in posledično tudi del skoraj vseh računalniških programov, ki se ukvarjajo s tovrstnimi izračuni. Ponavadi se uporabljata za iteracijski izračun normalne gladine in za določitev trenjskih izgub (glej poglavje 2.3 – trenjske izgube).

2.1.2 Gladinske krivulje Gladinske krivulje predstavljajo osnovno orientacijo pri računu gladin v katerem koli režimu (mirnim, deročim in mešanim), klasificiramo pa jih z ustreznim zapisom energijske enačbe.

Zapišimo energijo v enem profilu z upoštevanjem predpostavke, da imamo majhne kote [Chow, 1973]:

αv 2 yE += 2g

αQ 2 yE += (35) 2gS 2

Ker nas zanima kritični tok in ker je pri kritičnem toku energija minimalna moramo poiskati minimum enačbe (35) [Chow, 1973]:

dE = 0 dy

Po odvajanju enačbe (35) po y dobimo [Chow, 1973]:

g = ZQ (36) kr α

Hitrostni člen energijske enačbe (enačba (20)) lahko zapišemo kot [Chow, 1973]:

v2 d 2g αQ2 α( ) −= (37) dy gZ 2

Če enačbo (36) vstavimo v enačbo (37) dobimo [Chow, 1973]:

29 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

v 2 d 2g Z 2 α( ) −= kr (38) dy Z 2

Paziti moramo, da ne enačimo izrazov Zkr in Z, ker sta to dve različni stvari in sicer [Chow, 1973]:

S 3 ‐ Z je samo numerična vrednost izraza Z = za določen Q in h (faktor preseka), B

‐ Zkr pa je kritični faktor preseka pri danem pretoku

Predpostavimo še, da je normalni pretok Qn enak pretoku Q in zapišimo naklon dna in energije v odvisnost od prevodne sposobnosti [Chow, 1973]:

Q 2 I E = 2 2 K I E K n 2 =⇒ 2 (39) Qn I 0 K I 0 = 2 K n

Pri tem moramo zopet razlikovati med Kn in K [Chow, 1973]:

‐ K predstavlja numerično vrednost v primeru, ko se tok pojavi z globino h,

‐ Kn predstavlja prevodnost pri določenem Q, če se tok pojavi pri normalni gladini hn Sedaj pa enačbi (38) in (39) vstavimo v enačbo (20) in jo zapišemo [Chow, 1973]:

2 ⎡ ⎛ K ⎞ ⎤ ⎢1− ⎜ n ⎟ ⎥ ⎜ K ⎟ dy ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥ = I 0 2 (40) dx ⎛ Z ⎞ kr ⎟ 1− ⎜ ⎟ ⎝ Z ⎠

Enačba (40) predstavlja eno izmed oblik energijske enačbe oziroma enačbo polagoma prehajajoče toka, s pomočjo katere lahko klasificiramo in definiramo gladinske krivulje.

Iz enačbe (40) lahko izpeljemo različne pogoje, pri kateri nastanejo različni tipi gladinskih krivulj. Tako lahko iz enačbe (40) v splošnem izrazimo tri cone, kjer se lahko nahaja obravnavana gladina (y>yn ; y>ykr in yn ≥ y ≥ ykr ; ykr ≥ y ≥ yn ter y

Gladinske krivulje v dobi računalnika zgubljajo pomen, saj zaradi hitrosti samegaa račun lahko računamo z mnogo profili. To pomeni, da ne potrebujemo informacije o tem, kako bi naj potekala gladina med dvema izračunanima gladinama, saj so te točke precej skupaj, tako da jih samo povežemo. Je pa res, da lahko s primerjavo krivulje, ki nastane med povezanimi gladinami in gladinsko krivuljo, ki bi glede na pogoje morala nastopiti na tem mestu, hitro preverimo ustreznost izračuna.

30 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

2.1.3 Metode reševanja Grafično‐integracijska metoda

Pri slednji metodi integriramo dinamično enačbo postopno prehajajočega toka po grafično proceduri. Metoda je dokaj enostavna in je primerna tako za prizmatične kot neprizmatične kanale s poljubnim padcem in obliko. Vendar pa postane precej zahtevna, če bi jo hoteli uporabljati na dejanskih primerih.

Postopek računa [Chow, 1973]:

Vhodni podatki za to metodo so:

‐ pretok Q

‐ nG za obravnavan odsek

‐ padec dna I0 ‐ geometrija prereza ‐ znana oba robna pogoja (SRP in ZRP)

Imamo dva profila na razdaljah x1 in x2 ter z globinama y1 in y2

Slika 8: Shematični prikaz dveh profilov na razdaljah x1 in x2 ter z globinama y1 in y2

Razdalja med profiloma 1 in 2 je:

x2 y2 dx dxxxx ==−= dy (43) 12 ∫∫ dy x1 y1

31 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 9: Shematični prikaz razdalje med profiloma 1 in 2

Izberemo si n vrednosti za y (na razdalji ∆y) med SRP in ZRP ter izračunamo pripadajoče vrednosti dx po enačbi: dy

2 ⎡ ⎛ K ⎞ ⎤ ⎢1− ⎜ n ⎟ ⎥ ⎜ K ⎟ dy ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥ = I 0 2 dx ⎛ Z ⎞ kr ⎟ 1− ⎜ ⎟ ⎝ Z ⎠

2 ⎛ Zkr ⎞ 1− ⎜ ⎟ dx 1 ⎝ Z ⎠ = (44) 2 Idy 0 ⎡ ⎛ K ⎞ ⎤ ⎢1− ⎜ n ⎟ ⎥ ⎜ K ⎟ ⎣⎢ ⎝ ⎠ ⎦⎥

Ker pa nas zanima potek gladine (zanima nas razdalja x na kateri se bo vnaprej izbrana vrednost y pojavila) razrešimo še enačbo (44) tako, da integral zapišemo v obliki delnih vsot, kjer posamezni del glede na enačbo (43) predstavlja relativno razdaljo x, vsota pa absolutno razdaljo x . Če povedano zapišemo še matematično:

⎛ dx ⎞ ⎛ dx ⎞ ⎜ ⎟ + ⎜ ⎟ ⎝ dy ⎠ ⎝ dy ⎠ x =Δ n n+1 Δy 2 ΣΔ= xx

32 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Na podlagi izračunane ykr (enačba (27) in yn (enačba (30) ali (31)) ter iz SRP in ZRP lahko sklepamo za kateri tip gladinske krivulje gre in tako dobimo prvo orientacijo poteka gladine na obravnavanem odseku.

Kot rezultat dobimo tabelo x – y na podlagi katere narišemo graf, ki mora imeti podobno obliko od prej določene gladinske krivulje. Postopek izračuna in primer je bolj podrobno prikazano v knjigi Open‐Channel Hydraulics [Chow, 1973].

2.1.3.1 Metoda direktnega koraka (angl. Direct­step method) Podobno filozofijo uporablja tudi metoda direktnega koraka, samo da je pot do tabele x – y nekoliko drugačna. Potek gladine računamo med dvema profiloma na razdalji ∆x, ki jo izrazimo iz energijske enačbe med dvema profiloma. Če zapišemo [Dyhouse]:

v 2 v 2 yxI α 1 y α 2 Δ++=++Δ xI 0 11 2g 22 2g E

v 2 yE += α 2g

− EE ΔE x =Δ 12 = (45) 0 − II E 0 − II E

Za izračun trenjskih izgub uporabimo enačbo (23).

Analogno postopku grafično‐integracijske metode si izberemo n vrednosti za y (na razdalji ∆y) med SRP in ZRP ter izračunamo pripadajoče vrednosti ∆x po enačbi (45). Metoda direktna koraka je primerna za prizmatične kanale.

2.1.3.2 Neposredno integracijska metoda Diferencialne enačbe postopno spreminjajoče toka ne moremo izraziti z y za vse vrste oblik kanala iz tega tudi sledi, da je neposredna integracija te enačbe praktično nemogoča. Tako imamo dve možnosti [Steinman, 1999]:

‐ podamo rešitev enačbe za določene primere ‐ predpostavimo določene stvari tako, da enačba postane dostopna za matematično integracijo V nadaljevanju bom podal končno enačbo, ki je izpeljana po metodi, ki je produkt precejšnjih že obstoječih metod. Bolj podrobna izpeljava je podana v literaturi Hidravlika [Steinman, 1999].

V splošnem se poskuša enač bo (42) rešiti z integracijo. Če pa to hočemo storiti moramo parametra K Z n in kr zapisati v odvisnosti od globine toka in enačbo preoblikovati (uvedemo določene K Z predpostavke, razbijemo integral idr.). Tako dobimo končno enačbo [Steinman, 1999]:

υ −= υ + ω JBFNFAx )],(),([ + konsanta (46)

33 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju kjer je:

M N yn ⎛ yc ⎞ J y J N A ; B == ⎜ ⎟ υωυ ;;; J === I 0 ⎝ yn ⎠ N yn MN +− 1

Da se znebimo konstante v enačbi (46), jo integrirajmo med dvema presekoma, ki sta oddaljena za razdaljo L [Steinman, 1999]:

12 AxxL {υ υ22 −−=−= υ2 − υ1 + ω2 − ω1 JFJFBNFNF )],(),([)],(),([)( } (47)

Rešitev funkcij F(υ,N) in F(ω,J) lahko najdemo v tabelah, lahko pa uporabimo tudi računalnik za določitev gladinskih krivulj postopno spreminjajoče toka.

Postopek oziroma algoritem računa [Chow, 1973]:

‐ iz danih podatkov Q in I0 izračunamo globino normalnega toka yn (enačba (30) ali (31)) in kritično

globino ykr (enačba (27)), ‐ določimo hidravlična eksponenta M in N [Steinman, 1999, Hidravlika str.238, Tabela 8.1] za povprečno globino toka na obravnavanem odseku, ker predpostavljamo, da sta hidravlična eksponenta na obravnavanem odseku konstantna, ‐ iz tabel razberemo vrednosti za funkciji spreminjajočega toka F(υ,N) in F(ω,J), ‐ s pomočjo enačbe (47) izračunamo razdaljo L Metoda ni dovolj dobra za račun poteka vodne gladine v neprizmatičnih koritih. V splošnem je slabost te metode pred ostalimi metodami, ki jih bom opisal v nadaljevanju v tem, da ne moremo izračunati globine na vnaprej izbrani razdalji, prednost pa v tem, da se računa potek gladine za celotno gladino z enim samim računom [Steinman, 1999].

2.1.3.3 Metoda standardnega koraka ali iteracijska metoda V realnosti hidravlični elementi (koeficient hrapavosti in oblika kanala) niso več neodvisni od razdalje vzdolž kanala. Ker se ti elementi spreminjajo vzdolž toka je nujno potreben izračun poteka vodne gladine na določeni razdalji in ne ravno obratno. Če hočemo izvesti račun na določeni razdalji ga izvedemo korak za korakom za tiste prereze, za katere so bile določene hidravlične karakteristike. Za potek gladine med dvema prerezoma uporabimo bilanco energije med njima in jo razrešimo z iteriranjem (lat. ponavljanje) zato se ta metoda imenuje tudi iteracijska metoda.

Če zapišemo bilanco energije med profiloma 1 in 2, ki sta oddaljena za ∆x [Širca, 1989]:

α v 2 α v 2 Z 11 Z 22 Δ++=+ E 1 2g 2 2g

α v 2 α v 2 Z 11 Z 22 Δ+Δ++=+ EE (48) 1 2g 2 2g tr lok

Izračun izgub sem že opisal v poglavju 2.3 – trenjske izgube.

34 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Če hočemo izračunati potek vodne gladine med profiloma in izračun nadaljevati za celoten odsek, moramo poznati SRP oziroma ZRP. SRP oziroma ZRP morata biti v splošnem takšna, da lahko z njuno pomočjo izračunamo koto vodne gladine, ki nam bo koristila kot izhodišče račune. O samih možnostih za robne pogoje bom več povedal pri opisu programa HEC‐RAS.

Splošen postopek oziroma algoritem računa [Širca, 1989]:

‐ podamo pretok in določimo SRP (mirni tok) ali ZRP (deroči tok), ‐ v naslednjem gorvodnem oziroma dolvodnem profilu predpostavimo enako koto gladine vode, ‐ izračunamo karakteristike obeh profilov (B,S,O), ‐ izračunamo energijske izgube ∆E na obravnavanem odseku (med profiloma),

‐ iz enačbe (48) izračunamo Z1 (mirni tok) ali Z2 (deroči tok),

‐ primerjamo izračunano gladino Z1 oziroma Z2 s predpostavljeno in če se razlikujeta za manj kot pa je predpisana toleranca, je kota že prava in se račun pomakne za en odsek višje, kjer se vse skupaj ponovi,

‐ če se gladini razlikujeta za več kot pa je predpisana toleranca, nam izračunana gladina (Z1 oziroma

Z2) služi kot naslednja predpostavka (Z1 oziroma Z2 = Zpredpostavljeno). Z novo predpostavko ves postopek ponovimo (od druge alineje naprej) in ga ponavljamo toliko časa dokler ni odstopanje med gladinama manjše od predpisane tolerance. Število iteracij je od programa do programa različno, prav tako se tudi sam način obravnave profila oziroma računa karakteristik od programa do programa razlikuje.

Račun gladine po opisani metodi je primeren tako za mirni kot deroči tok. Opozoriti pa je potrebno, da ob neustreznem predpostavljanju gladin postane metoda za deroči tok neuporabna. Če pogledamo enačbo (48) lahko vidimo, da kadar izrazimo iz enačbe koto gladine Z2 (to storimo ko računamo deroči tok), se nam lahko zgodi, da od gladine vedno več odštevamo kot pa prištevamo v 2 αα v 2 ( 11 22 Δ+Δ+< EE ). Ob upoštevanju tega dejstva, bo kota gladine hitro dosegla dno in g 22 g tr lok metoda bo postala neprimerna. Vendar ob drugačnem predpostavljanju gladin, lahko to dejstvo precej uspešno eliminiramo. Sam način predpostavljanja bom podrobneje predstavil pri opisu programa HEC‐RAS, ki takšen način tudi uporablja in tako po metodi standardnegaa korak računa tako mirni kot deroči tok.

2.1.3.4 Metoda Runge­Kutta Je najbolj znana metoda numerične analize, pri kateri računamo potek funkcije f(z,x) po delih med dvema odsekoma (x+∆x) tako, da jo aproksimiramo s parabolo III. stopnje. Preoblikovana energijska enačba (enačba (24)) predstavlja funkcijo f(z,x), ki jo za potrebe numerične analize oziroma računa preoblikujemo iz diferencialne v diferenčno obliko in sicer [Širca, 1989]:

1 δS Fr − I + yzd )( E xzf ),( = = B δx dx 1− Fr

35 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

1 ΔS Fr − I sr B Δx E xzf ),( = sr (49) 1− Frsr

Kjer Frsr in Bsr predstavljata aritmetično sredino, ∆x in ∆S pa razliko karakteristik v dveh sosednjih točkah oziroma profilih. Račun vršimo tako, da za podani vrednosti x0 in z0, računamo vrednost z v točki oziroma profilu x0 + ∆x s pomočjo naslednje formule [Širca, 1989]:

1 ++++= KKKKzz )22( (50) 0 6 1 2 43

1 = 00 ),( ΔxxzfK K Δx (zfK 1 , x ++= )Δx 2 0 2 0 2

K Δx (zfK 2 , x ++= )Δx 3 0 2 0 2

4 030 ),( ΔΔ++= xxxKzfK

Za račun mirnega toka metoda dobro funkcionira, natančnost rezultatov pa je odvisna od dolžine intervala ∆x. Edini problem nastane, ko se gladina približuje kritični gladini (Fr ⇒ 1), ker dobimo v imenovalcu enačbe (49) vrednost 0 in enačba odpove. Zato v takšnem primeru v točki oziroma v profilu, pri katerem se gladina približuje kritični gladini, predpostavimo gladino, ki je enaka 1.1 kritične gladine in računamo dalje. Takšna korekcija oziroma predpostavka pa je dopustna samo lokalno oziroma, če se nam to zgodi enkrat do dvakrat in ne na daljšem odseku [Širca, 1989].

Opisanaa metod je primerna tudi za račun deročega toka, vendar z dvema omejitvama in sicer:

‐ metoda odpove v bližini kritične globine ‐ ∆x mora biti dovolj majhen Prvo omejitev rešimo analogno kot pri računu mirnega toka in sicer tako, da v problematični točki oziroma profilu predpostavimo gladino vode, ki je enaka 0.9 kritične gladine in računamo dalje. Takšna korekcija je zopet dovoljena samo lokalno.

Druga omejitev pa upoštevamo tako, da glede na naklon pravilno ocenimo interval ∆x in sicer:

‐ velik naklon (>5%) ⇒ ∆x mora biti manjši ali vsaj enak globini toka ‐ majhni naklon (<5%) ⇒ ∆x je lahko večji od globine toka, vendar je nujno potrebna inženirska presoja rezultatov. Če ugotovimo, da smo vzeli prevelik interval ∆x, ga zmanjšamo in račun ponovimo Kot omenjeno metodo lahko uporabljamo za račun deročega toka, vendar je račun deroačega tok poln težav (ko se Froud približuje 1, upoštevanje vpliva geometrijskih nepravilnosti…).

2.2 Podatki – vodenje Za projekt je bila izdelana in testirana centralna zasnova na osnovi spatial database engine ‐ SDE arhitekture. Glavna lastnost tega orodja je, da je z njim mogoče za določeno poplavno območje

36 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

(entiteto) opredeliti veliko število prostorskih geometrijskih karakteristik. To odgovarja namenu opredeljevanja prostorskih poplavnih poligonov za različne poplavne dogodke.

Spatial database engine je strežniško programje, ki relacijskemu podatkovnemu strežniku doda možnosti dela z prostorskimi podatki. Prostorski podatki se lahko nato uporabljajo kot del prostorske baze (geodatabase). Poznamo več tipov podatkovnih strežnikov. Oracle ter PostgressGIS strežnika imata podporo prostorskim podatkom že vgrajeno. Prav tako bo imel podporo vgrejeno tudi strežnik MS SQL Server 2008. Ostale podatkovne strežnike je mogoče z prostorsko podporo nadgraditi. Tako lahko npr. MS SQL Server 2005 nadgradimo z ArcSDE ali Manifold strežniškim programjem. Tako dobimo relacijski podatkovni strežnik, ki se zaveda tudi prostorskih podatkov.

Relacijski podatkovni strežnik je strežnik, ki omogoča združevanje ogromnih količin podatkov v relacijsko povezane table, iz katerih je mogoče na enostaven način izdelovati različne poizvedbe. Poizvedbe so lahko bodisi enostavne bodisi kompleksne.

Slika 10: Prikaz sistema tabel v relacijski bazi podatkov

Enostavne poizvedbe so preprosto filtriranje tabele ali sistema tabel po enem ali več poljih. Kompleksne poizvedbe pa omogočajo grupiranje podatkov po določeni klasifikaciji ali entiteti. Primer takega grupiranja je lahko število ponovitev poplav na določenem poplavnem območju (entiteti), skupno število poplavljenih hiš ter skupni stroški, ki so nastali na tem poplavnem območju zaradi poplav.

Če uporabljamo podatkovno relacijski strežnik, ki se zaveda prostorskih podatkov, lahko vse te poizvedbe povežemo s prostorskimi entitetami (poplavnimi območji) ter jih prikažemo v vizualizacijskem orodju.

Centralni podatkovni strežnik med drugim tudi omogoča, da se vse entitete ter njihovi atributi in ostali podatki vezani nanje vodijo na enem mestu. To omogoča lažjo sinrhonizacijo podatkov med različnimi uporabniki. Vsak uporabnik spremembe izvrši direktno na centralnem strežniku, tako da lahko ostali uporabniki te spremembe vidijo trenutno.

Strežnik SDE v povezavi z relacijsko podatkovnim strežikom je bila uporabljena v projektu evidence vodne infrastrukture za vodno gospodarska podjetja. Razvita je bila transakcijska baza, ki kot osnovno

37 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju strukturno tabelo uporablja dogodkovno tabelo. Tako baza omogoča, da ima lahko en objekt v različnih časovnih obdobjih popolnoma drugačne atribute ali geometrijo. Ena entiteta (npr. most) ima tako pred poplavnim dogodkom neko geometrijo, po nastalih poškodbah na mostu zaradi poplave pa drugo. Prav tako podatkovni strežnik omogoča, da ima ena identiteta v istem trenutku lahko različne geometrije: točkovno, linijsko ter ploskovno. Z različnimi poizvedbami se nato geometrije filtrira, da se izbere tisto, ki je pod določenimi pogoji za vizualizacijo najbolj ustrezna.

Z zelo podobnim primerom se srečamo tu, ko ima ena entiteta (poplavno območje) več možnih geometrij poplav, ki so odvisne od pretoka. Tako je mogoče v prostorski strežnik teoretično shraniti neomejeno število različnih poplavnih poligonov za eno poplavno območje.

Relacijski strežnik omogoča enostavno povezovanje podatkov iz drugih virov, na primer povezovanje objektov iz katastra stavb. Tako je mogoče dodeliti relacijo med potencialno ogroženimi objekti ter poplavnim poligonom ali poplavnim območjem za določeno poplavo. Možno je izdelovati tako prostorske, kot atributne analize nad temi podatki.

2.2.1 LIDAR podatki Oblikovanje projekta in naročilo izvedbe LIDAR posnetka za poplavno območje spodnje Vipavske doline

Glede na dejstvo, da bomo lahko do dobre vizualizacije in orodja za podporo odločanju v primeru poplav (različne faze ukrepanja v primeru poplav) prišli šele na podlagi dobrih podatkov smo se odločili, dao bom za najslabše pokrito poplavno območje v obravnavi, izdelali v okviru projekta tudi digitalni model višin na podlagi LIDAR orodja.

Za potrebe projekta smo tako izvedli poizvedbo in naročilo pri izvajalcih za izvedbo LIDAR posnetka na območju spodnje Vipavske doline (od italijanske meje do naselja Dornberk). S tem posnetkom bomo v okviru projekta pilotno, prvič v Republiki Sloveniji izvedli aplikacijo LIDAR snemanja za potrebe hidravlične analize, kar je v sosednjih državah (Italija) že redno uveljavljena praksa stroke.

2.2.2 Podatki o ranljivih objektih – kataster stavb, nadgradnja katastra stavb s podatki UJMA (št. prebivalcev v stavbi) Ranljivi objekti in koncept ranljivosti pred poplavno nevarnostjo so zakonsko opredeljeni s pravilnikom o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti1. Ranljivost objekta (ali dejavnosti) je podlaga za določanje ogroženosti poplavnega območja, saj kompozitum nevarnosti in ranljivosti predstavlja kumulativno ogroženost zaradi poplav.

Pri tem so ključnega pomena za opredeljevanje ranljivosti na območjih posameznih razredov poplavne in erozijske nevarnosti predvsem naslednji elementi:

‐ ocenjeno število izpostavljenih prebivalcev,

1 Uradni list RS, št. 60/2007 ‐ Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti

38 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ vrsta in število izpostavljenih gospodarskih in ne gospodarskih dejavnosti, ‐ obrati in naprave zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega obsega, ‐ posebej občutljivi objekti, ‐ območija s posebnimi zahtevami po predpisih, ki določajo način priprave načrtov upravljanja voda, na katerih bi ob poplavah in eroziji lahko prišlo do onesnaženja pomembnih zavarovanih habitatov in vrst, virov pitne vode in območij kopalnih voda. Za potrebe izdelave interaktivne vizualizacije orodje omogoča pregled števila izpostavljenih prebivalcev in pregled objektov, ki so izpostavljeni poplavni nevarnosti. Orodje omogoča tudi integracijo podatkov o objektih, zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega obsega (SEVESO A in SEVESO B) lokacije.

Poleg samih objektov so poplavni nevarnosti izpostavljeni tudi infrastrukturni objekti. Vir podatkov za te objekte je »Zbirni kataster gospodarske javne infrastrukture«. Objekti javne infrastrukture se prenašajo iz tega registra in vizualizirajo v okolju vizualizacijskega orodja »XGIS«, skupaj z njihovim prostorskim prikazom je možna tudi poizvedba atributnih podatkov o tovrstni infrastrukturi, pri čemer po pomenu še posebej izstopa podatek o upravljalcu infrastrukture, ki je v primeru intervencije oseba, s katero je potrebno interventne ukrepe obvezno usklajevati.

Analiza ranljivosti iz prejšnjega odstavka lahko obsega tudi podrobnejšo analizo rabe prostora in oceno možnih škodnih posledic, kadar je to potrebno zaradi načrtovanja ukrepov ali drugih pomembnih dejavnosti v zvezi s poplavno in erozijsko ogroženostjo.

Osnovni podatkovni vir preko katerega, ki se izkazuje objekte na poplavnem območju, ki so izpostavljeni poplavni nevarnosti je kataster stavb saj:

‐ je to redno vzdrževana zbirka podatkov, ki ima tudi ustrezno prostorsko reprezentacijo (poligon, višina), ‐ je to v smislu registra prostorskih enot povezana podatkovna zbirka, saj se povezuje na register EHIŠ (Evidenca Hišnih Številk). V skladu s pravilnikom o metodologiji oločanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti je pomemben element za identifikacijo ogroženosti poleg globine vodnega toka tudi hitrost vodnega toka.

Globino toka vode je mogoče identificirati s skalo globine, ki se izkazuje v samem vizualizacijskem orodju.

Za vidika vizualizacije in modeliranja vodnega toka pa je mogoče prikazati tudi hitrost. To se lahko prikaže indikativno (opozorilna barva na povečano hitrost vodnega toka), ali pa s prikazom vektorjev hitrosti. Prikaz vektorjev hitrosti je mogoč le v primeru, da je izveden dvodimenzijski izračun hidravlike navedenega območja.

Naraščajoč trend pogostosti in intenzitete poplavnih dogodkov ter vse pogostejši posegi človeka v obvodni prostor in poplavne ravnice so vzroki, da poplave sodijo med najbolj uničujoče ujme. Za učinkovitejše obvladovanje tveganj, povezanih z vodami, je bil v letu 2007 v Sloveniji sprejet nov

39 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju pravilnik za določanje poplavno ogroženih območij2, na katerih je, glede na stopnjo poplavne nevarnosti, določene na podlagi več faktorjev, omejena raba prostora.

Ker je treba razmere ob poplavah bolje urediti, sta Evropski parlament in Svet evropske unije konec oktobra leta 2007 sprejela evropsko poplavno direktivo3. V njej se od članic EU zahteva, da do konca leta 2013 pripravijo karte poplavne nevarnosti in karte poplavne ogroženosti, do konec leta 2015 pa tudi izdelane načrte za obvladovanje poplavne ogroženosti, s poudarkom na preprečevanju in varstvu ter pripravljenosti za ukrepanje, vključno z napovedovanjem poplav in sistemi zgodnjega obveščanja4. Za izpolnitev ciljev je bil v Sloveniji, kot članici EU, v letu 2007 sprejet Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti, s katerim želi država natančneje urediti ravnanje ob nevarnostih, povezanih z vodami, in hkrati učinkoviteje conirati prostor ob vodotokih, za katere velja sistem stopnjevanja omejene rabe.

Slika 11: Osnovne relacije med nevarnostjo, ranljivostjo in tveganjem (hazard – vulnerability – risk)

Stopnja ogroženosti se določa iz dveh delov – stopnje nevarnosti (izpostavljenosti) in ranljivosti. Stopnjo ogroženosti je zato mogoče zmanjševati ali z zmanjševanjem nevarnosti ali izpostavljenosti (občutljivosti). Tako npr. z gradbenimi protipoplavnimi ukrepi lahko vplivamo na pojav oz. vir nevarnosti (npr. zadrževalniki zmanjšajo konico poplavnega vala) ali pa branimo določeno območje pred škodljivim delovanjem voda (npr. nasipi).

Pogosto se stopnja ogroženosti prikazuje tudi s škodnim potencialom, npr. z opisom, kako škoda narašča z dvigom vodostaja. Raziskave pa kažejo, da tudi skupni škodni potencial vse bolj narašča, delno zato, ker se še vedno posega v prostor tako, da se premalo upošteva dejansko nevarnost in ranljivost. Razlogi so številni, kot npr. intenzivna raba prostora in s tem povečevanje ekonomske vrednosti objektov in infrastrukture znotraj poplavnih območij, zmanjševanje prostora za razlivanje

2 Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti. Uradni list Republike Slovenije 60/2007. Ljubljana.

3 Evropski parlament in svet evropske unije. 2007. Direktiva 2007/60/ES evropskega parlamenta in sveta o oceni in obvladovanju poplavne ogroženosti (krajše: Poplavna direktiva). Bruselj.

4 Evropski parlament in svet evropske unije. 2007. Direktiva 2007/60/ES evropskega parlamenta in sveta o oceni in obvladovanju poplavne ogroženosti (krajše: Poplavna direktiva). Bruselj.

40 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju vode ob ekstremnih dogodkih, zagotavljanje zgolj minimalnih varnostnih ukrepov in neprimerno vzdrževanje le‐teh itd.5

Podzakonski akt6 je pričel urejati območja poplavne nevarnosti, ki izvirajo iz tujih voda – poplavljanje iz vodotokov, zato aktivnosti v Sloveniji potekajo na dveh nivojih. Najprej je treba izdelati opozorilne karte poplavne nevarnosti, ter nato opozorilne karte ogroženosti zaradi poplav in erozije. Izhodiščne opozorilne karte poplavne nevarnosti ter opozorilne karte poplav in erozije, so že objavljene na spletnih straneh Agencije Republike Slovenije za okolje in prostor (ARSO). Na teh opozorilnih kartah so območja nevarnosti razvrščena v tri razrede: redke, pogoste, katastrofalne poplave. Karte pa ne podajajo podatkov o verjetnosti nastopa posameznih dogodkov, na podlagi katerih bi se lahko določala stopnja nevarnosti oziroma se dimenzioniralo protipoplavne ukrepe in druge objekte na in ob vodotokih. Namesto verjetnosti pojava je podana le ocena zanesljivosti teh podatkov za posamezno področje, ocenjena z vrednostjo od 1 do 10, kjer 10 pomeni najvišjo raven zanesljivosti.

Poznavanje stopnje izpostavljenosti nevarnosti in tveganju, t.j. zavedanja samo omejene varnosti, katero nudijo človeške aktivnosti na področju vodnega režima, so izhodišče za odločanje vsakega izmed koristnikov o tem, ali je doseženo stanje zadovoljivo, in s tem v vezi, ali je stopnja izpostavljenosti nevarnosti sprejemljiva ali pa so potrebne nekatere druge aktivnosti.

Nova metodologija določanja poplavne nevarnosti, v skladu z zahtevami direktive, ne upošteva zgolj dosega poplavnih voda, temveč conira poplavna območja na podlagi več dejavnikov. Doseg poplavnih vod je običajno prikazan s poplavnimi linijami, določenimi za pretoke z različnimi povratnimi dobami. Poleg poplavnih območij 100‐letnih voda, kar predstavlja srednjo verjetnost poplav, so določena tudi poplavna območja 10‐ in 500‐letnih voda. Za dogodke s 100‐letno povratno dobo se, poleg dosega vode, upoštevata tudi lokalna globina in hitrost vodnega toka. Podatek o globini in hitrosti vode je ključen za določanje stopnje intenzitete dogodka. Globina ob poplavah je pomemben podatek za načrtovanje dejavnosti v prostoru, za način reševanja (peš, s čolnom) ipd. Iz produkta (globina x hitrost) pa se lahko izračuna udarna sila vode, ki je pomemben podatek za določanje ranljivosti človeka (odnašanje) in objektov (stabilnost). Z analiziranjem obeh kriterijev, upošteva pa se bolj neugoden, so poplavna območja kategorizirana v štiri razrede, in sicer na območja z veliko, srednjo, majhno in preostalo nevarnostjo (Slika 14).

5 Loat, R., 2003. Risk management in Switzerland. Biel.

6 Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti. Uradni list Republike Slovenije 60/2007. Ljubljana.

41 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

a) b) c) č)

Slika 12: a) Opozorilna karta poplav (MOP, 2007a); sliki b) in c) Prikaz obsega poplavljanja za poplave s 100‐ letno povratno dobo in intenziteta pojava za kriterije po Pravilniku (2007); slika č) Končni rezultat: karta 4 razredov poplavne nevarnosti

Karte poplavne nevarnosti predstavljajo šele prvi korak k oceni poplavne ogroženosti. Ogroženost predstavlja kompozitum nevarnosti in ranljivosti oziroma občutljivosti človeka, objekta ali dejavnosti. Za območja, rabo, človeka ipd., na katerih obstaja verjetnost nastanka poplavne nevarnosti, je treba izdelati še presojo o stopnji ranljivosti. Na stopnjo ranljivosti nekega območja vplivajo številni faktorji, kot so gostota prebivalstva, vrste in pomembnost gospodarskih in negospodarskih dejavnosti, vrsta in intenziteta potencialnih nevarnosti, ki so lahko posledica pojava poplavne nevarnosti (onesnaženje) itd. Posamezne faktorje je treba razvrstiti po pomenu in ovrednotiti, kar s kombinacijo indeksov posameznih faktorjev omogoča generalizirano, na posamezno območje določeno, ocenjevanje ranljivosti. Pravilnik7 podaja za določanje stopnje ranljivosti posplošene kazalce za vrednotenje ogroženosti, zato z njimi ni mogoče določevati ogroženost posameznih objektov.

Slika 13: Kriteriji in oznake za kartiranje poplavne nevarnosti in ogroženosti, kot jih predpisuje novi Pravilnik (2007). Desno je primer podobne matrike (globina ‐ hitrost), uporabljene v Avstriji8.

7 Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti. Ur.l. RS 60/2007. Ljubljana.

8 Atlas of Flood Maps. 2007. EU Flood Risk Maps.

42 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Z upoštevanjem stopnje nevarnosti in ranljivosti je mogoče izdelati matriko ogroženosti (Slika 13). Novi Pravilnik9 loči 3 stopnje ogroženosti, zato bo treba izdelati karte poplavnih območij, na katerih bodo prikazane cone majhne, srednje ali velike ogroženosti. Dodatno pa ostaja še območje preostale nevarnosti poplav, kjer je dogodek možen a malo verjeten. Pristop posameznih držav je danes še različen. Tako npr. sosednja Avstrija poplavno nevarnost označuje z dvema stopnjama (območje prepovedane gradnje ter območje omejitev, zapovedi in preventive) glede na razmerje med globino in hitrost vode.

Občutljivi objekti so po Pravilniku (2007) tisti objekti, ki imajo zaradi poplav in erozije lahko velike posredne in neposredne škodne posledice. Med občutljive objekte štejemo zlasti objekte, v katerih se zadržuje veliko število ljudi in je evakuacija lahko otežena (npr. bolnišnice,, zdravilišča, vrtci, šole, domovi starostnikov), objekte znotraj katerih lahko nastanejo izjemne materialne škode ali druge za družbo pomembne škode (npr. knjižnice, muzeji, arhivi), ali objekte, katerih poškodbe ali prekinitev obratovanja lahko povzroči velike posredne gospodarske škode (npr. pomembne transportne poti in telekomunikacijski vodi, pomembne objekte vodne infrastrukture). Dejavnosti, ranljive ob nastanku poplav, so predvsem tiste, ki so lahko ogrožene ali lahko ogrožajo življenje in zdravje ljudi ali vodno okolje. To so dejavnosti, povezane s skladiščenjem ali varovanjem pomembnih stvari (npr. knjižnice, muzeji, arhivi, podzemne garaže), dejavnosti, povezane z večjim številom ljudi (npr. bolnišnice, zdravilišča), dejavnosti, ki se izvajajo v obratih ali pri katerih se uporabljajo naprave in snovi zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega obsega, ali dejavnosti, povezane s skladiščenjem za vodno okolje nevarnih snovi, določenih s predpisi, ki urejajo varstvo okolja.

Analiza ranljivosti na območju posameznih razredov poplavne in erozijske nevarnosti se izdela za potrebe ocene ogroženosti posameznih elementov ogroženosti ali skupin elementov in obsega predvsem:

‐ oceno števila izpostavljenih prebivalcev, ‐ določitev vrste in števila izpostavljenih gospodarskih in ne gospodarskih dejavnosti, ‐ prikaz lokacije in opis obratov in naprav zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega obsega, ‐ določitev lokacij in opis občutljivih objektov, ‐ prikaz in opis območij s posebnimi zahtevami po predpisih, ki določajo način priprave načrtov upravljanja voda, na katerih bi ob poplavah in eroziji lahko prišlo do onesnaženja pomembnih zavarovanih habitatov in vrst, virov pitne vode in območij kopalnih voda. Analiza ranljivosti iz prejšnjega odstavka lahko obsega tudi podrobnejšo analizo rabe prostora in oceno možnih škodnih posledic, kadar je to potrebno zaradi načrtovanja ukrepov ali drugih pomembnih dejavnosti v zvezi s poplavno in erozijsko ogroženostjo.

Na podlagi analize ranljivosti se elementi ogroženosti, določeni s tem pravilnikom, razvrščajo v naslednje razrede (Slika 13 in Tabela: 1)

9 Pravilnik o metodologiji za določanje območij, ogroženih zaradi poplav in z njimi povezane erozije celinskih voda in morja, ter o načinu razvrščanja zemljišč v razrede ogroženosti. Uradni list Republike Slovenije 60/2007. Ljubljana.

43 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ razred velike ranljivosti, ‐ razred srednje ranljivosti, ‐ razred majhne ranljivosti in ‐ razred zelo majhne ranljivosti. Tabela 1: Merila za določitev razredov ranljivosti

RAZRED ELEMENTI OGROŽENOSTI 2 zelo gostota prebivalstva: do 10 prebivalcev na km majhna manjši obrati gospodarskih in negospodarskih dejavnosti lokalnega pomena ranljivost občutljivi objekti gostota prebivalstva: od 11 do 100 prebivalcev na km2 obrati gospodarskih in negospodarskih dejavnosti lokalnega pomena majhna občutljivi objekti ranljivost kulturna dediščina lokalnega pomena območja s posebnimi zahtevami po predpisih, ki določajo način priprave načrtov upravljanja voda gostota prebivalstva: od 101 do 300 prebivalcev na km2 obrati gospodarskih in negospodarskih dejavnosti lokalnega pomena srednja občutljivi objekti ranljivost obrati in naprave, zaradi katerih lahko pride do onesnaženja območja s posebnimi zahtevami po predpisih, ki določajo način priprave načrtov upravljanja voda kulturna dediščina regionalnega pomena gostota prebivalstva: vek kot 500 prebivalcev na km2 obrati gospodarskih in negospodarskih dejavnosti državnega pomena

obrati in naprave, zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega velika obsega, še posebej v povezavi z območji z gostoto prebivalcev od 101 do ranljivost 500 prebivalcev na km2 ali z območji s posebnimi zahtevami po predpisih, ki določajo način priprave načrtov upravljanja voda

kulturna dediščina državnega oziroma svetovnega pomena občutljivi objekti V procesu analize sestave vodenja poplav je potrebno, da se v analizo poleg tehničnega pogleda enako vključita tudi ekonomski in pravni pogled. Mehanizem za povezovanje vseh treh je neizbežen tudi za ocenjevanje pričakovane poplavne škode, vzet v obzir za vsak posamezen objekt. Zraven tega, je potrebno da se povezuje niz parametrov, ki so opredeljeni kot model sistema vodenja poplav. Tak model služi kot sredstvo za kvantifikacijo (in tudi možnost ocenjevanja) ciljev različnih subjektov, katere povezuje fenomen poplave.

Že preiskave medsebojnih povezav v fizičnem okolju ponekad predstavljajo izjemen problem. Vzpostavljanje relacij med fizičnim okoljem in ostalimi okoliščinami, kot so ekonomske, socialne, pravne, upravne in ostale, delajo potrebo za širšim povezovanjem preko mej ožjih sektorjev in dodaten napor za strokovnjake. To delo se kaže kot zelo težko, vendar predstavlja realno osnovo za katerikoli proces odločanja. Na žalost so obstoječe baze podatkov na nacionalnem nivoju še vedno sektorske in zelo pogosto razpršene po različnih nivojih, ter zato tudi neusklajene. Za kompleksno analitiko vodnih sredstev se glavni del dela nanaša na zbiranje, kontrolo in procesiranje podatkov, dobljenih iz različnih sektorjev, manjši del na globlje analize za namen boljšega poznavanja (vodnega) sestava

44 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Poleg izvajanja aktivnosti projekta je potreben tudi niz aktivnosti za zmanjšanje tveganja, katero je moč razdeliti v štiri korake:

‐ identifikacija izpostavljenosti nevarnosti, ‐ ocena možnih učinkov pri materializaciji izpostavljene nevarnosti, ‐ omejitve izpostavitve nevarnosti, ko se (npr. z gradnjo) prevzame tveganje, ‐ razdelitev ostalega tveganja. Pri prvih treh korakih je zajamčeno sodelovanje partnerjev pri skupnih projektih, medtem ko so interesi partnerjev v zadnjem koraku nasprotni. Zato mora razdelitev preostalega tveganja temeljiti na dveh načelih. Prvi načelo pravi, da morajo biti tveganja, katera prevzema posamezni partner, sorazmeren s koristmi, katere pridobi v skupnem projektu. Drugo načelo pravi, da je mora tveganje prevzeti tisti partner, ki ga najlažje prevzame, pri čemer je to načelo podrejeno prvemu.

2.2.3 Podatki o izdanih vodnih soglasjih in vodnih dovoljenjih Vodenje poplav in interventno ukrepanje ob poplavnih dogodkih je vezano tudi na učinkovito delovanje vodne infrastrukture. Pri tem je vodno infrastrukturo opredeljevati glede na klasifikacijo vodnogospodarskih objektov in naprav, kjer je vodna infrastruktura umeščena kot podsistem sistema vodnogospodarske infrastrukture, ki zajema tudi ostalo vodnogospodarsko infrastrukturo: prometne vodogradnje, urbano odvodnjo (padavinske in zaledne vode), hidroenergetsko infrastrukturo, namakalno in osuševalno infrastrukturo, večfunkcijske zadrževalnike in objekte v posebni rabi.

Za interventno ukrepanje v primeru visokih voda je navedena infrastruktura izjemno pomembna, saj ravno učinkovito delovanje te infrastrukture predstavlja enega ključnih ukrepov za zagotavljanje varnosti na vplivnih območjih navedene infrastrukture.

Glede na to, da kataster voda in vodne infrastrukture (155. člen Zakona o vodah 54/2002) še ni vzpostavljen, je identifikacija vodne infrastrukture in njena vizualizacija zaenkrat mogoča le na testni osnovi. Ko bo kataster vzpostavljen pa bo mogoče interaktivno spremljati mejne vrednosti hidravlične obremenitve posameznih odsekov vodotokov in stanje ter delovanje vodnogospodarske infrastrukture na njih.

Podobno velja tudi za vodno knjigo, saj tudi podatki o izdanih vodnih dovoljenjih, soglasjih in koncesijah vplivajo na proces odločanja v primeru poplavnih dogodkov. Izdana vodna dovoljenja predstavljajo namreč rabo vode, ki je lahko odvisna od vodostaja. Hkrati navedeni sistem že predstavlja postopno širitev aplikacije na druga področja, saj pri vizualizaciji entitet iz vodne knjige lahko sistem uporabljamo tudi za druge namene – na primer za vizualizacijo in vodenje ukrepov sil civilne zaščite ob izrednih onesnaženjih, ko je potrebno obvestiti vse imetnike vodnih pravic o neustrezni kakovosti vode.

2.2.4 Identifikacija poplavnih območij Na podlagi karte ogroženosti, bo treba definirati tudi, kakšna je stopnja dovoljenega oz. sprejemljivega tveganja. Gre predvsem za vprašanje, kje je meja sprejemljivega tveganja z vidika javnega interesa. Pri gradnji objektov je pravilom predpisan faktor varnosti, kot pogoj za trdnost in stabilnost objekta itd., določen v predpisih o gradnji (npr. ZGO‐1). Na področju vodnega gospodarstva pa bo treba npr. določiti, do katerih visokih voda je treba ščititi naselja, državne ceste, avtoceste itd. ‐

45 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju seveda pa lahko za nadstandardno varovanje pod določenimi pogoji poskrbi tudi posamezni uporabnik prostora. Seveda pa je boljše preventivno ravnanje, s katerim stopnjo tveganja zmanjšamo oziroma obvladujemo, ker jo dosežemo s prilagajanjem rabe prostora in dejavnosti danostim na lokaciji, hkrati pa preventivno zmanjšamo ranljivost/občutljivost na preteče nevarnosti.

Glede na vzrok nastanka poznamo štiri vrste vzrokov poplavljanja, na koncu pa so v eno skupino združeni spremljajoči procesi (Slika 14, Slika 15):

1) poplavne zaradi neposrednega razvoja nivoja vode v glavnem koritu vodotoka in zato posledično poplavljanje okoliških zemljišč. V tem primeru, glede na obliko povprečnega preseka, razlikujemo osnovni tok v koritu in tok na poplavnih področjih (inundacije). Tok v inundacijah je lahko vzporeden z osnovnim tokom, vendar lahko ima popolno neodvisno smer (tudi nasprotno od osnovnega toka), odvisno od konfiguracije terena. Globina toka je osnovna razlika med koriti pri erozijskih procesih, katera skupaj z padcem dna, preko tangirane obtežitve na dno, definira ti. transportno sposobnost (teoretična vrednost). To nam skupaj s podatki o transportu materiala (vrednost, določena z meritvami) kaže, ali se bo na določenem mestu material naložil ali erodiral. Načelno, tok v osnovnem koritu povzroča zelo večjo obtežitev na dno in poleg večje erozijske odpornosti (večji premer merodajnega zrna na površinskem sloju) tudi večjo erozijo, dokler je tok na inundacijah počasnejši, transportna sposobnost je manjša od pritoka nanosov in se zato erodiran material tam naloži. Tukaj gre predvsem za plavajoči material, potem za lebdeči in v manjši meri za nošeni nanos.

2) poplavljanje zaradi zalednih voda je posledica velike količine padavinskih voda (Qd), katere pridejo iz višjega terena določenega področja, ter v primeru manjše sposobnosti odtoka vode

(Qo) na tem delu poplavijo. S poplavljanjem voda iz zaledja so pogosto povezana tudi pojavljanja novih korit, katere spremljajo, v spremstvu s prelivanjem vode iz vodotoka, erozijo, v manjšem prostorskem obsegu vendar večji intenziteti, katera je še izrazitejša v primeru, ko voda ne teče po predhodnem, že oblikovanem vodotoku, oziroma se je ta v času,

ko je bila suha, zasula z muljem ali zarasla. Poleg velikih količin padavin Qd, lahko včasih erodirani ali naplavljeni material zapolni odtočni profil (cestni in kanalizacijski prepusti in naravni (kraški) ponori ipd.) ter še dodatno zmanjšajo sposobnost odtoka. Razlika med dotokom in odtokom je lahko posledica tudi nepravilnih človeških aktivnosti v prostoru: povečanje neprepustnih površin (parkirišča, ceste, gosta naseljenost) z nepravilnim (prehitrim) odtokom na eni strani in zmanjšano sposobnostjo odtoka (nelegalna odlagališča odpadkov ob rečnih koritih, agromelioracije (polnjenje) naravnih ponorov ipd.) na drugi strani.

3) poplave zaradi zapolnjenosti kanalizacijskih sistemov, katere delimo na dva primera:

‐ poplave kot posledica lastnih voda (močne padavine na področju naselja (odvajanja) in premajhna sposobnost odtekanja (poddimenzioniranost) mešanega kanalizacijskega sistema (fekalna + meteorna voda). V praksi se mešani kanalizacijski sistem, zaradi (manjšega premera cevi), dimenzionira na pretok, ki je statistično gledano zelo verjeten, npr. 2‐ do 5‐letni, in se v času večjih nalivov vode izliva iz sistema preko razbremenilnih komor. Pri dimenzioniranju cevi je potrebno vzeti v obzir vrsto področja, ki se drenira (gosto naseljeno, redko naseljeno, rekreativno, ipd. področje). Iz tega je neposredno odvisen povratni čas do katerega je še mogoče neovirano odtekanje prek kanalizacije.

46 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Potem je potrebno dodatno odvajanje. ‐ poplave kot posledica «tujih voda», t.i. vode ki prihajajo iz področja iz naselja, in ob izrazitem povečanju nivoja v osnovnem koritu in posledičnem poplavljanju iztoka iz sistema, ki je zgrajen npr. brez žabjega poklopca za preprečevanje povratnega toka, bo voda tekla po ceveh nazaj v kanalizacijsko mrežo (mešani ali razdruženi sistem) in tako poplavila nižja področja, ki imajo nepravilno zgrajen priključek. V obeh primerih je lahko določanje poplavne škode s škodnimi krivuljami zelo natančno, ker je vključujoča spremenljivka globina poplavljanja in deloma čas, dokler škode kot posledice hitrosti toka in erozije praktično ni. Pri mešanih kanalizacijskih sistemih se nam pri uporabi škodnih krivulj pojavlja težava pri oceni škode zaradi pojavljanja smradu in nevarnosti bolezni (epidemije), ki jo lahko izzove fekalna voda. Poleg tega je težko definirati in modelirati interakcijo med dvema hidravličnima sistemoma.

Poplave na t.i. depresijskih področjih ali Izlivanje visokovodnih v kasetah E« voda iz vodotoka OD V NE »T T UJ AS E V L OD » E« Vzroki poplavljanja

Poplave zaradi zapolnjenosti kanalizacijskih sistemov Poplavljanje zalednih voda Poplave zaradi zaledne vode Poplave, zaradi zajezitev, ki jih povzročajo tuje vode

« E D O V E N D E L A Z »

Slika 14: Vzroki poplavljanja.

4) poplave na t.i. depresijskimi področji, kjer je teren lokalno nižji, tako da je v vodi, ki priteče iz njega kod padavinsko odtekanje (lastna in voda iz zaledja), oziroma iz vodotoka ali kanalizacije (tuja voda), onemogočeno odtekanje (po vodotoku, v odtok ipd.) ker je sposobnost odtekanja premajhna. Za razliko od naravnih depresijskih področij, ki definirajo sam teren, so poznana tudi antropogena, kjer je preprečeno odtekanje vode (z nasipi ipd.). Na ta način nastanejo kasete, v katere pride voda, zaradi enega izmed predhodno naštetih razlogov, njen odliv pa je otežen ali popolnoma onemogočen. Načelno v tem primeru zanemarimo vpliv erozije, oz. hitrost vodnega toka, vendar je vseeno potrebno ta korak proučevati specifično za vsak posamezen primer.

47 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

5) spremljajoči (z vodo vezani) pojavi: pojav visokih voda spremljajo procesi transporta sedimentov, erozije plavajočih materialov, itd. Voda lahko izzove škodo tudi zaradi drsenja terena (natopljenega z vodo), pojava lavin in zdrsov (sneg, blato, zemlja) Tudi za te procese se v velikem obsegu uporabljajo metode, naštete v nadaljevanju, zato bi bilo smiselno v naslednjih fazah dela tudi to zajeti v integralni sistem protipoplavnih (z vodo vezanih) ukrepov.

Slika 15: Vzroki poplavljanja, za katere je potrebno ustanoviti pristojnost (institucij), razdeljeno odgovornost, obseg preostalega tveganja itd., in na tem temelju postaviti sistem protipoplavnih ukrepov.

Koncept obvladovanja poplav sledi klasični opredelitvi korakov za obvladovanje tveganja:

‐ Identifikacija tveganja (poplav) ‐ Ocena možnih posledic zaradi materializacije tveganja (posledic poplave), ‐ (možno) zmanjševanje tveganja (zmanjšanje poplavne škode) in ‐ alokacija ostalega tveganja (ostala poplavna škoda). Glede na to opredelitev lahko opredelimo tudi funkcije različnih institucij, ki sodelujejo v procesu upravljanja s poplavami:

48 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

1) identifikacija tveganja: analize v dejanskem času – napovedne službe, hidrometeorološka spremljanje vodostaja, odtoka; modeliranje možnih tveganj – strokovne službe, analiza hidravlike, hidrologije, transport sedimentov, erozijski fenomeni, evidence podatkov o zgodovinskih serijah fenomenov, stohastične analize. 2) ocena možnih posledic zaradi materializacije tveganja: zavarovalne institucije, ocena vrednosti nepremičnin, program interventnih ukrepov (opozarjanje, reševanje), izpostavljenost človeških življenj in dobrin različnim tveganjem, spremljanje posledic poplavnih dogodkov. 3) zmanjšanje tveganja: vsi gradbeni (nasipi, retenzije, izolacije, razbremenilniki ipd) in negradbeni ukrepi (coniranje, opozarjanje ipd) za zmanjšanje tveganja, analiza investicij v različne ukrepe, optimizacijski postopki; ukrepi klasificirani v razmerju na poplavne dogodke kot: preventivne (pred dogodkom), intervencijski (med dogodkom) in kurativni – sanacijski (po dogodku). 4) alokacija preostalega tveganja: lastniki v osnovi prevzemajo i prenašajo tveganja za dobrine v svoji lastnini (obligacijsko pravo), če nekdo prevzema del tega tveganja, za njih se to ponavadi valorizira (monetarizira) v obliki zavarovalne premije kot to delajo zavarovalni zavodi. Del tveganja prevzema tudi skupnost zaradi realizacije širših družbenih ciljev, katere ponavadi izvaja država ali lokalna skupnost. Obramba pred poplavami kot mehanizem za zmanjšanje tveganja, ponavadi z določenimi gradbenimi ukrepi, nadgrajena na upravljanje poplav zajema točke od 1 do 4 v edinstven sistem, v katerem je lahko vsak ukrep odločujoča spremenljivka in tako tudi predmet optimizacije celotnega sistema.

Kompleksnost sistema upravljanja poplav zaradi tega veliko izboljšuje sistem obrambe pred poplavami, in zaradi tega obstaja kot edinstven sistem samo na stopnji koncepta, na stopnji modela pa obstaja več segmentov tega sistema.

Ker je obvladovanje in še posebej implementacija različnih mehanizmov, ki vplivajo na ta sistem posebnega javnega značaja, so določni mehanizmi oblikovani tudi v obliki zakonskih in podzakonskih predpisov. Na ta način skupnost (država) vpliva na mehanizme (skoraj neobstoječega) svobodnega trga poplavnih tveganj, katerega določa preko pravnih ukrepov.

Pravilnik (2007) ne ureja problematiko poplavljanja zalednih voda in voda morja.

2.2.5 Opozorilne karte poplav Slovenija je razdeljena na pet vodnih območij:

‐ vodno območje Mure (mejna Mura na odseku, ki meji z Avstrijo, vključno s pritokom Kučnica, notranja Mura od Kučnice do meje z Madžarsko, Ledava s Krko na območju Slovenije in Kobiljskim pritokom ter Ščavnica), ‐ vodno območje Drave (Drava 1 od državne meje pri Viču do jezu na Melju, Drava 2 od jezu v Melju do meje s Hrvaško pod središčem, Pesnica, Meža z Mislinjo, Polskava in Dravinja), ‐ vodno območje Save (Sava Dolinka, Sava Bohinjka, Sava 1 od Radovljice do Medvod, Sava 2 od Medvod do Zidanega mosta, Sava 3 od Zidanega mosta do Bregane, Tržaška Bistrica, Kokra, Kamniška Bistrica, Savinja, Paka, Voglajna, Sora, Ljubljanica, Temenica, Mirna, Krka in Kolpa), ‐ vodno območje Soče (Soča z mejnimi vodotoki Koritnica, Ovčeja, Nadiža, reka Idrija ter Bača, Idrijca in Vipava) ‐ vodno območje obalnega morja s pritoki (Reka, pritoki Jadranskega morja v Sloveniji – Dragonja,

49 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Badaševica, Rižana in drugi neposredni pritoki Jadranskega morja ter obalno morje). Najgostejša mreža površinskih vodotokov je v Podravju (1,88 km/km2), najmanjša pa v slovenskem delu porečja Kolpe (0,53 km/km2).

Na teh vodnih območjih se poplave dogajajo vsako leto. Dokaj pogoste so tudi večje poplave in povodnji, ki ogrožajo doline rek in potokov v goratem in hribovitem svetu ter ravninski svet. Poplavno ogroženih je prek 300 000 ha površin, med katerimi je največ ozkih dolinskih tal hudourniških grap.10

Seveda največji problem pri poplavah predstavljajo urbana območja, pri čemer je poplavno ogroženih več kot 2500 ha urbanih površin. To predstavlja dobro četrtino prebivalcev, poseljenih na območju katastrofalnih poplav, t.j. poplav s povratno dobo nad 50 let. Med taka območja štejemo južni del Ljubljane ter del Celja, Laškega, Krškega, Slovenj Gradca, Murske Sobote, Železnikov, Škofje Loke, Litije, Grosuplja, Kočevja ter mnoga druga naselja.

Za Slovenijo so značilni štiri tipi poplav: nižinske poplave, hudourniške poplave, poplave na kraških poljih in poplave morja. Ena najhujših poplav, ki je prizadela večji del Slovenije, se je zgodila leta 1990, ko so predvsem Savinja, Sava v srednjem in spodnjem toku ter Kamniška Bistrica dosegle ali celo presegle stoletne visoke vode.

Slika 16: Sistem protipoplavnega ukrepanja. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)

Zaradi takih izrednih dogodkov je bila tudi izdelana celostna ocena poplavne ogroženosti Slovenije (Slika 16). V izogib negativnim posledicam se z različnimi analizami določi obseg in magnitudo nevarnih dogodkov, ki imajo različno verjetnost pojava. Skupaj z ranljivostjo človeka in okolice, v kateri živi (ranljivost premo narašča z gostoto poselitve, rabo objektov, vrsto dejavnosti na območju, z vrsto obratov in naprav, zaradi katerih lahko pride do onesnaženja velikega obsega, z območji pomembnih kulturnih dediščin, …), lahko določimo stopnjo ogroženosti, ki nam pove kolikšno je tveganje ob pojavu določenega dogodka. Tako se nazadnje lahko odločimo kako bomo v takšni situaciji ukrepali, npr. vkolikor gre za poplave, se lahko odločimo za ukrepe preprečevanja dogodka

10 URSZR 2000, Nacionalni program varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami, Ljubljana [VPNDN (Ur. l. RS, št. 44/02)]

50 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

(gradnja odpornejših objektov na poplave) ali za zmanjševanje občutljivosti (škode), vkolikor bi do poplave prišlo.11 Sam postopek odvijanja teh procesov je prikazan na Slika 17.

* meje območij, ki so določene kot poligoni s točkami drž. koord. sistema točke so določene v vodnem katastru in prikazane v prostorskem inf. sistemu.

Slika 17: Izdelava kart poplavne in erozijske ogroženosti na podlagi analiz nevarnosti in ranljivosti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)

S takim pristopom k reševanju problema pridemo do izdelave opozorilnih kart nevarnosti poplav in posledične erozije (Slika 18), kjer so vrisane poplavne linije; same karte pa so podlaga za načrtovanje izrabe prostora in izvajanje zaščite in reševanja pred poplavami. Poplavne linije se določajo iz baze statistično zajetih podatkov o poplavah v preteklosti na območju Slovenije.

11 Pranjić, S. 2008. Dvig morske gladine in raba obalnega pasu, Koper

51 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 18: Opozorilna karta poplav za Slovenijo.

(vir: http://www.mop.gov.si/fileadmin/mop.gov.si/pageuploads/dokumenti/opozorilna_karta_poplav.jpg)

V bazi obstajajo tri vrste poplavnih območij, in sicer:

‐ ‐ zelo redke poplave s povratno dobo Q50 in več, ‐ ‐ redke poplave s povratno dobo Q10 do Q20, ‐ ‐ pogoste poplave s povratno dobo Q2 do Q5. Izračun je bil narejen za vsako od teh kategorij:

‐ ‐ zelo redke poplave: 775,04 km2 (1366 poligonov), ‐ ‐ redke poplave: 342,03 km2 (838 poligonov), ‐ ‐ pogoste poplave: 82,38 km2 (237 poligonov). Vendar se površine pogostih poplav pojavljajo tudi v območjih redkih in zelo redkih poplav, zato je pri interpretaciji podatkov potrebno vzeti to v zakup.

Opozorilna karta poplav je bila podlaga tudi za potrebe izdelave našega projekta ‐ interaktivne vizualizacije za podporo interventnemu ukrepanju ob poplavah v Sloveniji. Karta je namreč bila izhodišče za določitev mej območij (Slika 19), kjer smo pričeli z zbiranjem prostorskih točk s sistemom LIDAR. Podatke smo zbrali za osem območij: Mali graben [1], Dravo [2], Muro [3], Kokro [4], reko Reko [5], Savo – Krško [6], obalni pas – Koper [7], Vipavo (Dornberk ‐ Miren) [8], pod ostala območja

52 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju pa smo uvrstili še nekaj območij: AC Draženci, AC Stanežiče, AC Malence in Grosupeljščico [vsa območja obkrožena z rdečo barvo].

Podroben opis posameznih območij sledi v 4. poglavju, kjer smo dodatno navedli še potencialna območja, kjer bi tak sistem ukrepanja, glede na poplavno ogroženost, bil nujen, vendar za ta območja še ni zbranih podatkov.

Slika 19: Meje območij, kjer so bili zajeti podatki s sistemom LIDAR.

53 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

2.3 Prenos in skladiščenje podatkov Protokol prenosa podatkov je vzpostavljen na podlagi FTP protokola, ki poteka kot prenos datotek med operativnima centroma ARSO in URSZR. Druge možnosti neposrednih prenosov oziroma komunikacij med podatkovnimi skladišči, npr. neposredne komunikacije med podatkovnimi bazami v okviru omrežja HKOM, so bile analizirane vendar pa zaradi različnih informacijskih rešitev operativnih centrov niso bile izdelane. Optimizacija protokolov in tehnologije prenosa podatkov bo predmet nadaljnjih izboljšav in razvoja informacijske podpore interventnemu ukrepanju na poplavnih območjih.

Glavni razlog prenosa podatkov preko protokola FTP in uporabe ASCII datotek je v robustnosti in transparentnosti postopka. Podatki se prenašajo tako, da je mogoča kontrola ein varovanj prenosa glede na internetne varnostne zahteve ter kontrola vnosa v podatkovne strukture operativnega centra. Tovrsten prenos podatkov je v uporabi že vrsto let med ARSO in URSZR, dodatno pa je bil protokol prenosa podatkov testiran s prenosom podatkov in vnosom izbranih podatkov v podatkovna skladišča ob izvajanju Interreg IIIb projekta SIMIS – Povezani sistem monitoringa reke Soče (2000‐ 2006).

Primer strukture ASCII datoteke, ki se prenaša iz FTP strežnika ARSO je prikazan na Slika 20:

Slika 20: Vsebina tekstovne ASCII datoteke merilnih postaj.

Podatki se ob uspešnem prenosu med FTP strežnikom ARSO in odjemalcem URSZR vnesejo v podatkovno bazo izdelano s programsko opremo Microsoft SQL Server, ki omogoča delo z velikimi podatkovnimi skladišči. Uporabljena podatkovna baza je uspešen kompromis med zmogljivostjo in ceno podatkovne baze. Večji podatkovni nizi so pričakovani zaradi visoke frekvence prenosa podatkov tj. 30 minut ali 15 minut, glede na vrsto merilne postaje.

54 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Glede na dosedanje izkušnje s tovrstnimi podatki je pričakovano, da podatkovna baza v letu dni vsebuje več kot 10 milijonov zapisov vrednosti merilnih postaj na vseh vodotokih R Slovenije, zato je potrebno posebno skrb posvetiti administriranju podatkovne baze npr. izdelavi varnostnih kopij, indeksiranju, ipd.

Transparentnost podatkovnih nizov je dodatno opisana z meta podatkovnimi zapisi, ki so sestavni del FTP protokola prenosa podatkov. Meta podatkovni zapisi merjenih vrednosti omogočajo dinamično konsistenco v primeru, da se merilne postaje dodajajo ali ukinjajo obstoječe. Na ta način je vedno mogoč pregled merjenih podatkov četudi je bila merilna postaja ukinjena, podatki se pa lahko združujejo, če je merilna postaja ponovno v obratovanju. Pomemben podatek pa, ki ga je potrebno vseskozi zasledovati je tudi podatek o kalibraciji merilne postaje saj se le‐ti lahko vseskozi spreminjati.

Operativno se podatki prenašajo s samostojnim FTP odjemalcem in vpisujejo v podatkovno bazo s SQL funkcijami. Zagon odjemalca lahko poljubno nastavljamo v konzoli za upravljanje Microsoft SQL Server baze. Povezava med operativnima centroma je prikazana na SlikaP 21. FT odjemalec na URSZR prenaša podatke iz FTP strežnika ARSO, kjer se odlagajo tekstovne ASCII datoteke s podatki merilnih postaj. V primeru prekinitve povezave med obema operativnima centroma, datoteke ostanejo na FTP strežniku ARSO, FTP odjemalec na URSZR pa jih prenese takoj ko je povezava vzpostavljena.

Slika 21: Shema prenosa in uporabe podatkov

Metodologija protokola prenosa podatkov temelji na predpostavki, da povezava med operativnima centroma deluje z visoko zanesljivostjo oziroma razpoložljivostjo obeh strežnikov. V operativni

55 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju uporabi bi bilo potrebno vključiti tudi redundatne strežnike, ki bi ponujali storitve v primeru izpada katerega od delov sistema.

2.3.1 Struktura podatkovnih datotek Struktura prenosa podatkov na FTP strežniku je oblikovana na podlagi standardnih zapisov ASCII datotek ARSO‐a. Takšna struktura datotek je že dobro uveljavljena kot prenos raznovrstnih podatkov med ARSO in uporabniki podatkov. V osnovni mapi je izdelana strukturamap META, HISTORICAL, ONLINE in WARNING. Znotraj teh map pa so urejene mape za hidrološke (HYD), meteorološke (MET) in ALADIN (ALADIN) podatke:

URSZR /OUT /META

/HISTORICAL /HYD

/MET

/ONLINE /HYD

/MET

/ALADIN

/WARNING

Dodatno so vsebine map obrazložene v: URSZR/OUT/META. Tu so odloženi tudi metapodatki merilnih mest. Metapodatki opisujejo merilna mesta v ASCII tekstovne formatu. FTP odjemalec vsakokratno pregleda spremembe merilnih mest in doda nove podatke o merilnih mestih v podatkovno bazo.

Primer vrstice hidroloških podatkov je (glej tudi Slika 20):

106001030200503060230 72.800 (72.800 je izmerjena vrednost)

Prve štiri številke opisujejo šifro merilne postaje:

1060 Mura ‐ G. Radgona

6210 Savinja Veliko Širje

6300 Paka ‐ Šoštanj

7160 Krka ‐ Podbočje

8060 Soča ‐ Log Čezsoški

8130 Soča ‐ HE Doblar

8180 Soča ‐ Solkan

8350 Idrijca ‐ Podroteja

8565 Vipava ‐ Dolenje

56 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

9050 Reka Cerkvenmikov mlin

9352 Jadransko morje ‐ Luka Koper

Naslednjih 5 številk določajo tip podatka:

01030 water level – on measurement time ‐ cm

01130 water level – average ‐ cm

01230 water level – maximum ‐ cm

01330 water level ‐ minimum ‐ cm

02030 dischage – on measurement time ‐ m3/s

02130 discharge – average ‐ m3/s

Naslednjih 12 številk določa datum in čas podatka:

Leto (LLLL), mesec (MM), dan(DD), ura(uu), minuta(mm)

LLLLMMDDuumm

Zadnje število v podatkovni vrstici je vrednost meritve. V primeru, če podatek za merilno postajo ne obstaja, se tu nahaja številka “9999.999” kot privzeta vrednost.

URSZR /OUT /ONLINE /HYD

/MET

/ALADIN

Druge mape so uporabljene za prenose meteoroloških (MET) in ALADIN (ALADIN) podatkov. Ti podatki se v projektu vizualizacije poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju niso uporabljali.

V mapi: URSZR /OUT /WARNING se odlagajo razna opozorila, ki jih meteorološka in hidrološka služba naslavlja na različne uporabnike podatkov npr. možnost nastopa višjih voda, možnost nastopa lokalnih neurij, ipd.

2.3.2 Struktura podatkovnega modela Podatkovni model vsebuje hidrološke podatke. Podatki so shranjeni v tabelah podatkovne baze Microsoft SQL Server. Podatkovna baza je optimizirana za učinkovito shranjevanje in poizvedovanje ter hkrati pripravljena tudi za izdelavo poizvedb v večdimenzionalni OLAP strukturi.

Hidrološki podatki se shranjujejo v naslednjih tabelah ():Slika 22

‐ VPostajaIme: opisuje seznam hidroloških postaj in pripadajočih vodotokov (šifra hidrološke postaje, vodotok in ime hidrološke postaje); ‐ VPostaje: podatki hidroloških postaj (datum zapisa podatka, ime FTP datoteke, šifra postaje, tip

57 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

podatka, datum podatka, vrednost meritve/podatek); ‐ TipPodatkaIme: tip hidroloških podatkov (tip podatka in enota podatka). VPpostajeIme SifPostaje Vodotok VPostaje Kraj ID_Zapisa SifPostajeIme DatumZapisa ImeDatoteke SifPostaje TipPodatka DatumPod Podatek TipPodatkaIme TipPodatka TipPodatkaIme Enota

Slika 22: Struktura in relacije tabel hidroloških podatkov.

Podatkovna polja tabele VPostajaIme:

‐ SifPostaje: šifra hidrološke postaje; ‐ Vodotok: ime vodotoka; ‐ Kraj: ime najbližjega kraja; ‐ SifPostajeIme: ime hidrološke postaje. Podatkovna polja tabele VPostaje:

‐ ID_Zapisa: identifikator zapisa hidroloških podatkov; ‐ DatumZapisa: datum in čas zapisa podatkov v podatkovno bazo; ‐ ImeDatoteke: ime FTP datoteke, ki je podatek vsebovala; ‐ SifPostaje: šifra hidrološke postaje; ‐ TipPodatka: tip/šifra hidrološkega podatka; ‐ DatumPod: datum in čas zajema podatka; ‐ Podatek: izmerjena vrednost. Podatkovna polja tabele TipPodatkaIme:

‐ TipPodatka: tip/šifra hidrološkega podatka; ‐ TipPodatkaIme: ime tipa hidrološkega podatka; ‐ Enota: enota tipa hidrološkega podatka.

2.4 Vizualizacija Zakaj vizualizacija

Temeljni pogoj za nadzorovanje in preučevanje resničnosti v vizualizaciji je postavitev simulacijskega modela, v katerem so uporabljene vse spremenljivke, ki ustvarjajo nek dogodek ali pojav znotraj

58 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju izoliranega navideznega prostora. To omogoča izključitev vseh škodljivih dejavnikov in s tem ustvari laboratorijsko okolje, v katerem raziskovalci lažje nadzorujejo potek dogajanja.

Čeprav je bila tehnologija navidezne resničnosti razvita v vojaški industriji, je zaradi različnih uporabnih možnosti kaj kmalu zapustila svoje prvotno razvojno okolje in se naselila v znanstvena in univerzitetna središča. Od tod pa se je v obliki aplikativnih rešitev hitro preselila v industrijo, gospodarstvo, zdravstvo in izobraževanje. Spoznavanje resničnosti preko simuliranih navideznih modelov je enostavnejše, hitrejše in varnejše. Da lahko govorimo o navidezni resničnosti, je potrebno slediti dvema osnovnima konceptoma: potopitvi v simulirano okolje in interakciji. Potopitev pomeni vstop uporabnika v računalniško generirano okolje, ki posreduje informacijo s preslepitvijo njegovih čutil (taktilna izkušnja), interakcija pa predstavlja osnovno načelo delovanja znotraj simuliranih okolij in obravnava tehnologijo za navidezno resničnost kot orodje oziroma vmesnik.

GIS in VR

Uporaba GIS je od sredine osemdesetih doživela pravi razcvet. Uporabna znanost in tehnološki razvoj sta nam približala postopke natančnega zajema prostorskih podatkov, zadostne kapacitete za shranjevanje in primerno hitre postopke za preiskovanje oziroma iskanje informacij znotraj ogromnih količin podatkov.

VR na primer omogoča uporabniku spremembe pogleda v trenutku: iz kota 90 stopinji klas čne 2D karte na 45 stopinj, kjer se že pojavi boljša in neposredna zaznava reliefa, na kot 30 stopinj, kjer je v večini primerov učinek prostorske zaznave reliefa najboljši ali pa na poljubni kot, določljiv v interaktivnem času.

Toda interaktivno spreminjanje pozicije, kota pogleda sta samo osnova za izbiro podmnožice podatkov, ki si jo uporabnik želi ogledati oziroma nad njo izvajati nadaljnje vizualne analize. Sistem mu lahko glede na kot pogleda, oddaljenost in druge parametre predstavi značaj reliefa z vsemi morfološkimi oblikami. Lahko pa samo poudari pomembne objekte, uporabnik definira zgolj stopnjo pomembnosti podatkov.

Prehajanje klasične topografske kartografije v obdobje interaktivnega časa in domeno virtualne realnosti postaja vse manj boleče; postopki so znani, stroški nabave tehnologije pa se z razvojem manjšajo. Plastenje različnih podatkov, vektorskih ali rastrskih, prikaže toliko vizualnih informacij, da je na primer odkrivanje napak v podatkih, ki so nastale med procesom zajema, trivialno. Že s preprostimi orodji za merjenje razdalj, višinskih razlik, površin in volumnov po 3D modelu, pa lahko ocenimo ali določimo velikost napake, dolžino poljubne poti, in tako dalje.

Področij uporabe je ogromno. Že digitalni model reliefa (DMR) zadostuje za pregled terena. Če mu dodamo še digitalni ortofoto (DOF), dobimo okolje za različne simulacije. S preprostim ukazom lahko zahtevamo informacije iz zemljiške knjige glede na številko parcele, če podatkom dodamo še načrte parcel s parcelnimi številkami. S 3D podatki lahko z enim klikom pridemo do informacije posameznega stanovanja v zgradbi. V takšni množici podatkov (DMR, DOF in 3D zgradb) postane pregled hidravličnih modelov užitek. Že pri prvih rezulatih lahko vidimo kakšna infrastruktura bo bo ogrožena, hitrost in učinkovitost odločanja pa se poveča.

59 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Toda kopičenje podatkov nudi končnemu uporabniku še veliko več, uporabnost sega od posredovanja informacij, načrtovanja, vizualnih analiz do simulacij v prometu, geodeziji, varstvu okolja, kmetijstvu, gozdarstvu in drugod.

Primer uporabe GIS v VR

Geolocirane podatke o razlitju nevarnih snovi se preko spleta direktno vnese v GIS VR sistem, kjer se avtomatsko povežejo s kartami, distribucijo populacije in vodnimi viri. Vizualizacija, kombinacije podatkov ter analize pa nam pomagajo pri odločitvi načina sanacije problema; pregleda in načrtovanje logistike oskrbovanja, hkrati pa se že načrtuje tudi potencialna evakuacija področja.

Nadzor vozil, zabojnikov ali transportnih pošiljk je že v široki uporabi in nudi kontrolorjem hitro lociranje želenega objekt na klasični 2D karti, obenem pa omogoča pregled nad opravljeno potjo in porabo goriva. Z dobrimi informacijami o stanju na cestah lahko kontrolor sporoči vozilu spremembo poti, kar prav tako pripomore k hitrosti in zmanjšanju stroškov.

Paleta možnih informacij v VR sistemih obsega vse vrste meteoroloških podatkov, podatke o stanju na cestah. Lahko pa celo spremlja podatke denimo radiološkega onesnaževanja v realnem času.

GPS naprave in dlančniki nam že omogočajo lažje zbiranje in zajemanje podatkov na terenu, medtem ko nam svetovni splet omogoča preprosto distribucijo teh podatkov do oseb in sistemov, ki z njimi dejansko operirajo. Dobljeni rezultati so takoj na voljo uporabnikom teh sistemov.

Kam vodi uporaba VR?

Na državni ravni je potrebnih podatkov sicer dovolj, a je včasih pot do njih skoraj nemogoča in zelo draga. Vse to, kot tudi kaos njihovih različnih formatov, otežuje izgradnjo GIS sistemov. Tovrstnih sistemov v splošno dobro pri nas verjetno še dolgo ne bomo videli, čeprav bi njihova dostopnost olajšala bivanje ter ustvarjala prednost pred tujo konkurenco.

Veliko bi pomenilo, če bi na enem mestu lahko dobili tekoče vizualne in ostale informacije, o vremenu, stanju na cestah, najboljši možni poti od A do B, turistični ponudbi, zgodovini, sestavi tal in še drugih koristnih informacij.

V zadnjem času sta aktualna predvsem dva pristopa pri procesih izboljševanja odločanja in izdelovanja odločitvenih pravil v organizacijah. Prvi pristop se naslanja na metode umetne inteligence, kjer poskuša računalnik nadomestiti človeka s posnemanjem njegovih miselnih procesov pri izdelavi odločitvenih pravil. Algoritmi umetne inteligence poskušajo iz podatkov na osnovi razpoznavanja vzorcev, skritih zakonitosti na način, ki posnema človeka, ekstrahirati pravila za odločanje (decision rules).Kljub dobrim teoretskim razultatom se take metode v praksi niso dosedaj najbolj obnesle. Računalnik pogosto ne zna razložiti, kako in zakaj je prišel do določenega rezultat, kar pomeni, da je proces odločanja črna škatla, v katero uporabnik lahko verjame, lahko pa tudi ne.

Drug pristop je v uporabi vizualizacije pri procesih odločanja, kjer se podatki na nek način interpretirajo v 3D svetu, uporabniku pa je prepuščeno, da v tem virtualnem svetu poišče strukture in zakonitosti preko različnih operacij in podatkovnih manipulacij. Možgani porabnika so v tem primeru tisti, ki nato opravijo razpoznavanje vzorecev in tvorijo pravila za odločanje. Koncept je v tem primeru

60 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju morda manj daljnosežen, zato pa daje v praksi dobre rezultate, saj razdeli delo med računalnik in človeka in vsakemu dodeli nalogo, ki jo obvlada bolje.

Cilj je torej razvoj uporabne vizualizacijske programske opreme z intuitivnim vmesnikom, ki omogoča transparentno integracijo podatkov in načina predstavitve te vsebine (interaktivni svet kot uporabniški vmesnik). Omenjen sistem podatke interpretira v 3D svetu in pusti uporabniku, da s pomočjo svojih procesnih sposobnosti (možganov) na naraven način intuitivno uzre strukture, pravila in vzorce, skrite v teh podatkih.

Vizualizacija ne pomeni samo 3D predstavitve podatkov, pač pa predvsem 3D interaktivno okolje, ki se odziva na uporabnikove akcije na kontekstno odvisen način. Podatki niso več pasivni objekti zrenja pač pa inteligentne entitete, ki znajo aktivno sodelovati v dogajanju. Vsaka entiteta naj bi se znala odzivati na akcije uporabnika na več načinov in mu omogočati različne oblike navigacije po izbranih in okoliških entitetah.

Elementi vizualizacije hidravličnih modelov

Navigacija v 3D okolju poteka preko standardnih operacij kot so: premikanje kamere, približevanje, oddaljevanje, translacija po oseh itd.

Interaktivna vizualizacija natančno izračunanega hidravličnega modela uporabniku na intiutiven način prikaže prizadeto območje, skupaj z ogroženimi in s potencialnimi ogroženimi ranljivimi objekti in infrastrukturo na željenem geografskem področju.

Geografsko področje se upodablja z digitalnim modelom višin LIDAR ali z manj natančnim in starejšim, vendar zadostnim modelom za potrebe vizualizacije, 25m digitalnim modelom višin. Višinski model je prekrit z digitalnimi ortofoto posnetki (1:5000).

Za upodabljanje ranljivih objektov se uporabljajo iz katastra stavb zgenerirani geolocirani 3D modeli, ki bi v nadgradnji lahko vsebovali še povezave na dodatne informacije(št. oseb, ostala zanimiva infrastrkutura. Informacije, ki jih uporabnik dobiva, bodo kontekstno odvisne (s premikom miške na določen objekt se npr. Izpiše relevantena vsebina, ki je na voljo uporabniku).

Uporabniku je dana možnost, da se v interaktivnem času premika skozi geografsko področje in pridobiva različne vizualne in merske podatke poljubnih geodetskih koordinat.

Uporabnik lahko poleg dinamičnega modela interaktivno opazuje tudi ostale dostopne hidravlične modele na željenem geografskem območju.

2.5 Hidrološko prognoziranje

Hidrološka napoved kot del izvajanja nalog ARSO in integracija hidrološke napovedi v vizualizacijsko orodje. Ta del ni element naloge projekta, ampak bi bil dobrodošel element pri učinkovitejšem ukrepanju ob poplavah.

2.5.1 Spremljanje in napovedovanje visokih voda v Sloveniji

V letih od 1998 do 2004 je bilo v Evropi zabeleženih kar okoli 100 večjih poplav, ki so terjale približno 700 življenj, okoli pol milijona ljudi pa je bilo zaradi poplav in poplavne nevarnosti začasno preseljenih. Število poplav, tudi hudourniškega tipa, v Evropi izrazito narašča in analitiki tovrstne globalne spremembe pogosto

61 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju povezujejo s podnebnimi spremembami, opozarjajo pa tudi na neprimerno upravljanje povodij in gradnjo na poplavno ogroženih območjih v preteklosti.

Visoke vode se v Sloveniji pojavljajo vsako leto in v vseh letnih časih. Spremljajoče poplave so povsem običajen naravni pojav, ki pa predvsem zaradi dolgoletnega vztrajnega človekovega poseganja v vodni prostor občasno dobijo značaj katastrof. Analiza trendov pretokov slovenskih rek sicer še ne nakazuje statistično značilnega povečevanja pojavljanja visokih voda, vendar se spremljanju in analiziranju pretočnih režimov ter zagotavljanju hidroloških napovedi na Agenciji Republike Slovenije za okolje posveča velika pozornost. Aktivnosti so usmerjene na nivoju večjih prekomejnih povodij oz podpovodij ali na lokalnem hidrografskem nivoju. Dejavnosti potekajo v okvirih mednarodnih projektov, zasledujejo se razvojne sheme direktive evropskega parlamenta in sveta o ocenjevanju in obvladovanju poplav, ki naj bi zagotovila usklajevanje ukrepov na celotnih vplivnih območjih, ne glede na administrativne meje, z namenom zmanjševanja poplavnega tveganja za ljudi, premoženje in okolje. Strokovnjaki so si enotni, da poplav pravzaprav ni mogoče preprečiti, lahko pa jih z vse večjo verjetnostjo napovedujemo, usmerjena človeška dejavnost in ozaveščenost pa lahko prispeva k povečanju oz. zmanjšanju njihovih katastrofalnih učinkov.

Slika 23: Soča kot mirna reka (levo) in kot hudournik (desno)12

Zaradi velike količine letnih padavin, predvsem v zahodni in severni Sloveniji, so količine vode, ki se kot del vodnega kroga pojavljajo na območju Slovenije, nad evropskim povprečjem. Rezultati vodne bilance kažejo na to, da je območje Slovenije bogato z vodo. Po 27.000 kilometrih rečnih strug iz Slovenije površinsko odteče vsako sekundo okoli 1.000 m3 vode, od tega priteče dobrih 400 m3/s iz sosednjih držav, večinoma iz Avstrije (Drava, Mura). Veliko gostoto rečne mreže (1,33 km/km2) spremlja tudi velik razpon specifičnih odtokov: od okoli 5 l/s/km2 v vzhodni Sloveniji do preko 100 l/s/km2 v zahodni Sloveniji.

12 Vir: ARSO, SOKOL

62 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pretočni režimi sledijo geološki, morfološki in klimatski pestrosti območja in se razvrščajo v skupine od dežnega (pluvial), dežno snežnega (pluvio‐nival), snežno dežnega (nival‐pluvial) do snežnega (nival). Pretoki slovenskih vodotokov se lahko v zelo kratkem času povečajo za sto‐krat, dvesto‐krat ali celo večkrat. Ta spremenljivost v značaju rečnega odtoka je primarno odraz prostorske in časovne intenzivnosti padavin, taljenja snega, pomembna pa je tudi predhodna zasičenost ali zamrznjenost tal ter stanje vegetacije. Ob tako povečanih pretokih rek, potokov in hudournikov nastanejo poplave, ki pa jih lahko pogosto povezujemo tudi z antropogenimi spremembami v vodnem prostoru oz. v celotnem porečju.

2.5.2 Ekstremni hidrološki pojavi v Sloveniji

Hidrološki ekstremi so razmeroma redki in izraziti pojavi povečanja vodnatosti rek oz. preplavitev ali zmanjšanja njihove vodnatosti ali osušitev rečnih strug in znižanja gladin jezer in mokrišč ter zmanjšanja zalog podzemne vode v vodonosnikih. Škodljivi učinki nizkih voda oz. suš se prepoznavajo postopno, so dolgotrajni in običajno nastopajo na širših območjih. Učinki visokih voda so najpogosteje kratkotrajni, posledice pa omejene na obvodni prostor in območja manjprepustnih depresij ter kraških polj. Najbolj silovite, najhitrejše in hkrati tudi prognostično najtežavnejše so hudourniške poplave (flash‐flood), ki nastajajo v goratih in hribovitih povirnih delih večine slovenskih rek. Značilna je njihova velika erozijska moč in velike količine prenesenega suspendiranega materiala in plavja, ki zmanjšuje pretočno sposobnost strug ter vodnih objektov. V srednjem in spodnjem toku večjih rek zaradi preseganja pretočnih zmogljivosti rečnih strug in razlik v hitrosti dotekanja visokih voda v sotočjih nastanejo dolinske poplave. Potovanje poplavnega vala je v tem primeru veliko lažje napovedati, saj je čas od napovedi do poplave (lead‐time) daljši.

2.5.3 Pogostost visokih voda in poplav v Sloveniji

Visoke vode in poplave se v Sloveniji pojavijo vsako leto in so za Slovenijo kar običajen naravni pojav. Pojavljajo se v vseh letnih časih. Najpogostejše so v jesenskem obdobju, predvsem zaradi zmanjšane zaščitne vloge rastlinskega pokrova, vendar pa je v zadnjih letih opazno večje število hudourniških poplav tudi v poletnem času.

V Sloveniji poplave ogrožajo več kot 300.000 ha površin. Največ poplavnih površin je v ozkih dolinah vzdolž hudourniških grap ter na okrog 30 obsežnih poplavnih območjih v razširjenih delih dolin, ob morju in na kraških poljih. Več kot polovica poplavnega sveta je v porečju Save, nekoliko manj v porečju Drave in najmanj v porečju Soče. Visoke vode s povratno dobo 50 let ogrožajo skupno okrog 74.000 ha zemljišč, od tega 2.440 ha urbanih površin.

Slika 24:Najvišja izmerjena gladina 01.11.199013

13 Vie: ARSO, SOKOL

63 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Nacionalna hidrološka služba Agencije Republike Slovenije za okolje v zadnjih letih beleži letno povprečno 60 visokovodnih primerov, ko reke na vodomernih postajah in/ali gladina morja ob slovenski obali presežejo opozorilne vrednosti pretokov in vodostajev. To so vrednosti na vodomernih postajah, pri katerih se začne v nacionalni hidrološki službi izredno spremljanje in obveščanje.

V zadnjem stoletju ni bilo desetletja brez večjih povodnji. Pojavljale so se na celotnem ozemlju Slovenije. O najhujših poplavah so poročali s širšega celjskega območja, Podravja in Pomurja, spodnjega toka Save, Koroške, Notranjske in predalpskega hribovja. V prejšnjem stoletju so bile večje povodnji v novembru 1901, maju 1910, novembru 1923, 12. novembra 1925, 8. avgusta 1926, 23. in 24. septembra 1933, 4. in 5. junija 1954, 13. in 14. julija 1972, 1. novembra 1990 ter 7. in 8. november 1998. V zadnjih letih pa izstopajo predvsem poplave v novembru 2000, avgustu 2005 in hudourniška poplava v septembru 2007.

2.5.4 Vloga hidrološkega spremljanja in napovedovanja

Vedenje o vodnih razmerah in zavedanje o moči vode je bilo skozi generacije vtkano v zavest naših prednikov in je tako vplivalo na razvoj družbe. Tudi danes so zanesljive informacije o razmerah in trendih na področju vodnih virov pomembna podlaga trajnostnemu razvoju družbe. Sistem zgodnjega opozarjanja pred hidrološkimi ekstremi in nadaljnji ukrepi državnih služb povečujejo varnost prebivalcev in imetja v obvodnem svetu.

Agencija RS za okolje zagotavlja preko nacionalne hidrološke službe tudi spremljanje hidroloških razmer na državni mreži vodomernih postaj hidrološkega monitoringa v Sloveniji. Operativna dežurna prognostična skupina izdeluje in posreduje dnevna poročila o hidroloških razmerah na slovenskih rekah in morju, napoveduje vodnatost rek in višine morja za naslednje dni ter opozarja pred izrednimi hidrološkimi pojavi. V skladu z mednarodnimi dogovori in protokoli izdaja opozorila pred visokimi vodami tudi sosednjim državam: Italiji, Hrvaški in Madžarski.

Pri zagotavljanju zgodnjega opozarjanja pred poplavami in hidrološko sušo je nacionalna hidrološka služba vključena v nacionalni program varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami in v državni načrt zaščite in reševanja ob poplavah, kot tudi v mednarodne sisteme zgodnjega opozarjanja, kot so: Evropski poplavni alarmni sitem (EFAS), mednarodni sistem za napoved visoke vode reke Mure, povezani sistem monitoringa Soča ‐Isonzo (SIMIS), Alarmno opozorilni sistem podonavskih držav za opozarjanje ob večjih onesnaženjih rek (AEWS) ter sodeluje pri razvoju poplavnega opozorilnega sistema podonavskih držav.

Poleg zagotavljanja zgodnjega opozarjanja pred hidrološkimi ekstremi je pomembna vloga nacionalne hidrološke službe tudi v ozaveščanju prebivalstva in približevanju informacij o vsakodnevnih vodnih razmerah čim širšemu krogu ljudi. Prebivalci na ogroženih območjih morajo biti seznanjeni s tveganjem.

2.5.5 Osnovna predstavitev nalog in orodij pri hidrološkem napovedovanju

Za učinkovito napovedovanje hidroloških razmer in pravočasno opozarjanje pred hidrološkimi ekstremi je potrebno združevanje znanj in tehnik s področja hidrologije, meteorologije in vrste drugih naravoslovnih ved ter informatike. Sistemsko združevanje informacij s pomočjo hidroloških prognostočnih orodij predstavlja podlago za ekspertno odločanje hidrologa prognostika.

Operativno delo hidrološkega prognoziranja je sestavljeno iz zbiranja in presoje hidroloških in dela meteoroloških podatkov, analiziranja trenutnih hidroloških razmer in predvidenih meteoroloških razmer, procesiranja in obdelave podatkov ter hidrološko simuliranje odtoka ter strokovne presoje hidroloških razmer, izdelave napovedi za 48 ur v naprej ter izdelave hidroloških poročil in opozoril pred poplavami ali hidrološko sušo.

64 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

meteorološki modeli Meteorološka napoved radarski podatki Zainteresiran uporabnik informacij merilne postaje Hidrološka prognoza opazovalci

Slika 25: Shema toka informacij in dela hidrološke prognoze.

Zbiranje hidroloških podatkov temelji predvsem na samodejnih tehnikah zaznavanja hidroloških karakteristik: vodostaja, pretoka in temperature vode. Podatki se vsakih 30 minut zbirajo preko 28 avtomatskih hidroloških postaj in 27 avtomatskih padavinskih postaj ter s telefonskim stikom z opazovalci.

V procesu pridobivanja podatkov in kasnejšega sprotnega napovedovanja (now‐casting) so v uporabi vsi viri samodejnega daljinskega zaznavanja hidroloških in meteoroloških dejavnikov, poleg omenjenih samodejnih postaj tudi radarske slike padavin, satelitske sike atmosfere ter zaznavanje razelektritev ob nevihtah z dodatno podporo numeričnih meteoroloških modelov.

Pri obdelavi podatkov in simuliranju površinskega odtoka, ki je osnova strokovnim presojam, so povečini v uporabi statistič ne metode obdelave podatkov in regresijsko modeliranje za napoved odtoka, v zadnjem času pa predvsem modelna orodja, kot so hidrološki prognostični modeli HBV, TOPMODEL in NAM in MIKE11 v sistemu Flood Watch na reki Muri ter sodelovanje pri mednarodno nastajajočih modelnih zasnovah kot je model LisFlood, ki deluje v okviru evropskega poplavnega alarmnega sistema. V sodelovanju s partnerji iz avstrijske dežele Štajerske smo vzpostavili skupni sistem za opazovanje in napovedovanje pretokov rek v porečju Mure, s partnerji iz Furlanije Julijske krajine razvijamo podoben sistem za napovedovanje pretokov rek v porečju Soče. Operativno uvajanje navedenih povprečnih konceptualnih prognostičnih orodij in skupnih sistemov opazovanja in prognoziranja je plod mednarodnega sodelovanja v različnih evropskih programih in projektih s ciljem zagotavljanja celovitega sistema zgodnjega opozarjanja pred poplavami in hidrološko sušo na ozemlju Slovenije in dela sosednjih držav ne glede na administrativne meje.

Dnevna poročila o hidroloških razmerah v Sloveniji, napovedi hidroloških razmer in opozorila pred poplavami in hidrološko sušo so posredovana različnim uporabnikom kot so: Uprava za zaščito in reševanje, radijske hiše, RTV SLO, pogodbeni naročniki, spletne strani Agencije RS za okolje, podatki in napovedi so posredovane tudi v mednarodno izmenjavo.

Kljub razvoju tehnologije, ko naj bi bilo možno pojasniti in predvideti skoraj vse, tudi procese v naravi, se je zlasti pri sistemu zgodnjega opozarjanja pred hidrološkimi ekstremi potrebno zavedati tudi omejitev. Intenzivni vremenski procesi na majhnih hudourniških porečjih so še vedno zelo težko predvidljivi. Trenutne tehnične zmožnosti za sedaj še ne omogočajo zanesljive napovedi izdatnih lokalnih padavin, prav hudourniške poplave pa so najtrši oreh za hidrološko napovedovanje in zgodnje opozarjanje.

2.5.6 Pomembnost podatkov za prognostične (opozorilne) sisteme Hiter prenos informacij zagotavlja v današnjem dinamičnem svetu veliko prednosti. Informacije so ključnega pomena pri obveščanju, izboljšanju odzivnosti in vodenja opredeljenih ukrepov v primeru

65 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju zaznave poplavnih ali drugih tveganj. Izgradnja vsakega opozorilnega sistema je odvisna predvsem od niza (nabora in kvalitete podatkov s katere uporabljamo za matematične modele znotraj sistemov. Odvisnost opozorilnih sistemov (modelov) od kvalitetnih, kontinuiranih opazovanj je z razvojem hidroloških modelov vedno večja. Za ustrezno opozorilno delovanje je zelo pomemben hiter prenos podatkov iz meteo‐hidroloških postaj v modelno okolje in sistem. Tako so snovalce sistema čakajo glavni izzivi predvsem pri združevanju pridobljenih podatkov iz nacionalnih hidro‐meteoroloških metričnih mrež, ki so kot ločeni vhodni podatki nato združeno dostopni operativnim centrom. V primeru mednarodnega sodelovanja na reki Muri nacinalna centr prenašata podatke iz nacionalnih (deželnih) podatkovnih baz, jih odlagata na skupen mednarodni strežnik, kjer se podatki združijo in se zažene simulacija. Izračuni in združeni vhodni podatki se nato z mednarodnega centra prenašajo ponovno preneseni v nacionalne centre. Strokovnjaki v nacionalnih centrih npr. v Gradcu ‐ Amt der Steiermärkischen Landesregierung in v Ljubljani – Agencija Republike Slovenije za okolje, Oddelek za hidrološko prognozo lahko na podalgi pridobljlenih rezultatov ali svojih lastnih zagonov prognostičnega sistema izdelajo nove spremembe in simulacije glede na trenutne potrebe in tako nadgradijo informacije, ki jih zagotovi avtomatski mednarodni center.

Razvojna shema prenosa podatkov na reki Soč i temelji na podobnem sistemu povezovanja kot na reki Muri. Pričelo se je z zbiranju podatkov na skupnem strežniku s katerim upravlja UL‐FGG, KMTe, preko katerega so se odlagali in prenašali podatki avtomatskih hidroloških in meteoroloških postaj, ter napovedi meteorološkega numeričnega modela ALADIN/SI, katere je zagotavljala Agencija RS za okolje. Podatki so v skupno bazo prihajali preko TPF protokola in s tem je bila zagotovljena za delovanje za razvoj in vzpostavitev hidroloških in hidravličnih orodij za napovedovanje pretokov. Takšne podatkovne povezave na mednarodnih povodjih v tem prieru na reki Soči ali na reki Muri poglabljajo zaupanje v delo nacionalnih institucij za zaščito in obveščanje v primeru poplav ali naravnih nesreč. S tem dodatno vplivamo na povečanje odgovornosti sodelujočih institucij in premaguje nacionalne omejitve za delo v skupno dobro. Preko sodelovanja je omogočen tudi dostop oz. vpogled v različne sisteme izvajanja meritev, ravnanja s pridobljenimi podatki in ter njihovo uporabo. Iz skupnega dela lahko pristojne institucije kvalitativno ovrednotijo svoje preteklo delo in opredelijo področja, ki so potrebna izboljšav ali nadgradnje.

2.5.6.1 Izmenjava podatkov v realnem času Prenos podatkov na porečju reke Mure

Tok podatkov pa se med obema državama nekoliko razlikuje. Slovenija ima precejšnjo prednost v svoji povezanosti meteorološke in hidrološke službe, ki delujeta skupno pod okriljem Agencije RS za okolje. Na drugi strani imajo na Avstrijskem Štajerskem nekoliko več težav s povezovanjem institucij, ki delujejo na področju spremljanja meteoroloških in hidroloških vhodnih podatkov. Medtem ko deželna vlada Avstrijske Štajerske samostojno obvladuje hidrološki monitoring, pridobivajo meteorološke podatke in napovedi iz Nacionalnega meteorološkega in geofizikalnega inštituta Republike Avstrije ‐ Zentralanstalt für Meteorologie und Geodynamik (ZAMG). Tok podatkov iz Slovenije in rezultati simulacij iz mednarodnega centra se izmenjujejo preko ftp protokola, ki je nameščen v Joanneum Reseach‐u, kjer se hranijo podatki za primer varnosti ob daljšem prenehanju delovanja mednarodnega centra in obenem sočasne kontrole zapisa podatkov.

66 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 26: Organizacija izmenjave podatkov na Avstrijskem Štajerskem.14

Ključni podatki, ki so potrebni za delovanje sistema so urna količina padavin in izmerjeni vodostaji oz. pretoki, izmerjena temperatura zraka in izračunane predvidene padavine (meteorološki model ALADIN) za posamezno državo. Zbrani podatki s prenosom v realnem času omogočajo delovanje sistema in vsakodnevno prognozo vodostajev oz. pretokov v izbranih profilih.

Slika 27: Organizacijska shema izmenjave podatkov iz Slovenije do mednarodnega centra.15

14 Pogačnik N, Ruch, C., Gosar L., 2008: HIDROLOŠKI PROGNOSTIČNI SISTEM: UPORABA PROSTORSKIH PODATKOV, Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, Ljubljana

15 Pogačnik N, Ruch, C., Gosar L., 2008: HIDROLOŠKI PROGNOSTIČNI SISTEM: UPORABA PROSTORSKIH PODATKOV, Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, Ljubljana

67 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Vsi podatki so za Avstrijsko Štajersko ‐ Amt der Steiermärkischen Landesregierung predstavljeni v spletni GIS aplikaciji, kjer so podani osnovni podatki o vodostajih površinskih in podzemnih vod, ter podatki iz meteoroloških postaj. Podrobnejši pregled delovanja postaj, obdelavo podatkov v različne namene lahko po potrebi opravimo z dodatnimi zagoni prognostičnega sistema.

Slika 28: Prikaz meteolorških in hidroloških podatkov iz avtomatskih postaj v GIS okolju prognostičnega sistema.16

Pri vzpostavitvi modelov je bilo za potrebe izgradnje potrebno zagotoviti tudi druge topografske, geometrijske in analitske podatke obeh hidroloških in meteoroloških služb. Le ti so bili uporabljeni tekom vzpostavitve geografskega informacijskega sistema ARC GIS 9.x (digitalni model reliefa, lokacija posameznih postaj, mreža postaj) v katerega so se nato vpenjali podatki iz avtomatskih hidro‐ meteoroloških postaj in rezultati prognostičnega sistema. Za potrebe izgradnje hidravličnega in hidrološkega modela so bili zbrani obstoječi prečni profili reke Mure in pomembnejših pritokov, pokrovnost tal, podatki o evapotranspiraciji ipd.. Zaradi več hidroelektrarn v spodnjem delu toka reke Mure v Avstriji je bilo v usistemč vklj eno tudi obratovanje hidroelektrarn, za katere so pretoki preko turbin določeni glede na predpostavljene razmere in izračune. Za dokončno izgradnjo modelnega okolja so potrebni še podatki o preteklih visokovodnih dogodkih, s katerimi si pomagamo pri umerjanju (kalibriranju) parametrov v modelih.

Prenos podatkov na porečju reke Soče

Razvojna shema prenosa podatkov na geografskem informacijskem sistemu temelji na prenosu podatkov preko podatkovnega stališča UL‐FGG, KMTe iz katerega se zagotavljajo podatki za vse razvojne podatkovno pregledne in modelne naloge. Zbirajo se podatki avtomatskih hidroloških in meteoroloških postaj ter napoved modela ALADIN/SI, katere zagotavljata Agencije Republike Slovenije za okolje in Civilne zaščite Furlanije‐Julijske krajine.

Civilna zaščita Dežele Furlanije‐Julijske krajine zagotavlja podatke v okviru njihove monitoring mreže, ki temelji na podajanju vodostajev in ne merijo oz. ne preračunavajo pretokov na podlagi pretočnih krivulj. Za prepoznavanje strukture zapisa pridobljenih podatkov iz avtomatskih postaj sta

16 Pogačnik N, Ruch, C., Gosar L., 2008: HIDROLOŠKI PROGNOSTIČNI SISTEM: UPORABA PROSTORSKIH PODATKOV, Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, Ljubljana

68 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju zagotovljeni dve datoteki. V prvi je pripravljen opis senzorjev. Tu so zapisani podatki o lokaciji, imenu postaje, datumu postavitve, okraju, enoti, tipu senzorja ipd.

Vizija nadaljnje izmenjave podatkov in sodelovanja temelji na izmenjavi podatkov o gibanju gladine morja, valovanju, stalnih meritvah na ustju reke Soče, implementacija novejših tehnologij prenosa podatkov, izboljšanje in razširitev podatkovne strukture ter nadgradnja bazne strukture. Obstoječe zbrani podatki so na razpolago strokovnjakom analizam in izdelavi hidroloških ter hidravličnih matematičnih modelov za celotno povodje reke Soče. Cilj izmenjava podatkov je dokončanje operativnega prognostičnega sistema in poglobitev sodelovanja Agencije Republike Slovenije za okolje in Civilne zaščite Dežele Furlanije‐Julijske krajine.

Slika 29: Razvojna shema prenosa in uporabe podatkov.17

17 GOSAR, Leon, POGAČNIK, Nejc. POVEZAVA OPERATIVNIH CENTROV IN IZMENJAVA PODATKOV V REALNEM ČASU : predavanje, Projekt SIMIS, Povezani sistem monitoringa reke Isonzo - Soča, Interreg IIIA Italia - Slovenia 2000-2006 : zaključna predstavitev projekta, Gorica, 18. november 2006. Gorica, 2006

69 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 30: Operativna shema izmenjave podatkov.18

2.5.7 Vodenje in modeliranje v prognostičnem sistemu reke Mure

Pri modeliranju v vodarstvu se srečujemo z veliko problemi, ki so si pogosto zelo različni. Skupni imenovalec je voda, njeno gibanje, količina, kakovost, uporaba ali varovanje pred njo. Raznolikost problemov je posledica hidrološkega kroga in več ko vemo o tem procesu, bolje ko ga znamo matematično opisati, tem lažje opredelimo merila za ustrezno ravnanje v času povečane intenzivnosti padavin oz. povečanega pretoka.

Glede na uporabo v določenem delu hidrološkega kroga lahko modele potrebne za izgradnjo prognostičnega (opozorilnega) sistema razdelimo na: meteorološke, hidrološke, hidravlične.

Z meteorološkimi modeli se srečujemo pri modelinaju vodnih procesov povsem posredno, saj rezultati meteoroloških modelov predstavljajo vhodne podatke za uporabljene hidrološke modele. Najbolj pomembni podatki z vidika nadaljnje uporabnosti v hidroloških modelih so količina in porazdelitev padavin ter temperatura zraka. Za potrebe mednarodnega prognostičnega modela Mure zagotavljata vhodne meteorološke modelne napovedi Agencija RS za okolje, Urad za meteorologijo in ZAMG iz Avstrije. V obeh državah nastajajo meteorološke 48 urne napovedi s pomočjo meteorološkega modela ALADIN, ki se osvežujejo enkrat dnevno iz Slovenije in dvakrat dnevno iz Avstrije.

Kot hidrološki model je v sistemu uporabljen konceptualni model NAM. Model je primeren za kontinuirano modeliranje, saj je hidrološki krog opisan kot medsebojno povezane posode z vodo, pri čemer so zakonitosti prehajanja vode med njimi opredeljene s fizikalnimi parametri modelnega področja. Zaradi zveznega določanja vlage v tleh ga lahko opredelimo tudi kot kontinuiran model.19 Uporabljamo ga lahko neodvisno ali

18 GOSAR, Leon, POGAČNIK, Nejc. POVEZAVA OPERATIVNIH CENTROV IN IZMENJAVA PODATKOV V REALNEM ČASU : predavanje, Projekt SIMIS, Povezani sistem monitoringa reke Isonzo - Soča, Interreg IIIA Italia - Slovenia 2000-2006 : zaključna predstavitev projekta, Gorica, 18. november 2006. Gorica, 2006

19 Ruch, C., Jørgensen, G., Polajnar, Sušnik, M., Hornich, R., Schatzl, R., Pogačnik N. 2008: CONTINUOUS FLOOD FORECASTING COMBINED WITH AUTOMATIC FORECAST CORRECTION – APPLICATION ON THE MUR RIVER. 24. Conference of the Danubian countries on the hydrological forecasting and hydrological basis of water management, 2-4.6.2008, Bled, Slovenia

70 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju v kombinaciji s hidravličnim modelom in za katerega ustvarjamo točkovni ali lateralni dotok v obravnavani rečni mreži.

Hidravlični model v sistemu zagotavlja propagacijo vode po rečni mreži, ki jo simuliramo in analiziramo s hidravličnim modelom MIKE 11. Hidravlične modele uporabljamo kadar nas zanima potek ngladi oz. tlakov in hitrosti. Mike 11 sodi v družino ednodimenzonalnih hidravličnih modelov s katerimi opisujemo tok s prosto gladino. Model temelji na Saint‐Venantovih enačbah20, ki se rešujejo z uporabo ˝Double Sweep˝ algoritma. Rešujemo lahko posamezne rečne odseke ali celotno rečno mrežo. Računska mreža izmenično izračunava Q (pretok) in vodostaj (H). Na vseh prečnih prerezih je podan vodostaj, medtem ko so izračuni pretokov podani v točki med posameznima prečnima prerezoma in na zahtevanih hidrotehničnih objektih oz. na vodomernih postajah.

Razvoj prognostičnih orodij je povezan z uporabo GIS okolja. Kakor se pri sedanjih zahtevnejših hidravličnih analizah uveljavlja metoda dela s povezavo hidravličnih modelov in GIS orodja, nam daje v primeru natančnih vhodnih podatkov, možnost boljše celovite prostorske analize21. Pri klasičnih hidravličnih modelih poteka opis geometrije z vnosom na terenu izmerjenih profilov, ki so navadno izmerjeni na velikih medsebojnih razdaljah, hkrati pa ne opisujejo poplavnih območij. To težavo bomo v prihodnosti lahko učinkovito reševali z uporabo GIS orodja v procesu združevanja geometrije rečnega korita nin nata čnih podatkov topografije terena (digitalni model terena DMT). V primeru takšne detajlne topografije, bo natančnost simulacije postala odvisna predvsem od natančnosti meteorološke prognoze, monitoringa mreže avtomatskih postaj in kvalitetno postavljenih in umerjenih hidroloških oz. hidravličnih modelov.

Prognostični sistem reki Muri je izgrajen s programsko opremo FLOOD WATCH, ki vsebuje avtomatski kontrolni sistem in združuje vse predhodno opisane naloge upravljanja s podatki, vodenja prognostičnih modelov in predstavitev rezultatov. Sistem je popolnoma integriran v grafično okolje programskega paketa ESRI ArcGIS 9.x, kjer kot svojevrstna razširitev izrablja najnovejše GIS tehnologije s hitrimi metodami prikaza in obdelave geografsko vpetih podatkov.

2.5.8 Predstavitev vhodnih podatkov in izračunov prognostičnega sistema Mura

Interna spletna stran prognostičnega sistema reke Mure prikazuje rečno mrežo z vodomernimi postajami, ter legendo z opozorilnimi vrednostmi. Prikazana rečna mreža se obarva glede na prognozirano višino oz. pretok in s tem povezano alarmno vrednostjo. S takšnim dinamičnim prikazom so ponazorjene razmere na celotnem porečju. Barva odsekov rečne mreže in točkovno označenih vodomernih postaj se spreminja glede na preseganje določenih opozorilnih vrednosti. Posebej je potrebno poudariti, da so predstavljeni urni rezultati in njihova objava posledica avtomatskega delovanja. Poleg dinamične osnovne rečne mreže, si lahko ogledamo animacijo meteoroloških napovedi ter vodostajev in pretokov. Za posamezne vodomerne postaje, si prognozo vodostajev ali pretokov lahko ogledamo v grafični ali tabelarični obliki. Kljub temu se pri delovanju sistema lahko pojavijo napake, zato se jih poskuša preprečevati z rednim spremljanjem in vzdrževanjem sistema.22

20 DHI – Water & Environment, 2005: MIKE 11 – NAM AND HD – REFERENCE AND USER GUIDE. September 2005, str 514

21 Gosar, L.,Rak, G., Steinman, F. 2006: ANALIZA HIDRAVLIČNIH LASTNOSTI VODOTOKOV Z UPORABO GIS ORODJA. Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2005-2006, Ljubljana

22 Ruch, C., Jørgensen, G., Polajnar, Sušnik, M., Hornich, R., Schatzl, R., Pogačnik 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

71 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 31: Status rečne mreže in primer grafa vodostaja in pretoka na vodomerni postaja Mura – Gornja Radgona.23

2.5.9 Modeliranje s hidrološkim modelom TOPMODEL na povodju reke Soče Z vsakim numeričnim modelom poskušamo zapisati dogajanje v naravi s pomočjo matematičnih zakonov, pri čemer vsak modeler prilagodi delovanje modela svojemu razumevanju in dobremu poznavanju procesov v obravnavanem porečju/povodju. Gospod Beven je svoj hidrološki model (TOPMODEL) opisal kot set konceptualnih orodij, s katerimi lahko distribuirano ali semi‐distribuirano definiramo hidrološke odzive posameznega povodja. Predvsem je to orodje namenjeno modeliranju dinamike površinskega in podzemnega odtoka iz povodja. Zaradi široke možnosti prilagajanja projektnim ciljem je bil Topmodel izbran kot podlaga za izgradnjo hidrološkega modela na reki Soči. Modeliranje s hidrološkim modelom je na najpreprostejši način odgovor na vprašanje: ˝Kako odtečejo padavine?˝

Večina infitracijskih poizkusov je pokazala, da je infiltracija padlih padavin ob začetku padavin zelo visoka, vendar s časom pada. Visoke začetne infiltracijske količine so poleg delovanja gravitacije predvsem posledica kapilarnega vleka suhe zemlje. Zato po začetku padavin zemlja vsrka vse padle padavine in šele z doseženo saturacijo se prične površinski odtok.

Pri hidrološkem modeliranju so bili uporabljeni različni matematičnimi opisi infiltracije in podzemnega toka vode. V okviru hidrološkega modeliranja povodja reke Soče je bila uporabljen Horton‐ova enačba infiltracije.

−kt f ()tf=+cc ( ffe0 − ) (0.1)

23 Ruch, C., Jørgensen, G., Polajnar, Sušnik, M., Hornich, R., Schatzl, R., Pogačnik 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

72 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Kjer so:

‐ f0 – začetna infiltracijska kapaciteta [L/T] [m/s] ‐ fc – končna infiltracijska kapaciteta [L/T] [m/s] ‐ k – empirični koeficient [1/T] [s‐1] ‐ Srmax – zasičeno koreniska cona [L] [m] ‐ Sr(t) – količina vode v koreninski coni [L] [m] ‐ Sr0 – višina vode v koreninski coni ob pričetku padavin [L] [m]

f c

f 0

t

Slika 32: Horton‐ova funkcija infiltracije.24

Vsi trije parametri Horton‐ove enačbe so odvisni od vrste zemljine. Ker so meritve za empirični parameter ˝k˝ zelo redke oz. jih ni enačbe v takšni obliki ni možno uporabiti. Zato je bila v modelu uporabljena Richard‐sonova poenostavitev.

Srt() ft()=+ fcc ( f0 − f ) (0.2) Sr max

SSrrtr0()max≤ ≤ S (0.3)

fc

f0

t

Slika 33: Poenostavljena Horton‐ove funkcije infiltracije.25

24 Beven, K. J., 2001: RAINFALL-RUNOF MODELLING: THE PRIMER. John Wiley & Sons Ltd, England

25 Beven, K. J., 2001: RAINFALL-RUNOF MODELLING: THE PRIMER. John Wiley & Sons Ltd, England

73 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Ko doseže koreninska cona zasičeno obliko, prične voda odtekati v podzemlje. Takrat se prične vertikalni tok preko nazasičene cone do zasičene cone zemljine. Površinsko odtok iz obravnavnega območja se tako začne pri doseženi popolni saturaciji. Konceptualna struktura zemljine je prikazana na sliki 35, vertikalni tok v vsaki točki zemljine pa je podan z naslednjo enačbo:

Suz qv = (0.4) Dtid

Kjer so:

‐ Suz – območje nezasičene cone [L] [m] ‐ Di – lokalna deficit do saturacije v obravnavani točki [L] [m] ‐ td – čas vertikalnega toka vode na enoto deficita v obravnavani točki[L/T] [m/s] ‐ qv – vertikalni tok [L/T]

Slika 34: Konceptualna struktura vertikalnega toka vode skozi zemljino v TOPMODELU (RZ – koreninska cona, UZ – nezasičena cona, SZ – zasičena cona,Di – deficit, T ‐ transmisivnost )26

Na proces infiltracije lahko močno vplivamo predvsem z upoštevanjem potencialne evapotranspiracije, ki jo kot sestavni del modela, lahko uporabljamo kot del kalibracijskih možnosti. Tako lahko določimo celoten vertikalni odotok vode v podzemno vodo (bazni odtok) kot:

QqAvvii= ∑ , (0.5) i

‐ Kjer so: ‐ qv,I – vertikalni tok v razredu topografskeha indeksa [L/T] [m/s] ‐ Qv – celoten vertikalni tok v razredu topografskega indeksa[L3/T] [m3/s] ‐ Ai – površina razreda topografskega indeksa [L2] [m2] Vse predhodno predstavljene enačbe opisujejo procese pretakanja vode povezavo med tokom vode in reč ne mreže na manjšem območju. Vendar je med seboj potrebno manjša območja povezati in opredeliti tok vode do rečne mreže. Modeliranje toka vode temelji na treh osnovni predpostavkah hidrološkega modela TOPMODEL:

‐ da se zasičena zemljina se enkomerno napaja iz višjeležečih območij.

26 Beven, K. J., 2001: RAINFALL-RUNOF MODELLING: THE PRIMER. John Wiley & Sons Ltd, England

74 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ da je gladina podzemne vode je vzporedna površju, pri čemer je hidravlični gradient enak lokalnemu nagibu površja, tan β ‐ da je prevodnost vodonosnika v obliki eksponentne funkcije s katero opredelimomaksimalno prevodnost ob polni zasičenosti in prevodnost glede na višino zasičene cone. Ob upoštevanju vseh teh predpostavk lahko zapišemo enačbo toka podzemne vode (bazini odtok):

−Di /m qTi = 0 tanβ exp (0.6)

Kjer so:

‐ qi – bazni odtok [L2/T] [m2/s] ‐ Di – lokalna deficit do saturacije v obravnavani točki L] [m] ‐ T0 – maksimalna prevodnost vodonosnika ob popolni zasičenosti [L2/T] [m2/s] ‐ m – parameter, ki določa odklon prevodnosti glede na lokalni dficit ‐ tan β – lokalni nagib površja ≈ hidravlični gradient [‐] Za vsako analizo je potrebno najprej pridobiti podatke. Ker je v uporabi distribuiran model, je bil v prvem koraku izdelan digitalni model reliefa višin z analizo in razčlenitvijo rečne mreže. Digitalni model višin je bil pripravljen v resoluciji 50mx50m, pri čemer je bilo potrebno paziti, da se posamezni deli površja niso izoblikovali kot neizhodne površinske kotanje. Vsa možna področja napak je bilo potrebno postopoma preveriti in odpraviti napake. Poleg izdelane topografije je za delovanje modela potrebno zbrati še podatke o padavinah in pretokih iz vseh obstoječih postaj na povodju. Potrebne podatke za analizo sta zagotovili Agencija Republike Slovenije in Civilna zaščita Dežele Furlanije‐ Julijske krajine. Ko so bili vsi podatki zbrani, je bilo potrebno model umeriti. Idealne razmere za umerjanje oz. opazovanje in prilagajanje modela dejanskim razmeram so visokorodnim dogodkom. Primer visokovodnega dogodka na podpovodju Soče – Solkan si lahko ogledamo na spodnji sliki.

Reka Soča vodomerna postaj Solkan - dogodek 2004

1600 0

1400 5

1200 10

1000 15

800 20

Q (pretok) 600 25 Padavine (mm)

400 30

200 35

0 40 20.10.2004 22.10.2004 24.10.2004 26.10.2004 28.10.2004 30.10.2004 1.11.2004 3.11.2004 5.11.2004 7.11.2004 9.11.2004

T (dan)

Izmerjeni pretoki Padavine

Slika 35: Visokovodni dogodek na delu povodja reke Soče.

Na osnovi podatkov kakršni so predstavljeni na sliki _ nato izgradimo in umerimo hidrološki model. Prikaz postopka dela s hidrološkim modelom si lahko ogledamo na sliki _. Največ dela zahteva

75 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju priprava podatkov in topografije. Hidrološko zahtevno delo s pravo mero razuma in potrpežljivosti se prične s pripravo parametrizacije in izhodiščnih ocen začetnih pogojev, s katerimi lahko umerimo in validiramo postavljen model.

DIGITANI MODEL TERENA PODATKI O PADAVINAH za celotno povodje reke Soče Zajem podatkov na WITH FUNCIJA padavinskih postajah GIUH - geomorfološki enotni hidrogram

IZRAČUN TOPOGRAFSKIH INTERPOLACIJA PADAVIN INDEKSOV IN DOLOČITEV PO PODPOVODJIH RAZREDOV za celotno povodje

PARAMETRIZACIJA PODATKI O PRIPRAVLJENI VHODNI TOPOGRAFSKI PODATKI umerjena za vsako podpovodje REČNI STRUGI PADAVINSKI PODATKI subecatchment_name.sub subcathment_name.par canali.txt subcachment_name.in

TOPMODEL subcatchment_name.for

REZULTAT časovni niz | pretoki za vsako podpovodje ali večje združene enote

Slika 36: Shema priprave in izdelave operativnega hidrološkega programa TOPMODEL.27

Rezultat umerjanja modela in testiranja parametrov je prikazan na naslednji sliki _.

27 GOSAR, Leon, POGAČNIK, Nejc. POVEZAVA OPERATIVNIH CENTROV IN IZMENJAVA PODATKOV V REALNEM ČASU : predavanje, Projekt SIMIS, Povezani sistem monitoringa reke Isonzo - Soča, Interreg IIIA Italia - Slovenia 2000-2006 : zaključna predstavitev projekta, Gorica, 18. november 2006. Gorica, 2006

76 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Torrente Torre vodomerna postaja Zompitta - dogodek 2004

400

350

300

250 /s) 3 200 Q (m 150

100

50

0 18.11.2004 0:00 18.11.2004 0:00 19.11.2004 0:00 20.11.2004 0:00 21.11.2004 0:00 22.11.2004 0:00 23.11.2004 0:00 24.11.2004 0:00 25.11.2004 0:00 26.11.2004 0:00 27.11.2004 0:00 28.11.2004 0:00 29.11.2004 0:00 30.11.2004 T (dan) Merjene vrednosti Simulirane vrednosti

Slika 37: Merjen in simuliran visokovodni dogodek na vodomerni postaji Zomppita v novembru 2000.

Za vodomerno postajo Zomppita na reki Torre smo pridobili klasičen rezultat hidrološko umerjenega modela. Vendar bi radi posegli še korak naprej, saj nas predvsem zanima odgovor na vprašanje: ˝Kaj se bo zgodilo v prihodnosti?˝. Ali lahko napovemo pretoke, in če, ali bodo viskovodni dogodki imeli posledice. Ob današnjem meteorološkem numeričnem modeliranju (ALADIN/SI) lahko z dokaj visoko verjetnostjo napovemo količino padavin, temperaturo, zračni pritisk ipd. Vendar te napovedi niso popolnoma zanesljive, so verjetne. In ker je za hidrologijo to vhodni podatek, ga lahko opredelimo računsko zanesljivega on zelo verjetnega. Pri izdaji končne ocene in prognoze pa je potrebo dobro poznavanje razmer in odziv rek pred izdajo hidrološke napovedi. Naslednja slika prikazuje dokaj dobro delovanje modela pri napovedi pretokov za do 48 ur vnaprej, vendar obstojajo dokaj pogoste težave s začetnim pretokom in stabilizacijo računa na začetku simulacije. Vsekakor pa so takšna orodja lahko v veliko pomoč pri zagotavljanju kvantitativni verjetnih izračunov pretokov na vodotokih.

77 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Reka Natisone vodomerna postaja Cividale - dogodek 2004

700 650 600 Začetek prognoze 550 500 450 400 /s) 3 350

Q (m 300 250 200 150 100 50 0 1.11.04 0.00 2.11.04 0.00 3.11.04 0.00 4.11.04 0.00 25.10.04 0.00 26.10.04 0.00 27.10.04 0.00 28.10.04 0.00 29.10.04 0.00 30.10.04 0.00 31.10.04 0.00 T (dan)

Merjene vrednosti Simulirane vrednosti Prognoza na osnovi napovedi modela ALADIN/SI za 30.10.2004

Slika 38: Simuliranje napovedi pretokov na reki Natisone za dogodek 30.10. 2000.28

2.5.9.1 Modeliranje s hidrološkim modelom HBV na porečju reke Savinje Model HBV spada med konceptualne modele padavine‐odtok in omogoča kontinuirano računanje odtoka29 (Bergström, 1995; Lindström in sod., 1997). Razvit je bil na Švedskem meteorološkem in hidrološkem inštitutu. Osnovna verzija modela je bila razvita v začetku sedemdesetih let. Prve operativne napovedi so bile izdelane za povodja na severu Švedske leta 1975. Zadnja verzija modela je HBV‐96.30Integrirana je v hidrološki sistem IHMS (Integrated Hydrological Modelling System).

Model HBV lahko opišemo kot semi‐distribuirani konceptualni model, saj omogoča delitev povodja na manjše enote, podpovodja. Vsako podpovodje lahko nadalje delimo na območja po nadmorski višini, ta pa še po vegetaciji. Vendar je slednja delitev precej groba, saj loči samo dve kategoriji, in sicer gozdne in negozdne površine. Ta delitev se upošteva pri postopkih za računanje snega in vlage v tleh. Glavni računski postopki v modelu so akumulacija snega in taljenje, evapotranspiracija in računanje vlage v tleh, generiranje odtoka ter potovanje.31 Vhodni podatki v model so padavine, temperatura zraka in potencialna evapotranspiracija. Za delovanje modela zadoščajo mesečne ocene potencialne evapotranspiracije. Najpomembnejši izhodni produkt

28 Bergström, S., 1995. THE HBV MODEL. In: Computer Models of Watershed Hydrology (ed. by V. P. Singh), 443-476. Water Resources Publication, Colorado,USA.

29 Bergström, S., 1995. THE HBV MODEL. In: Computer Models of Watershed Hydrology (ed. by V. P. Singh), 443-476. Water Resources Publication, Colorado,USA.

30 Lindström, G., Johansson, B., Persson, M., Gardelin, M., Bergström, S., 1997. DEVELOPMENT AND TEST OF THE DISTRIBUTED HBV-96 HYDROLOGICAL MODEL. Journal of Hydrology 201, 272-288.

31 IHMS, 1999. INTEGRATED HYDROLOGICAL MODELLING SYSTEM. MANUAL, Version 4.5. Swedish Meteorological and Hydrological Institute, Norrköping, Sweden.

78 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju je odtok, vendar model omogoča prikaz tudi drugih spremenljivk, ki se nanašajo na komponente vodne bilance in jih model računa (padavine, evapotranspiracija, vlaga v tleh, zaloga vode). Poleg geografskih karakteristik povodja nastopa v modelu veliko število parametrov, katerih vrednosti je potrebno oceniti v postopku kalibracije. Model HBV se lahkoa uporablj za napovedovanje pretokov rek, zlati v primeru visokih voda in poplav, pa tudi za potrebe obratovanja hidroelektrarn in ocene vodnih virov. Model običajno teče na podlagi podatkov o dnevnih vrednostih padavin in temperature zraka ter na podlagi mesečnih ocen potencialne evapotranspiracije.

Model HBV temelji na enačbi vodne bilance:

d PEQ−−=[] SPSMUZLZlakes + + + + (0.7) dt kjer so P padavine, E evapotranspiracija, Q odtok, SP snežna odeja, SM vlaga v tleh, UZ zgornja cona podzemne vode, LZ spodnja cona podzemne vode in lakes volumen jezera.

Časovni korak v modelu HBV je običajno en dan, vendar model teoretično dopušča krajši časovni korak. V študijah, ki so jih objavili Lindström in sodelavci (1997), Lidén in Harlin (2000)32, je bila izvedena aplikacija modela HBV s časovnim korakom en dan na različnih povodjih v različnih klimatskih območjih. Dejstvo je, da je bila večina obstoječih modelov padavine‐odtok originalno razvita na osnovi dnevnih podatkov in da so lahko omejitve pri uporabi teh modelov v časovni skali ene ure (Mathevet in sod., 2004).33 Glede na to, da model HBV teoretično dopušča krajši časovni korak od enega dneva, smo z namenom simulacije hudourniških poplav na povodju Savinje umerili HBV s časovnim korakom ene ure. V model smo lahko vključili le padavinske postaje, opremljene z ombrografom, katerega vrednosti so v arhivu ARSO podane na pet minut in omogočajo izračun urne količine padavin. Na povodju Savinje in v bližnji okolici je na razpolago samo pet ombrografskih postaj (Slika _).

32 Lidén, R., Harlin, J., 2000. ANALYSIS OF CONCEPTUAL RAINFALL-RUNOFF MODELLING PERFORMANCE IN DIFFERENT CLIMATES. Journal of Hydrology 238, 231-247.

33 Mathevet, T., Michel, C., Perrin, C., Andreassian, V., 2004. EXPERIMENTAL DESIGN OF A LUMPED RAINFALL-RUNOFF MODEL DEDICATED TO THE HOURLY TIME-STEP. BALWOIS Conference on water observation and information system for decision support, Abstracts, Ohrid, Macedonia. 394-395.

79 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

279

2 301 Nazarje

268

Veliko Širje 452 Iztok

Slika 39: Model povodja Savinje z ombrografskimi postajami na povodju.34

Na sliki _ je prikazan model povodja Savinje z ombrografskimi postajami na povodju in v bližnji okolici. Povodje smo razdelili na dve podpovodji: podpovodje do vodomerne postaje Nazarje na Savinji in podpovodje od Nazarij do vodomerne postaje v Velikem Širju. Prispevna površina zgornjega podpovodja je 457,3 km2 s povprečno nadmorsko višino 940 m, v območju med 340 m in 2340 m, in spodnjega 1384,6 km2 s povprečno nadmorsko višino 490 m, v območju med 230 m in 1560 m. Povprečni padec zgornjega podpovodja je 33 % in spodnjega 16 %. Skupno je na povodju 23 meteoroloških postaj, od katerih je samo pet postaj opremljenih z ombrografom.

Umerjanje modela smo izvedli za leti 1998 in 1999. Mesečne ocene potencialne evapotranspiracije so bile na voljo za eno postajo na povodju (268). Andréassian s sodelavci (2004)35 je pokazal, da preprosto privzete ocene potencialne evapotranspiracije kot vhod v model povodja zagotavljajo podobne rezultate kot izboljšane ploskovne ocene evapotranspiracije. Merilo za ujemanje izračunanega pretoka (Qizr) z merjenim (Qmer) je Nash‐Sutcliffov kriterij R2, ki sta ga vpeljala Nash and Sutcliffe (Bergström, 1995) in izraža varianco okrog povprečja:

2 2 ∑()QQizr− mer R =−1 2 (0.8) ∑()QQmer− mer

Ta kriterij se običajno uporablja v hidrološkem modeliranju. Pri idealnem prileganju bi bil R2=1, vendar vrednost večja od 0.80 v praksi že pomeni zadovoljivo umerjen model (IHMS, 1999). Za povodje Savinje smo v procesu umerjanja modela dobili za R2 vrednosti 0.76 za v. p. Nazarje in 0.86 za v. p. Veliko Širje. Vrednost kriterija R2 je manjša za zgornje podpovodje, ki je pretežno gorato z

34 Kobold, M., Sušelj, K.: PADAVINSKE NAPOVEDI IN NJIHOVA NEZANESLJIVOST V HIDROLOŠKEM PROGNOZIRANJU, Raziskave s področja geodezije in geofizike 2005, zbornik predavanj, Ljubljana 2005

35 Andréassian, V., Perrin, C., Michel, C., 2004. IMPACT OF IMPERFECT POTENTIAL EVAPOTRANSPIRATION KNOWLEDGE ON THE EFFICIENCY AND PARAMETERS OF WATERSHED MODELS. Journal of Hydrology 286, 19-35.

80 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju močnimi orografskimi vplivi in veliko variabilnostjo padavin. Z razpoložljivimi ombrografskimi postajami na povodju porazdelitev in količina padavin ni natančno določena, kar je razlog za večja odstopanja pri odtoku. Pet postaj, od katerih sta samo dve na celotnem povodju Savinje (Slika _), ni dovolj za natančen opis prostorske in količinske porazdelitve padavin. Za pravilen opis padavin v modelu bi bilo potrebno imeti več ombrografskih postaj zlasti v zgornjem delu povodja ali uporabiti radarske podatke kot vhod v model.36 Vendar je kljub majhnemu številu padavinskih postaj na povodju model zadovoljivo kalibriran (Slika _). V spodnjem delu povodja odstopanja niso velika in simulirani odtoki v Velikem Širju se dobro ujemajo z merjenimi.

v.p. Nazarje v.p. Ve liko Širje 1600 600 1200 /s) 3 /s )

400 3 800

Q mer(m 200

Q (m mer 400

0 0 0 200 400 600 0 400 800 1200 1600 3 Q izr (m3/s) Q izr ( m /s)

Slika 40: Primerjava izračunanih in izmerjenih pretokov.37

Kalibriran model HBV je možno uporabiti za dnevno napovedovanje odtokov, zlasti visokih voda in poplav na povodju Savinje, pri čemer so vhodni podatki v model prognozirane padavine. Prav tako je lahko uporaba modela tudi analitična.

Konceptualni model HBV s časovnim korakom ene ure se je pokazal za sprejemljivega za simulacijo hudourniških kot tudi dolinskih poplav. Glavna ovira, ki se pojavlja pri modeliranju s kratkimi časovnimi koraki, je pomanjkanje podatkov tako za kalibracijo kot za nadaljne aplikacije ali operativno rabo, kar se vse bolj odraža na prehodu v kompleksnejše sisteme, ki zajemajo večjo količino podatkov, so lahko bolj natan čni vendar se ob povečanih obremenitveh sistema pojavijo dodatna tveganja.

2.5.10 Ranljivost prognostično opozorilnih sistemov in hidrološko/hidravličnih modelov V kolikor dosežemo optimalne pogoje za tehnično delovanje prognostičnega sistema, je potrebno opredeliti in sestaviti celotno infrastrukturo negradbenih ukrepov za zaščito pred škodljivim delovanjem voda. Ob ekstremnih razmerah so vsekakor lahko ogrožena življenja, objekti, infrastruktura, kmetijske zemljišča. Za

36 Kobold, M., Zgonc, A., 1998. The accuracy of the radar-estimated areal hourly rainfall. COST-75, Advanced weather radar system, Proceedings of International seminar, Locarno, Switzerland, 179- 186.

37 Kobold, M., Sušelj, K.: PADAVINSKE NAPOVEDI IN NJIHOVA NEZANESLJIVOST V HIDROLOŠKEM PROGNOZIRANJU, Raziskave s področja geodezije in geofizike 2005, zbornik predavanj, Ljubljana 2005

81 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju delovanje sistema je pomembnejše vprašanje možnost poškodb infrastrukture (telekomunikacije, električno omrežje, ceste), ki vplivajo na delovanje prognostičnega sistema.

Slika 41: Odvisnost prognostičnega sistema od podpornih sistemov.38

Ko omenjamo poškodbe kritične infrastrukture se je potrebno dobro zavedati ranljivosti prognostičnih sistemov. V kolikor pride do izpada prevelikega števila podatkov iz monitoring (opazovalne) mreže (zaradi poškodb na merilni opremi, komunikacijah, prekinitve električne oskrbe, uničenja same lokacije sistema) pravzaprav ostanemo brez podlag za delovanje. Ob takšnem zavedanju je kljub večji natančnosti, zanesljivosti, kakovosti izgrajenih sistemov, manjših stroških vzdrževanja, potrebno skrbeti za klasične oblike spremljanja, opazovanja in komunikacije. Klasično obliko spremljanja zato ne smemo obravnavati kot nepomembno, saj le s spremljanjem dogodkov preko prognostičnega sistema ni možno zagotoviti in posredovati tudi vsebinsko najustreznejše informacije.

38 Pogačnik N, Ruch, C., Gosar L., 2008: HIDROLOŠKI PROGNOSTIČNI SISTEM: UPORABA PROSTORSKIH PODATKOV, Geografski informacijski sistemi v Sloveniji 2007-2008, Ljubljana

82 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

3 Predstavitev orodij

3.1 Orodje hidravlika Za potrebe projekta je ključnega pomena ustrezno orodje za izvajanje hidravličnih analiz. Osnovni koncept orodja za izvajanje sloni na detajlnem digitalnem modelu terena iz katerega je mogoče izračunati poplavne linije oziroma prostorske poligone poplavnih območij za različne pretoke. Za detajlni digitalni model višin se uporablja orodje LIDAR – lasersko skeniranje terena iz zraka, hidravliko pa smo računali z 1D hidravličnim programom HEC‐RAS (povezava s HEC GEO‐RAS‐om) in 2D programom AquaDyn‐om.

HEC‐RAS

Za potrebe projekta smo uporabljali kombinacijo dveh programskih orodij. Za pripravo modela terena kot geometrijske podlage in za prikaz rezultatov smo uporabili GIS program ArcView z razširitvami 3D Analyst, Spatial Analyst in HEC‐GeoRAS‐om. Geometrijo pripravljeno z omenjeno opremo pa smo nato prenesli v program za simulacijo 1D toka HEC‐RAS. Program nam omogoča simulacijo stalnega, nestalnega in izmenjujočega toka.

ArcView GIS

ArcView GIS je programsko orodje, ki ga je razvil ameriški inštitut ESRI (Environmental System Research Institute), ki se že od leta 1969 ukvarja z reševanjem geografskih problemov s pomočjo programske opreme. Tako so razvili tehnologijo za uporabo na najrazličnejših področij, kar nam pomaga pri vizualnem prikazu, raziskovanju, obdelavi GIS podatkov in najti rešitve. Danes nam nudi možnost za izdelavo različnih kart. Za poljubno območje lahko izdelamo topografske karte, rastrske izrise, prikaze infrastrukture in drugih podatkov. Lahko izvedemo zahtevnejše naloge, kot je izdelava tako imenovanih inteligentnih kart, ki poleg zunanjega izgleda ponujajo tudi prikaz medsebojnih vplivov dejavnikov na zemeljskem površju. Nudi nam programska orodja s pomočjo katerih lahko izvedemo na podlagi obstoječih podatkovnih baz najrazličnejše transformacije v nove sklope podatkov. Za nekatera posamična področja so razvili dodatne razširitve, ki uporabniku na eni strani olajšajo delo, ter mu po drugi nudijo še več možnosti pri obdelavi podatkov in prikazu rezultatov. Pri hidravličnih modelih lahko izboljšamo kvaliteto analiz z razširitvama 3D Analyst in Spatial Analyst. Najpomembnejša za hidravlične analize je razširitev HEC‐ GeoRAS, katero je razvil ameriški center za hidrološke raziskave39.

Razširitev 3D Analyst in Spatial Analyst

Razširitev 3D analyst omogoča uporabniku izdelavo dveh vrst modelov, v obliki pravilne mreže ali nepravilne triagonalne mreže. S pomočjo le‐teh lahko izdelamo realistične modele terena ali pa

39 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

83 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju prikažemo različne gradiente. 3D Analyst nam omogoča kreiranje modela površin na podlagi podatkov različnih formatov. S pomočjo interpolacije omogoča izdelavo modela TIN na osnovi podatkov točk, linij ali poligonov. Na modelu neke površine lahko dobimo višine posameznih točk, izrise izohips, dobimo podatke o naklonih površin, perspektivo poljubne točke ali pa z njim interpretiramo rezultate, ki so tako lažje razumljivi. Tudi kadar imamo podatke le za 2D model si lahko pomagamo z 3D Analystom. Prikaz lastnosti poljubnih tematskih podatkov si lahko olajšamo s prikazom v obliki 3D diagramov. Tak primer je prikaz gostote prebivalstva in podobno40.

Razširitev ArcView‐ja Spatial Analyst pomaga uporabniku pri odkrivanju in raziskovanju povezave med posameznimi podatki. Z njegovo pomočjo izdelamo rastrske modele za ponazoritev najrazličnejših podatkov, kot na primer hitrost rasti gostote prebivalstva. Spatial Analyst nudi orodja za oblikovanje podobe zemeljskega površja in analiziranje karakteristik le tega41.

HEC‐GeoRAS

HEC‐GeoRAS je razširitev programskega orodja ArcView, ki omogoča pripravo prostorskih podatkov za hidravlično obdelavo s programom HEC‐RAS (Hidrologic Engineering Center. River Analysis System). V slednjem nato dopolnimo manjkajoče hidravlične podatke in opravimo izračune. Rezultate najprej analiziramo s HEC–RAS‐om, ter jih kasneje lahko prenesemo nazaj v ArcView s razširitvijo HEC‐GeoRAS, ki nam omogoča ne le bolj natančen izris rečnega sistema in poplavnih območij v 3D obliki, temveč nam tudi nudi izris mreže izobat (linije, ki povezujejo točke z enako globino vode) in izotah (linije, ki povezujejo točke z enako hitrostjo vode). Na ta način lahko dobimo vsak trenutek globino oz. hitrost vode v poljubni točki rečnega korita in poplavnih območij, ter izvedemo simulacije poplavnih tokov. Profili vodne gladine in podatki o hitrosti vode, ki jih izračunamo v HEC‐RAS‐u in jih prikažemo s HEC‐GeoRAS‐om nam dajejo možnost za kreiranje kart poplavnih območij, predvidevanje poteka poplavnih tokov, pravočasno opozarjanje ljudi nanje in ocenjevanje škode, do katere bi prišlo v primeru zvišanja vodostaja42.

HEC‐GeoRAS je zbirka orodij razširitve programa ArcView, ki ga vedno uporabljamo v kombinaciji s 3D Analyst in Spatial Analyst, s katerimi na podlagi digitalnega modela terena (DTM‐digital terrain model) pripravimo HEC‐RAS vhodno datoteko. Medtem ko nam 3D Analyst omogoča interpolacijo podatkov digitalnega modela, lahko s pomočjo razširitve ArcView‐ja Spatial Analyst prikažemo rezultate vodnih globin in hitrosti vode v modelu po končanih izračunih s pomočjo rastrske mreže ali

40 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

41 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

42 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

84 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju oblikujemo histograme. Digitalni model terena obravnavanega območja mora biti za obdelavo s HEC‐ GeoRAS‐om v obliki nepravilne triagonalne mreže (TIN‐triangulated irregular network) in predstavlja površinsko razgibanost tako rečnega kanala kot pripadajočih poplavnih površin. Glavna zahteva pri modelu terena je dovolj velika natančnost, ki omogoča vnos podatkov in linij, potrebnih za izdelavo modela. Ko je model terena v TIN formatu pripravljen se lahko začne vnos podatkov rečnega sistema. Vnašamo podatke o celotnem rečnem sistemu ‐ potek glavnega in stranskih rečnih kanalov, linij rečnega toka, bregov, nasipov, linije prečnih profilov, področja neefektivnega toka in področja, kjer se voda zaustavlja in ne odteka površinsko ‐ seveda če le ta obstajajo. Program omogoča oblikovanje posameznih področij ob rečnem sistemu, za katere definiramo njihovo rabo, kar nam daje osnovne podatke pri določevanju Manning‐ovih koeficientov. Vsak sklop podatkov v program vnašamo in oblikujemo kot samostojni sloj podatkov43.

HEC‐RAS

Na ameriškem centru za hidrologijo (Hydrologic Engineering Center; HEC), ki je oddelek inštituta za vodne vire (Institute for Water Resources; IWR) že dalj časa razvijajo programsko opremo za hidravlične izračune. Prve izvedbe (HEC‐1 in HEC‐2) so omogočale le računanje hidravlike eno dimenzijskega modela s stalnim tokom. V sredini devetdesetih let pa so začeli razvijati nove verzije, katere bi omogočile čim širšo paleto možnosti pri izračunih. Zadnja verzija je nastala v letošnjem letu in omogoča opravljanje izračuna stalnega in nestalnega toka za poljubno kompleksen rečni sistem. Analiziramo lahko tudi vpliv različnih objektov na vodotoku, kot so mostovi, prepusti, kanali, nasipi in drugo. Ena največjih prednosti novejših verzij je gotovo možnost izvedbe modela eno dimenzijskega nestalnega toka v odprtih vodotokih za različne režime toka. Dobljeni rezultati nam nudijo podatke v posameznih prečnih profilih, mostovih, prepustih, krivuljah pretokov in energijskih izgub, nivojev vodne gladine idr. v grafični, kot tudi v tabelarični obliki. Na voljo so nam grafični rezultati v dvo dimenzijski obliki za prečne prereze, shema rečnega sistema, hidrogrami, pa tudi tri dimenzijski model rečnega korita skupaj z nivoji vodne gladine izračunanih pretokov. Z našo metodo dela pa bomo lahko oblikovali geometrijo vodotoka s pomočjo ArcView razširitve HEC‐GeoRAS, kjer bomo tudi analizirali rezultate. Izračuni prikazani s pomočjo HEC‐GeoRAS‐a nudijo veliko boljšo prostorsko predstavo, saj jih lahko povezujemo tudi z drugimi podatki v GIS sistemu. Dandanes, ko je mnenje javnosti o izvedbi posameznih projektih vse bolj pomembno, lahko s simulacijami približamo poseg v prostor tudi širši javnosti44.

AquaDyn

43 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

44 Rak, G. 2005. Analiza hidravličnih lastnosti vodotoka z uporabo GIS orodja. Seminarska naloga. Ljubljana, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 86 str.

85 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

AquaDyn je zelo močno orodje za hidrodinamično simulacijo, ki je povrhu vsega še izredno enostavno za uporabo. Z njim lahko simuliramo 2D tok, za katerega se znotraj programa rešujejo hidrodinamične enačbe s pomočjo metod končnih elementov.

Poleg vseh naštetih lastnosti smo ga uporabili pri tem projektu tudi zato, ker ima program na voljo možnost izvoza in uvoza datotek. Tako smo lahko povezali digitalni model reliefa in hidravlični model. Najprej smo na posnetem območju označili mesta računa 2D toka in to območje označili. Na samem računskem območju smo ozna čili tudi lokacijo hiš in drugih objektov. Ker lahko v program AquaDyn uvozimo datoteke tipa .dxf, smo naše zarisano računsko območje pretvorili v ta format in ga uvozili v program, kjer smo območje dodatno opremili z mrežo točk (trikotniška mreža). V nadaljevanju smo izvozili koordinate mreže točk in jih s pomočjo digitalnega modela reliefa opremili z višinsko koordinato Z. Tako smo dobljeno koordinato vnesli nazaj v program in tako smo imeli izredno dobro opisano geometrijo terena na podlagi katere smo lahko izvedli dobro simulacijo 2D toka. Na koncu smo dobljene rezultate izvozili in jih uvoziliS v GI okolje, kjer smo formirali poplavne linije (naredili smo grid absolutnih in relativnih poplavnih globin). Program tako dopušča izredno elegantno povezavo z GIS okoljem in se je izkazal za izredno uporabljiv programski paket kadar gre za LIDAR podatke. Edina slabost programa je le‐to, da sam izvoz in uvoz datotek ni avtomatiziran, kot je to pri HEC GEO‐RAS‐u.

Slika 42: Shematični prikaz povezave GIS‐ov in programskega paketa AquaDyn

86 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Izkazalo se je, da lahko z uporabo obeh hidravličnih programskih paketov v najboljši meri izkoristimo digitalni model terena, pridobljen z laserskim skeniranjem in obdelavo v GIS okolju, in tako zelo dobro zajamemo geometrijo, ki nam služi kot vhodni podatek v hidravličnem modelu.

HEC‐RAS je eden najbolj razširjenih računalniških programov za račun gladin mirnega, deročega in mešanega toka ter drugih karakteristik v odprtih vodotokih. Velika prednost programa je to, da si ga lahko vsak brezplačno naloži na svoj osebni računalnik. Poleg tega je program preprost za uporabo, vsebuje stabilen algoritem in prikaz rezultatov je pregledno. Program sicer nima odprte kode, vendar sta postopek in način računa izredno dobro dokumentirana. To pomeni, da kljub temu, da nimamo na voljo odprte kode, lahko iz priloženih publikacij (HEC‐RAS, River Analysis System Hydraulic Reference Manual in Floodplain Modeling Using HEC‐RAS) dokaj dobro razberemo algoritme poh kateri program računa. Te algoritme je potrebno še vgraditi oziroma napisati v računalniški jezik in tako lahko dobimo program, ki bo računal po filozofiji HEC‐RAS‐a.

3.2 Vhodni podatki

3.2.1 Podatki za definiranje geometrije Preden se lotimo samega vnosa geometrije moramo najprej definirati rečno mrežo. Vsakemu rečnemu odseku moramo posebej definirati ime reke, odsek ter smer, da program ve, kje se nahajajo vhodni podatki in v kateri smeri naj izvede izračun. Rečno mrežo oziroma odseke moramo risati od gorvodnega proti dolvodnemu profilu in to program razume kot pozitivno smer ter v tej smeri nariše tudi puščico, ki pomeni smer toka vode. Odseki se združujejo oziroma razdelijo samo v vozliščih, tako da vozlišč ne moremo definirati med enojnima odsekoma.

Prečni profili

Prečni profili predstavljajo osnovni vhodni podatek in z nizom le‐teh (razdaljo med njimi določimo sami) definiramo tako geometrijo kanala kot tudi poplavni površini določenega odseka. Zaželeno je, da so pravokotni na definirano reko in da z njimi pokrijemo celotno poplavno območje, tudi če jih moramo zato včasih lomiti.

Lokacijo profilov moramo skrbno izbrati. Postaviti jih moramo na mesta kjer pride do spremembe pretoka, padca, oblike kanala, koeficienta hrapavosti, ali pa na lokacijo začetka oziroma konca nasipa, v okolici hidrotehničnih objektov,… Prav tako je pomembna tudi razdalja med njimi (vpliv na izračun trenjskih izgub), ki je prav tako odvisna od prej naštetih dejavnikov. V splošnem lahko rečemo, da gosteje kot bodo profili, bolje bomo opisali potek gladine.

Profili so definirani z y‐z grafom od leve proti desni gledano dolvodno in s položajem v odseku (stacionaža, ki teče v smeri x), ki ga definiramo številčno, z »rečno stacionažo«. Številčenje profilov mora biti izvedeno v skladu s programom, ker program razdeli profile nekega odseka tako, da jim »rečna stacionaža« od gorvodnega do dolvodnega profila pada.

Vsaka točka v profilu je definirana s koordinatama y in z. Koordinata y predstavlja horizontalno razdaljo od začetne točke (od koordinatnega izhodišča, ki je na levi strani) do želene točke, tako da koordinata y raste od levega dela profila do desnega. Program dopušča največ 500 točk s katerimi lahko opišemo posamezni profil. Koordinata z je lahko tudi negativna. Stacionaža leve in desne brežine ločujeta glavni kanal od obeh poplavnih površin. Če se nam zgodi, da je kota zadnjih točk

87 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju določenega prečnega profila nižja od kote izračunane vodne gladine, program privzame robova profila kot steno (doda dopolnilen omočeni obod), na storjeno pa opozori tudi uporabnika.

Neefektivna območja

Definiramo lahko območja oziroma del prečnega profila, kjer se voda sicer nahaja (območje ni popolnoma izločeno iz računa), vendar je hitrost na tem območje v dolvodni smeri zelo majhna (blizu vrednosti nič). Ta del je sicer vključen v račun karakteristik prečnega profila, vendar pa ni vključen v del območja, ki predstavlja aktivni del toka (pri računu specifične sile). Aktivnemu delu toka se ne doda dodaten omočen obod. Program ima na voljo dve možnosti za določitev neefektivnih območij. Prva možnost je ta, da uporabnik sam določi levo stacionažo in višino in/ali desno stacionažo in višino v profilu. Program bo posamezno območje jemal kot neefektivno toliko časa, dokler ne bo izračunana vodna gladina višja od določene višine neefektivnega območja. Od trenutka, ko pa bo izračunana vodna gladina višja od določene višine neefektivnega območja, pa bo to območje postalo zopet efektivno. Druga možnost za določitev neefektivnih območij pa je, da ustvarimo zaprta neefektivna območja. V tem primeru mora uporabnik vstaviti višino in desno ter levo stacionažo za vsako zaprto neefektivno območje. Takšnih območij lahko uporabnik določi maksimalno deset v vsakem profilu. Ko je izračunana vodna gladina višja od višine zaprtega neefektivnega območja program tega območje ne obravnava več kot neefektivno ampak kot efektivno.

Nasipi

Program omogoča tudi definiranje nasipov. Tako lahko v vsakem profilu določimo stacionažo levega in/ali desnega nasipa ter njuni višini. Zaradi nasipov ne more biti vode levo od levega nasipa in desno od desnega nasipa, dokler izračunana vodna gladina ni višja od določene višine nasipe. V primeru, da nasipa ne definiramo, program predpostavlja, da je lahko voda po celotnem profilu. Definiramo lahko tudi višino nasipa, ki je višja od obstoječega dna. V tem primeru bo program med višino nasipa dnom ustvaril vertikalno steno. V primeru, ko voda doseže to steno program v račun vključi dodatni omočeni obod. Na vsaki poplavni ravnici lahko definiramo po en sam nasip.

Ovire

Program dopušča tudi možnost, da lahko v profilu definiramo območja, ki so popolnoma izločena iz računa. Ovire zmanjšujejo območje toka, in ko vodna gladina pride v kontakt z oviro se v samem računu upošteva dodaten omočeni obod. Opozoriti pa je potrebno, da ovira ne preprečuje, da voda ne bi bila po celotnem profilu, kot to dosežemo z definicijo nasipa. Zopet imamo dve možnosti definicije ovir. Prva možnost nam dopušča da definiramo levo in desno stacionažo ter levo in desno višino. S to možnostjo bo območje levo od leve stacionaže in desno od desne popolnoma izvzeta iz računa. Druga možnost pa je, da definiramo do dvajset zaprtih ovir oziroma blokov v posameznem profilu. Posamezen blok definiramo z levo in desno stacionažo ter višino.

Razdalja med prečni profili

Program dopušča, da lahko posebej vnesemo razdaljo med dvema prečnima profiloma za levo in desno poplavno območje ter za glavni kanal. Razdalja za glavni kanal ponavadi predstavlja razdaljo med najnižjima točkama v profilu na območju kanala. Na poplavnih površinah, pa bi naj razdalja predstavljala dolžino med centroma mase toka sosednjih profilov. Te tri razdalje so si lahko zelo podobne ali pa tudi ne (meandriranje reke). Prav zaradi tega se za potrebe izračuna (trenjske izgube)

88 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju določi pretočno obtežena razdalja, ki jo bom definiral kasneje, ko bom podal algoritem oziroma proceduro programa.

Koeficienti energijskih izgub

Manningov koeficient hrapavosti nG in koeficient trenja »k«

Pravilna izbira Manningovega koeficienta hrapavosti je zelo pomembna in ima velik vpliv na pravilnost izračuna. Vrednost koeficienta zelo niha in je odvisna od številnih faktorjev (hrapavost ostenja, vegetacija, prepreke, transport plavin, vodostaj, pretok, temperature,…), vsekakor pa je najpomembnejši faktor material, ki sestavlja dno glavnega kanala (glavni kanal in brežine). V splošnem bi morali vedno, kadar imamo opazovane oziroma izmerjene vodne gladine, Manningov koeficient umerjati. V primeru, da tega nimamo, moramo vrednosti koeficienta dobiti z meritvami ali s pomočjo podobnih vodotokov, kjer imamo boljše podatke, ali pa z uporabo tabel [Chow, 1973], kjer so zapisane vrednosti Manningovih koeficientov za določene pogoje (beton, trava, grmičevje,…), ki se lahko pojavijo v kanalih (v glavnem kanalu in na poplavnih površinah). Poleg meritev in tabel lahko nG določimo tudi praktično [Cowan, 1956] ali pa s pomočjo empiričnih enačb [Strickler, 1923].

Program omogoča tudi uporabo koeficienta trenja »k«. Ker lahko v splošnem pričakujemo, da sta De

Chézyjev koeficient C in Manningov koeficient nG odvisna od Reynoldsovega števila, hrapavosti na ostenju in oblike prečnega preseka, lahko ugotovimo da se oba koeficienta obnašata na enak način kot koeficient trenja »k«. Razlika me med njimi je v tem, da je nG odvisen samo od hrapavosti, koeficient C je poleg hrapavosti odvisen tudi od geometrije prereza, koeficient trenja »k« pa je funkcija Reynoldsovega števila in tokovne slike [Steinman, 1999]. Iz tega sledi, da sta C in nG konstantna ne glede na pretok, »k« pa ne. Koeficient trenja se v programu preračuna v Manningov koeficient po naslednji formuli:

⎛ 2.12 R ⎞ C = log18 10 ⎜ ⎟ ⎝ k ⎠ 1 1 C = R 6 nG 1 1 6 ⎛ 2.12 R ⎞ R = log18 10 ⎜ ⎟ nG ⎝ k ⎠

1 R 6 n = (51) G ⎛ 2.12 R ⎞ log18 10 ⎜ ⎟ ⎝ k ⎠

Enačba (51) izhaja iz predpostavke, da so vsi obravnavani kanali hidravlično hrapavi (hrape gledajo iz laminarnega filma in bistveno vplivajo na obnašanje toka → koeficient trenja je neodvisen od Reynoldsovega števila – Steinman, 1999).

Koeficienta razširitve in zožitve

Razširitve in zožitve, kot posledica spreminjanja prečnih profilov, so eden izmed glavnih vzrokov za energijske izgube na odseku (med prečnima profiloma). Koeficienta predstavljata del vhodnih

89 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju podatkov, ki jih program uporabi za račun izgub zaradi razširitve ali zožitve med prečnima profiloma po enačbi (29). Program ima že vgrajene privzete vrednosti koeficientov in sicer:

‐ mirni tok: koeficient zožitve – 0.1 (0.3) in koeficient razširitve – 0.3 (0.5) ‐ deroči tok: koeficient zožitve – 0.05 in koeficient razširitve – 0.1 V oklepaji so vrednosti, ki se priporočajo [HEC ‐ Hydraulics References, 2002] v primeru nenadne zožitve ali razširitve (mostovi, ovire,…). Vidimo lahko, da so vrednosti za deroči tok nižje. V deročem toku so hitrosti precej višje kot pa pri mirnem in že majhna sprememba gladine vode v profilu lahko vodi k precejšnji spremembi hitrosti. Če bi tako uporabljali iste vrednosti koeficientov kot za mirni tok, bi to vodilo k prevelikim energijskim izgubam in nihanju gladin.

Definiranje vozlišč

Vozlišče program razume kot mesto, kjer pride do združitve in/ali odcepitve dveh ali več odsekov in jih je možno definirati samo kadar računamo stalni tok. Podatki za definiranje vozlišč so sestavljeni iz razdalje skozi vozlišče (dolvodne razdalje med profili, ki oklepajo vozlišče) in kotom pritokov glede na os glavnega toka (če računamo z dinamično enačbo). Razdaljo skozi vozlišč e je potrebno dodatno vnesti v vozliščni meni, ker razdaljo med prečnimi profili, ki smo jo že definirali, program ne privzame kot razdaljo skozi vozlišče. V splošnem velja, da bi naj bili profili, ki oklepajo vozlišče, čim bolj skupaj, ker to zmanjšuje napako pri računu energijskih izgub skozi vozlišče. Kot sem že omenil zna program računati tok skozi vozlišče tako z energijsko (izvedba standardnega koraka) kot tudi z dinamično enačbo. Ker ponavadi koti niso bistvenega pomena za pravilnost izračuna je energijska enačba v večini primerov dovolj dobra za .izračun Kadar pa gre za situacije, ko lahko kot povzroči občutne energijske izgube, je potrebno v programu izbrati možnost računa po dinamični enačbi in tako je poleg razdalje skozi vozlišče potrebno definirati še kot pritoka glede na os glavnega toka. S kotom v pritoku ocenimo silo, ki se spoji/združi. Program lahko obravnava 6 možnih tokovnih pogojev v vozlišču in sicer:

‐ mirni tok: združitev in razdelitev toka ‐ deroči tok: združitev in razdelitev toka ‐ mešani tok: združitev in razdelitev toka Vsakega izmed šestih primerov, pa nam lahko program izračuna tako po energijski kot tudi po dinamični enačbi. Več o postopku računa pa bom povedal v poglavju Račun mirnega, deročega in mešanega toka skozi vozlišča.

3.2.1.1 Podatki za izračun gladin stalnega toka Tokovni režim

Program začne z izračunom gladin od SRP gorvodno (mirni tokovni režim oziroma mirni tok) ali od ZRP dolvodno (deroči tokovni režim oziroma deroči tok) odvisno za kateri tokovni režim gre. Tokovni režim določimo sami. Kritična gladina je meja med mirnim in deročim tokom in če določimo oziroma izberemo možnost mirnega toka, bo program izračunal gladine nad kritično gladino, če pa izberemo deroči tok pa bo lokacija izračunane gladine pod kritično gladino. Kadar pa predvidevamo, da bo med samim odsekom prišlo do prehoda iz mirnega v deroči tok ali obratno oziroma nam program ne da zadovoljivih rezultatov niti za mirni niti deroči tok, pa lahko izberemo mešani režim toka. V tem

90 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju primeru bo program iskal prehode med tokovnima režimoma. Več o samem načinu računa pa bom povedal v poglavju Račun mirnega, deročega in mešanega toka.

Robni pogoji

Robni pogoji so nujni, da ima program izhodišče na osnovi katerega lahko izvede račun gladin skozi celoten odsek. Kot omenjeno je za mirni tok potreben SPR za deroči pa ZRP za mešeni pa oba oz. na obeh koncih rečne mreže. Robne pogoje v program vnašamo s pomočjo tabele, ki za vsak odsek vsebuje dve mesti za vnos SRP in/ali ZRP. Vozlišča so obravnavana kot notranji robni pogoji in jih program vnese v tabelo avtomatično glede na to, kako smo definirali rečno mrežo. Praktično je potrebno vnesti samo zunanje robne pogoje. Program nam dopušča štiri vrste robnih pogoje in sicer:

‐ poznana kota vodne gladine ‐ kritična globina ‐ normalna globina ‐ krivulja pretok/višina Znana kota vodne gladine

Če izberemo to možnost, moramo v zadnjem (mirni tok) oziroma prvem (deročo tok) profilu podati koto vodne gladine, s pomočjo katere se izračuna vodna gladina v vseh ostalih prečnih profilih.

Kritična globina

Pri tej možnosti nam ni potrebno ničesar vstavljati, saj bo program izračunal kritično globino v profilu in to globino uporabil kot SRP oziroma ZRP.

Normalna globina

Če hočemo imeti normalno globino kot robni pogoj, moramo vstaviti padec energije, ki služi kot manjkajoči člen v Manningovi enačbi za izračun normalne globine (enačba (42)) v profilu, kjer smo definirali SRP oziroma ZRP. Če postavimo tovrsten robni pogoj pomeni, da imamo na daljšem odseku dolvodno od SRP oziroma gorvodno od ZRP normalni tok (odsek kjer sta geometrija profilov in padec konstantna) s padcem, ki smo ga vstavili in geometrijo robnega profila rečne mreže. Če v realnosti nimamo takšne situacije lahko v splošnem za padec energije uporabimo povprečen padec dna obravnavanega odseka.

Krivulja pretok/višina

Kadar izberemo to vrsten robni pogoj, moramo v posebno tabelo vnesti višino in tej višini pripadajoč pretok. S pomočjo teh podatkov program zriše krivuljo pretok/višina in v profilu, ki ima definiramo takšen SRP oziroma ZRP, s pomočjo linearne interpolacije med dvema točkama na krivulji (glede na vnešen pretok) določi koto vode.

Problem nastane, če so robni pogoji neznani, jih pa nujno potrebujemo za začetek računa. V tem primeru moramo oceniti koto vodne gladine oziroma izbrati normalno ali kritično globino kot robni pogoj. Ocenjena vodna gladina bo povzročila napačno izračunano vodno gladino v profilih, ki so v bližini SRP oziroma ZRP. Kadar je pomembno, da imamo pravilno izračunano vodno gladino v profilih blizu robnih pogojev, je potrebno vnesti dodatnee prč ne profile. Kadar gre za mirni tok, je potrebno

91 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju vnesti dodatne profile nižje od relevantnega spodnjega robnega pogoja, kadar pa imamo opravka z deročim tokom, pa je potrebno vnesti dodatne profile višje od relevantnega zgornjega robnega pogoja. V primeru mešanega režima pa je potrebno vnesti dodatne profile gorvodno in dolvodno od relevantnega robnega pogoja. Tako smo dobili nove robne pogoje, nas pa zanima gladina v okolici relevantnega prečnega profila (prejšnji SRP oziroma ZRP). Edino vprašanje je, koliko dodatnih profilov je potrebno, da je izračunana gladina v okolici relevantnega robnega pogoja pravilna. Da dobimo odgovor na zastavljeno vprašanje moramo izvesti nekaj računov z različnimi začetnimi gladinami za isti pretok. Ko začne vodna gladina v relevantnem profilu konvergirati k enaki vrednosti, ne glede na začetno gladino, je to znak, da smo vnesli dovolj dodatnih profilov in neznani robni pogoj ne bo vplival na rezultat v bližnji okolici relevantnega prečnega profila.

Podatki o pretoku

Da se lahko račun izvede, mora biti pretok poznan v vsakem prečnem profilu. Da bi bil ta pogoj izpolnjen, se v najbolj gorvodnem profilu vsakega odseka vnese podatek o pretoku in ta velja za vse dolvodne profile tega odseka. Program omogoča tudi vnos spremembe pretoka v katerem koli profilu istega odseka, razen če v tem profilu nimamo definiranega mostu, prepusta, ali da gre za profil, ki obdaja vozlišče.

92 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 43: Grafični prikaz potrebnih vhodnih podatkov (priprava na račun)

93 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

3.2.2 Enačbe in predpostavke uporabljene v programu

3.2.2.1 Enačbe za osnovni izračun globine v profile Program računa gladino iz enega profila do drugega z razreševanjem energijske enačbe, pri kateri upošteva predpostavko, da imamo majhne kote.

v 2 v 2 yz α 2 yz α 1 Δ+++=++ E 222 2g 111 2g

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 2 yz )( α 1 IL 2 −++++=++ ααξ 1 (52) 22 2g 11 2g EQ 2 g 1 22 g

Enačbo (52) razrešuje iteracijsko po metodi standardnega koraka. Energijske izgube ∆E računa po enačbah (28) in (29).

Q 2 xIE =Δ=Δ Δx Etr S C R 222

2 −αα vv 2 E =Δ ξ 22 11 lok 2g

Enačba za izračun lokalnih izgub je jasna in v takšni obliki uporabljena v programu. Za trenjske izgube pa je potreben komentar.

Program razdeli območje prečnega profila na tri pod‐območja: glavni kanal, leva poplavna površina in desna poplavna površina. Vsako od teh območij ima različno oddaljenost do dolvodnega območja enake kategorije. Ker pa za izračun trenjskih izgub potrebujemo eno povprečno razdaljo med profiloma, program izračuna pretočno obteženo razdaljo po enačbi:

lpolpo + kaka + QLQLQL dpodpo Lx Q ==Δ (53) lpo ka ++ QQQ dpo

Klpo Qlpo = Qtot Ktot

Kdpo Qdpo = Qtot (54) Ktot

Kka Qka = Qtot Ktot

Enačba za izračun padca energije med dvema profiloma (enačba (28)) je izpeljana iz De Chézyjeve enačbe za stalni enakomerni tok. Ker pa program računa po teoriji stalnega neenakomernega toka, računa padec energije med profiloma z različnima geometrijama. To pa pomeni, da vsak izmed profilov povzroča različen padec energije. Da bi kar najbolje zajeli dejansko stanje, moramo na

94 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju različne načine upoštevati vpliv obeh profilov. V ta namen program omogoča več načinov (metod) izračuna padca energije med profiloma.

Najprej pa zapišimo padec energije na način, ki ga uporablja HEC‐RAS:

Q 2 I = tot E 22 RCS

1 1 C = R 6 nG

2 Qtot I E = 1 1 3 2 RSR n 2 G 2 Qtot I E = 4 1 3 2 2 SR nG

2 Qtot I E = 2 (54) Ktot

Program omogoča izračun padca energije med dvema profiloma po štirih osnovnih metodah:

‐ metoda povprečne prevodnosti

2 ⎛ + QQ ⎞ ⎜ tot1 tot 2 ⎟ I E = ⎜ ⎟ (55) ⎝ tot1 + KK tot 2 ⎠

‐ metoda povprečnega trenjskega padca + II I = EE 21 (56) E 2

‐ metoda geometrijskega trenjskega padca

E = III EE 21 (57)

‐ metoda harmoničnega trenjskega padca

II EE 21 )(2 I E = (58) + II EE 21

Program računa po metodi povprečne prevodnosti, ki je tudi privzeta metoda, vendar dopušča možnost, da uporabnik sam izbere metodo, ki se mu zdi najprimernejša za dani primer. Postavi se vprašanje katero metodo izbrati. Najprimernejša metoda izračuna povprečnega padca energije je odvisna od tipa gladinske krivulje, ki se pojavi na določenem odseku. Dejstvo je, da če imamo profile definirane dovolj na gosto nam bo katerakoli od teh enačb dala zadovoljive rezultate, če pa ne, je najbolje, da metode menjamo iz profila v profil, glede na tip gladinske krivulje, ki se pojavi med

95 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju dvema profiloma. Program ima tudi to alternativno možnost, da glede na tip gladinske krivulje določi metodo sam. Program bo izbral metodo računa povprečnega padca energije glede na spodnjo tebelo:

Ali je padec energije IE Gladinska krivulja Izbrana enačba obravnavanega profila večji padca energije predhodnega prečnega profila?

DA M1,S1 enačba povprečnega trenjskega padca

NE M2 enačba harmoničnega trenjskega padca

DA S2 enačba povprečnega trenjskega padca

NE M3,S3 enačba geometrijskega trenjskega padca

Tabela 2: Izbira metode za račun padca energije

Kljub temu, da imamo štiri možnosti, ni noben primeren za izračuna povprečnega padca energije IE med profiloma kjer je veliko stransko raztezanje (prvi dolvodni profil od mostu).

3.2.2.2 Način razdelitve prečnega profila in račun prevodnosti Kot povedano se prečni profil razdeli na tri osnovna pod‐območja: na glavni kanal, leva poplavna površina in desna poplavna površina. Pod‐območja pa lahko še dodatno razdelimo z definiranjem različnih koeficientov hrapavosti nG na istem pod‐območju. Kljub temu, da pod‐območja še dodatno razdelimo, program izračuna prevodnost za tri osnovna pod‐območja in prav tako pretok. Prednost deljenja prečnega profila na posamezna pod‐območja je v tem, da ima ponavadi kanal drugačne karakteristike (hrapavost, naklon brežin, pretok, prevodnost,…) od poplavnih površin in je tako izračun bolj natančen. Z deljenjem profila na pod‐območja lahko tudi bolj natančno opišemo razdaljo med profiloma, ker ima, zaradi vijuganja reke, vsako pod‐območje drugačno razdaljo do dolvodnega območja enake kategorije.

Enačbo in prevodnost sem že definiral in program uporablja prav to enačbo za račun prevodnosti:

Q 1 2 K == SR 3 I 0 nG

Način izračuna prevodnosti na posameznem pod‐območju lahko izbiramo med dvema metodama:

‐ privzeta metoda Pri tej metodi na posamezni poplavni površini računamo prevodnost na območjih, kjer smo definirali različne koeficiente hrapavosti nG in jih na koncu seštejemo. Prevodnost za glavni kanal je ena.

‐ alternativna metoda

96 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pri slednji metodi program, na posamezni poplavni površini, računa prevodnost med vsako koordinatno točko, kljub temu, da nismo definirali različne koeficiente hrapavosti nG med vsako koordinatno točko, in jih na koncu sešteje. Prevodnost za glavni kanal je samo ena.

V splošnem dajeta metodi različne rezultate takrat, ko je v enem delu poplavnega območja spodnja točka postavljena tako, da daje vertikalni padec. Dejstvo je, da privzeta metoda daje nižje totalne prevodnosti (Ktot) za isto globino vode. Izvedena je bila raziskava (HEC, 1986), ki slednje potrjuje, vendar ni pokazala katera metoda je bolj natančna. Kljub vsemu pa je privzeta metoda bolj primerna oziroma sorazmerna z Manningovo enačbo in s konceptom deljenja tokovnih elementov (na tri pod‐ območja:glavni kanal, levo in desno poplavno območje).

3.2.2.3 Sprememba Manning­a v glavnem kanalu

Tok v samem kanalu ni deljen, razen če definiramo različne koeficiente hrapavosti nG v samem kanalu. Vsekakor se je potrebno vprašati, kdaj je uporabno spreminjat vrednost koeficienta hrapavosti znotraj glavnega kanala. Zato ima program vgrajen pogoj oziroma kriterij, po katerem se odloča, kdaj je to smiselno in kdaj ne. Če je uporaba smiselna, bo uporabil različne definirane nG‐je, drugače pa bo vzel enoten koeficient hrapavosti za celotno območje glavnega kanala, ki ga bo izračunal po formuli:

N ⎛ 5.1 ⎞ ⎜ ∑ . nO iika ⎟ n = ⎜ i=1 ⎟ (59) ka ⎜ O ⎟ ⎜ ka ⎟ ⎝ ⎠

Kriterij je sledeč:

‐ če je stranski padec (IL,ID) strmejši od pogoja 5V:1H (koti manjši od 11.3° od vertikalne osi) in ima

glavni kanal definiranih več vrednosti za koeficient hrapavosti, se za račun uporabi enoten nka izračunan po formuli (59) in obratno.

IL ID

97 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 44: Definicija stranski padcev za obravnavo enotnega Manning ‐ ovega koeficienta v kanalu

Izračunan koeficient hrapavosti nka je potrebno preveriti ali je vrednost razumska in ga po potrebi spremeniti.

3.2.2.4 Ocenitev kinetične energije toka Ker je na vseh treh pod‐območjih kinetični člen energijske enačbe različen (v splošnem ima vsak vodni delček različen kinetični člen), HEC‐RAS pa računa 1D tok, je nujno, da je omenjeni člen enoten za celoten profil. Kinetični člen poenotimo tako, da vpeljemo koeficient α, ki ga imenujemo tudi Coriollisov koeficient. Izpeljavo koeficienta α sem podal v poglavju 2.4.2, vendar sem ga zapisal v splošni obliki (za vodni delček). V tem poglavju pa bom zapisal enačbo Coriollisovega koeficienta α v obliki, ki jo uporablja program:

3 3 Q dv .. 1 3 33 dv .. dSv S SSRS 1 ∫ S 3 dv .. 3 3 SSQ n3 .. .. dvdvdv .. 3 RSn 3 3 dSv S == dv .. = .. . dvdv .. = dGv .. = dvdvG .... 3 ∫ dv .. 3 3 3 3 33 Sv Sv Q SSQ 1 33 3 SRn S dv .. SSRS dGv .. 3 S 3 dv .. S. nG

Ker imamo prečni profil razdeljen na tri območja, lahko zgornjo enačbo analogno zapišemo za vsako območje posebej:

3 3 3 3 3 3 3 33 33 3 RSn dvdvG .... ( dpolpoG .. kaka .. ++ RSRSRSn dpodpo .. ) dpolpoG .. + .. + RSnRSnRSn dpodpoGkakaG .. 33 = 3 333 = 333333 dGv .. SRn ( Glpo. Gka ++ Gdpo ) SRnnn Glpo. Gka ++ Gdpo SRnSRnSRn

Vpeljemo še izraz za prevodnost K in zapišimo končno obliko

⎛ K 3 K 3 K 3 ⎞ S 2 ⎜ lpo ka ++ dpo ⎟ tot ⎜ 2 2 2 ⎟ ⎝ Slpo Ska Sdpo ⎠ α = 3 (60) Ktot

Enačbo (60) predstavlja končno obliko izračuna Coriollisov koeficient α. Kljub temu se koeficient α v v 2 programu ne računa z enačbo (60), ampak iz kinetičnega dela energijske enačbe (α ), ki je enak 2g pretočno obteženi hitrosti. Matematično to zapišemo sledeče:

v 2 1 ⎛ 2 2 ++ 2 QvQvQv ⎞ α = ⎜ kakalpolpo dpodpo ⎟ ⎜ ⎟ (61) 2 2gg ⎝ Qtot ⎠

98 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Qlpo vlpo = Slpo Q v = ka ka S ka (62) Qdpo vdpo = S dpo Q v = tot Stot

3.2.2.5 Določitev kritične globine Kritična globina bo v profilu izračunana, če bodo izpolnjeni naslednji pogoji:

‐ določen je bil deroči tok, ‐ uporabili smo možnost izračuna kritične globine v vseh profilih, ‐ gre za robni profil in kritična globina se izračuna, da se preveri ali je vnešen robni pogoj v pravilnem tokovnem režimu, ki ga že prej določimo, ‐ če se izvede račun za mirni tok, se v vsakem profilu preveri Froudovo število. Kadar je Froudovo število večje od 0.94, program izračuna še kritično globino, da preveri ali je izračunana globina v pravilnem, prej določenem, tokovnem režimu, ‐ program ni prišel do rešitve po maksimalnem številu iteracij in se gladina postavi na kritično globino, ki jo program v ta namen izračuna. Kritično globino program izračuna v iterativnem postopku, pri čemer so vrednosti za gladino vode domnevne.

Splošen postopek zgleda nekako takole:

‐ izberemo si različne kote vodne gladine in glede na dano geometrijo prereza izračunamo αv 2 ustrezno energijo E s pomočjo enačbe (38) yE += , 2g ‐ zrišemo graf kota vodne gladine/energija E pri katerem nam minimum nastale krivulje predstavlja

kritično globino oziroma globino pri kateri je energija min Emin (minimalna specifična energija za določen profil in pretok). Vidimo lahko, da je postopek precej enostaven. Kljub enostavnosti pa se nam v praksi lahko vse skupaj malo bolj zaplete. Problem so energijske krivulje, ki imajo več minimumov. To pomeni, da se energijska krivulja lomi. Lomljeno energijsko krivuljo imajo ponavadi profili z izrazito ravnimi poplavnimi ravnicami ali pa profili, ki imajo definirane nasipe in neefektivna območja. Kadar nastopi takšna situacija in uporabljamo zgornji splošen postopek (parabolična metoda v HEC‐RAS‐u), dobimo enega izmed minimumov energijske krivulje oziroma rešitev konvergira k prvemu minimumu. Takšen pristop pa lahko vodi k nepravilnemu predvidevanju kritične globine. To je tudi glavni razlog, da ima HEC‐RAS na voljo dve metodi po katerih računa kritično globino

»Parabolična« metoda«

99 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Metoda je lažja za izračun, vendar pa lahko z njo določimo samo eno lokacijo minimalne energije Emin (minimum na energijski krivulji). Energijska krivulja ima ponavadi samo en minimum in je zato parabolična metoda tudi privzeta metoda. Kadarkoli program po slednji metodi ne pride do rešitve, avtomatsko preklopi na sekantno metodo. Po parabolični metodi program vzame vodno gladino polnega profila in jo razdeli na tri enake intervale. Za vse tri kote izračuna energijo po enačbi (38) in skozi tri dobljene točke na grafu kota vodne gladine/energija zriše krivuljo (parabolo). Na paraboli določi minimalno energijo in njej pripadajočo koto vodne gladine. Slednjo vzame kot novo izhodiščno vodno gladino in celoten postopek ponovi. To počne toliko časa dokler se minimalni energiji in pripadajoči vodni gladini dveh zaporednih iteracij razlikujeta za manj kot 0.003 m. Ko je pogoj izpolnjen je kritična globina določena.

»Sekantna« metoda

Če je maksimalna razdalja med najnižjo in najvišjo točko manjša od 1.5 krat maksimalnad razdalja me najnižjo in najvišjo točko glavnega kanala se celoten profil razdeli na 30 enakih intervalov, če pa to ne drži, se glavni kanal razdeli na 25 enakih intervalov, nato pa se še območje med najvišjo točko glavnega kanala in vrha profila razdeli na 5 enakih intervalov. Za vsako vodno gladino se izračuna energija in oba podatka (kota vodne gladine in pripadajoča energija) se zabeležita v tabelo. Če je energija za določeno vodno gladino nižja od obeh energij, ki sta takoj nad in pod to energijo, potem to program razume kot lokalni minimum. Lokalnemu minimumu program z uporabo sekantne

−1 − xxxf iii ))(( metode ( +1 xx ii −= ; maksimalno 30 iteracij oziroma do želene tolerance) poišče i−1 − xfxf i )()( bolj natančen lokalni minimum. To naredi tudi z ostalimi lokalnimi minimumi, če se je kateri še pojavil. Upošteva lahko 3 lokalne minimume. V primeru dveh ali treh lokalnih minimumov, program upošteva kritično globino pri lokalnem minimumu z najnižjo izračunano energijo. Če pa je ta lokalni minimum nastal zaradi loma energijske krivulje, ki ga je povzročil nasip ali neefektivno območje, bo program izbral naslednjo najnižjo energijo in to vzel kot Emin ter tej energiji pripadajočo globino kot kritično globino. Kadar pa vsi lokalni minimumi nastanejo zaradi nasipa ali neefektivnega območja pa med vsemi izberi tistega z najnižjo energijo. Kadar pa nimamo lokalnih minimumov pa program iz tabele uporabi minimalno energijo in njej pripadajoča globina postane kritična globina. Če je ta kritična globina na vrhu profila program ve, da je bila storjena napaka in da to ne more biti prava kritična globina. Zato bo program vzel za dvakrat višjo gladino vode, kot pa je ta na vrhu profila in opisani postopek ponovil. Da se lahko ra čun izvede z dvignjeno gladino vode, se v prvi in zadnji točki profila ustvarijo navidezni vertikalni zidovi, ki fizično omogočajo dvig vode. Program lahko podvoji gladino vode petkrat, preden bo prenehal z iskanjem pravilne kritične globine.

100 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 45: Grafični prikaz algoritma določevanja kritične globine po »parabolični metodi«

101 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 46: Grafični prikaz algoritma določevanja kritične globine po »sekantni metodi«

102 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

3.2.2.6 Uporaba dinamične enačbe Energijska enačba postane neuporabna kadar pride do spremembe tokovnega režima (prehod iz mirnega v deroči tok ali obratno). Ko se to zgodi postane tok hitro prehajajoč, energijska enačba pa je uporabna samo za postopno prehajajoči tok. Primerov hitro prehajajočega toka je v praksi kar nekaj in se dogodi ob nenadni spremembi padca, mostovih, jezovih, vozliščih,… V določenih primerih (jezovi) lahko za hitro prehajajoči tok uporabimo tudi empirične enačbe, v ostalih pa moramo vpeljati dinamično enačbo.

HEC‐RAS uporablja dinamično enačbo za rešitev naslednjih primerov:

‐ iskanje lokacije vodnega skoka ‐ nizek tok v okolici mostov ‐ vozlišča Dinamično enačbo sem definiral in zapisal v poglavju 2.2 (enačba (15) in Slika 3) in sicer:

− 12 + − fx = ρΔvQFWPP x − )12(

V tem poglavju bom definiral vsak člen enačbo in jo razvil v obliko, ki jo uporablja program (glej Slika 3) :

‐ sila pritiska (P)

= γShP t cosΘ

Upoštevamo predpostavko o majhnih kotih (<6° ‐ Chow, 1973)

= γ hSP t111 (63) = γ hSP t 222

‐ sila teže vode (W)

⎛ + SS ⎞ W = γ ⎜ 21 ⎟L ⎝ 2 ⎠

x = WW sin Θ − zz sin =Θ 12 = I L 0

⎛ + SS 21 ⎞ Wx = γ ⎜ ⎟LI0 (64) ⎝ 2 ⎠

‐ sila zunanjega trenja (Ff)

f = τ LOF

103 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

= γτ IR f S F = γ LOI f O f

⎛ + SS 21 ⎞ Ff = γ ⎜ ⎟ f LI (65) ⎝ 2 ⎠

‐ zmnožek mase in pospeška

ρΔ= vQma x γ ρ = g

x ( −=Δ ββ vvv 2211 )

Qγ ma −= ββ vv )( (66) g 2211

V enačbi (66) sem uporabil Boussinesqov koeficient β, s pomočjo katerega zajamemo vpliv neenakomerne porazdelitve hitrosti po prerezu, pri računu z dinamično enačbo. Tako pri uporabi energijske enačbe ta vpliv zajamemo s Coriollisovim koeficientom α, pri uporabi dinamične enačbe pa z Boussinesqovim koeficientom β. Slednji koeficient se v programu izračuna kot:

kakalpolpo ++ QvQvQv dpodpo β = tot vQ

Sedaj pa enačbe (63), (64), (65) in (66) vstavimo v enačbo (15). Upoštevali bomo, da pretok variira od enega do drugega profila in tako zapisali osnovno dinamično enačbo, ki je uporabljena v programu HEC‐RAS:

12 fx ρΔ=−+− vQFWPP x − )12(

⎛ + SS 21 ⎞ ⎛ + SS 21 ⎞ Q1γ Q2γ t hShS t1122 +− γγγ ⎜ ⎟LI 0 − γ ⎜ ⎟ IL f = β v11 − v22 /γβ ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ g g

β vQ 222 ⎛ + SS 21 ⎞ ⎛ + SS 21 ⎞ β vQ 111 hS t 22 ++ ⎜ ⎟LI 0 − ⎜ ⎟ IL f += hS t11 g ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ g Q v = S

2 2 Q2 β2 ⎛ + SS 21 ⎞ ⎛ + SS 21 ⎞ Q1 β1 hS t 22 ++ ⎜ ⎟LI0 − ⎜ ⎟ IL f += hS t11 (67) 2 gS ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 1gS

Kot omenjeno smo dobili osnovno dinamično enačbo. Vsa njena uporaba znotraj programa je izpeljava enačbe (67).

104 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Tukaj bi podal še enačbo specifične sile, ki je izpeljava splošne dinamične enačbe. Če zapišemo dinamično enačbo med dvema profiloma, ki sta zelo skupaj, postaneta sila zunanjega trenja in sila teže vode zanemarljivo majhni. Matematično to lahko zapišemo [Chow, 1973]:

2 2 Q1 β1 Q2 β 2 hS t11 +=+ hS t 22 (68) 1 gS 2 gS

Enačba (68) je enačba specifične sile med profiloma. Vsekakor se moramo zavedati, da smo zanemarili sili zunanjega trenja in teže vode, kar pa pomeni, da lahko enačbo specifične sile uporabimo samo med profiloma, ki sta precej skupaj. To je tudi eden glavnih razlogov zakaj je pomembno, da poskušamo profile čim bolj zgostiti (o razlogih za zgoščevanje profilov bom več napisal v poglavju 5.3.2 Interpolacija prečnih profilov).

Specifično silo pa lahko zapišemo za vsak profil in sicer [Chow, 1973]:

Q 2 β SF += Sh (69) gS t

Enačba (69) predstavlja generalno funkcijo, ki je sestavljena iz dveh delov. Prvi člen te enačbe predstavlja dinamični moment toka, ki teče skozi kanal v časovni enoti, drugi člen pa predstavlja statično komponento momenta, ki predstavlja silo hidrostatičnega pritiska vode. Oba člena pa imata isto enoto in sicer sila na enoto teže vode. Vsota obeh členov pa se imenuje specifična sila. Ker program omogoča definiranje neefektivnih območij (hitrost je skoraj enaka nič in tako to območje ne upoštevamo pri računu dinamičnega momenta) , lahko enačbo zapišemo na naslednji način:

Q 2 β SF += hS ttot (70) m gS

Enačbo (70) uporablja program pri računu mešanega režima toka (lokacija vodnega skoka, tok skozi vozlišča).

3.2.2.7 Zajem zraka pri vodotokih z velikimi hitrostmi Vodotoki, ki imajo velike hitrosti imajo vodno gladino nekoliko višje od pričakovane zaradi zajema zraka. Ta problem lahko povzroča znatne spremembe gladine v močno deročih rekah (Fr>1.6).

HEC‐RAS ta program rešuje z uporabo naslednjih enačb:

‐ za Fr ≤ 8.2

061.0 Fr Da = eD )(906.0 (71)

‐ za Fr > 8.2

1051.0 Fr Da = eD )(620.0 (72)

105 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Program pri vsaki simulaciji izračuna vodno gladino brez zajema zraka (D = y+z) in tudi vodno gladino z zajemom zraka (Da). Če hočemo to gladino videti, moramo ustvariti tabelo in vanjo vključiti spremenljivko, ki v programu nosi ime ˝WS Air Entr˝.

3.2.3 Možnosti izračuna v programu HEC­RAS

3.2.3.1 Račun po planih Plan je sestavljen iz kombinacije pretoka in geometrije. Tako lahko definiramo več tipov geometrije in več pretokov, ki jih poljubno sestavimo v plan in izvedemo izračun. Plane lahko shranjujemo v posamezne mape, ki nam koristijo takrat, ko hočemo primerjat obstoječo geometrijo (obstoječe stanje) in spremenjeno geometrijo, ki bo obstajala v prihodnosti. Več planov nam pride prav tudi takrat, ko izbiramo obliko mostu oziroma dimenzije mostne odprtine. Tako lahko naredimo več planov med katerimi lahko primerjamo pretočne razmere pri mostovih različnih dimenzij in istim pretokom.

3.2.3.2 Interpolacija prečnih profilov Včasih je za dober izračun potrebno med dejanske prečne profile dodati umetno narejene – interpolirane. Tako program vsebuje možnost, da med dva že obstoječa prečna profila z linearno interpolacijo ustvari nove profile. To nam pride prav oziroma je potrebno storiti , ko je sprememba hitrosti med profili prevelika (prevelika oddaljenost dveh sosednjih profilov), da bi z njo lahko natančno določili spremembo v energijskem gradientu. Dober podatek o spremembi energijskega gradienta je nujna za natančen model trenjskih izgub in izgub zaradi razširitev in zožitev. Če je model izgub slabo zastavljen program v 20‐tih iteracijah ne pride do rešitve in gladino postavi na kritično globino, kar pa ni pravilna rešitev.

Program glede na naše želje generira nove profile tako, da interpolira geometrijo med dvema želenima profiloma po modelu strun. Model strun temelji na povezovanju koordinat gorvodnega in dolvodnega profila. Koordinate so razdeljene na ˝glavne koordinate˝ in ˝manj pomembne koordinate˝. Privzeto število ˝glavnih koordinat˝ je 5 in so določene po naslednjem kriteriju:

‐ prva koordinata prečnega profila (lahko sovpada z levo brežino) ‐ koordinata leve brežine ‐ najnižja točka glavnega kanala ‐ koordinata desne brežine ‐ zadnja koordinata prečnega profila (lahko sovpada z desno brežino) Poleg privzetih ˝glavnih koordinat˝ lahko določimo tudi dodatne glavne koordinate (npr. najvišja točka profila,…). ˝Manj pomembne koordinate˝ so določene avtomatsko in sicer tako, da program vzame že obstoječe koordinate tako iz gorvodnega kot iz dolvodnega profila in ustvari ustrezno koordinato na nasprotnem prečnem profilu. Stacionaža ˝manj pomembne koordinate˝ na nasprotnem profilu se določi tako, da se proporcionalna razdalja med dvema znanima koordinatama obravnavanega profila, prenese na nasprotni profil. To lahko zapišemo tudi kot [(razdalja med glavno in manj pomembno koordinato obravnavanega profila)/(razdalja med glavnima koordinatama obravnavanega profila)] = [(iskana stacionaža na nasprotni strani)/(razdalja med glavnima koordinatama nasprotnega profila)]. Število ˝manj pomembnih koordinat˝ je enako vsoti vseh

106 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju koordinat minus število ˝glavnih koordinat˝. Ko so vse ˝manj pomembne koordinate˝ določene (njihove stacionaže na nasprotnem profilu), lahko program med profile doda poljubno število prečnih profilov. Interpolacija višin je linearna. Poleg višin se interpolira tudi koeficient hrapavosti nG. Njegova interpolacija se izvrši glede na ˝glavne koordinate˝. V primeru, da ima kateri izmed profilov definiranih več kot tri vrednosti za nG, so mesta, kjer pride do spremembe koeficienta, obravnavana kot ˝glavne koordinate˝ in se interpolacija tako izvrši glede na ˝glavne koordinate˝ in naknadno dodane ˝glavne koordinate˝. Poleg višin in nG‐ja se avtomatično interpolirajo še: stacionaža glavnega kanala, koeficient razširitve in zožitve. Neefektivna območja, nasipi in ovire pa se interpolirajo, če so definirani v obeh profilih.

3.2.3.3 Razdelitev toka v profilu Kadar hočemo dobiti razpored hitrosti po prečnem profilu, moramo najprej prečni profil razbiti oziroma razdeliti na manjše intervale, za katere program izračuna karakteristike, ki pripadajo posameznemu intervalu.

V kateremkoli profilu lahko vsako od treh pod‐območij razdelimo na posamezne intervale (do 45 intervalov na pod‐območje). Program bo za posamezen interval vsakega prečnem profilu v katerem je bila razdelitev toka določena, izračunal pretok, površino, omočeni obod, procent prevodnosti, hidravlično globino in povprečno hitrost. Račun za posamezen interval se izvede potem, ko program že izvede račun vodne gladine in energije po ustrezni metodi.

Procedura računa:

‐ izvede se račun gladin in energije z ujemanjem energijske enačbe (metoda standardnega koraka), ‐ po računu gladin in energije, program razdeli profil na intervale. Število rezin je odvisno od tega koliko smo mu jih definirali,

‐ s padcem energije IE v profilu, definiranimi koeficienti hrapavosti nG, izračunano površino ter omočenim obodom za vsako rezino, z Manningovo enačbo izračuna prevodnost (enačba (44)) in procent pretoka vsake rezine (enačba (67)), ‐ nato sešteje vse izračunane prevodnosti. V splošnem bi morala biti ta vsota enaka prevodnosti, ki jo je program izračunal za potrebe izračuna gladine in energije. Vendar je dejstvo, da z delitvijo prečnega prereza, višamo izračunano prevodnost za isto koto vodne gladine, ‐ zaradi razlike med izračunanima prevodnostma, program izračuna popravni koeficient med njima

(Koriginal/Kvsota rezin) in to razmerje množi s prevodnostjo posamezne rezine v želji, da bi dosegel

enako prevodnost, kot je bila izračunana za potrebe izračuna gladin in energije (Koriginal), ‐ v zadnjem koraku se s popravljeno prevodnostjo, za vsako rezino, izračuna nov procent pretoka. Popravljen pretok se nato deli s površino posamezne rezine in kot končni rezultat dobimo hitrost rezine.

107 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 47: Grafični prikaz algoritma računa karakteristik deljenega profila na poljubno število rezin

108 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Dobljene rezultate je potrebno jemati previdno, še posebno hitrost in procent pretoka, ker je celoten izračun baziran na 1D hidravličnem modelu. V realnosti hitrost in pretok variirata tako vertikalno kot horizontalno in če bi hoteli dobiti res natančne rezultate moramo uporabiti 3D hidravlični model.

3.2.4 Račun mirnega, deročega in mešanega toka V tem poglavju bom podal način računa programa HEC‐RAS. Postopek izračuna bom podal korak za korakom po alinejah in v obliki diagrama (grafični prikaz algoritma).

3.2.4.1 Algoritem oziroma procedura računa mirnega in deročega toka Algoritem zapisan po alinejah

‐ ko vnesemo vse potrebne vhodne podatke se glede na podan SRP (mirni tok) oziroma ZRP (deroči tok) izračuna izhodiščna gladina profila 1, ‐ glede na izhodiščno gladino se v profilu 1 izraačun prevodnost K (enačba (44) – privzeta metoda, če ne izberemo alternativne) in pretok Q (enačba (67)) za vsako pod‐območje, ‐ v profilu 1 se izračuna kinetični del energijske enačbe s pretočno obteženo hitrostjo (enačba (75)) in padec energije (enačba (68)), ‐ v profilu 2 predpostavimo gladino vode. Prva predpostavka je kar izračunana izhodiščna gladina profila 1 ‐ glede na predpostavljeno gladino vode se za vsako od treh pod‐območij profila 2 izračuna prevodnost (enačba (44) – privzeta metoda, če ne izberemo alternativne). Vsota prevodnosti pod‐območij predstavlja totalno prevodnost v profilu 2, ‐ za vsako pod‐območje profila 2 se izračuna pretok Q (enačba (67)), ‐ za vsako od treh pod‐območij se med profiloma 1 in 2 izračuna povprečni pretok, ‐ v profilu 2 se izračuna padec energije (enačba (68)), ‐ za vsako pod‐območje in za celoten profil 2 se izračuna hitrost (enačba (76)) ‐ v profilu 2 se izračuna kinetični del energijske enačbe s pretočno obteženo hitrostjo (enačba (75)). Iz kinetičnega dela energijske enačbe in hitrosti celotnega profila 2 se nato izračuna koeficient α, ki ga program za sam izračun ne potrebuje, vendar se izračuna in prikaže za primer pregleda izračuna, ‐ med profiloma 1 in 2 se izračuna pretočno obtežena razdalja (enačba (66)) ‐ po eni izmed štirih metod (enačbe (69), (70), (71), (72)) se izračuna povprečni padec energije med profiloma 1 in 2. Metodo si izberemo sami razen, če smo določili alternativno možnost. V tem primeru pa nam način računa določi program sam (tabela 1). Izračunajo se trenjske izgube med profiloma 1 in 2 (enačba 28) ‐ hitrost profila 2 se odšteje od hitrosti profila 1 (odvisno od tega ali računamo mirni ali deroči tok). Če je razlika negativna, se območje toka zožuje in se v enačbi (29) uporabi koeficient zožitve. V primeru, da pa je razlika pozitivna, pa pomeni, da se območje toka razširja in se v enačbi (29) uporabi koeficient razširitve. Ko je primerjava izvršena se uporabi pravilni koeficient in izračunajo se izgube zaradi razširitve in zožitve po enačbi (29),

‐ uporabi se enačba (65) za izračun kote vodne gladine v profilu 2 (z2+y2 če računamo mirni tok in

z1+y1, če računamo deroči tok). Izračunana vodna gladina v profilu dva se primerja s

109 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

predpostavljeno vodno gladino istega profila. Če je razlika med njima v mejah predvidene tolerance, je kota izračunane vodne gladina obravnavana kot pravilna in račun se prestavi za en profil gorvodno (mirni tok) oziroma dolvodno (deroči tok) v profil 3, kjer program ponovi pravkar napisano proceduro (od koraka 2 )do 14 vendar tokrat med profiloma 2 in 3. Če pa izračunana kota vodne gladine v profilu 2 ni v mejah predvidene tolerance se predpostavi nova kota vodne gladine v profilu 2 in procedura (od koraka 4 do 14) med profiloma 1 in 2 se ponovi. Ta procedura se za en par prečnih profilov ponovi maksimalno 20 – krat. Pri opisu metode standardnega koraka (to metodo uporablja tudi HEC‐RAS) sem omenil, da lahko neprimerno predpostavljanje gladin privede do tega, da metoda postane neprimerna za račun deročega toka. HEC‐RAS ta problem reši tako, da uporablja sledeč e predpostavljene gladine:

‐ prva predpostavljena gladina je enaka kot gladina izračunana v prejšnjem profilu ((y+z)pred:I‐1)

‐ glede na prvo predpostavko izračuna novo gladino ((y+z)izra:I‐1) ‐ če sta gladini v mejah tolerance smo prišli do rešitve, če pa to ni res, program predpostavi naslednjo gladino, ki je enaka predvideni gladini plus 70% napake med izračunano in predvideno gladino:

zy Ipred −2: +=+ zy Ipred −1: + + Iizra −1: − + zyzy Ipred −1: ])()[(70.0)()( (73)

‐ tako imamo naslednjo predpostavljeno gladino in z njeno pomočjo izračunamo novo gladino

((y+z)izra:I‐2). Če sta gladini v mejah tolerance smo prišli do rešitve, če pa to ni res, program predpostavi novo gladino, ‐ vse naslednje predpostavljene gladine program računa po naslednji enačbi: _ AssumErr zy zy )()( −+=+ Err (74) Ipred −3: Ipred −2: −21 _ DiffErr

Kjer pomenijo členi:

‐ (y+z)pred:I‐3…nova predpostavljena gladina

‐ (y+z)pred:I‐2…predpostavljena gladina s prejšnje iteracije

‐ Err1‐2…napaka s prejšnje iteracije in se izračuna po formuli: + Iizra −1: − + zyzy )()( Ipred −1: ‐ Err_Assum…napaka med predvideno gladino druge in prve iteracije:

zy Ipred −2: −+ + zy )()( Ipred −1:

‐ Err_Diff…izračuna se po formuli : + Ipred −1: − + zyzy )()( Iizra −1: + Err −21

Tretja predpostavljena gladina se ne računa vedno po enačbi (74), ker če je člen Err_Diff premajhen lahko enačba (74) odpove. Tako se enačba (74) ne uporablja takrat , ko je Err_Diff manjši kot 0.01 m. V tem primeru program določi novo predpostavljeno gladino tako, da vzame povprečje med

+ zy Ipred −2: + + zy )()( Iizra −2: predpostavljeno in izračunano gladino s prejšnje iteracije ( ). 2

Skozi ciklus 20‐tih iteracij poskuša program priti do rešitve. Račun izvaja po proceduri od koraka 2 do 14 s prej opisanim postopkom predpostavljanja gladin. Naslednja stvar, ki jo program izvaja je to, da si med iteriranjem zapolni odstopanja med izračunano in predpostavljeno gladino ter si zapolni

110 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju gladino, ki ima najmanjše odstopanje. Ta gladina se imenuje ¨vodna gladina z najmanjšo napako¨. V primeru, da je doseženo maksimalno število iteracij (privzeto število je 20) in je toleranca med predpostavljeno in izračunano gladino večja od želene bo program sledil naslednjemu postopku:

‐ izračun kritične globine, če to že ni storjeno, ‐ preveri, če je napaka pri ¨vodni gladini z najmanjšo napako¨ v predvideni toleranci napake (0.1 m), ‐ če je v predvideni toleranci in na pravi strani kritične globine (glede na prej izbran vodni režim), program vzame to kot končni rezultat in to zapiše v varnostno sporočilo, ‐ če napaka ni v predvideni toleranci ali pa je na napačni strani kritične globine, program vzame kot končni rezultat kritično globino in to zapiše v varnostno sporočilo. Pojem ¨vodna gladina z najmanjšo napako¨ je uporabljen v programu zato, ker je ta vodna gladina pravilnejši rezultat od kritične globine. Pravzaprav vzame kritično globino kot končni rezultat samo zato, da se lahko račun nadaljuje v ostalih profilih. Ponavadi sta dva razloga zakaj program ne pride do rešitve. Ali so profili preveč narazen ali pa se med profiloma zgodi vodnik sko oziroma sprememba režima. V prvem primeru ponavadi gladini nista v mejah tolerance, v drugem pa je gladina na napačni strani kritične globine.

Ko program končno določi globino je naslednja stvar preverjanje gladine glede na režim, ki ga določimo pred računom. Za mirni tok predhodna kontrola pravilnega tokovnega režima vsebuje preverjanje Froudovega števila. Tako program izračuna Froudovo število za vodno gladino, ki jo zaenkrat smatra kot pravilno rešitev. Če je ena izmed teh števil višja od 0.94, bo program preveril režim toka še tako, da bo izračunal kritično globino profila in če bo gladina na pravi strani (nad kritično globino) bo izračunana gladina ostala, če pa bo gladina pod kritično globino bo kot pravilen rezultat vzel kar kritično globino. Vrednost 0.94 in ne 1 je vzeta zato, ker je izračun Frouda v neprizmatičnih kanalih nenatančno oin sm tako na varni strani. Tako bo program preverjal režim toka s kritično globino (bolj zanesljivo) pogosteje kot pa bi jo dejansko moral in bo tako rezultat pravilnejši. Kadar pa računamo deroči tok, pa se kritična globina avtomatsko izračuna za vsak prečni profil, kar omogoča direktno primerjavo med globino, ki je zaenkrat vzeta kot pravilna rešitev in kritično globino. Če bo gladina na pravi strani (pod kritično globino) bo izračunana gladina ostala, če pa bo gladina nad kritično globino bo kot pravilen rezultat program vzel kar kritično globino.

111 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 48: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega in deročega toka

3.2.4.2 Algoritem oziroma procedura računa mešanega toka Če hočemo izvesti račun mešanega toka, moramo vnesti tako SRP kot tudi ZRP. Program uporablja enačbo specifične sile (enačbo (84)) za določevanje lokacij prehoda iz mirnega v deroči tok oziroma obratno (vodni skok). Algoritem je sledeč:

Algoritem zapisan po alinejah

112 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ iz znanega SRP se izvrši celotna procedura računa mirnega toka. Vsa mesta, kjer program gladino postavi na kritično se označijo oziroma si jih program zapolni, ‐ iz znanega ZRP se začne izvajati račun deročega toka. Najprej se določi izhodiščna gladina in se preveri, če ja ta gladina na pravilni strani kritične globine, ki se prav tako izračuna. Če robni pogoj ustreza deročemu toku, program po enačbi (84) izračuna, če ima izhodiščna gladina višjo specifično silo kot prej izračunana vodna gladina za mirni tok na tej lokaciji. Če to drži, program vzame kot pravilno rešitev izhodiščno gladino izračunano iz ZRP in začne z dolvodnim izračunom deročega toka po proceduri deročega toka, ki sem jo opisal v prejšnjem poglavju. Če pa to ne drži, pa program dolvodno poišče prvo lokacijo, kjer je bila privzeto postavljena kritična globina. Ko program najde to lokacijo, mu ta predstavlja ZRP pogoj za začetek računa deročega toka, hkrati pa ta lokacija lahko predstavlja tudi prehod iz mirnega v deroči tok oziroma na tem mestu je možna lokacija vodnega skoka, ‐ definiran je ZRP in program začne računati deroči tok. Program bo računal tako dolgo, dokler ne bo dosegel profila, kjer se bosta izračunani energiji za mirni in deroči tok ujemali. V profilu, kjer se to zgodi, program zopet izračuna specifično silo za obe gladini in gladina z višjo specifično silo je privzeta kot pravilna rešitev. Če ima gladina izračunana za deroči tok višjo specifično energijo, program nadaljuje z računom deročega toka, hkrati pa sedaj v vsakem profilu primerja specifično silo obeh gladin in v prvem profilu, z višjo specifično silo za gladino izračunano za mirni tok kot pa za deroči, na tem mestu postavi lokacijo vodnega skoka oziroma se zgodi prehod iz deročega v mirni tok, ‐ Od lokacije vodnega skoka je zopet pravilna rešitev gladina izračunana za mirni tok vse do naslednje lokacije kritične globine. Program se zopet postavi na to lokacijo in izvede proceduro tretje alineje.

113 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 49: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka

114 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

3.2.4.3 Algoritem računa mirnega, deročega in mešanega toka skozi vozlišče V poglavju Definiranje vozlišč sem omenil 6 tokovnih primerov, ki so možni. Tukaj pa bom najprej podal postopek računa skozi vozlišče za vseh 6 situacij po metodi energije, nato pa še postopke računa za vseh 6 situacij po metodi dinamične enačbe.

Algoritem računa mirnega, deročega in mešanega toka skozi vozlišče po metodi energije

Če izberemo to metodo, bo program računal tok skozi vozlišče po energijski enačbi z izvajanjem standardnega koraka.

Mirni tok ‐ tok se združi

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Slika 50: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 50)

‐ račun mirnega toka se izvede do najbolj gorvodnega profila odseka 3 (profil 3). Račun se izvede po algoritmu za mirni tok, ‐ od tu naprej se račun skozi vozlišče izvaja ločeno – za vsak odsek posebej. Posebej se izračuna

vodna gladina v eprvemč pr nem profilu odseka 1 (prečni profil 4 – z4+y4) po proceduri za mirni tok, prav tako pa se po proceduri za mirni tok ločeno izračuna tudi vodna gladina v prvem

prečnem profilu odseka 2 (prečni profil 0 – z0+y0). Energijska enačba med profiloma 3 in 4 in 3 in 0 se zapiše takole:

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 4 yz )( α 3 +++=++ IL 4 −+ ααξ 3 (75) 44 2g 33 2g E −− 3434 4 g 3 22 g

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 0 yz )( α 3 IL 0 −++++=++ ααξ 3 (76) 00 2g 33 2g E −− 03030 g 3 22 g

115 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče in na povprečnem padcu energije med profiloma 3 in 4 ter 3 in 0. ‐ izračunana gladina v profilih 4 in 0 predstavlja dolvodni robni pogoj (nov SRP) na podlagi katerega se v obeh odsekih (odsek 1 in 2) nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za mirni tok. Enačbi (75) in (76) program rešuje po proceduri za mirni tok. Opazimo lahko, da v tem primeru programu ni potrebno računati pretočno obteženo razdaljo LQ. Opozoril pa bi še na to, da je potrebno za vsak odsek vnesti oziroma poznati pretok.

116 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 51: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – tok se združi

Mirni tok – glavni tok se razdeli

117 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Slika 52: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 52)

‐ po algoritmu za mirni tok se izvede račun mirnega toka do obeh najbolj gorvodnih profilov odseka 2 in 3 (profila 2 in 3), ‐ nato se v obeh profilih (v profilih 2 in 3) po enačbi (84) izračuna specifična sila in gladina profila z višjo specifično silo predstavlja dolvodni robni pogoj (novi SRP) za izračun toka skozi vozlišče oziroma za izračun gladine v profilu 4. Gladina v profilu 4 se izračuna po proceduri za mirni tok. V primeru, da je v profilu 3 višja izračunan specifična sila , se energijska enačba med profiloma 3 in 4 zapiše:

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 4 yz )( α 3 +++=++ IL 4 −+ ααξ 3 (77) 44 2g 33 2g E −− 3434 4 g 3 22 g

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profiloma skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo

definirali vozlišče (program ne računa pretočno obtežene razdalje LQ) in na povprečnem padcu energije med profiloma 3 in 4,

‐ izračunana gladina v profilu 4 (z4+y4), predstavlja nov SRP na podlagi katerega se v odseku 1 nadaljuje račun gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za mirni tok.

118 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 53: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

Zopet je glavni problem razdelitev pretoka v odseku 1 na odseka 2 in 3. Program predpostavlja, da mi pravilno razdelimo pretok med odseka/e. Splošno je pretok, ki gre v odsek 2 in 3 neznan, vendar ga lahko s poskušanjem oziroma z izvajanjem ¨napačnih simulacij¨ tudi izračunamo. ¨Napačne simulacije¨ izvajamo po naslednjem postopku:

‐ podamo začetno vrednost pretokov za vsak odsek, ‐ poženemo izračun in pogledamo energije in vodne gladine v profilih okoli vozlišč (v profilih 2,3 in 4), ‐ primerjamo energiji v profilih 2 in 3. Če se energiji po velikosti občutno razlikujeta, potem je razdelitev pretoka po pritokih napačno, ‐ podamo novo razdelitev pritoka tako, da povečamo pretok odseku, ki vsebuje profil z nižjo energijo in ponovimo postopek pod alinejama 2 in 3. To počnemo toliko časa, da sta energiji med profiloma 2 in 3 v razumni toleranci. Na tem mestu se pojavi ideja, da bi pravkar opisani postopek, opravil program sam. Ideja je, da bi se za določeno kombinacijo pretokov izvedel izračun skozi vozlišče tako med profiloma 2 in 4, kot tudi med profiloma 3 in 4. Nato bi program primerjal izračunani energiji v profilu 4 in v kolikor bi se energiji občutno razlikovali bi program avtomatsko popravil razdelitev pretoka (zmanjšal bi pretok odseku s profilom, ki je dal višjo energijo in povečal odseku s profilom, ki je dal nižjo energijo). Ko bi ponovno prerazporedil pretok, bi celoten izračun ponovil in zopet primerjal energiji v profilu 4. Ker pa program dovoljuje izračun ene same energije v enem profilu, tega postopka ne izvede in moramo sami primerjat energiji v profilih okoli vozlišča ter izvajati ¨napačne simulacije¨. Da bi bil rezultat čim hitrejši in zadovoljivo natančen moramo poskrbeti, da so profili okoli vozlišč na zelo kratkih medsebojnih razdaljah.

Deroči tok ‐ tok se združi

Račun se izvede po naslednji proceduri:

119 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 54: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 54)

‐ za vse profile odseka 1 in 2 se po proceduri za deroči tok izračuna gladina (vse do profila 4 in 0), ‐ nato se po enačbi (84) izračuna specifična sila v profilih 4 in 0. Gladina v profilu z višjo specifično silo predstavlja novi ZRP za izračun toka skozi vozlišče oziroma za izračun gladine v profilu 3. Gladina v profilu 3 se izračuna po proceduri za deroči tok. V primeru, da je v profilu 4 višja izračunan specifična sila , se energijska enačba med profiloma 3 in 4 zapiše:

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 4 yz )( α 3 +++=++ IL 4 −+ ααξ 3 (92) 44 2g 33 2g E −− 3434 4 g 3 22 g

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profiloma skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo

definirali vozlišče (program ne računa pretočno obtežene razdalje LQ) in na povprečnem padcu energije med profiloma 3 in 4,

‐ izračunana gladina v profilu 3 (z3 + y3) predstavlja nov ZRP na podlagi katerega se v odseku 3 nadaljuje račun gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za deroči tok.

120 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 55: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – tok se združi

Deroči tok – glavni tok se razdeli

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 56)

121 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ za vse profile odseka 1 se po proceduri za deroči tok izračuna gladina (vse do profila 4), ‐ od tu naprej se račun skozi vozlišče izvaja ločeno – za vsak odsek posebej. Posebej se izračuna

vodna gladina v prvem prečnem profilu odseka 2 (prečni profil 2 – z2+y2) po proceduri za deroči tok, prav tako pa se po proceduri za deroči tok ločeno izračuna tudi vodna gladina v prvem

prečnem profilu odseka 3 (prečni profil 3 – z3+y3). Energijska enačba med profiloma 4 in 3 in 4 in 2 se zapiše takole:

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 4 yz )( α 3 +++=++ IL 4 −+ ααξ 3 (93) 44 2g 33 2g E −− 3434 4 g 3 22 g

v 2 v 2 v 2 v 2 yz )( α 4 yz )( α 2 +++=++ IL 4 −+ ααξ 3 (94) 44 2g 22 2g E −− 2424 4 g 3 22 g

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče in na povprečnem padcu energije med profiloma 4 in 3 ter 4 in 2. ‐ izračunana gladina v profilih 3 in 2 predstavlja gorvodni robni pogoj (nov ZRP) na podlagi katerega se v obeh odsekih (odsek 2 in 3) nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za deroči tok.

Slika 56: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe

122 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 57: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

Mešani tok – tok se združi

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 58)

‐ za celotno območje (za vse odseke – odseki 1,2,3) se po proceduri za mešani tok (alineja 1 – račun mirnega toka) in po proceduri za mirni tok skozi vozlišče – tok se združi, izračuna gladina v

123 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

vseh profilih, ‐ v odsekih 1 in 2 (do profila 4 in 0) se izvede račun gladin deročega tok. po proceduri za mešani tok (alineji 2 in 3 – začetek računa deročega toka), ‐ če je v profilih 4 in 0 kot pravilna rešitev vzeta gladina izračunana za mirni tok, je vozlišče pravilno izračunano in program v odseku 3 nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), ‐ če pa je pravilna rešitev v enem izmed profilov 4 in 0 ali pa v obeh gladina deročega toka, ki je izračunana po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), potem se mora vozlišče ponovno izračunati. Če to drži, se najprej glede na popravljene gladinea izračun specifična sila v profilih 4 in 0 in gladina profila z višjo specifično silo je vzeta kot izhodiščna gladina za račun toka skozi vozlišče. Če ja ta gladina tista, ki smo jo že prej izračunali po proceduri za mešani tok (alineja 1 – račun mirnega toka), gladina v profilu 3 ostane kar ista, če pa ta gladina pripada deročemu toku (popravljena gladina mirnega toka), se izvede račun gladine v profilu 3 po proceduri za deroči tok. Tako dobimo v profilu 3 popravljeno gladino, ki pripada deročemu toku. ‐ nadalje program v profilu 3 izračuna specifično silo za gladino, ki pripada mirnemu toku in za popravljeno gladino, ki pripada deročemu toku. Če ima gladina, ki pripada mirnemu toku višjo specifično silo, program vzame to rešitev kot pravilno in predpostavi, da se je v vozlišču zgodil vodni skok. Če pa ima popravljena gladina, ki pripada deročemu toku višjo specifično silo, pa vzame to kot pravilno rešitev in nadaljuje dolvodni račun mešanega toka po proceduri za mešani tok (alineji 3 in 4 – začetek računa deročega toka). Ker imamo v profilu 3 novo pravilno gladino, ki pripada deročemu toku, se morajo vse gladine v profilih, ki obdajajo vozlišče (profil 0 in 4) in pripadajo mirnemu toku popraviti, ker so bile kote teh gladin določene po proceduri za mirni tok s pomočjo gladine, ki je pripadala mirnemu toku. Popravijo se tako, da se kote teh gladin postavijo na koto kritične globine in se ponovno izvede gorvodni račun po proceduri za mirni tok za vse gorvodne odseke.

Slika 58: Primer vozlišča, kjer se tok združi – za uporabo energijske enačbe

124 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 59: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – tok se združi

Mešani tok – glavni tok se razdeli

125 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 60):

‐ za celotno območje (za vse odseke – odseki 1,2,3) se po proceduri za mešani tok (alineja 1 – račun mirnega toka) in po proceduri za mirni tok skozi vozlišče – glavni tok se razdeli, izračuna gladina v vseh profilih, ‐ v odseku 1 (do profila 4) se izvede račun gladin deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), ‐ če je v profilu 4 kot pravilna rešitev vzeta gladina izračunana za mirni tok, je vozlišče pravilno izračunano in program v odsekih 2 in 3 nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 3 in 4 – začetek računa deročega toka), ‐ če pa je v profilu 4 kot pravilna rešitev vzeta gladina izračunana za deroči tok, bo program izvedel račun skozi vozlišče po proceduri za deroči tok skozi vozlišče – tok se razdeli, ‐ nato pa bo program izračunal specifično silo v profilih 2 in 3 za obe gladini (tako za gladino mirnega toka kot tudi za gladino, ki pripada deročemu toku). Kateri gladini pripada višja specifična sila, tista gladina je vzeta kot pravilni odgovor določenega odseka. Če je pravilni odgovor gladina, ki pripada mirnemu toku, se v vozlišču zgodi vodni skok, račun pa se nadaljuje na prvi kritični globina dolvodno istega odseka, po proceduri za mešanik to (alineji 3 in 4 – začetek računa deročega toka). Če pa je pravilni odgovor gladina, ki pripada deročemu toku se od tega profila nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 3 in 4 – začetek računa deročega toka).

Slika 60: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli – za uporabo energijske enačbe

126 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 61: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

Algoritem računa mirnega, deročega in mešanega toka skozi vozlišče po metodi dinamične enačbe

127 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Poleg privzete energijske metoda za tok skozi vozlišče, lahko izberemo tudi dinamično enačbo. Če izberemo slednjo, moramo vnesti kote (za vsak odsek, katerega tok ni vzporeden glavnemu toku) pod katerimi se pritoki priključijo oziroma razcepijo v vozlišču. Dinamična metoda uporablja enako logiko kot energijska le, ada se izr čun izvede po različnih enačbah, hkrati pa nam dinamična enačba dovoljuje vključitev kotov pritoka v sam račun. Potemtakem jo je smiselno uporabiti takrat, ko koti pritokov bistveno vplivajo na gladine v profilih okoli vozlišča.

Tok se združi

Slika 62: Primer vozlišča, kjer se tok združi ‐ za uporabo dinamične enačbe

Mirni tok

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 62):

‐ račun mirnega toka se izvede do najbolj gorvodnega profila odseka 3 (profil 3). Račun se izvede po algoritmu za mirni tok, ‐ nato se s pomočjo osnovne dinamične enačbe izračuna vodno gladino za profila 4 in 0 po enačbi

Q 2 β ⎛ + SS ⎞ ⎛ + SS ⎞ Q 2 β hS ⎜ 3 ⎟LI ⎜ 3 ⎟ IL 3 3 hS t ++ ⎜ ⎟ 0 − ⎜ ⎟ E += t33 gS ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ 3 gS

SFSF 43 cos f − +−Θ= WF x −34341

SFSF 03 cos f − +−Θ= WF x −30302

128 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

SFSF 43 cos −Θ= f − + x − + SFWF 034341 cosΘ − f − +WF x −30302 (95)

‐ če hočemo razrešiti enačbo (95) moramo privzeti, da sta gladini v profilih 4 in 0 izračunani istočasno in sta isti. To je surova aproksimacija vendar nujna za razrešitev enačbe (95). Prav zaradi te grobe predpostavke je nujno, da so profili okoli vozlišča precej skupaj, da zmanjšamo napako, ki smo jo storili s to predpostavko, ‐ konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladina vode h na absciso pa izračunano desno stran enačbe (95) za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani sprecifični sili v profilu 3 ‐ sili trenja in teže med profiloma 4 in 3 temeljita na predpostavki, da je središče vozlišča na polovici poti med obema profiloma, zato sta ti dve sili izračunani v dveh segmentih. Prvi del obeh sil je izračunan od profila 4 do središče vozlišča, kjer se uporabi površina iz profila 4, drugi del obeh sil pa se izračuna od središča do profila 3, vendar se tukaj uporabi pretočno obtežena površina profila 3. To velja tudi za območje med profiloma 0 in 3. Matematično se to zapiše:

L −34 L −34 Q4 Ff −34 = E − SI 434 cos 1 +Θ E − SI 334 (96) 2 2 Q3

L −30 L −30 Q0 Ff −30 = E − SI 030 cos 2 +Θ E − SI 330 (97) 2 2 Q3

L −34 L −34 Q4 Wx −34 = − SI 4304 cos 1 +Θ − SI 3304 (98) 2 2 Q3

L −30 L −30 Q0 Wx −30 = − SI 0300 cos 2 +Θ − SI 3300 (99) 2 2 Q3

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, na povprečnem padcu energije med profiloma 3 in 4 ter 3 in 0 in na kotu, ki smo ga vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, ‐ izračunana gladina v profilih 4 in 0 predstavlja dolvodni robni pogoj (nov SRP) na podlagi katerega se v obeh odsekih (odsek 1 in 2) nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za mirni tok.

129 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 63: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

Deroči tok

130 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 62):

‐ račun deročega toka se izvede do obeh najbolj gorvodnih profilov odseka 1 in 2 (profila 4 in 0). Račun se izvede po algoritmu za deroči tok, ‐ nato se s pomočjo enačbe (95) direktno izračuna specifična sila v profilu 3 ‐ sili trenja in teže med profiloma 4 in 3 temeljita na predpostavki, da je središče vozlišča na polovici poti med obema profiloma, zato sta ti dve sili izračunani v dveh segmentih. Prvi del obeh sil je izračunan od profila 4 do središče vozlišča, kjer se uporabi površina iz profila 4, drugi del obeh sil pa se izračuna od središča do profila 3, vendar se tukaj uporabi pretočno obtežena površina profila 3. To velja tudi za območje med profiloma 0 in 3. Matematično sem to že zapisal in sicer z enačbami (96), (97), (98), (99), ‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, na povprečnem padcu energije med profiloma 3 in 4 ter 3 in 0 in na kotu, ki smo ga vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, ‐ s pomočjo izračunane specifične sile v profilu 3, z enačbo (84) izračunamo še gladino vode v profilu 3. Zopet jo izračunamo tako, konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladina vode h na absciso pa izračunano specifično silo v profilu 3 za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani sprecifični sili v profilu 3 ‐ izračunana gladina v profilu 3 predstavlja gorvodni robni pogoj (nov ZRP) na podlagi katerega se v odseku 3 nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za deroči tok.

131 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 64: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – tok se združi

Mešani tok

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 62):

‐ za celotno območje (za vse odseke – odseki 1,2,3) se po proceduri za mešani tok (alineja 1 – račun mirnega toka) in po proceduri za mirni tok skozi vozlišče z uporabo dinamične enačbe – tok se združi, izračuna gladina v vseh profilih, ‐ v odsekih 1 in 2 (do profila 4 in 0) se izvede račun gladin deročega tok po proceduri za mešani tok (alineji 2 in 3 – začetek računa deročega toka), ‐ če je v profilih 4 in 0 kot pravilna rešitev vzeta gladina izračunana za mirni tok, je vozlišče pravilno

132 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

izračunano in program v odseku 3 nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), ‐ če pa je pravilna rešitev v enem izmed profilov 4 in 0 ali pa v obeh, gladina deroč,ega toka ki je izračunana po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), potem se mora vozlišče ponovno izračunati. Če je to res, se glede na nove gladine v profilu 4 in 0 ponovno izračuna specifična sila v profilu 3, s pomočjo enačbe (95) ‐ konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladina vode h na absciso pa izračunano specifično silo v profilu 3 za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani sprecifični sili v profilu 3 ‐ nadalje program izračuna specifično silo za gladino, ki pripada mirnemu toku in jo primerja s popravljeno specifično silo. Če ima gladina, ki pripada mirnemu toku višjo specifično silo, program vzame to rešitev kot pravilno in predpostavi, da se je v vozlišču zgodil vodni skok. Račun se nadaljuje na prvi kritični globini odseka 3 po proceduri za mešani tok (začetek računa deročega toka). Če pa ima popravljena gladina, višjo specifično silo, pa vzame to kot pravilno rešitev in se najprej določi kateremu režimu pripada popravljena gladina. To se naredi tako da se v profilu 3 izračuna kritična globina. Če gladina pripada mirnemu toku se je v vozlišču zgodil vodni skok in račun se nadaljuje na prvi kritični globini odseka 3 po proceduri za mešani tok (začetek računa deročega toka). Če pa gladina pripada deročemu toku pa se v odseku tri nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (začetek računa deročega toka).

133 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 65: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – tok se združi

Glavni tok se razdeli

134 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 66: Primer vozlišča, kjer se glavni tok razdeli ‐ za uporabo dinamične enačbe

Mirni tok

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 66):

‐ račun mirnega toka se izvede do obeh najbolj gorvodnih profilov odseka 2 in 3 (profila 2 in 3). Račun se izvede po algoritmu za mirni tok, ‐ nato se s pomočjo osnovne dinamične enačbe direktno izračuna specifično silo v profilu 4 (enačba (100))

Q 2 β ⎛ + SS ⎞ ⎛ + SS ⎞ Q 2 β 4 4 hS ⎜ 4 ⎟LI ⎜ 4 ⎟ IL hS t 44 ++ ⎜ ⎟ 0 − ⎜ ⎟ E += t 4 gS ⎝ 2 ⎠ ⎝ 2 ⎠ gS

SFSF 24 cos f − −+Θ= WF x −24241

SFSF 34 cos f − −+Θ= WF x −34342

SFSF 24 cos +Θ= f − − x − + SFWF 324241 cosΘ + f − −WF x −34342 (100)

‐ sili trenja in teže med profiloma 4 in 2 temeljita na predpostavki, da je središče vozlišča na polovici poti med obema profiloma, zato sta ti dve sili izračunani v dveh segmentih. Prvi del obeh sil je izračunan od profila 2 do središče vozlišč a, kjer se uporabi površina iz profila 2, drugi del obeh sil pa se izračuna od središča do profila 4, vendar se tukaj uporabi pretočno obtežena površina profila 4. To velja tudi za območje med profiloma 4 in 3. Matematično to zapišemo:

L −24 L −24 Q2 Ff −24 = E − SI 224 cos 1 +Θ E − SI 424 (101) 2 2 Q4

135 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

L −34 L −34 Q3 Ff −34 = E − SI 334 cos 2 +Θ E − SI 434 (102) 2 2 Q4

L −24 L −24 Q3 Wx −24 = − SI 2204 cos 1 +Θ − SI 4204 (103) 2 2 Q4

L −34 L −34 Q3 Wx −34 = − SI 3304 cos 2 +Θ − SI 4304 (104) 2 2 Q4

‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, na povprečnem padcu energije med profiloma 2 in 4 ter 3 in 3 in na kotu, ki smo ga vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, ‐ konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladino vode h na absciso pa izračunano specifično silo v profilu 4 za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani sprecifični sili v profilu 4 ‐ izračunana gladina v profilu 4 predstavlja dolvodni robni pogoj (nov SRP) na podlagi katerega se v odseku 1 nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za mirni tok.

136 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 67: Grafični prikaz algoritma za račun mirnega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

Deroči tok

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 66):

‐ račun deročega toka se izvede do najbolj dolvodnega profila odseka 1 (profil 4). Račun se izvede

137 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

po algoritmu za deroči tok, ‐ glede na izračunano gladino v profilu 4, se izračuna specifična sila v profilu 4, ‐ nato se s pomočjo enačbe (100) izračuna vodno gladino za profila 2 in 3 ‐ če hočemo razrešiti enačbo (100) moramo privzeti, da sta gladini v profilih 2 in 3 izračunani istočasno in sta isti. To je surova aproksimacija vendar nujna za razrešitev enačbe (100). Prav zaradi te grobe predpostavke je nujno, da so profili okoli vozlišča precej skupaj, da zmanjšamo napako, ki smo jo storili s to predpostavko, ‐ konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladina vode h na absciso pa izračunano desno stran enačbe (100) za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani sprecifični sili v profilu 4, ‐ sili trenja in teže med profiloma 4 in 2 temeljita na predpostavki, da je središče vozlišča na polovici poti med obema profiloma, zato sta ti dve sili izračunani v dveh segmentih. Prvi del obeh sil je izračunan od profila 2 do središče vozlišča, kjer se uporabi površina iz profila 2, drugi del obeh sil pa se izračuna od središča do profila 4, vendar se tukaj uporabi pretočno obtežena površina profila 4. To velja tudi za območje med profiloma 4 in 3. Matematično sem to že zapisal in sicer z enačbami (101), (102), (103), (104), ‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, na povprečnem padcu energije med profiloma 4 in 2 ter 4 in 3 in na kotu, ki smo ga vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, ‐ izra čunana gladina v profilih 2 in 3 predstavlja gorvodni robni pogoj (nov ZRP) na podlagi katerega se v obeh odsekih (odsek 2 in 3) nadaljuje račun izračuna gladin v vseh ostalih profilih po proceduri za deroči tok.

Slika 68: Grafični prikaz algoritma za račun deročega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

138 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Mešani tok

Račun se izvede po naslednji proceduri:

Algoritem zapisan po alinejah (glej Slika 66):

‐ za celotno območje (za vse odseke – odseki 2,3,4) se po proceduri za mešani tok (alineja 1 – račun mirnega toka) in po proceduri za mirni tok skozi vozlišče z uporabo dinamične enačbe – tok se razdeli, izračuna gladina v vseh profilih, ‐ v odseku 1 (do profila 4) se izvede račun gladin deročega tok po proceduri za mešani tok (alineji 2 in 3 – začetek računa deročega toka), ‐ če je v profilu 4 kot pravilna rešitev vzeta gladina izračunana za mirni tok, je vozlišč e pravilno izračunano in program v odseku 2 in 3 nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), ‐ če pa je pravilna rešitev v profilu 4 deročega toka, ki je izraačunan po proceduri za mešani tok (alineji 2, 3 in 4 – začetek računa deročega toka), potem se mora vozlišče ponovno izračunati. Če je to res, se glede na novo gladino v profilu 4 izračuna specifična sila tega profila, s pomočjo enač be (84), ‐ nato se s pomočjo enačbe (100) izračuna vodno gladino za profila 2 in 3 ‐ če hočemo razrešiti enačbo (100) moramo privzeti, da sta gladini v profilih 2 in 3 izračunani istočasno in sta isti. To je surova aproksimacija vendar nujna za razrešitev enačbe (100). Prav zaradi te grobe predpostavke je nujno, da so profili okoli vozlišča precej skupaj, da zmanjšamo napako, ki smo jo storili s to predpostavko, ‐ konstruiramo graf za nekaj gladin, kjer na ordinato damo gladina vode h na absciso pa izračunano desno stran enačbe (100) za izbrane gladine. Iz grafa odčitamo gladino vode, ki pripada prej izračunani specifični sili v profilu 4, ‐ sili trenja in teže med profiloma 4 in 2 temeljita na predpostavki, da je središče vozlišča na polovici poti med obema profiloma, zato sta ti dve sili izračunani v dveh segmentih. Prvi del obeh sil je izračunan od profila 2 do središče vozlišča, kjer se uporabi površina iz profila 2, drugi del obeh sil pa se izračuna od središča do profila 4, vendar se tukaj uporabi pretočno obtežena površina profila 4. To velja tudi za območje med profiloma 4 in 3. Matematično sem to že zapisal in sicer z enačbami (101), (102), (103), (104), ‐ trenjske izgube temeljijo na razdalji med profili skozi vozlišče, ki smo jo vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, na povprečnem padcu energije med profiloma 4 in 2 ter 4 in 3 in na kotu, ki smo ga vnesli takrat, ko smo definirali vozlišče, ‐ nato pa bo program izračunal specifično silo v profilih 2 in 3 za obe gladini (tako za gladino mirnega toka kot tudi za gladino, ki pripada deročemu toku). Kateri gladini pripada višja specifična sila, tista gladina je vzeta kot pravilni odgovor za določen odsek. Če je pravilni odgovor gladina, ki pripada mirnemu toku, se v vozlišču zgodi vodni skok, račun pa se nadaljuje na prvi kritični globina dolvodno istega odseka, po proceduri za mešani tok (alineji 3 in 4 – začetek računa deročega toka). Če pa je pravilni odgovor gladina, ki pripada deročemu toku se od tega profila nadaljuje račun deročega toka po proceduri za mešani tok (alineji 3 ink 4 – začete računa deročega toka).

139 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 69: Grafični prikaz algoritma za račun mešanega toka skozi vozlišče – glavni tok se razdeli

3.3 Orodja vizualizacija (možna orodja – našteti širše) Mnogo bolj pogoste in razširjene kot 3D upodobitve so dvodimenzionalne (2D) upodobitve 3D modelov. Nekatere so opisane v predhodnem poglavju. Druge so lahko tudi v računalniški tehnologiji izdelane pa vzoru upodobitev v času klasičnih kartografskih tehnik.

Pri 2D upodobitvah 3D modelov je pomembna predvsem izbira točke in smeri pogleda, ki sta v splošnem lahko poljubni. Posebna primera sta tlorisni pogled, ki nam da kot rezultat tradicionalno 2D karto, in pa pogled, vzporeden z ničelno ploskvijo, rezultat katerega je lahko silhueta območja ali pa prerez oz. profil zemljišča. Pri konstrukciji slike lahko projekcijske žarke konstruiramo na dva načina. Vzporedni projekcijski žarki omogočajo ortogonalni pogled, ki je primernejši za matematično predstavo in omogoča določitev geografske lege posamezne točke. V nasprotju s tem pa je

140 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

človeškemu gledanju in zaznavanju mnogo bolj prilagojen perspektivni pogled, kjer se projekcijski žarki navidezno stekajo v določeno točko v ozadju.

Najenostavnejši 2D prikaz 3D modela je izbran pogled digitalnega modela reliefa DMR, bodisi predstavljen kot mreža trikotnikov (TIN) ali kot kvadratna mreža (GRID), kot je prikazano na Slika 70. To je prikaz, ki uporabniku omogoča le predstavo o oblikovitosti zemljišča, in še to z zelo tehničnega vidika. Moteče so črte mreže, ki se vidijo skozi površino površja. V začetnem obdobju razvoja obdelave reliefe z računalniško tehnologijo so bile takšne predstavitve dokaj popularne, saj so nakazovale možnost neposredne predstavitve višinskih odnosov. Danes za namene praktične uporabe več ne zadoščajo.

Slika 70: Predstavitev zemljišča z GRID in TIN

Naslednja možnost je dopolnitev golega modela reliefe s poltonskim senčenjem ali s hipsometrično metodo. Še vedno imamo le upodobitev reliefa, vendar pa prekrivna ploskev daje vtis zapolnjenega zemeljskega površja, s tem se poveča plastičnost prikaza, pojavi pa se tudi zakritost dela vsebine za reliefnimi ovirami.

Mnogo bolj uporabno upodobitev dobimo, če model reliefa prekrijemo z rastrsko sliko 2D karte, ortofotokarto ali satelitsko sliko. Tako poleg upodobitve reliefa lahko opazujemo tudi vse ostale objekte in pojave na zemljišču (Slika 71). Glavna omejitev takšnega prikaza je omejen razpon povečave in pomanjšave. Pri preveliki povečavi se začne kazati rastrska struktura slike, prevelike ločljivosti pa si ne moremo privoščiti zaradi hitrosti obdelave slike in s tem posledično hitrosti prikazovanja. Za primere s fiksnim merilom, kjer ne pričakujemo in predvidevamo povečav in pomanjšav, je ta način prikaza lahko zelo primeren in zelo uporaben, vendar je pomembno tudi to, ali prekrijemo model reliefa s karto ali s posnetkom. Karta zaradi svojih lastnosti (prikaz objektov in pojavov s pogojnimi znaki, kartografska generalizacija) omogoča mnogo boljšo prepoznavo objektov in pojavov. Po drugi strani pa posnetek (satelitski ali iz letalskega posnetka izdelana ortofotokarta) prikazuje ažurno stanje v trenutku snemanja.

141 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 71: Preko modela reliefa prekrita rastrska slika karte

Naslednji korak je prekritje modela reliefa z vektorsko podatkovno strukturo. Posamezne objekte in pojave je mogoče prikazati z različno stopnjo podrobnosti v odvisnosti od lokalnega merila. Sledi možnost dodajanja atmosferskih učinkov (oblaki, meglice). Pri tem moramo vendarle paziti, da prikaz ohrani lastnosti in kakovosti karte in dane postane popolna upodobitev realnosti.

3.4 Orodje vizualizacija – konkretno Orodje za vizualizacijo je zasnovano na posebej razvitem razširljivem vizualizacijskem jedru, ki zmore predstaviti poljubno geografijo s pomočjo tri‐razsežnostnega modela in omogoča premikanje v po terenu v realnem času. Vizualizacijsko jedro je zasnovano na odprtokodni grafični knjižnici OpenSceneGraph. S pomočjo vtičnikov (plug‐ins) pa lahko osnovni teren obogati s poljubnimi z geografskim položajem označenimi podatki (npr. nivojem vod, podatki o naseljih, prometu, onesnaženju, ipd.). Slika 3.8 prikazuje to osnovno predstavitev z dodatnimi sloji za prikaz stavb (z resničnosti ustreznimi tlorisi in višinami), krajevnih imen in gostinskih objektov (rdeče krogle).

142 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 72: Prikaz vizualizacijskega orodja

Vizualizacija uporablja Gauss‐Kruegerjev koordinatni sistem. Teren je predstavljen v več ločljivostih: celotno predstavljano površje je podano v obliki grobega modela (npr. 2 višinski točki na kilometer in teksture z ločljivostjo 1 točke na 500 metrov), površje v bližini opazovalca pa v višjih ločljivostih, odvisno od oddaljenosti od opazovalca (trenutno je najvišja ločljivost višinske karte 80 točk na kilometer, ortofoto tekstur pa 1 točka na 1 meter, vendar je uporaba bolj natančnih podatkov trivialna). Zaplata površja, ki je predstavljena v višjih ločljivostih, se premika skupaj z opazovalcem, tako da je opazovalcu najbližje površje ves čas predstavljeno v visokih ločljivostih.

Na to osnovno predstavitev površja lahko uporabnik dodaja poljubne sloje. Vsak sloj predstavlja metaopis podatka (npr. v podobi XML sheme), množica podatkov (ustrezajočih tej shemi), označenih z geografskim položajem, ter metoda za tri‐razsežnostno predstavitev posameznega podatka. Programje je zasnovano razširljivo, tako da lahko uporabnik prikaže sloj poljubnih podatkov, če priskrbi ustrezen vtičnik za te podatke. Vtičnik za prikaz vodostaja bi npr. prebral podatke o geografskih položajih vodnih površin, jih predelal v ustrezno predstavitev tri‐razsežnostnih predmetov ter te vključil v prikazovano področje.

Do vseh podatkov, tako osnovnih kot do podatkov posameznega sloja, predstavitveno programje dostopa preko javnega omrežja s pomočjo HTTP protokola, kar omogoča rabo praktično od koder koli. Posamezni podatki so lahko shranjeni na različnih strežnikih (ali celo lokalno, na disku), tako da uporabnik brez težav vključi posamezne sloje brez pisnega dostopa do centralnega strežnika. Morebitno visoko dostopnost (ang. high availability) v primeru visoke obremenitve strežnikov (spričo velikega števila sočasnih odjemalcev) zagotavljamo z za splet običajnimi metodami: povečkratenjem strežnikov in preklopom med povečkratenimi strežniki.

143 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 73: Prikazuje arhitekturo vizualizacijskega programja.

Elementi orodja vizualizacije:

‐ vertikalni razteg (popačenje višin) ‐ ravnina prereza ‐ Upload ad‐hoc Programje za vizualizacijo zahteva za gladko delovanje učinkovit dostop do podatkov na osnovi njihove geografske lokacije in želene ločljivosti. Zavoljo (običajno) omejene hitrosti omrežnih povezav je izjemno pomembno tudi, da so podatki predstavljeni s čim manj informacijske redundance (in zatorej „čim krajši“), tako da jih lahko prenašamo s strežnika v realnem času, tako kot se opazovalec v vizualizacijskem programju premika.

Spričo teh razlogov standardna oblika podatkov, kot so shranjeni v podatkovnem skladišču, ni primerna, saj vsebuje še metapodatke in podatke, ki niso potrebni za vizualizacijo. Potrebna je pretvorba v obliko, ki jo trenutno uporablja vizualizacijsko jedro: pretvorbo opravimo vnaprej (npr. pri vsakem vnosu podatkov v podatkovno skladišče), s čimer omogočimo hitrejši prenos do vizualizacijskega odjemalca.

Kot primer si oglejmo obliko višinskih kart terena: v surovi obliki je celotno površje shranjeno v eni sami datoteki, kar onemogoča učinkovit dostop do višinske karte npr. enega samega kvadratnega kilometra v sredini Slovenije. Datoteka je v ASCII obliki, kar dodatno poveča zahtevano prepustnost omrežja. Za učinkovit dostop surovo datoteko razrežemo na dele, ki ustrezajo posameznim zaplatam velikosti kvadratnega kilometra, ter jih shranimo na podatkovnem strežniku v binarni obliki, ki zahteva manjšo prepustnost. Podobno velja npr. za tlorise stavb.

3.5 Tehnološke zahteve vezane na uporabo orodij Vizualizacijsko orodje zahteva:

‐ na strani odjemalca razmeroma sodoben računalnik s 3‐D pospeševalnikom, npr. 2 GHz procesor, 1 GB delovnega pomnilnika in grafično kartico tipa Nvidia GeForce 6600 ali boljšo z vsaj 128 MB grafičnega pomnilnika,

144 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ strežnik z okrog 500 GB prostora (ni posebnih strojnih zahtev), ‐ hitrost prenosnega omrežja vsaj 512 kb/s (za prelete večjih območij je priporočljivo vsaj 2 Mb/s, medtem ko delo na eni lokaciji večinoma uporablja podatke iz predpomnilnika), ‐ če naj en strežnik skrbi za več odjemalcev hkrati, mora biti na njegovi strani hitrost omrežja ustrezno višja. Naj omenimo, da je orodje moč uporabljati tudi lokalno, brez strežnika in omrežne povezave, seveda pa v tem primeru potrebujemo ustrezno količino prostora na trdem disku odjemalca.

145 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4 Obravnavana območja Pregled obravnavanih območij, skupni koncepti pristopa,

4.1 Mali graben Na območju Malega Grabna (od Dolgega mostu do izliva v reko Ljubljanico) se je izvedel 1D in 2D hidravlični model. 1D model se je izvedel s pomočjo programa HEC‐RAS, 2D pa s pomočjo programa AquaDyn. Ker je samo območje topografsko zelo razgibano in občutljivo, saj je urbanizirano, 1D model sam po sebi ni bil dovolj. Bil je zelo koristen, da nam je pokazal območja večje ogroženosti oziroma območja, kjer voda prestopi bregove že pri nizkih pretokih. Ko smo dobili ta podatek smo lahko na bolj ranljivih območjih izvedli 2D izračun, ki nam je dal podrobnejše rezultate. Sam 2D model je bil potreben tudi zaradi izrazite spremembe padca. To pomeni, da kadar voda prelije brežine, zaradi padca v drugo smer spremeni smer in 1D model postane praktično neuporaben, razen z uporabo vejičastega toka.

Slika 74: Primer spremembe padca, ki je eden izmed razlogov za uporabo 2D modela

Referenčna merilna postaja

Pri Malem Grabnu nismo imeli na voljo merilne postaje s pomočjo katere bi lahko dobili primerne pretoke, za katere bi lahko izvedli simulacije. Zaradi tega smo se uprli na poročilo Zagotavljanje poplavne varnosti jugozahodnega dela Ljubljane iz leta 2007. To poročilo vsebuje poglavje o karakterističnih pretokih, ki so predstavljeni v spodnji tabeli.

Q100 Q50 Q20 Q10 Q5

146 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

m3/s m3/s m3/s m3/s m3/s

Teor.VV 360 321 236 184 138

Dej.VV 243 214 163 139 108

Tabela 3: Teoretične in dejanske vodne količine v prerezu Gradaščice pod Šujico – obstoječe stanje45

Vidimo lahko, da imamo tako teoretične kot tudi dejanske vrednosti med katerimi je precej razlik. Ne glede na to, smo se mi uprli na dejanske vrednosti pretokov in tako razpon simuliranih pretokov priredili dejanskim vrednostim visokih voda.

1D hidravlični model – HEC‐RAS

Splošni opis območja

Na Malem Grabnu, ki obteka JZ del Ljubljane, zadnjih nekaj let beležimo pogoste visoke vode, ki sicer ne povzročajo večje škode, vendar zaradi pogostosti pojavov opozarjajo na poplavno ogroženost tega dela Ljubljane. Pogosto so poplavljena nižje ležeča območja nad Dolgim mostom, pri kapelici dveh cesarjev, šola na Bonifaciji in na območju brvi na Mokrški cesti46. Prav zaradi tega se je na tem območju izvedel hidravlični izračun.

Zaradi omejitve (samo en nasip na vsaki strani brežin), ki jo ima HEC‐RAS so se prečni profili oblikovali glede na potek cest in drugih barier, za katere se je predpostavilo, da jih poplavna voda (tudi pri visokih vodah) ne more preliti. Drug pogoj, ki se je upošteval pri oblikovanju prečnih profilov je izhajal iz dejstva, da želimo z 1D modelom nekako dobiti samo krizna območja, ki nam bodo služila za postavitev 2D modela na samo območje. To pomeni, da profile nismo po nepotrebnem daljšali čez celotno poplavno območje, ker je gladina na poplavni ravnici dobljena z 1D modelom zaradi specifične topologije že tako pod vprašajem. Način oblikovanja prečnih profilov je prikazan na spodnji sliki.

45 ZAGOTAVLJANJE POPLAVNE VARNOSTI JUGOZAHODNEGA DELA LJUBLJANE, strokovne podlage za pripravo dln, INŽENIRING ZA VODE, d.o.o., 2007

46 ZAGOTAVLJANJE POPLAVNE VARNOSTI JUGOZAHODNEGA DELA LJUBLJANE, strokovne podlage za pripravo dln, INŽENIRING ZA VODE, d.o.o., 2007

147 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 75: Način oblikovanja prečnih profilov

Hidravlični izračun

Ker so bili vhodni podatki o geometriji zelo dobri (snemanje se je izvedlo času nizkega vodostaja in redke vegetacije), nismo izvajati korekcije geometrije v koritu vodotoka. S pomočjo orto‐foto posnetkov in obdelanega grid‐a (raster, TIN) smo definirali še nasipe in mostove. Izvedli smo simulacijo 1D toka za pretoke 95, 100, 110, 115, 120, 125, 150, 175, 200, 225 m3/s, kjer maksimalni pretoki predstavljajo povratno dobo okoli 100 let. Računali smo mirni tok, kjer smo za spodnji robni pogoj vzeli znano gladino Ljubljanice, ki se pojavi v času večjih voda in znaša okoli 288.8 m. Manningovega koeficienta hrapavosti nismo umerjali, ampak smo ga določili glede na orto‐foto posnetke in je za glavno strugo znašal 0.03 za poplavne ravnice pa 0.06. Rezultati, ki smo jih dobili so zelo zanimivi in uporabni, kajti z njimi lahko dobro definiramo krizna mesta in območja oziroma pri katerih pretokih bo katero območje ogroženo. Ko pa voda prestopi bregove, pa 1D model ob tako specifični topologiji odpove. Na tem mestu imamo dve možnosti in sicer:

‐ za račun še vedno uporabimo 1D model, vendar z apliciranjem vejičastega toka ‐ uporaba 2D modela. Poplavni scenariji

Glede na rezultate 1D modela se je izdelala pregledna slika kriznih območij.

148 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 76: Pregledna slika kriznih mest in območij

Glede na Slika 76 smo oblikovali 2D model, kjer pa račun 2D toka, zaradi zahtevnosti, ni bil možen, pa smo izvedli simulacijo 1D toka – vejičasti tok.

149 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 77: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 120 m3/s

2D hidravlični model – AquaDyn

Zaradi vseh zgoraj naštetih problemom se je izvedel tudi 2D hidravlični model. Ker je sam izračun gladin precej zahteven in se zanj porabi precej več časa kot 1D model, moramo območje, ki smo ga pri 1D modelu obravnavali kot celoto, razbiti na več smiselnih in zaključenih celot (glej Slika 78). Manjša območja smo oblikovali glede na prepreke (nasipi, ceste, idr.) katerih voda ne prelije. Takšna območja ni tako enostavno formirati, vendar smo jih kljub temu morali in tako predpostavili, da je pretok iz enega območja v drugega enak 0. Prav tako smo v 2D računu, ki smo ga izvajali na izbranih območij upoštevali lokacije hiš (kolikor je to račun dopuščal).

150 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 78: Manjša smiselna območja na katerih je bil predviden račun 2D toka

Območje 1

Splošni opis območja

Lokacija samega območja se nahaja v okolici Dolgega mostu oziroma, če smo bolj natančni, je na severnemu delu zaprto z železniško progo, mostu Dolgi most, Tržaško cesto in Lipanova ulico z mostom, ki poteka skoraj po celotnem vzhodnem delu območja (vzdolž Lipanove ceste poteka tudi nasip). Na območju sta za hidravlični izračun pomembni dve večji cesti, ki potekata vzporedno z reko (Podvozna cesta in Ramovševa ulica, ki se nadaljuje v Lipanovo ulico). Pomembni sta zaradi tega ker teren južno od Lipanove ulice začne počasi padati proti Ljubljanici (bolj intenzivno pada južno od Ramovševe ulice) in ti dve cesti tako predstavljata prepreko za tok (nastop preliva, vodnega skoka, sprememba koeficienta hrapavosti) še posebno tam, kjer delujeta kot nasip. Kot že omenjeno sam teren počasi gravitira proti Ljubljanici, same parcele hiš pa so nekoliko dvignjene nad ostalim terenom. Na območju smo označili tudi hiše (kolikor je bilo to možno – določene predpostavke), ki jih v računu nismo upoštevali. Most (Dolgi most) je tako predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo izbrali most na Lipanovi ulici. Določili smo tudi dodatni robni pogoj, ki smo ga locirali na najbolj južni del območja, kamor teren najbolj gravitira. Če dodatnega robnega pogoja ne bi postavili, bi bilo celotno območje kot zaprta posoda in bi dobili na najnižji koti previsoke gladine, kot posledica iskanja stacionarnega stanja. Kot dodaten spodnji robni pogoj smo vzeli gladino vode, ki pa jo zaradi premajhne količine terenskih meritev nismo poznali. Kljub temu, da je ta gladina nepoznana, jo lahko z izvajanjem poskusih simulacij in z inženirskimi izkušnjami približno določimo. Tako, če postavimo koto te gladine prenizko, dobimo na tem mestu »slap« in posledično slabšo toleranco izračuna, če pa jo postavimo previsoko, pa na tem mestu dobimo zajezbo, ki sega do določene kote. Tako smo koto postavili tako, da smo dobili bodisi slap bodisi zajezbo pod pogojem, da je bila toleranca izračuna še vedno dobra in s tem, da smo se zavedali, da je gladina v okolica dodatnega robnega pogoja nepravilna. Kljub temu je območje nepravilne izračunane gladine precej manjše, kot pa če dodatnega robnega pogoja sploh ne bi postavili.

151 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

S programom AquaDyn smo na območju oblikovali mrežo točk (mreža končnih elementov). Točke smo najbolj zgostili na območju reke in dveh glavnih cest, ki potekata vzporedno z reko, kjer so točke med sabo oddaljene maksimalno za 5 m. Tako je sam vodotok v prečni smeri opisan vsaj s 4 točkami, cesti pa vsaj z dvema. Na ostalem območju so točke med sabo oddaljene za maksimalno 10 m. Glede na to, da smo upoštevali tudi lokacijo hiš (tok vode hiše obteka) smo zaradi zanesljivejšega računa točke zgostili tudi v okolici hiš.

Za območje se je izvedel izračun za pretoke 250, 190 in 150 m3/s, ki so predstavljali zgornji robni pogoj. Vzeti pretoki so pričakovani in napovedujejo poplave.

Slika 79: Območje 1

Hidravlični izračun in poplavni scenarij

Pretok 250 m3/s

Pretok 250 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 296.44 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 250 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 295 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 250 m3/s in SRP = 296.44 m in dodaten SRP = 295 m. Toleranca izračuna je dobra in znaša 0.013. Poleg vseh končnih rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (250 m3/s) zapusti območ je 1 samo 150 m3/s, kar pomeni, da se 100 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (zaradi padca gravitira proti Ljubljanici – podatek iz hitrostnega polja).

152 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pretok 190 m3/s

Pretok 190 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino, izračunano za isti pretok 1D modela in je znašala 295.7 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 250 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 294 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 190 m3/s in SRP = 295.7 m in dodaten SRP = 294 m. Toleranca izračuna je dobra in znaša 0.05. Poleg vseh končnih rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (190 m3/s) zapusti območje 1 160 m3/s, kar pomeni, da se 30 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (zaradi padca gravitira proti Ljubljanici – podatek iz hitrostnega polja).

Pretok 150 m3/s

Pretok 150 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino, izračunano za isti pretok 1D modela in je znašala 295.22 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 150 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 293.9 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 150 m3/s in SRP = 295.22 m in dodaten SRP = 293.9 m. Toleranca izračuna je dobra in znaša 0.05. Poleg vseh končnih rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (150 m3/s) zapusti območje 1 145 m3/s, kar pomeni, da se 5 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (zaradi padca gravitira proti Ljubljanici –k podate iz hitrostnega polja).

153 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 80: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 190 m3/s

Območje 2

Splošni opis območja

Lokacija samega območja se nahaja v okolici ceste Dveh Cesarjev oziroma, če smo bolj natančni, je na severnemu delu zaprto z avtocesto oziroma priključkom Ljubljana zahod na vzhodu z Lipanovo ulico z mostom (vzdolž Lipanove ceste poteka tudi nasip), na jugu pa se območje odpira proti Ljubljanici. Na območju je za hidravlični izračun pomembna ena večja cesta, ki potekata vzporedno z reko (cesta dveh Cesarjev). Pomembna je zaradi tega ker teren južno od ceste Dveh Cesarjev začne počasi padati proti Ljubljanici, hkrati pa ta cesta predstavljata prepreko za tok (nastop preliva, vodnega skoka, sprememba koeficienta hrapavosti, idr.) še posebno tam, kjer deluje kot nasip. Kot že omenjeno sam teren počasi gravitira proti Ljubljanici, parcele hiš pa so nekoliko dvignjene nad ostalim terenom. Na območju smo označili tudi hiše (kolikor je bilo to možno – določene predpostavke), ki jih v računu nismo upoštevali. Most na Lipanovi ulici je tako predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo izbrali avtocestni most. Določili smo tudi dodatni robni pogoj, ki smo ga locirali na najbolj južni del območja, kamor teren najbolj gravitira. Zaradi enakih razlogov kot pri območju 1, smo morali postaviti dodaten spodnji pogoj in tako omejili območje nepravilnega izračuna.

S programom AquaDyn smo na območju oblikovali mrežo točk (mreža končnih elementov). Točke smo najbolj zgostili na območju reke in ceste Dveh Cesarjev, ki potekata vzporedno z reko, kjer so točke med sabo oddaljene maksimalno za 5 m. Tako je sam vodotok v prečni smeri opisan vsaj s 4 točkami, cesta pa v večini z dvema. Na ostalem območju so točke med sabo oddaljene za maksimalno

154 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

10 m. Glede na to, da smo upoštevali tudi lokacijo hiš (tok vode hiše obteka) smo zaradi zanesljivejšega računa točke zgostili tudi v okolici hiš.

Za območje se je izvedel izračun za pretoke 250, 190 in 150 m3/s, ki so predstavljali zgornji robni pogoj.

Slika 81: Območje 2

Hidravlični izračun in poplavni scenarij

Pretok 250 m3/s

Pretok 250 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 295.1 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 250 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 294.5 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 250 m3/s in SRP = 295.1 m in dodaten SRP = 294.5 m. Poleg vseh konh čni rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (250 m3/s) zapusti območje 2 samo 135 m3/s, kar pomeni, da se cca. 115 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (imamo dve prevladujoči smeri prelivanja – ob avtocesti proti Ljubljanici in direktno proti Ljubljanici).

155 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pretok 190 m3/s

Pretok 190 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino, izračunano za isti pretok 1D modela in je znašala 294.6 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 190 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 294 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 190 m3/s in SRP = 294.6 m in dodaten SRP = 294 m. Poleg vseh končnih rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (190 m3/s) zapusti območje 2 145 m3/s, kar pomeni, da se 45 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (enako kot pri pretoku 250 tudi tukaj ostajata prevladujoči smeri prelivanja isti).

Pretok 150 m3/s

Pretok 150 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino, izračunano za isti pretok 1D modela in je znašala 294.3 m. Zaradi specifične topologije terena (sprememba padca) je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj, ki smo ga postavili na najnižjo koto obravnavanega terena. Za pretok 150 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 293 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 150 m3/s in SRP = 294.3 m in dodaten SRP = 293 m. Poleg vseh končnih rezultatov so najbolj zanimivi vsekakor absolutna in relativna globina v vsaki toči ter izračunano hitrostno polje in pretok. Tako smo lahko iz rezultatov razbrali, da pri danih pogojih in topologiji (vhodna geometrija) od celotnega pretoka (150 m3/s) zapusti območje 2 130 m3/s, kar pomeni, da se 20 m3/s prelije preko brežin in se razlije po območju med Malim Grabnom in Ljubljanico (smer prelivanja ostaja ista kot pri prejšnjih dveh pretokih).

Slika 82: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 150 m3/s

156 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Območje 3

Splošni opis območja

Območja je na severnemu delu zaprto s Tržaško cesto, na vzhodu s Tbilisijsko ulico, na jugu z avtocesto in cesto v Mestni log, na zahodu pa s priključkom na avtocesto Ljubljana zahod. Značilno za samo območje je to, da je z vseh strani zaprto in da nima odprtega izhoda na Barje. Tako je edina pot vode od avtocestnega mostu, preko območja 3 pa vse do mostu na cesti v Mestni log. Za hidravlični izračun je pomembna cesta, ki potekata na levi strani Malega Grabna in je vzporedna z njim. Pomembna je zato, ker predvsem v prvem delu (od avtocestnega mostu do sredine območja) ta cesta deluje kot nasip in predstavlja prepreko za tok (nastop preliva, vodnega skoka, sprememba koeficienta hrapavosti, idr.). Na območju smo označili tudi hiše (kolikor je bilo to možno – določene predpostavke), ki jih v računu nismo upoštevali. Avtocestni most tako predstavlja zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo izbrali most na cesti v Mestni Log. Območje ima še eno posebnost in sicer teren od reke rahlo pada tako proti avtocesti na jug, kot tudi proti Tbilisijski cesti na sever. Tako smo določili dva dodatni robna pogoja, ki smo ju locirali na najbolj južni del območja (ob avtocesto) in na severno stran (ob Tbilisijsko cesto).

Slika 83: Območje 3

S programom AquaDyn smo na območju oblikovali mrežo točk (mreža končnih elementov). Točke smo najbolj zgostili na območju reke in cest (Tomažičeva ulica, ulica Malči Beličeve, Kančeva ulica, Martinova ulica, Cerkniška ulica in cesta neposredno ob Malem Grabnu), kjer so točke med sabo oddaljene za približno 5 m. Tako je sam vodotok v prečni smeri opisan vsaj s 4 točkami, ceste pa v večini z dvema. Na ostalem območju so točke med sabo oddaljene od 10 do 20 m. Glede na to, da smo, kjer je to račun dopuščal, upoštevali tudi lokacijo hiš (tok vode hiše obteka) smo zaradi zanesljivejšega računa točke zgostili tudi v okolici hiš.

157 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Za območje se je izvedel izračun za pretoke 250, 190 in 150 in 130 m3/s, ki so predstavljali zgornji robni pogoj.

Hidravlični izračun in poplavni scenarij

Pretok 250 m3/s

Pretok 250 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 293.6 m. Zaradi specifične topologije terena je bilo potrebno postaviti še dodaten robni pogoj. Za pretok 250 m3/s je bila gladina dodatnega robnega pogoja postavljena na koto 294 m.

Tako se je izvedel račun za ZRP = 250 m3/s in SRP = 293.6 m in dodaten SRP = 294 m. Kljub temu, da je takšen pretok skoraj nemogoč na tem območju, so bile gladine zanj vseeno izračunane. Tako lahko iz rezultatov razberemo, da od celotnega pretoka (250 m3/s) zapusti območje cca. 210 m3/s ostalih 40 m3/s pa se v večini prelije preko avtoceste.

Pretok 190 m3/s

Pretok 190 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 293.23 m. Zaradi specifične topologije terena je bilo potrebno postaviti dva dodatna robna pogoja. Za pretok 250 m3/s je bila gladina dodatnih robnih pogojev postavljena na koto 293.2 (avtocesta) in 293.8 (Tbilisijska cesta).

Tako se je izvedel račun za ZRP = 190 m3/s in SRP = 293.23 m in dodatna SRP, ki sta znašala 293.2 in 293.8 m. Kljub temu, da je tudi takšen pretok skoraj nemogoč na tem območju, so bile gladine zanj vseeno izračunane. Tako lahko iz rezultatov razberemo, da od celotnega pretoka (190 m3/s) zapusti območje cca. 160 m3/s ostalih 30 m3/s pa se v večini prelije preko avtoceste.

Pretok 150 m3/s

Pretok 150 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 292.96 m. Zaradi specifične topologije terena je bilo potrebno postaviti dva dodatna robna pogoja. Za pretok 150 m3/s je bila gladina dodatnih robnih pogojev postavljena na koto 293.2 (avtocesta) in 293.5 (Tbilisijska cesta).

Tako se je izvedel račun za ZRP = 150 m3/s in SRP = 292.96 m in dodatna SRP, ki sta znašala 293.2 in 293.5 m. Tako lahko iz rezultatov razberemo, da od celotnega pretoka (150 m3/s) zapusti območje cca. 135 m3/s ostalih 15 m3/s pa se v večini prelije preko avtoceste.

Pretok 130 m3/s

Pretok 130 m3/s je predstavljal zgornji robni pogoj, za spodnji robni pogoj pa smo vzeli gladino 1D modela, izračunano za isti pretok in je znašala 292.79 m. Zaradi specifične topologije terena je bilo potrebno postaviti dva dodatna robna pogoja. Za pretok 130 m3/s je bila gladina dodatnih robnih pogojev postavljena na koto 293.2 (avtocesta) in 293.3 (Tbilisijska cesta).

Tako se je izvedel račun za ZRP = 130 m3/s in SRP = 292.79 m in dodatna SRP, ki sta znašala 293.2 in 293.3 m. Tako lahko iz rezultatov razberemo, da od celotnega pretoka (130 m3/s) zapusti območje cca. 120 m3/s ostalih 10 m3/s pa se v večini akumulira na samem območju.

158 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 84: 3D vizualizacija poplave MG pri pretoku 190 m3/s

Situacija 250, 150 in 130 m3/s

Glede na to, da smo za vsako območje izvedli izračune za več pretokov in da smo med drugim kot rezultat dobili tudi količino pretoka, ki zapusti posamezno območje, lahko sedaj kot končen rezultat vzamemo primerno mešanico vseh dobljenih rezultatov.

Vsekakor je ena možna in najbrž tudi zelo zanimiva za analizo situacija 250, 150, 130. Če tako predpostavimo, da na območje Dolgega mostu priteče pretok 250 m3/s in tako vzamemo rezultate za območje 1 pri pretoku 250 m3/s. Iz rezultatov je razvidno, da bo takšen pretok povzročil velike poplave na območju 1. Iz rezultatov matematičnega izračuna lahko razberemo tudi, da se bo iz območja 1 v območje 2 od pretoka 250 m3/s prelilo 150 m3/s. Kar pomeni, da so za območje 2 najbolj zanimivi in verjetni rezultati, ki se navezujejo na pretok 150 m3/s. Iz območja 2 pa se v območje 3 prelije pretok 130 m3/s in so tako za območje 3 najbolj verjetni rezultati pretoka 130 m3/s, ki nam kažejo, da bo ogroženo samo območje med avtocesto in Malim Grabnom, območje severno od Malega Grabna, pa pri tem pretoku (130 m3/s) in obstoječi topologiji ne bo ogroženo. Če scenarij nadaljujemo vidimo, da ima Mali Graben dolvodno od območja 3 pretok 120 m3/s, poplavne linije 1D modela za ta pretok pa nam pokažejo, da je pri tem pretoku močneje ogroženo še eno območje (pri brvi v okolici Mokrške ulice do mostu na Barianski cesti). Za območje med mostom na Barianski cesti in izlivom Malega Grabna v Ljubljanico pa je 1D simulacija pretoka 120 m3/s (brez uporabe vejičastega toka) dovolj dobra in zato se na tem območju 2D model ni izvajal.

Glede ena dan hidrološke pogoje lahko sestavimo še kakšen scenarij (npr.: 190, 150, 130 m3/s)

159 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 85: 3D vizualizacija poplave MG pri kombinacijah pretokov 250, 150, 130 m3/s

Območje 4

Splošni opis območja

Kot že povedano iz samega območja 3 priteče pretok okoli 120 m3/s, ki močneje ogroža še eno območje dolvodno (podatek 1D toka). Razširjeno območje 4 se nahaja med Barianskim mostom in mostom ceste v Mestno Log, ki območje omejujeta na vzhodu in zahodu, na severu ga omejuje cesta v Mestni log na jugu pa avtocesta in priključek Barianske ceste nanjo. Kljub temu pa se najbolj ogroženo območje nahaja v drugi polovici opisanega območja (od brvi na Mokrški ulici pa do Barianskega mostu – območje 4). Na tem območju imamo zelo zanimivo topologijo saj teren močno pada od Ceste dveh Cesarjev (poteka skozi območje in teče vzporedno z Malim Grabnom) proti avtocesti, kjer pa se zopet dvigne proti nasipu na katerem je avtocesta. Lahko bi rekli, da se na tem območju ustvari nekakšna kotanja, kjer se voda lahko akumulira. Tako se je na tem območju poskušal izvesti še 2D tok.

160 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 86: Območje 4

Hidravlični izračun in poplavni scenarij

Zaradi precej zahtevne topologije in velikosti območja 4 bi za 2D izračun porabili preveč časa, zato se je na razširjenem območju 4 izvedel 1D vejičasti tok, ki je približno simuliral stanje, ki bi ga izračunali z 2D tokom. Račun se je izvedel za pretoke 100, 110, 120 in 130 m3/s, za spodnji robni pogoj pa se je vzela izračunana gladina pod Barianskim mostom za iste pretoke pri 1D simulaciji celotnega Malega Grabna (od Dolgega mostu do izliva v Ljubljanico).

Kot rezultat smo dobili gladine in pretoke, ki bi se izoblikovali na samem območju, če bi nastopilo stacionarno stanje (računali smo stalni tok). Treba je opozoriti, da gre za stalni tok v katerem ne računamo poplavnih valov. Če bi računali nestalni tok, pri katerem pa bi upoštevali poplavne valove, bi se kotanja na tem obmo čju nekaj časa polnila, ko pa bi konica vala prešla območje, pa bi območje kotanje najbrž postalo neaktivno območje (»shramba« vode). Vsekakor pa bi za račun nestalnega toka porabili še več časa in tudi precej več terenskih meritev, ki bi nam služili kot vhodni podatek in za umirjanje modela. Kljub temu so rezultati zanimivi in bi tako pri pretoku 100 m3/s, skozi meander (kotanja) tekel pretok 0.06 m3/s, pri pretoku 110 m3/s, bi po meandru steklo 0.43 m3/s, če bi skozi razširjeno območje 4 tekel pretok 120 m3/s, bi iz struge stekel pretok 1.39 m3/s, pri pretoku 130 m3/s, pa bi se na območje meandra prelilo 3.32 m3/s. Vidimo lahko, da se nam z višanjem pretoka Malega Grabna pretoki, ki se razbremenijo na krizno območje meandra višajo eksponentno.

161 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 87: Pretoki MG – Meander

Razširjeno Območje 4 je hkrati tudi zadnje območje, za katerega smo računali 2D tok oziroma 1D vejičasti tok, kajti za območja med Barjanskim mostom in izlivom Malega Grabna v Ljubljanico je navaden 1D račun dovolj natančen.

162 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

so so ki ki

absolute

ter postaja) pretoka]

vrednosti, vrednosti,

.tiff

(let) vse

vse

in

pretoka y x ‐

‐ merilna

postaja) merilna

D spodnjega ‐ ID HO N ODSEKA od

ODSEKA (m^3/s) VODOTOKA (m^3/s) VODOTOKA spodnjega ID KOMENTAR CENTROID CENTROID IME ID IME od positive WH.grd)) enake (avtomatska je (avtomatska sitive WH.grd po

POVRATNA DOBA PRETOK ali PRETOK več AMP AMP ID (relative IME

manjše (

FILE MINIMALNI MAKSIMALNI

1 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 0 95 Šujica ‐99 ‐99 3D_flood/Mali graben_cel_1D/0‐95 1D

2 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 95 100 Šujica ‐99 ‐99 3D_flood/Mali graben_cel_1D/95‐100 1D

3 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 100 110 Šujica ‐99 srednji letni pretok 3D_flood/Mali graben_cel_1D/100‐110 1D

4 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 110 115 Šujica ‐99 5‐10 3D_flood/Mali graben_cel_1D/110‐115 1D

5 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 115 120 Šujica ‐99 5‐10 3D_flood/Mali graben_cel_1D/115‐120 1D

6 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 120 125 Šujica ‐99 okoli 10 3D_flood/Mali graben_cel_1D/120‐125 1D

7 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 125 150 Šujica ‐99 10‐20 3D_flood/Mali graben_cel_1D/125‐150 1D

8 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 150 175 Šujica ‐99 >20 3D_flood/Mali graben_cel_1D/150‐175 1D

9 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 175 200 Šujica ‐99 okoli 50 3D_flood/Mali graben_cel_1D/175‐200 1D

10 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Izliv v Ljubljanico 200 225 Šujica ‐99 100 3D_flood/Mali graben_cel_1D/200‐225 1D

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

3D_flood/Mali 11 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Lipanova ulica 0 150 Šujica ‐99 10‐20 graben_2D/Območje_1/0‐150 2D

3D_flood/Mali 12 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Lipanova ulica 150 190 Šujica ‐99 okoli 50 graben_2D/Območje_1/150‐190 2D

3D_flood/Mali 13 ‐99 Mali Graben ‐99 Dolgi most ‐ Lipanova ulica 190 250 Šujica ‐99 100 graben_2D/Območje_1/190‐250 2D

3D_flood/Mali 14 ‐99 Mali Graben ‐99 Cesta dveh Cesarjev 0 150 Šujica ‐99 10‐20 graben_2D/Območje_2/0‐150 2D

3D_flood/Mali 15 ‐99 Mali Graben ‐99 Cesta dveh Cesarjev 150 190 Šujica ‐99 okoli 50 graben_2D/Območje_2/150‐190 2D

3D_flood/Mali 16 ‐99 Mali Graben ‐99 Cesta dveh Cesarjev 190 250 Šujica ‐99 100 graben_2D/Območje_2/190‐250 2D

3D_flood/Mali 17 ‐99 Mali Graben ‐99 avtocestni most ‐ cesta v Mestni Log 0 130 Šujica ‐99 okoli 10 graben_2D/Območje_3/0‐130 2D

3D_flood/Mali 18 ‐99 Mali Graben ‐99 avtocestni most ‐ cesta v Mestni Log 130 150 Šujica ‐99 10‐20 graben_2D/Območje_3/130‐150 2D

3D_flood/Mali 19 ‐99 Mali Graben ‐99 avtocestni most ‐ cesta v Mestni Log 150 190 Šujica ‐99 okoli 50 graben_2D/Območje_3/150‐190 2D

3D_flood/Mali 20 ‐99 Mali Graben ‐99 avtocestni most ‐ cesta v Mestni Log 190 250 Šujica ‐99 100 graben_2D/Območje_3/190‐250 2D

Tabela 4: Pregledna tabela za posnet odsek Malega Grabna

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.2 Drava Splošni opis območja

Reka Drava izvira v severni Italiji na Toblaškem polju na nadmorski višini 1200m. V Slovenijo priteče v kraju Dravograd na nadmorski višini 393,3m in po 133 km ter 148 m padca pri Ormožu nadaljuje pot po Hrvaškem. Povprečni letni pretok Drave znaša v Sloveniji 289 m²/s. Energetski potencial reke je na slovenskem delu v osmih elektrarnah popolnoma izkoriščen47. Lidarsko snemanje se je izvedlo na približno 13 km‐skem odseku med Duplekom in Ptujem v brezlistnem obdobju (glej ).Slika 88

Slika 88: Posneto območje reke Drave

Kljub temu, da so bili vhodni podatki zelo dobri (grid na en meter, snemanje v času redke vegetacije) je reka Drava veliko prevelika, da bi izvedli hidravlični izračun brez korekcije dna vodotoka (naredili bi preveliko napako). Tako smo prišli pred naslednji problem kako izvesti korekcijo dna. Na voljo nismo imeli nobenega vzdolžnega prereza in zato korekcije nismo mogli narediti. Brez korekcije pa je hidravlični izračun brez pomena. Ko bomo dobili vzdolžni prerez, bomo izvedli tudi hidravlično analizo reke Drave za pogoje, ki so opisani v nadaljevanju.

Referenčna merilna postaja

Razpon pretokov bomo vzeli glede na vodomerno postajo Borl, kjer se bomo osredotočili na visoke pretoke. Visoki pretoki, ki so bili zabeleženi na teh dveh postajah so iz leta 2004 (Hidrološki letopis Slovenije 200448) in nihajo od 20 m3/s pa do 994 m3/s. Zabeležen je bil tudi ekstremen pretok, ki je

47 http://www.o‐vn.mb.edus.si/net_02_03/tekoce_vode.htm

48 ARSO, Hidrološki letopis Slovenije 2004, Ljubljana 2007

165 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju znašal 1727 m3/s in je bil zabeležen leta 1998. Ker reke Drave ni v Vodnogospodarskih osnovah pretoke nismo mogli primerjati in bom zato naštete pretoke vzeli kot primerne za simulacijo. Tako bomo izvedli simulacijo 1D toka za precejšen razpon pretokov z upoštevanjem pretokov iz Hidrološkega letopisa Slovenije 2004.

Hidravlični izračun

Za Hidravlični izračun bomo uporabili programski paket HEC‐RAS. Kot že omenjeno bomo izvedli korekcijo dna vodotoka, ko bomo dobili ustrezne podatke. Manningovega koeficienta hrapavosti ne bomo umerjali ampak jih bomo določili glede na orto‐foto posnetke. Zaradi različne poraščenosti poplavnih ravnic in same struge reke Drave (otoki v reki Dravi) se Manning precej spreminja. Zaradi tega dejstva bomo uporabil tri različne Manningove koeficiente hrapavosti in sicer:

‐ 0.07….na območjih s srednje gostim grmičevjem in drevjem z listjem ‐ 0.03…območje korita reke tam kjer ni otokov ‐ 0.045…ostala travnata in obdelovalnaa površin V hidravličnem izračunu bomo upoštevali tudi lokacijo nasipov, mostov pa na obravnavanem odseku ni. Robne pogoje in tokovni režim bomo določili takrat, ko bomo simulacijo 1D toka tudi izvedli.

Poplavni scenariji

Za vse simulirane pretoke bomo izvedli tudi vizualizacijo poplavnega scenarija. Poplavne linije bodo glede na relativne globine pobarvane v modri barvi.

4.3 Mura Splošni opis območja

Mura izvira v Avstriji, v osrčju nacionalnega parka Hohe Tauern (Visoke Ture). Izvira na višini 1898 metrov in se do Prekmurja spusti za kakih 1700 metrov. Od izvira do sotočja z Dravo (pri Legradu v Podravini) je dolga 438 kilometrov, od česa je v Avstriji, 295 km v Sloveniji okrog 70 km. Je edina večja slovenska reka, kjer je, čeprav utesnjena med nasipe, še delno ohranjena njena naravna dinamika. Lahko jo razdelimo na tri območja in sicer glede na pokrajino čez katero teče49:

‐ gorski del (izvir – Bruck) v dolžini 216 km (46 %) in prispevnim območjem 4.700 km2 (34 %) ‐ prehodni del (Bruck – Mureck) v dolžini 119 km (26 %) in prispevnim območjem 5.070 km2 (36 %) ‐ nižinski del (Mureck – Legrad) v dolžini 130 km (28 %) in prispevnim območjem 4.255 km2 (30 %)

49 Projekt Biomura, http://www.biomura.si/slo/rekaMura.aspx

166 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 89: Posneto območje reke Mure

Del Mure, ki teče skozi Slovenijo, v celoti pripada nižinskemu delu. Za potrebe projekta se je posnel manjši del območja, ki zajema krajši odsek avtocestnega odseka Vučja Vas – Beltinci in sicer na mestu, kjer se nahaja most čez reko Muro, ki je hkrati tudi najdaljši slovenski most (glej Slika 89). Most je dolžine 833 m in je sestavljen iz dveh ločenih objektov skupne širine 28 m. Glavni razpon preko reke znaša 80 m, tipični razponi v nadaljevanju pa so dolžine po 40 metrov50.

Referenčna merilna postaja

Kot osnovo, na podlagi katere smo ocenili pretoke smo vzeli dve vodomerni postaji in sicer vodmerna postaja Gornja Radgona I in Petanjci. Osredočtočili smo se na visoke pretoke. Visoki pretoki, ki so bili zabeleženi na teh dveh postajah so iz leta 2004 (Hidrološki letopis Slovenije 200451) in nihajo od 150 m3/s pa do 850 m3/s. Zabeležena sta bila tudi dva ekstremna pretoka in sta znašala 1241 m3/s in 1284 m3/s. Pretoka sta bila zabeležena leta 1954 in 1972. Razpon pretokov iz Hidrološkega letopisa Slovenije 2004 je nekoliko nižje od izvrednotenih pretokov iz Vodnogospodarskih osnov52. Na podlagi tega dejstva smo izvedli simulacijo 1D toka za precejšen razpon pretokov, ki upošteva tako pretoke iz

50 Inženirska zbornica Slovenije, http://www.izs.si/index.php?id=419

51 ARSO, Hidrološki letopis Slovenije 2004, Ljubljana 2007

52 Vodnogospodarske osnove – vsebina, 1978, http://193.2.92.57/vodinfr/vodnaknjigacontent.aspx

167 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Hidrološkega letopisa Slovenije 2004 in pretoke zabeležene v Vodnogospodarskih osnovah. Tako je bila izvedena simulacija za pretoke 410, 500, 600, 700, 800, 1000, 1500, 2000 m3/s, kjer je pretok 410 m3/s predstavljal strugotvorni pretok (pretok pri katerem vsa voda ostane v koritu).

Hidravlični izračun

Za Hidravlični izračun smo uporabili programski paket HEC‐RAS. Kljub temu, da so bili vhodni podatki zelo dobri (grid na en meter, snemanje v času redke vegetacije) je reka Mura prevelika, da bi izvedli hidravlični izračun brez korekcije dna vodotoka (naredili bi preveliko napako). Korekcijo smo morali izvesti, ker z LIDAR‐jem ne moremo prodreti pod vodo in tako dobiti dejansko koto dna struge, ampak dobimo samo informacijo o koti gladine, ki je bila v času snemanja. Zato smo na podlagi vzdolžnega prereza iz Vodnogospodarskih osnov v hidravličnem modelu popravili koto dna v vseh prečnih profilih obravnavanega odseka. Manningovega koeficienta hrapavosti nismo umerjali ampak smo ga določili glede na orto‐foto posnetke in je za glavno strugo znašal 0.03 za poplavne ravnice pa 0.06. V hidravličnem izračunu smo upoštevali tudi geometrijo mostu in lokacijo nasipov. Računali smo mirni tok in zaradi majhnosti območja postavili spodnji robni pogoj precej bolj dolvodno od dolvodnega roba obravnavanega območja. S tem smo povečali natančnost izračuna na območju dolvodnega roba obravnavanega območja. Za spodnji robni pogoj smo vzeli normalno globino s pripadajočim padcem 0.0925 % (povprečni padec spodnjega dela obravnavanega območja).

Poplavni scenariji

Za vse simulirane pretoke smo izvedli tudi vizualizacijo poplavnega scenarija. Poplavne linije so glede na relativne globine pobarvane v modri barvi. Glede na rezultate hidravličnega izračuna lahko v splošnem rečemo, da pri pretokih nad 600 m3/s začne voda poplavljati območja med nasipi, pri pretokih nad 1500 m3/s pa začne voda na nekaterih mestih prelivati nasipe.

168 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 90: 3D vizualizacija poplave Mure pri pretoku 700 m3/s

169 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

ki ki

, ,

ti ti

od

(let) nos nos

d d absolute x y positive

enake in

pretoka] vre vre D spodnjega postaja) postaja) ‐ doba ID ali HO (avtomatska N (avtomatska ODSEKA

.tiff vse vse od ODSEKA [ [ VODOTOKA VODOTKA pretoka] je komentar centroid in centroid ID ‐ ‐ ) ) IME ID ((relative

s s AMP AMP IME

merilna merilna več positive WH.grd)) manjše Povratna spodnjega ID ^3/ ^3/ so FILE IME so m m WH.grd ( (

1 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 0 410 Gornja Radgona ‐99 <5 3D_flood/Mura_cel_1D/0‐410 1D

2 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 410 500 Gornja Radgona ‐99 <5 3D_flood/Mura_cel_1D/410‐500 1D

3 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 500 600 Gornja Radgona ‐99 <5 3D_flood/Mura_cel_1D/500‐600 1D

4 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 600 700 Gornja Radgona ‐99 <5 3D_flood/Mura_cel_1D/600‐700 1D

5 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 700 800 Gornja Radgona ‐99 <5 3D_flood/Mura_cel_1D/700‐800 1D

6 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 800 1000 Gornja Radgona ‐99 5 3D_flood/Mura_cel_1D/800‐1000 1D

7 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 1000 1500 Gornja Radgona ‐99 50 3D_flood/Mura_cel_1D/1000‐1500 1D

8 ‐99 Mura ‐99 Vučja Vas ‐ Beltinci (avtocestni most) 1500 2000 Gornja Radgona ‐99 >100 3D_flood/Mura_cel_1D/1500‐2000 1D

Tabela 5: Pregledna tabela za posnet odsek Mure

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.4 Kokra Splošni opis območja

Kokra je alpska reka, ki izvira na 1440 m nadmorske višine pod Virnikovo planino. Velikost njenega povodja znaša 224 km2 in ga sestavljata dve biogeografski območji: gorski svet Alp in nižinski svet kranjske ravni. Za potrebe projekta se je posnelo območje od Zgornje Kokre pa do pregrade na cesti Staneta Žagarja pri Kranju. Posneto območje tako razdelimo na gorski svet, ki sega do Preddvora in nižinski svet od Preddvora do Kranja. V gorskem delu reka doseže 1.8 % padca in teče po koritasti soteski z izrazito hudourniškem značajem, v strugi pa so številna debla, prodišča in tolmuni. V nižinskem delu pa Kokra vijuga po ledenodobnih terasastih nanosih, kjer se voda spusti od 440 m nadmorske višine na 343 m (povprečni padec 1.2 %). Ker je območje zelo razgibano (kanjonsko), je posneto območje precej ozko, saj je višinska razlika med reko in poplavnimi površinami precejšnja (približno 10 m). Skozi zgodovino oblikovane hidravlične karakteristike struge vodotoka (globine, širine) so se zaradi poselitve, gradnje cest, poti, naselij in kasneje infrastrukturnih objektov spreminjale. Tok vode je usmerjan in nadzorovan s pomočjo jezov, pragov, drč, obrežnih zgradb in kanalov, ki so neposredno povezani tudi s premostitvenimi objekti in njihovimi pretočnimi odprtinami53.

Slika 91: Posneto območje reke Kokre

Referenčna merilna postaja

53 Vidic J. 1999. Model urejanja povodja reke Kokre. Praktikum. Kranj/Ljubljana, Fakulteta za organizacijske vede: 110 str.

171 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Na reki Kokri sta dve merilni postaji in sicer Kokra I in Kranj II54. Kot referenčno smo vzeli merilno postajo Kokra I. Kljub temu je bil razpon vzetih in simuliranih pretokov precejšen in je izbor zajel pretoke obeh merilnih postaj (osredotočili smo se na visoke pretoke). Tako pretoki nihajo med 10 in 50 m3/s. Na obeh merilnih postajah sta zabeležena tudi ekstremna pretoka, ki sta znašala 188 m3/s (Kokra I) in 201 m3/s (Kranj II) in za oba pretoka je bila izvedena simulacija 1D toka. Tako smo glede na razpon pretokov izvedli simulacijo 1D toka za pretoke 5, 10, 20, 30, 40, 50, 60, 70, 188 in 201 m3/s.

Hidravlični izračun

1D izračun se je izvedel s programskim paketom HEC‐RAS. Ker so bili vhodni podatki o geometriji zelo dobri (snemanje se je izvedlo času nizkega vodostaja in redke vegetacije), nismo izvajati korekcije geometrije v koritu vodotoka. Zaradi velikega padca se je predpostavil mešani tokovni režim. Za potrebe takšnega računa sta bila potrebna tako zgornji kot spodnji robni pogoj. Za oba pogoja se je vzela normalna globina in se tako predpostavilo normalni tok dolvodno od spodnjega robnega pogoja in gorvodno od zgornjega robnega pogoja, kjer je pripadajoč padec na spodnjem robnem pogoju znašal 0.6 % (povprečni padec spodnjega dela obravnavanega območja reke Kokre) na zgornjem robnem pogoju pa 1.1 % (povprečni padec zgornjega dela obravnavanega območja reke Kokre). Manningovega koeficienta hrapavosti nismo umerjali ampak smo ga določili glede na orto‐foto posnetke in je za glavno strugo znašal 0.04 za poplavne ravnice pa 0.06. Na koncu smo še s pomočjo orto‐foto posnetkov in obdelanega grid‐a (raster, TIN) definirali nasipe in mostove.

Poplavni scenariji

Vsak pretok je bil tudi vizualiziran (poplavni scenarij) in tako se lepo vidijo poplavne linije, ki so glede na relativne globine (glede na teren) pobarvane v modri barvi. Vidimo lahko, da do pretoka 70 m3/s praktično ni nevarnosti poplavljanja (v primeru, da se ne podre kakšen izmed hidrotehničnih objektov). Vsekakor pa ekstremna pretoka 188 in 201 m3/s poplavno ogrožata urbanizirana področja ob reki Kokri (na preizkušnji bodo tudi hidrotehnični objekti).

54 ARSO, Hidrološki letopis Slovenije 2004, Ljubljana 2007

172 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

je

č

ter (let)

ve

manjše x y [vse [vse positive pretoka]

PRETOK

so

‐ .tiff

‐

so positive spodnjega postaja D

postaja) ‐ ki doba ID in ki HO (avtomatska N (avtomatska ODSEKA

ODSEKA WH.grd) VODOTOKA pretoka] komnetar centroid VODOTOKA centroid ID (relative IME

(m^3/s) (m 3/s) ID AMP AMP merilna IME

merilna absolute spodnjega WH.grd enake od Povratna MINIMALNI ID vrednosti, FILE IME od vrednosti, ali 1 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 0 5 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/0‐5 1D

2 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 5 10 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/5‐10 1D

3 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 10 20 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/10‐20 1D

4 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 20 30 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/20‐30 1D

5 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 30 40 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/30‐40 1D

6 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 40 50 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/40‐50 1D

7 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 50 60 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/50‐60 1D

8 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 60 70 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/60‐70 1D

9 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 70 188 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/70‐188 1D

10 ‐99 Kokra ‐99 Zgornja Kokra ‐ pregrada Kranj 188 201 Kranj II ‐99 ‐99 3D_flood/Kokra_cel_1D/188‐201 1D

Tabela 6: Pregledna tabela za posnet odsek Kokre

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.5 aReka Rek Splošni opis območja

Reka, tudi Notranjska reka, je največja slovenska reka ponikalnica. Izvira na nadmorski višini 720 m, na južni strani pobočja Snežnika na Hrvaškem, kot potok, imenovan Velika voda (Vela voda). Teče skozi kraje Ilirska Bistrica, Topolc, Prem in Škoflje do Škocjana, kjer ponikne v Mohorčoičev jamo v Škocjanskih jamah. 33 km dolg podzemni tok Reke je moč videti še v Kačni jami in Labodnici, ponovno pa pride na površje v izviru reke Timave blizu kraja Štivan v občini Devin ‐ Nabrežina v Italiji. Površinski tok reke Reke meri 54 km, porečje pa obsega 365 km². Do leta 1990 je bila pretežno zaradi tovarne organskih kislin v Ilirski Bistrici ena najbolj onesnaženih slovenskih rek. Za vizualizacijo poplav se je posnel 3.5 km‐trski odsek med mostom na cesti za Smrje (obstoječi jez) in cestnemu mostu za Prem (odsek med Ilirsko Bistrico in Ribnico).

Slika 92: Posneto območje reke Reke

Referenčna merilna postaja

Odsek leži med vodomernima postajama Koseze in Cerkvenikov mlin. Podatki iz Vodnogospodarskih osnov55 govorijo o poplavnih vodah s pretoki 106 (Koseze) in 277 (Cerkvenikov mlin) m3/s. Tako smo razpon simuliranih pretokov priredili tem podatkom in izračunali 1D poplavne linije za pretoke 200, 250 in 300 m3/s. Zopet smo vzete pretoke primerjali s Hidrološkim letopisom Slovenije 200456, kjer

55 Vodnogospodarske osnove, http://193.2.92.57/vodinfr/vodnaknjigacontent.aspx, 1978

56 ARSO, Hidrološki letopis Slovenije 2004, Ljubljana 2007

174 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju so v splošnem med letom zabeležili nižje pretoke, le v mesecu decembru se je pojavil znatnejši pretok in je znašal 235 m3/s (Cerkvenikov mlin). Pri slednji vodomerni postaji je bil zabeležen tudi ekstremni pretok 305 m3/s, ki se je pojavil v letu 1972. Vidimo lahko, da se ekstremni pretoki obeh virovj prece dobro ujemajo, zato ugotavljamo, da je izbran razpon simuliranih pretokov primeren.

Hidravlični izračun

Hidravlični izračun se je izvedel za izbrane pretoke z 1D programskim paketom HEC‐RAS. Imeli smo odlične geometrijske podatke za opis terena (grid na en meter, snemanje v času redke vegetacije,…), vendar ima reka Reka pregloboko dno, da bi ga zanemarili in zato smo na podlagi vzdolžnega prereza iz Vodnogospodarskih osnov57 v hidravličnem modelu izvedli korekcijo dna prečnih profilov ter dobili pravilnejšo dno. Manningovega koeficienta hrapavosti nismo umerjali, ampak smo ga določili glede na orto‐foto posnetke in je za glavno strugo znašal 0.03 za poplavne ravnice pa 0.045. V hidravličnem izračunu smo upoštevali tudi geometrijo obeh mostov in lokacijo nasipov. Računali smo mirni tok, kjer smo za spodnji robni pogoj vzeli normalno globino s pripadajočim padcem 0.25 % (povprečni padec spodnjega dela obravnavanega območja).

Poplavni scenariji

San odsek Reke je precej obdana z visokimi hribi in je zato najbolj na udaru cesta, ki poteka vzporedno z reko ter infrastruktura ob njej (hiše, gospodarska poslopja). Pri pretoku 200 m3/s voda še ne preliva cesto, kar pa ne velja za pretoka 250 in 300 m3/s. Pri slednjih prihaja do prelivanja ceste na dveh odsekih (na začetku snemanega območja – Slika 94 in nekje na sredini obravnavanega območja – Slika 95) , ki je tako skupaj z infrastrukturo ogrožena.

57 Vodnogospodarske osnove, http://193.2.92.57/vodinfr/vodnaknjigacontent.aspx, 1978

175 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 93: 3D vizualizacija poplave reke Reke pri pretoku 300 m3/s

Slika 94: 3D prikaz prelivanja ceste (na začetku snemanega območja) pri pretoku 250 m3/s

176 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 95: 3D prikaz prelivanja ceste (približno na sredini snemanega območja) pri pretoku 300 m3/s

177 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

je

č

ter (let)

ve

manjše x vse y [vse positive pretoka]

PRETOK

so ‐

.tiff

‐ so positive spodnjega postaja D

postaja) ‐ ki doba ID in ki HO (avtomatska N (avtomatska ODSEKA

ODSEKA WH.grd) VODOTOKA VODOTKA pretoka] komentar centroid centroid ID (relative IME ID (m^3/s)

(m^3/s) AMP AMP merilna IME

merilna absolute spodnjega WH.grd enake od Povratna MINIMALNI ID vrednosti, FILE IME od vrednosti, ali

1 ‐99 Reka ‐99 0 200 Cerkvenikov mlin ‐99 3D_flood/Reka_cel_1D/0‐200 1D

2 ‐99 Reka ‐99 200 250 Cerkvenikov mlin ‐99 3D_flood/Reka_cel_1D/200‐250 1D

3 ‐99 Reka ‐99 250 300 Cerkvenikov mlin ‐99 3D_flood/Reka_cel_1D/250‐300 1D

Tabela 7: Pregledna tabela za posneto območje Reke

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.6 Sava – Krško Splošni opis območja

Reka Sava, katere celotna dolžina znaša 940km, ima dva izvira. Prvi izvir Save je v Tamarju, kjer sicer izvira kot Nadiža, ki ponikne in ponovno pride na dan v Zelencih pri Ratečah. Od tu teče kot Sava Dolinka mimo Jesenic in se pri Radovljici združi s Savo Bohinjko. Sava Bohinjka nastane z združitvijo Mostnice in Jezernice, ki izvira iz Bohinjskega jezera. Od Radovljice Sava teče naprej preko Ljubljanske kotline in Zasavskega hribovja do Krško‐Brežiškega polja in pod Brežicami zapusti Slovenijo. V zgornjem toku je Sava delno regulirana z hidroelektrarnami, predvsem pa tudi teče večinoma v dokaj globokem rečnem koritu, zato vzdolž ljubljanske kotline in zasavskega hribovja do sotočja s Savinjo, ne predstavlja velike poplavne nevarnosti. Močneje je poplavno ogroženo mesto Krško in območja dolvodno. Tudi na tem območju Save se med Zidanim mostom in Mokricami gradi veriga hidroelektrarn, ki bodo omogočale delno reguliranje pretokov. Ker je veriga delno še v fazi gradnje, delno v fazi priprave projektne dokumentacije še ne moremo upoštevati njenega ugodnega učinka na poplavno varnost tega območja. Zato je bil v projektu vizualizacije poplavnih območij podrobneje analiziran odsek Save med lokacijo HE Krško in NE Krško, ki prestavlja najbolj poplavno ogroženo območje.

Slika 96: Posneto območje reke Save

Zgornja meja modela je bila pri prečnem profilu 96, kjer je stacionaža Save 752.105 in se nahaja nad lokacijo HE Krško t.j. kilometer in pol na centrom mesta Krško, dolvodno pa je model segal do prečnega profila 109, ki je malo na jezom NEK. Na odseku med stadionom Matije Gubca v Krškem in jezom NEK se začne tudi izrazit tok po inundaciji, Krško‐Brežiškem polju. Ker podatki topografije niso obsegali celotnega območja Krško‐Brežiškega polja niso bili upoštevani vsi toki po inundaciji. Ker gre

179 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju za obsežno območje, kjer se izrazito pojavlja 2D vodni tok bo območje kot celoto treba v prihodnosti analizirati z zmogljivejšim 2D hidravličnem orodjem.

Predhodne hidravlične študije tega območju so bile izdelane le na osnovi na terenu izmerjenih prečnih profilov, katerih gostota je občutno premajhna za natančnejše analize. Zato so bili v tem projektu dodatno vključeni podatki topografije, ki so bili zajeti s klasičnimi geodetskimi meritvami na ožjem območju, za širše območje hidravlične analize pa predvsem s tehnologijo LIDAR. Kot omenjeno uporaba natančnejših topografskih podatkov, katerih gostota je znašala povprečno 1 točko na kvadratni meter omogoča bistveno natančnejše modeliranje ter uporabo nove metode hidravličnega modeliranja, pri kateri se uporablja kombinacija GIS orodij in hidravličnega modela. Kot podlaga za pripravo geometrije rečne struge na območju, kjer zaradi pregloboke vode meritve s tehnologijo LIDAR niso bile uspešne, so bili uporabljeni podatki na terenu izmerjenih prečnih profilov. Priprava geometrije na podlagi digitalnega modela terena (DMT) je omogočala bistveno večjo gostoto prečnih profilov, kot so bile izvedene meritve na terenu. Za prečne profile na lokacijah za katere nismo imeli meritev s terena s katerimi bi popravili njihov potek na območju globlje vode, so bile uporabljene interpolacijske vrednosti med izmerjeni profili. Dodatno so bili v hidravličen model vneseni še podatki objektov ob in na vodotoku, katerih DTM ne vsebuje.

Slika 97: Visoke vode leta 1990 na območju mostu v mestu Krško. (vir: Ciuha, 1990)

Referenčna merilna postaja

Pretoki so bili določeni na podlagi meritev pretokov na vodomerni postaji Čatež. Ker je vodomerna posatja locirana precej dolvodno od območja študije so bili podatki regulirani z podatki pretokov izmerjenih na jezu NEK, pretočna krivulja le‐tega pa je služila za določanje spodnjih robnih pogojev. Pretoki Save preko leta močno nihajo in se na tem odseku gibljejo od manj kot 100 m3/s do okoli 2000 m3/s, kolikor približno znaša srednja visoka voda. Visoke vode na Savi najpogosteje nastopajo v jesenskem času.

Izračuni so bili izdelani za vrednosti pretokov s povratno dobo v razponu med 20 in 500 let, kot so bile določene v različnih hidroloških študijah. Vrednosti so podane v spodnji tabeli.

180 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Povratna doba [let] 20 50 100 200 500

Pretok [m3/s] 2730 3050 3290 3350 3950

Tabela 8: Vrednosti pretokov za pretoke z različnimi povratnimi dobami.

Hidravlični izračun

Tudi pri modeliranju odseka Save pri Krškem je bila uporabljena kombinacija GIS orodij in hidravličnega modela. Na podlagi, na novih podatkih topografije, pripravljene geometrije so bile najprej izvedene simulacije visoko vodnih dogodkov za katere smo imeli začetne in robne pogoje ter podatke sledi visokih voda vzdolž odseka. Na podlagi teh podatkov je bilo mogoče s prilagajanjem koeficientov hrapavosti (ng) umeriti model. Začetne vrednosti koeficientov hrapavosti so bile ocenjene na podlagi izkušenj in priporočljivih vrednosti glede na pokrovnost tal, zaraščenost struge, granulacijske sestave dna ipd. Natančneje pa so bile vrednosti določene z umerjanjem modela s simulacijami stalnega toka pri ocenjenemu pretoku za leto 1990, za katerega smo imeli tudi izmere kot sledi visokih vod na terenu. Pri umerjenem modelu so se vrednosti ng gibale med 0,025sm‐1/3 do 0,04sm‐1/3 za rečno korito in od 0,05sm‐1/3 do 0,07sm‐1/3 za poplavna območja.

Poplavni scenariji

Na podlagi umerjenega modela so bili izvedeni dodatni izračuni za različne pretoke, določene privilegirane poti vodnega toka na inundacijskih površinah ter poplavne linije za pretoke, pri katerih se voda začne prelivati na desno poplavo območje. Simulacije so bile izvedene za naslednje pretoke:

‐ 2730 m3/s, kar ustreza vrednosti Q20 za Krško, določeni v hidrološki študiji IZVRS iz leta 2006, ‐ 3050 m3/s, kar ustreza vrednosti Q50 za Krško, določeni v hidrološki študiji IZVRS iz leta 2006, ‐ 3290 m3/s, kar ustreza vrednosti Q100 za Krško, določeni v hidrološki študiji IZVRS iz leta 2006, ‐ 3350 m3/s, kar ustreza vrednosti Q200 za Krško, določeni na podlagi pretokov za Radeče in Čadež iz Vodnogospodarskih osnov iz leta 1978 in na katero je potrebno varovat mesto Krško, ‐ 3950 m3/s, kar ustreza vrednosti Q500 za Krško, določeni na podlagi pretokov za Radeče in Čadež iz Vodnogospodarskih osnov iz leta 1978. S pomočjo simulacij stalnega toka so bile za posamezne pretoke ugotovljene vrednosti pretokov pri katerih se začne pojavljati prelivanje na desno poplavno območje od okoliša stadiona v mestu Krško do jezu NE Krško. Na območju stadiona je bilo upoštevano, da se vode prosto razlijejo na poplavnem območju, za odsek neposredno nad jezom NE Krško pa so bile prelite vode speljane preko poplavnega območja s pomočjo razvejanega toka. Simulacije so pokazale, da se na območju stadiona začne prelivanje iz glaven struge že pri pretokih okoli 1900 m3/s, na območju gorvodno od jezu NE Krško pa še pri nekoliko nižjih pretokih.

181 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

,

ki ti

od

nos

ter d (let)

x y PRETOK positive

vre I enake spodnjega .tiff

positive pretoka] postaja D

postaja) vrednosti, ‐ doba ID in ali (avtomatska vse HO od

N (avtomatska [ ODSEKA

vse ODSEKA je WH.grd) VODOTOKA pretoka] ‐ komnetar centroid VODOTOKA ‐ centroid ) ID (relative s IME AMP

ID

več AMP merilna IME

merilna absolute WH.grd manjše Povratna spodnjega ^3/ ID so FILE MAKSIMALN IME so m ki ( (m^3/s) 1 ‐99 Sava ‐99 Krško 0 3005 Čatež ‐99 <20 3D_flood/Sava_cel_1D_0‐3005 1D

2 ‐99 Sava ‐99 Krško 3005 3050 Čatež ‐99 50 3D_flood/Sava_cel_1D_3005‐3050 1D

3 ‐99 Sava ‐99 Krško 3050 3290 Čatež ‐99 100 3D_flood/Sava_cel_1D_3050‐3290 1D

4 ‐99 Sava ‐99 Krško 3290 3350 Čatež ‐99 200 3D_flood/Sava_cel_1D_3290‐3350 1D

5 ‐99 Sava ‐99 Krško 3350 3830 Čatež ‐99 okoli 500 3D_flood/Sava_cel_1D_3350‐3830 1D

Tabela 9: Pregledna tabela za posnet odsek Save

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.7 morje – Koper Poplave ob morju imajo nekoliko drugačno naravo dogajanja kot poplave iz vodotokov. Dogajajo se zaradi več razlogov. Dva vzroka najdemo v pojavu globalnega segrevanja. Zaradi slednjega se tali led na kopnem, kar vodi v povečanje vodne količine v oceanih. Drugi vzrok za poplave pa bo posledica naraščanja specifične teže vode s temperaturo. Zaradi anomalije vode morska voda s segrevanjem izgublja na svoji gostoti in pridobiva na prostornini. Naraščanje globalne temperature bo tako povzročilo termalno raztezanje morja. Seveda je spreminjanje višine gladine morja odvisno tudi od drugih dejavnikov, kot npr. pogrezanje obal, zaradi geološko nestabilnega območja. Tako lahko prihaja do posedanja nedavno odloženih usedlin (predvsem ob rečnih deltah) ali posedanja zaradi tektonskih premikov. Zaradi relaksacije kamnin po umiku kontinentalnih ledenikov ob koncu ledene dobe (kot je to bilo v primeru Skandinavije in Severne Amerike) pa se lahko celine celo dvigajo oz. spuščajo v primeru izčrpavanja podtalnice. Gladina se dvigne tudi zaradi nevihtnih valov in spremembe morskih tokov, vendar je verjetnost za popolno ustavitev atlantske oceanske cirkulacije zelo majhna. Globalno segrevanje in termalno raztezanje morja predstavljata dolgoročno nevarnost za dvig morske gladine in posledične poplave; medtem ko so kratkoročno bolj nevarne poplave, ki se dogajajo zaradi dolgotrajnih deževij in neviht. Predvsem pride to do izraza pri pojavu visoke plime, ki nastane kot kombinacija vetrov, nizkega zračnega pritiska in nevihte.

Na Jadranu v tem procesu sodelujeta močna burja (hladen veter, ki piha s SV, torej prihaja iz smeri Trsta) ali široko58 (topel in vlažen južni veter v Italiji in na Jadranu, ki piha iz smeri Afrike). Vetrova porivata valove v severni del Jadranskega morja. V kombinaciji z nizkim zračnim pritiskom povzročita zvišanje gladine morja. Napovedi plimovanja so namreč preračunane po standardnem barometričnem pritisku 1013 hPa. Odstopanje 1 hPa od povprečja lahko povzroči razliko v višini morja za 1 cm. Nizek pritisk bo povzročil zvišanje nivoja gladine, visok pa upad gladine. Ta fenomen imenujemo inverzni barometrični efekt (inverted barometer effect). Torej, kombinacija vetra, inverznega barometričnega pritiska in nevihte lahko povzroči izrazit dvig morske gladine, kar pogosto imenujejo tudi nevihtni val (storm surge). Ko se višina morja dvigne in se voda iz celotnega Jadrana nariva proti severu, to zajezi ustja rek, ki se tu izlivajo vanj. Posledica tega je, da rečna voda ne more odtekati in se zato dvigne višina rek, ki nato poplavijo določeno območje blizu izliva. Poplavni območji morja in rek se s tem združita, kar pomeni, da pride do večjih poplav z večjim poplavnim območjem.59

Amplituda plimovanja je po svetu zelo različna, od nekaj centimetrov do prek 20 metrov. Povprečna dnevna amplituda v Kopru znaša okrog 60 centimetrov in se ob vplivu drugih dejavnikov lahko zelo poveča. Razlika med najvišjo in najnižjo gladino morja je v Kopru v letih 1955–1997 znašala 286 centimetrov.

Višino morske gladine lahko opišemo na dva načina. Določimo lahko višino nad ali pod srednjo obdobno vrednostjo. Srednji obdobni vrednosti pripišemo vrednost 0. Plime označimo s predznakom plus (+), oseke s predznakom minus (–). Določamo pa jo lahko tudi prek mareografske ničle (0) na

58 Sirocco (italijansko)

59 Pranjić, S. 2008. Dvig morske gladine in raba obalnega pasu, Koper

183 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju mareografski postaji v Kopru. Pri tem načinu imajo vse vrednosti pozitiven predznak (oziroma predznaka sploh ni), saj srednji obdobni vrednosti 0 ustreza višina 215 cm.

Morje na slovenski obali poplavi najnižje ležeče predele, ko gladina vode za 85 cm preseže srednjo obdobno vrednost oziroma je višina na vodomerni letvi z mareografsko ničlo 300 cm. Povprečna vrednost plime med letoma 1958 in 1990 je znašala 248 cm na vodomerni letvi z mareografsko ničlo, oziroma 33 cm nad srednjo obdobno vrednostjo, povprečna vrednost oseke za isto obdobje pa 182 cm na vodomerni letvi ali –33 cm pod srednjo obdobno vrednostjo. Povprečna amplituda v tem obdobju je torej znašala 66 cm. Najvišja izmerjena gladina vode je bila leta 1969, v višini 394 cm ali 179 cm nad srednjo obdobno vrednostjo (Mareograf v Kopru 1969).60

Morska obala v Mestni občini Koper meri 17,6 km, pri čemer povprečna globina priobalnega morja znaša 17 m. Glavni morski tok poteka vzdolž celotne obale v smeri od JZ proti SV. Čeprav morje s svojimi vplivi sega globoko v notranjost, pa so le ti preko plimovanja in valov, najbolj izraženi ob obalnem robu. Valovi, ki nastajajo kot posledica možnih vetrov (burja, jugo, maestral), dosežejo maksimalno višino do 3,5 m in dolžino do 10 m.

Na območju Mestne občine Koper so poplave možne predvsem spomladi in jeseni ob dolgotrajnem deževju. Možnosti poplav glede na vir ogrožanja in možnihv vzroko nastanka nesreče:

‐ hudourniške vode se pojavljajo ob možnih nalivih, ko se velike količine meteorne vode zlijejo po strmih neporaslih pobočjih hribov v doline. Pri tem prenašajo velike količine erozijskega materiala, ki ga odlagajo v nižjih legah. Kritične razmere nastopijo, ko na obravnavano območje pade več kot 50 mm dežja v času do dveh ur; ‐ ob daljših deževnih obdobjih, zlasti spomladi in jeseni, pride v rekah do visokega vodostaja, ki povzroči prestopanje bregov oziroma nasipov ter poplavljanje ravnic ob izlivih rek; ‐ visoke plime, ki povzročajo poplave morja, se pojavljajo dokaj redno spomladi in jeseni. Glede pogostosti pojavljanja jih ločimo na vsakoletne, ki so manj obsežne in izjemne ali stoletne, katerih obseg je precej večji in pomenijo veliko večjo nevarnost; ‐ ko se nivo morja dvigne in se voda iz celega Jadrana nariva proti severu, to lahko zajezi ustja rek, v tem primeru Badaševice in Rižane, ki se tu izlivajo, kar povzroči, da rečna voda ne more odtekati in se zato zviša nivo rek, ki nato poplavijo določeno območje blizu izliva. Splošni opis območja

Prek območja občine Koper se pretakajo trije pomembnejši vodotoki: Rižana s pritoki, Badaševica s pritoki ter na južnem obrobju občine gornji del Dragonje s pritoki. Vsi trije pritoki imajo izrazito hudourniški značaj. Posebno za prvi dve reki je značilno, da tečeta po relativno kratkih ozkih dolinah, z izrazito hudourniškimi pritoki, ki ob močnih nalivih hitro narastejo ter z obilico vode prinesejo v glavno strugo tudi mnogo drugega materiala. Za Rižano in Badaševico je značilno, da so posebno ob izlivu in deloma tudi v spodnjem toku, prisotni močni vplivi plimovanja morja.

60 Pranjić, S. 2008. Dvig morske gladine in raba obalnega pasu, Koper

184 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 98: Posneto območje Luke Koper.

V poročilu imamo posnete podatke z LIDAR sistemom le za območje Luke Koper, na tem območju pa se v morje izliva reka Rižana, zato podajamo opis hidroloških značilnosti le za to območje (Slika 98).

Rižana je izrazit hudournik, ki se v morje izliva severovzhodno od Kopra. Njena dolžina znaša 14,3 km. Ekstremne količine pretoka znašajo največ do cca 163 m3/sekundo, medtem ko biološki minimum znaša cca 200 l/sekundo. Poplavne površine ob Rižani obsegajo cca 3 ha urbanih in blizu 17 ha ostalih površin. V primeru, da ob visoki plimi zaradi zajezbe ustja reke, odpove sistem prečrpavanja notranjih voda, obsega poplavno območje na Ankaranski bonifiki blizu 260 ha pretežno kmetijskih površin. Depresijska območja so ogrožena predvsem s strani morja. Voda na Koprsko bonifiko vdira mimo zaščitnega nasipa na Semedelski cesti in nezaščitene južne obale mesta Koper. Pri tem je ogroženo tudi obravnavano območje Luke Koper, kjer bi se voda razlivala skoraj do Srmina, kar pomeni, da bi pod vodo bilo skoraj celotno območje Luke Koper (Slika 100).61

61 Harpha Sea d.o.o., 2007, Revizija ocene ogroženosti pred poplavami v Mestni občini Koper, Koper

185 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 99: Izliv reke Rižane v Luki Koper ob bencinskem terminalu.

(vir: http://www.geocities.com/sznslovenije/sipina4.jpg)

Slika 100: Poplavna območja vsakoletnih in izjemnih poplav morja na območju Mestne občine Koper. (vir: Harpha sea d.o.o., 2007 Koper)

186 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 101: Območje Luke Koper.

(vir: http://www.luka‐kp.si/slo/interaktivni‐zemljevid?L=2)

Referenčna merilna postaja

Referenčna postaja za opazovanje višine morja je mareografska postaja v Kopru. S svojim delovanjem je pričela v letu 1958, leta 1994 pa so se pojavili prvi predlogi za prenovo postaje. Prenovljena postaja v Kopru je začela testno delovati novembra 2005 (Slika 102). Na postaji potekajo neprekinjene meritve različnih hidroloških, geodetskih in meteoroloških veličin (višino in temperaturo morja, natančen položaj postaje, zračni pritisk, veter idr). Višine morja se merijo sočasno z instrumentom na plovec ter dvema radarskima merilnikoma, od katerih je eden nameščen izven objekta, drugi pa v objektu. V novo zgrajenem objektu, ki je temeljen s piloti v trdno podlago 10 m pod morskim dnom se z neprekinjenimi GPS meritvami spremlja vertikalno stabilnost merilnih instrumentov za višine morja z istim velikostnim redom meritev kot je ocenjeni trend naraščanja višin morja (1 mm/leto). Tehnologija meritev omogoča neprekinjeno ločevanje zemeljskih oz. tektonskih pomikov od sprememb višin morja. Višinska stabilnost se v sodelovanju z GURS spremlja tudi z občasnimi meritvami absolutne gravimetrije na bližnji lokaciji Socerb ter z nivelmansko navezavo na primarno nacionalno višinsko točko v Kopru. Postaja je navezana na zemeljski geoid in elipsoid ter je primerna za umerjanje meritev satelitske altimetrije. Meteorološke veličine skupaj s podatki z oceanografske boje v Piranu omogočajo analitičen pristop k obravnavi podatkov višin morja.62

62 ARSO, 2005, EU FP5 ESEAS‐RI Razvoj infrastrukture evropske službe za višino morja, Ljubljana

187 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 102: Nadgrajena mareografska postaja Koper. (vir: ARSO 2005)

Hidravlični izračun in poplavni scenariji

Na območju Luke Koper se ni izvajal hidravličnih izračun (niti ne za vodotoke, ki se stekajo v morje niti ne za samo morje). Izvedli pa smo scenarije v primeru enakomernega dviga gladine (tako morja kot pritokov). Predpostavili smo, da je gladina morja na koti 0 in smo označili točke posnetega terena, ki so manjše od 1m, 1,25 m, 1.5 m, 1.75 m in 2 m. Opazovali smo poligone označenih točk in gledali, kje so poligoni točk sklenjeni (imajo stik z morjem oziroma pritoki). Tako smo dobili šibke točke poplavljanja. Lahko smo ugotovili, da so šibke točke na območju nasipov pritokov, kjer voda začne najprej poplavljati (predvsem reke Rižane). Hkrati pa smo tudi ugotovili, da so nasipi zelo slabo zajeti s prostorskimi točkami (imamo 2 metrski grid) in ravno na tem mestu najprej pride do poplavljanja. Tako bi bilo potrebno za nadaljno hidravlično analizo najprej zgostiti mrežo prostorskih točk (vsaj na območju nasipov).

188 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 103: Slab zajem nasipov s prostorskimi podatki

Kljub temu lahko iz rezultatov razberemo, da v primeru dviga gladina za 0.5 m (torej na absolutno koto 0.5 m), poplavljanja še ne bi bilo, če bi se gladina dvignila za en meter, je iz rezultatov razvidno, da bi poplavil Škocjanski zatok, v primeru dviga gladine za 1.5 bi Škocjanski zatok eše močnej poplavil, poplavljeni bi bili tudi najbolj obalni predeli, poplavljati pa bi začela tudi Rižana (na določenih mestih bi prelilo nasip – preredka mreža prostorskih podatkov), če pa se vodna gladina dvigne za dva metra, pa bi poleg še večjega poplavljanja Rižane, Škocjanskega zatoka in kanala, bilo neposredno poplavljeno tudi območje Luke Koper.

189 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 104: Poplave pri dvigu gladine za 0.5 m – poplavljanja ni

Slika 105: Poplave pri dvigu gladine za 1 m – poplavlja Škocjanski zatok

190 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 106: Poplave pri dvigu gladine za 1.5 m – poplavlja Škocjanski zatok, Rižana, poplavljeni so najbolj obalni deli

Slika 107: Poplave pri dvigu gladine za 2 m – poplavlja Škocjanski zatok, Rižana, poplavljeni so najbolj obalni deli in Luka Koper

191 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.8 Vipava (Dornberk­Miren) Splošni opis območja

Reka Vipava izvira v kraju Vipava in je dolga okrog 44 km. Teče po desnem robu Vipavske doline, ob južnem robu Goriškega polja in pod severnim robom Krasa ter se v bližini naselja Sovodnje v Italiji kot levi pritok izliva v Sočo. Njeno porečje obsega okrog 600 km². Posneto območje (glej Slika 108) obsega približno 20 km odsek od jeklenega železniškega mostu pri Privačini pa vse do meje z Italijo (Miren). Območje je bilo posneto s prostorskimi točkami, ki so v pravilni mreži (metrski grid). Širina snemalnega pasu pa znaša približno 1200 metrov.

Slika 108: Posneto območje reke Vipave

Referenčna merilna postaja

Vodomerni postaji Dornberk in Miren I sta predstavljali glavni vodmerni postaji. Na podlagi meritev na teh dveh postajah so bili izvrednoteni pretoki Qsr, Q1leto, Q5let, Q50let, Q100let, Q1000let (Vodnogospodarske osnove, 197863). Ker gre za daljši odsek in ker se kot desni pritok reke Vipave pred Renčami vanjo steka potok Lijak, ki poveča pretok Vipave v spodnjem delu, smo v spodnjem delu obravnavanega odseka upoštevali drugačen, višji, pretok kot pa za isto povratno dobo v zgornjem delu. Razliko v pretokih, za določeno povratno dobo med zgornjim in spodnjim delom, smo dobili iz Vodnogospodarskih osnov iz leta 1978. Tako je bila izvedena simulacija za pretoke Q5let (235 in 296 m3/s), Q50let (285 in 369 m3/s), Q100let (296 in 386 m3/s), Q1000let (336 in 422). Podatki o pretokih so res 8iz leta 197 vendar smo pretoke primerjali s pretoki, ki so bili izmerjeni na istih dveh postajah leta 2004 (Hidrološki letopis Slovenije 200464) in je bil najvišje izmerjen pretok leta 2004 207 m3/s, ekstrem pa je bil tako ali tako izmerjen leta 1974 in je znašal 289 m3/s. Tako lahko vidimo, da so uporabljeni pretoki ustrezni.

Hidravlični izračun

63 http://193.2.92.57/vodinfr/vodnaknjigacontent.aspx, 1978

64 ARSO, Hidrološki letopis Slovenije 2004, Ljubljana 2007

192 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Tudi pri reki Vipavi smo izvedli 1D hidravlični izračun s programskim paketom HEC‐RAS. Vhodni podatki so bili sicer zelo dobri (grid na en meter, snemanje v času redke vegetacije) vendar je tudi reka Vipava prevelika in ima preveliko jezov, da bi izvedli hidravlični izračun brez korekcije dna vodotoka (naredili bi preveliko napako). Korekcijo smo morali izvesti zaradi enakih razlogov kot pri reki Muri. Tako smo na podlagi vzdolžnega prereza iz Vodnogospodarskih osnov v hidravličnem modelu popravili koto dna v vseh prečnih profilih obravnavanega odseka in s tem zajeli lokacijo in geometrijo jezov ter dobili pravilnejšo dno. Manningovega koeficienta hrapavosti nismo umerjali ampak smo ga določili glede na orto‐foto posnetke in meandriranje ter je v splošnem za glavno strugo znašal 0.03 za poplavne ravnice pa 0.04. Na območjih kjer je meandriranje reke največje (dva območja) pa smo koeficient hrapavosti povečali in je za celotno območje znašal 0.075. V hidravličnem izračunu smo upoštevali tudi geometrijo mostov in lokacijo nasipov. Računali smo mirni tok kjer smo za spodnji robni pogoj vzeli normalno globino s pripadajočim padcem 0.07 % (povprečni padec spodnjega dela obravnavanega območja).

Poplavni scenariji

Glede na vizualizirane poplavne površine lahko ugotovimo, da je območje okoli Renč in Bukovice delno poplavno ogroženo (pretoki, ki so večji od pretokov s 50 letno povratno dobo). Ostala območja glede na izračunane poplavne linije niso ogrožena.

Slika 109: 3D vizualizacija poplave Vipave pri pretoku s 100 letno povratno dobo

193 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 110: 3D vizualizacija poplave Vipave pri pretoku s 1000 letno povratno dobo

194 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

,

ti

od

nos

ter d (let)

x y PRETOK enake positive

vre vrednosti, spodnjega .tiff

positive pretoka] postaja D

postaja) ali ‐ doba ID in vse HO od (avtomatska N (avtomatska [ ODSEKA [vse

ODSEKA je VODOTOKA pretoka] ‐ WH.grd)) ‐ komnetar centroid VODOTOKA centroid ) ID s IME ((relative

ID AMP več AMP merilna manjše IME

merilna absolute WH.grd Povratna spodnjega ^3/ ID so so MAKSIMALNI FILE IME m ki (m^3/s) ki (

1 ‐99 Vipava ‐99 Dornberk ‐ Miren 0 296 Miren I ‐99 5 3D_flood/Vipava_cel_1D/0‐296 1D

2 ‐99 Vipava ‐99 Dornberk ‐ Miren 296 369 Miren I ‐99 50 3D_flood/Vipava_cel_1D/296‐369 1D

3 ‐99 Vipava ‐99 Dornberk ‐ Miren 369 386 Miren I ‐99 100 3D_flood/Vipava_cel_1D/369‐386 1D

4 ‐99 Vipava ‐99 Dornberk ‐ Miren 386 422 Miren I ‐99 1000 3D_flood/Vipava_cel_1D/386‐422 1D

Tabela 10: Pregledna tabela za posnet odsek Vipave

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.9 Druga območja in integracija podatkov AC Draženci – Gruškovje

Takoimenovani "podravski avtocestni krak", ki bo imel oznako A4, se bo navezal na avtocestno omrežje v razcepu Slivnica in se bo tako vključil v t.i. "pyhrnsko" smer, ki skozi Slovenijo poteka od meje z Avstrijo pri Šentilju, preko Pesnice in Slivnice do Gruškovja na meji s Hrvaško (Slika 111). Prvi del dravskega avtocestnega kraka, Slivnica ‐ Draženci (prej "Fram ‐ Hajdina"), je vključen v osnovni del NPIA, odsek od Dražencev do Gruškovja pa v t.i. "dodatni program" NPIA.

Slika 111: Posneto območje Draženci‐Gruškovlje

Uredbo o državnem lokacijskem načrtu za avtocesto na odseku Slivnica ‐ Draženci je Vlada Republike Slovenije sprejela julija 2005. Avtocesta je načrtovana kot štiripasovnica z odstavnimi pasovi in vmesnim ločilnim pasom s prečnim profilom 26,2 m.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Horizontalni potek: Avtocestni odsek se začne v razcepu Slivnica na mestu križanja z avtocesto A1 Šentilj ‐ Koper. V nadaljevanju poteka v premi med dvema 110 kV daljnovodoma južno od letališča proti zaselku Hotinjska Agrarna. Za Hotinjsko Agrarno trasa zavije proti vzhodu in poteka približno 150 m južneje od zadnjih signalnih naprav letališča Maribor, preko območja doma Lovske družine Rače in območja gramoznice Rače oddaljena približno 90 m od zaselka Dravski Dvor. Na severni strani naselja Marjeta na Dravskem polju se trasa avtoceste obrne proti jugu in se približa nad zaselkom Prepolje s premo kanalu SD‐1. Oddaljenost pete nasipa kanala SD‐1 od roba avtoceste znaša minimalno 15 m. Za Prepoljem poteka trasa avtoceste v isti smeri proti jugu med naseljema Gerečja vas in Kungota pri Ptuju, kjer se trasa obrne proti jugovzhodu pod naselje Hajdina in v nadaljevanju prečka železniško progo ter se na koncu v km 19+850 vklopi s košarasto krivino v obstoječo traso glavne ceste GI‐9 vzhodno od Dražencev.

Vertikalni potek: Avtocesta se začne v obstoječem razcepu Slivnica, kjer se trasa kraka A nadaljuje v traso avtoceste. Km 0+000 je na sečišču z obstoječo avtocesto A1 Šentilj – Koper. Krak A se iz obstoječe avtoceste dvigne z vzdolžnim vzponom nad obstoječo rampo iz smeri Ljubljane v Maribor, nad njo se obrne in spusti z vzdolžnim padcem proti obstoječi rampi iz smeri Maribora v Ljubljano, kjer se zopet vzpne nad avtocesto in rampo iz smeri Ljubljane v Maribor in rampo iz smeri Maribor v Šentilj, na vrhu obrne in spusti proti železnici. Za železniško progo trasa sledi konfiguraciji obstoječega terena. Niveleta pada mimo letališča proti Rački gramoznici in se v Marješki hosti spusti na nižjo teraso pod Marjeto na Dravskem polju. Terasi sledi terenu mimo Prepolja. Pred Zlatoliško hosto se prične niveleta trase avtoceste zniževati oziroma vkopavati proti Gerečji vasi in Kungoti pri Ptuju mimo gramoznice ob GI‐2 v Njivercah, kjer se dviga proti železniški progi južno od Hajdine. Železniško progo prečka z viaduktom ter se v nadaljevanju spusti proti gramoznici v Dražencih, kjer se niveleta avtoceste naveže na naslednji odsek avtoceste med Draženci in Gruškovjem.

Vertikalni in horizontalni elementi avtoceste so določeni na podlagi računske hitrosti 120 km/h. Naj¬manjši polmer horizontalnih krivin je 1500 m, najmanjši podolžni nagib je 0,10%, največji podolžni nagib je 2.0%. Najmanjši polmer konveksnih vertikalnih krivin je 13333 m. Maksimalni prečni sklon je 3.5%.

Projektirani normalni prečni profil znaša 26,20 m, in sicer dva vozna pasova širine 3,75 m, dva prehitevalna pasova širine 3,75 m, dva robna pasova širine 0,50 m, dva odstavna pasova širine 2,50 m, ločilni pas širine 2 × 1,60 m in dve bankini širine 1 m.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 112: Skica avtocestnega odseka Slivnica ‐ Draženci. (vir: Dars 2007)

AC Jeprca – Stanežiče

Stanežiče so razpotegnjeno urbanizirano naselje v mestni občini Ljubljana. Ležijo na zahodnem robu Ljubljanskega polja, severozahodno od Šentvida, ob vznožju Stanežiškega hriba (465 m), ki je severovzhodni obronek Polhograjskega hribovja. V naselje vodi cesta, ki se odcepi od glavne ceste Šentvid ‐ Medvode. Dostop je mogoč tudi po krajevnih cestah iz Medna ali iz Dvora. Staro jedro naselja je ob cesti proti Dvoru. Vzhodno od jedra je velika gramoznica. Z bližnjega gričevja odteka v reko Savo več majhnih potokov.

Osnovni cilj navezovalne ceste Jeprca–Stanežiče je zagotoviti ustrezno povezavo Jeprce s severozahodnim delom Ljubljane tako, da bo nova cesta istočasno reševala tudi problem obvoznice oziroma prometa skozi Medvode.V študiji prometnih povezav širšega območja severozahodno od Ljubljane je bilo namreč ugotovljeno, da je prometno grlo severozahodnega dela Ljubljane dokaj utesnjeno, zato bi navezovalna cesta Jeprca – Stanežiče dolgoročno zagotovila ustrezno pretočnost prometa.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 113: Posneto območje Jeprca‐Stanežiče

AC Malence

Potok Malence izvira v naselju Lužarji v občini Velike Lašče, ki se nahaja v Osrednjeslovenski regiji na Dolenjskem. Vpliv visokih voda Malence ter Požarja je viden tudi v Ljubljani, saj visoke vode teh dveh potokov ogrožajo del industrijske cone Rudnik v Ljubljani. Negativne učinke ureditve odvodnjea potok Malenca bo potrebno odpraviti z zadrževanjem voda v enem ali več suhih zadrževalnikih. Problem bo tudi pri ureditvi naveze AC Malence‐Grosuplje, kjer bo potrebno za boljšo odtočnost voda iz območja industrijske cone izvesti nov prepust pod AC, saj je obstoječi premajhen.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 114: Posneto območje Malenci

Grosupeljščica

Občina Grosuplje se pri Škofljici dotika jugovzhodnega roba Ljubljanskega barja, pri Smrjenih gleda v Želimeljsko dolino, se za Škocjanom stika s turjaškim ozemljem, na Limberku in Starem gradu nad Čušperkom meji na Dobrepoljsko dolino, na Ilovi gori pa se že začenja obširno območje Suhe krajine. Na vzhodnem delu (Luče, Mala Loka) meji na občino Ivančna gorica, na severu (Troščine, Gorenja vas, Dole) pa na Ljubljano.

Skozi Grosuplje teče potok Grosupeljščica, ki ima od leta 1963 regulirano strugo. Potok priteče iz severnega obrobja Grosupeljske kotline in večkrat zamenja svoje ime: Veliki potok, Stari breg, Grosupeljščica in Dobravka.

Grosupeljščica je bila na območju Grosuplja skozi naseljeni del pred leti že regulirana. Takrat je bila urejena na Q = 10 m3/s, kar je tudi obstoječa prevodnost in je manj kot 10‐letna voda. Tako so na obravnavanem območju prisotne pogoste poplave.

Brežine struge so močno porasle, kar še dodatno zmanjšuje prevodnost struge.

Velik problem povzročajo tudi premajhni prepusti (razen nov most pod Adamičevo cesto), ki zajezujejo visoke vode Grosupeljščice. Skoraj na celotnem odseku med AC in železniško progo je območje pozidano skoraj do struge. Na nekaterih še ne pozidanih območjih pa je že sprejet občinski plan za pozidavo, tako da je potrebno tudi to območje varovati pred visokimi vodami. S pozidavo območja je močno zmanjšano poplavno področje, kar tudi poslabšuje obstoječe razmere.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Tako je ogroženo pred visokimi vodami praktično celotno obravnavano območje skozi Grosuplje, razen del pozidave na desnem bregu (dolvodno od Ceste ob Grosupeljščici), saj je zgrajeno na dvignjenem terenu. S tem pa je tudi bolj ogroženo naselje nasproti le tega na levem bregu.

Poleg predvidene pozidave (stanovanjska območja, industrijska cona gorvodno od železniške proge na desnem bregu, …) je predvidena tudi izgradnja ceste, ki je povezava Adamičeve ceste in Gasilske ceste.

Velik problem povzročajo tudi premajhni prepusti (razen nov most pod Adamičevo cesto), ki zajezujejo visoke vode Grosupeljščice. Skoraj na celotnem odseku med AC in železniško progo je območje pozidano skoraj do struge. Na nekaterih še ne pozidanih območjih pa je že sprejet občinski plan za pozidavo, tako da je potrebno tudi to območje varovati pred visokimi vodami. S pozidavo območja je močno zmanjšano poplavno področje, kar tudi poslabšuje obstoječe razmere.

4.10 Koncept vzdrževanja podatkov in vodenje evidence vodne infrastrukture Hkrati z razvojem projekta za vzpostavitev začetnega stanja vizualizacije poplavnih območij se zavedamo tudi dejstva, da bo navedeni sistem potrebno tudi vzdrževati, zlasti z vidika postopkov, ki so potrebni za osveževanje podatkov o objektih in pojavih, ki so zajeti v podatkovni sistem. Poleg tega bo potrebno osveževati tudi podatke o hidravliki poplavnih območij, saj se bodo ob spremembi ključnih objektov (zlasti vodnogospodarske infrastrukture), spremenile tudi hidravlične karakteristike poplavljanja na poplavnem območju.

Za potrebe vzdrževanja se tako predvideva v osnovi dvostopenjsko vzdrževanje:

‐ vzdrževanje sprememb objektov v poplavnem območju in ‐ vzdrževanje hidravličnih modelov poplavnega območje. Ob tem ne gre prezreti dejstva, da se vzdrževanje sprememb objektov v poplavnem območju lahko izvaja dokaj aktivno ob vsakokratni spremembi objekta, na primer v evidenci objektov vodne infrastrukture ali katastru stavb. Hidravlični modeli pa morajo biti po drugi strani del obsežnejšega periodičnega vzdrževanja, saj zahtevnosti njihove izdelave presega okvire rednega vzdrževanja podatkov v modelu.

V okviru naloge se navezujemo še na nekatere specifične podatkovne vire, med njimi so nekateri še v oblikovanju. Pri tem bo imel pomembno vlogo zbirni kataster gospodarske javne infrastrukture s katerim smo vzpostavili stik in predstavlja pomemben podatkovni vir za podatke (predvsem 2D lokacijski podatki) o objektih gospodarske javne infrastrukture (ceste, železnice, telekomunikacijska infrastrukture, vodovodni sistemi, kanalizacijski sistemi idr.).

V okviru naloge se tesno opiramo tudi na katalog vodnogospodarskih objektov in pojavov, saj logična struktura, ki je opredeljena v tem katalogu omogoča enotno klasifikacijo vodnogospodarskih objektov, ki jih je potrebno zajeti v vizualizacijsko orodje ne glede na to ali so to objekti vodne infrastrukture ali pa drugi objekti vezani na urejanje in rabo voda – cestne vodogradnje, hidromelioracijski sistemi idr.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

4.11 Potreba po določitvi in obdelavi novih obmoćij Poplave in povodnji so eden izmed prevladujočih naravnogeografskih preoblikovalcev pokrajine v ravninsko‐nižinskih predelih. So naravni dejavnik, ki ob različni tehnološki razvitosti tudi neposredno vplivajo na namembnost prostora in izrabo tal. Poplave ne nastopijo trenutno (razen, če gre za porušitev vodnega jezu, ki pa ga ta načrt ne obravnava) in tako niso popolno presenečenje ter jih lahko obravnavamo kot postopne naravne pojave. V primeru poplav je praviloma še dovolj časa za rešitev življenj, večja neposredna ogroženost pa nastane ob izbruhih hudournikov, ki lahko nastopijo v obliki blatnih ali murastih tokov. Pri porušitvi objektov, zgrajenih za zaščito pred poplavami, pa lahko pride do trenutnega pojava poplavnega vala in človeških žrtev.65

Kot je razvidno iz poglavja 2.2.5., smo na podlagi kriterijev nevarnosti poplav in ranljivosti poplavnih območij določili meje poplavnih območij, za katere smo nato zbrali potrebne prostorske podatke s sistemom LIDAR. Vendar ta območja niti približno ne zajamejo vseh poplav v Sloveniji. Že hiter pogled na poplavno karto Slovenije na pove, da bi bilo potrebno pridobiti še mnogo več podatkov, vsaj za tista območja kjer je pogostost poplav velika.

Potrebna bi bila natančna presoja vplivov nevarnosti in tveganja ob pojavu poplav, pri čemer bi se, za potrebe pravilnega ukrepanja, morali upoštevati medsebojni vplivi vseh dejavnikov. Optimalni rezultati bi se pridobili ob dosegu minimalne ranljivosti območja in čim večji omejitvi obsega škode (Slika 115).

Za določanje stopnje tveganja je potrebno nevarnost prepoznati oziroma pravilno določiti njen obseg in verjetnost nastopa. Pri tem se lahko opremo na obstoječo dokumentacijo, ki govori o dogodkih v preteklosti in sedanjosti (kataster dogodkov); na terenske analize (odkrivanje “nemih” prič, karte nevarnih pojavov) in na vodarske in inženirsko‐geološke ocene. Po prepoznavanju nevarnosti je na vrsti ocena le te; torej določitev škode, ki jo nastopajoča nevarnost lahko povzroči. Na tej stopnji ravno tako uporabimo obstoječo dokumentacijo, in sicer karte nevarnosti (tako opozorilne kot karte območij v ustreznem merilu). Kriterija za določitev nevarnosti sta dva, in sicer globina nevarnosti in impulz (Slika 1162). Nevarnost tako razdelimo v štiri razrede: razrede velike, srednje, majhne in preostale nevarnosti. Podobno je pri razredih ranljivosti, kjer poznamo zelo majhen, majhen, srednji in velik razred ranljivosti. Način določanja razredov ranljivosti je podan v Tabela 11. Na podlagi presoje medsebojnih vplivov se zrišejo karte poplavne ogroženosti za posamezno območje (Slika 117).

65 URSZR 2005, Načrt zaščite in reševanja ob poplavah, Ljubljana

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 115: Medsebojni vplivi nevarnosti in škode poplav določajo stopnjo tveganja. Na podlagi tveganja se sprejemajo odločitve o ukrepih, ki se izvedejo na prizadetem območju.

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

RAZRED ELEMENTI TVEGANJA

zelo majhna → gostota poselitve: 10 prebivalcev / km2 ranljivost → zelo majhni gospodarski ali negospodarski objekti lokalnega pomena → ranljive zgradbe

→ gostota poselitve: od 11 do 100 prebivalcev / km2 → majhni gospodarski ali negospodarski objekti lokalnega pomena majhna → ranljive zgradbe ranljivost → kulturna dediščina lokalnega pomena → območja, ki po pravilniku o izkoriščanju voda, pri obravnavanju zahtevajo posebno pozornost (vodovarstvena območja inp.)

→ gostota poselitve: od 101 do 300 prebivalcev / km2 → gospodarski ali negospodarski objekti občinskega pomena (pomembni za celotno skupnost) srednja → ranljive zgradbe ranljivost → obrati in naprave zaradi katerih bi lahko prišlo do onesnaženja → območja, ki po pravilniku o izkoriščanju voda, pri obravnavanju zahtevajo posebno pozornost (vodovarstvena območja inp.) → kulturna dediščina regionalnega pomena

→ gostota poselitve: več kot 500 prebivalcev / km2 → gospodarski ali negospodarski objekti nacionalnega pomena → obrati in naprave zaradi katerih bi lahko prišlo do onesnaženja velikih, velika razsežnosti, še posebej na območjih z gostoto poselitve od 101 do ranljivost 500 prebivalcev / km2 ali na območjih, ki po pravilniku o izkoriščanju voda, pri obravnavanju zahtevajo posebno pozornost (vodovarstvena območja inp.) → kulturna dediščina nacionalnega pomena (ali na svetovni ravni) → ranljive zgradbe

Tabela 11: Kriteriji za določanje ranljivosti območja.

Na Slovenskem poplave ogrožajo več kot 300 000 ha površin. Največ površinskih vodotokov je v Podravju (1,88 km/km2), najmanj pa v slovenskem delu porečja Kolpe (0,53 km/km2).

Šifra projekta: M2‐0135

Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 116: Kriterij za določanje razreda ogroženosti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)

Slika 117: Karta poplavne ogroženosti, ki prikazuje notranja območja nevarnosti in ranljivost območij. (vir: MOP 2007, Zmanjšanje poplavne in z njo povezane erozijske ogroženosti, Ljubljana)

205 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

V Sloveniji imamo pet vodnih območij: 1. Vodno območje Mure: mejna Mura na odseku, ki meji z Avstrijo, skupaj s pritokom Kučnica notranja Mura: od Kučnice do meje z Madžarsko Ledava s Krko na območju Slovenije in s Kobiljskim potokom Ščavnica 2. Vodno območje: Drave Drava 1: od državne meje pri Viču do jezu v Melju (Maribor) Drava 2: od jezu v Melju do meje s Hrvaško pod Središčem Pesnica Meža z Mislinjo Polskava Dravinja 3. Vodno območje Save: Sava Dolinka Sava Bohinjka Sava 1: od Radovljice do Medvod Sava 2: od Medvod do Zidanega mosta Sava 3: od Zidanega mosta do Bregane Tržiška Bistrica Kokra Kamniška Bistrica Savinja Paka Voglajna Sotla Sora Ljubljanica Pivka Temenica Mirna Krka Kolpa 4. Vodno območje Soče: Soča, pritoki Koritnica, Učeja, Nadiža, Reka, Idrija Bača Idrijca Vipava 5. Vodno območje obalnega morja s pritoki: Reka (Notranjska) pritoki Jadranskega morja (Dragonja, Badaševica, Rižana, Osapska Reka) in drugi neposredni pritoki Jadranskega morja obalno morje

206 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Najobsežnejša poplavna območja so v nižinsko‐ravninskih predelih severovzhodne in subpanonske Slovenije, v predalpskih dolinah in kotlinah, ki odmakajo Šavrinsko gričevje in hribovje ter na ravnicah ob Ledavi, Muri in Ščavnici. Drava pod Mariborom je obdana s prostranim poplavnim svetom, tudi vsi njeni pritoki na široko preplavljajo kmetijske površine (Pesnica, Polskava, Dravinja). Vzhodna in osrednja Dolenjska z Belo krajino ima več manjših poplavnih predelov ob Kolpi, Krki, Temenici, Mirni in ob njihovih pritokih. Ljubljansko barje, ki je na meji med alpskim in dinarskim gorskim sistemom, pa je najobsežnejše poplavno območje. Več kot polovica (54 %) vsega poplavnega sveta je v porečju Save, ki mu pripada 58 % ozemlja države. V porečju Drave je 42 % poplavnih površin, v porečju Soče in pritokov pa 4 %.66 Število ogroženih prebivalcev na teh območjih prikazuje Slika 118.

Slika 118: Število ogroženih prebivalcev na območjih poplav različne pogostoti. (vir: Steinman, F. 2008, Sistem varstva pred škodljivim delovanjem voda in orodja za modeliranje poplavne nevarnosti, Ljubljana)

66 URSZR 2005, Načrt zaščite in reševanja ob poplavah, Ljubljana

207 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 119: Osem obdelanih območij: Mali graben [1], Drava [2], Mura [3], Kokra [4], reka Reka [5], Sava – Krško [6], obalni pas – Koper [7], Vipava (Dornberk ‐ Miren) [8], pod ostala območja pa smo uvrstili še nekaj območij: AC Draženci, AC Stanežiče, AC Malence in Grosupeljščico [vsa območja obkrožena z rdečo barvo].

Upoštevajoč te podatke in principe določanja poplavne ogroženosti smo predvideli dodatna območja (poleg že obdelanih – Slika 119), za katera bi bilo potrebno pridobiti ustrezne prostorske podatke. Na petih vodnih območjih v Sloveniji smo v dveh izbrali nekaj rek, ki bi bile zanimive za nadaljnjo obdelavo (Slika 120 do Slika 140). Poudarek je predvsem na največjem vodnem območju – območju Save:

1. Območje Mure: Ledava in Ščavnica.

2. Območje Save: Savinja, Voglajna , Sava (Čatež ob Savi), Dobova (sotočje Save in Krke), Krka (Kostanjevica na Krki, Laško), Mirna, Temenica, Žalec (sotočje Savinje in Bolske), Pšata (Komenda in Dragomelj), Dob pri Šentvidu, Višnjica, Sora (Medvode, Škofja Loka, Vodice), Selška Sora (Železniki).

208 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

1. Vodno območje Mure:

Slika 120: Ledava (Lendava).

Slika 121: Ščavnica (pri Ljutomeru).

209 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

2. Vodno območje Save:

Slika 122: Sotočje Voglajne in Savinje (Celje vzhod).

Slika 123: Celje zahod.

210 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 124: Sava (Čatež ob Savi, Brežice).

Slika 125: Dobova (sotočje Save in Krke).

211 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 126: Krka (Kostanjevica na Krki, Krško).

Slika 127: Marijagraški ovinek (Laško).

212 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 128: Mirna (Mokronog).

Slika 129: Temenica (Trebnje).

213 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 130: Žalec (sotočje Savinje in Bolske).

Slika 131: Pšata (Komenda).

214 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 132: Pšata (Dragomelj).

Slika 133: Dob pri Šentvidu.

215 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 134: Višnjica (Ivančna Gorica).

Slika 135: Sava (Medvode).

216 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 136: Sora (pod Škofjo Loko).

Slika 137: Sotočje Sore (Škofja Loka).

217 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 138: Selška Sora (Železniki).

Slika 139: Sora (Vodice).

218 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 140: Sotočje Ljubljanice, Save, Kamniške Bistrice in Pšate.

219 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

5 Ravnanje s prostorskimi objekti na področju poplavne varnosti

5.1 Upravljanje s podatki v različnih programskih orodjih Življenjski cikel vodnogospodarskih in tudi drugih infrastrukturnih objektov se začne z njihovo zasnovo, nadaljuje z izgradnjo, po izgradnji pa preide v obdobje vzdrževanja. Vsaka od omenjenih etap je lahko sestavljena še iz podrobnejših faz. Zasnova je tako v prvi fazi idejna, ki ji v primeru sprejetja sledijo druge faze, npr. načrtovanje za izvedbo. Ker je treba pri posegih v prostor upoštevati različne vidike načrtovanja, je potreben interdisciplinaren pristop. Tako znotraj posamezne faze sodeluje večje število strokovnjakov, ki pri svojem delu pa uporabljajo različne programske rešitve, ali pa celo več njih. Pri načrtovanju ureditev vodotokov pogosto uporabljamo posebno orodje za načrtovanje ukrepov in njihovo umestitev v prostor (npr. program AQUATERRA v okolju AutoCAD) in drugo programsko orodje za natančnejše hidravlične simulacije (npr. HEC‐RAS ali MIKE FLOOD).

Posamezna programska orodja so specializirana za reševanje določene problematike in zasnovana tako, da je mogomče č z nji im hitreje priti do čim boljšega rezultata. Zaradi specializiranosti pa običajno vsako orodje uporablja svoj format podatkov, kar lahko pomeni določeno oviro pri skupnem delu. Da bi bila komunikacija pri tovrstnem delu čim lažja, običajno uporabljamo centralno bazo podatkov, iz katere s pomočjo vmesnikov pripravimo za vsako aplikacijo zahtevane podatke v zahtevanem formatu.

V okviru projekta »Vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju« smo raziskali in obdelali možnosti prenosa podatkov iz orodij za načrtovanje v bazo, ki jo uporabljamo za vizualizacije.

Kot vir načrtovalskih podatkov smo glede na njegovo splošno razširjenost izbrali format risbe programa AutoCAD, pri čemer smo se zaradi 3D narave vizualizacij osredotočili na 3D objekte. Te lahko dobimo s pomočjo AutoCADove vertikalne nadgradnje, programa AutoCAD Civil 3D, oziroma katere druge aplikacije, ki temelji na navadnem AutoCADu. Podprli smo možnost izvoza dveh vrst tridimenzijskih objektov, in sicer:

‐ Osnovnih AutoCAD 3D gradnikov 3DFACE, ‐ površin (Surface), ki so naprednejši objekt AutoCADa Civil 3D.

5.2 Prenos objektov v skupno bazo Za prenos v bazo, ki jo uporabljamo za vizualizacije, smo izbrali vmesni format COLLADA. COLLADA (COLLAborative Design Activity) definira odprto standardno XML shemo za izmenjavo digitalnih vsebin med različnimi grafičnimi programi. Pri njegovem nastajanju in razvoju sodelujejo softwerski načrtovalci in inženirji iz mnogih podjetij. Njegov nastanek je spodbudila potreba po enotnem, odprtem formatu za omenjeno področje, saj razvijalci programske opreme izgubljajo znatno količino časa in sredstev za izdelavo formatov med različnimi binarnimi formati, ki so poleg tega pogosto lastniškega in ne odprtega značaja. Pomembnejši cilji uvedbe tega formata so:

‐ Zagotoviti neodvisnost podatkov od lastniških formatov, ‐ Zagotoviti standardni skupni format,

220 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ Doseči, da bi ga uporabljalo čim več uporabnikov, ‐ Zagotoviti preprost integracijski mehanizem, ki preko formata COLLADA omogoča dostop do vseh vrst podatkov ‐ Predstavljati osnovo za izmenjavo podatkov med 3D aplikacijami, ‐ Predstavljati osnovo za načrtovanje podatkovnih shem s strni različnih vrst uporabnikov. Ta format podpirajo uveljavljeni grafični programi, kot so npr. Maya, Studio Max 3D in Adobe Photoshop.

5.3 Delo s površinami z veliko točkami V nizkogradnji se vse bolj uveljavlja 3D pristop k načrtovanju linijskih objektov, ki omogoča, da načrtovane infrastrukturne objekte umestimo v prostor kot 3D objekte. Ta pristop obravnava objekt kot zvezno celoto, in ne le po posameznih profilih. Po drugi strani pa zahteva dovolj natančen opis obstoječe površine, ki predstavlja podlago, in s tem osnovni 3D objekt, za načrtovanje in vizualizacijo.

Predstavitev s pomočjo vizualizacije 3D modela je še posebej ugodna za komunikacijo med oziroma z uporabniki, ki niso načrtovalci. Tudi za izdelavo kakovostnih vizualizacij potrebujemo površine z dovolj visoko ločljivostjo.

Površine obstoječ ega terena sestavimo na podlagi posnetka višin, ki jih danes dobimo s pomočjo avtomatiziranih snemanj iz zraka. Horizontalne točke, v katerih so posnete višine, so običajno razporejene v pravilni mreži. Za dobro ponazoritev terena moramo razpolagati z mrežo točk, ki so med sabo čim manj odmaknjene. Toi vod v veliko število, ki jih rabimo za opis površine. Zaradi tega je število računskih operacij za obdelavo in vizualizacijo površine veliko in zahteva dosti procesorskega časa.

Temu se lahko izognemo s poenostavljanjem površine. Pri tem postopku izločamo točke, ki ne nosijo dodatne informacije o površini. Tako je možno iz ravnega območja izločiti vse točke razen točk na robu. V programu AutoCAD Civil 3D obstajata dve metodi za izločanje točk, in sicer odstranjevanje točk (Point removal) in krčenje robov (Edge contraction). Pri tem se površina sicer nekoliko spremeni, ob skrbni izbiri metode in obsega poenostavljanja pa je možno doseči ravnotežje med količino točk in izgubo kakovosti (napako). Ocena napak, ki pri tem nastanejo, v odvisnosti od obsega poenostavitve, je obdelana v poglavju Analiza napak pri poenostavljanju površin.

5.4 Izdelava površin objektov

5.4.1 Izdelava površin iz LIDARskih posnetkov V zadnjem času se vse bolj uporablja tehnologija LIDAR za zajem topografije terena. Rezultat je (običajno pravilna) mreža višinskih točk v resoluciji reda 1m. Površine ustvarimo s programom AutoCAD Civil 3D. V plavajočem oknu Toolspace na zavihku Prospector izdelamo novo površino z desnim klikom na Surfaces in iz plavajočega okna izberemo Create surface… . Površini dodelimo poljubno ime:

221 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Nato s kliki na + raztegnemo drevo površin in pod izbrano površino desno kliknemo pod Definition, Point files

222 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Iz plavajočega menija izberemo Add… in v spodnjem pogovornem oknu izberemo format datoteke iz padajočega seznama Format. S klikom na gumb + vnesemo datoteko s posnetimi Lidarskimi točkami.

Območje lahko omejimo vnaprej, tako da pod imenom površine in Definition>Boundaries dodamo rob (desni klik, izberemo Add …), ter iz padajočega seznama Type izberemo Data clip

Robove površine lahko dodajamo tudi naknadno, tako da iz padajočega seznama na zgornji sliki izberemo možnost Outer.

223 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

5.4.2 Izdelava površin iz posnetih profilov Pogosto nimamo na voljo informacij o vsej topografiji terena, pač pa le posnete profile vzdolž vodotoka, nasipa ali drugega linijskega objekta. Če želimo na podlagi teh podatkov ustvariti površino, moramo geometrijo profilov vnesti v prostor. Pogoj za to so znani položaji prečnih osi. Pri tem si lahko pomagamo npr. s programom AQUATERRA. V situacijski risbi moramo imeti izrisane prečne osi, kot je npr. prikazano na spodnji sliki:

Pripravimo datoteko s prečnimi profili v predpisani obliki. Sklop profilov (sekcijo) pričnemo z znakom #, ki mu v isti vrstici sledi ime sekcije. Nato sledijo podatki o profilih. Prva vrstica podatka o profilu vsebuje ime profila in stacionažo. Druga vrstica vsebuje referenčno višino in višino v osi. Referenčna višina je v tem primeru lahko poljubna. Nato sledijo koordinate profila (pari x z). Vnos koordinat zaključimo z znakom &. Primer je prikazana spodaj:

# PRIMER

P1 0+6.144

336.000 340.000

‐22.656 341.840

‐6.170 341.560

‐1.043 340.060

2.070 339.880

5.752 341.940

224 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

21.122 343.120

&

P2 0+40.605

336.000 339.966

‐19.477 341.580 P

‐3.967 341.620 P

‐0.812 339.960 P

1.695 339.980 P

2.358 341.660 P

18.975 342.360 P

&

P3 0+77.881

337.000 340.173

‐19.348 341.580 P

‐2.997 341.440 P

‐0.603 340.140 P

Nato iz menija AQUATERRA Osi izberemo Izpisi podatkov>Izračunaj točke na osnovi datoteke PRE. V risbi se na prečnih oseh pojavijo točke kot AutoCAD bloki (z atributi), iz katerih po postopku, opisanem v prejšnjem poglavju, ustvarimo površino. Bloke dodamo v definicijo površine pod Definition>Drawing Objects.

5.4.3 Obdelava površin – zmanjševanje števila točk V programu AutoCAD Civil 3D v oknu Toolspace na zavihku Prospector poiščemo površino, ki jo želimo poenostaviti. Pod Definition najdemo list Edits, desno kliknemo in iz plavajočega menija izberemo Simplify surface…

225 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Pod metodo izberemo Edge contraction (priporočeno v večini primerov). Kliknemo gumb Next.

226 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Podamo območje, v kolikor želimo krčiti robove samo na določenem območju. Sicer kliknemo Next.

Izberemo stopnjo zmanjševanja točk (npr 50%), če želimo prepoloviti število točk. Kliknemo gumb Finish.

5.4.4 Izvoz v format COLLADA Poženemo pretvornik za format COLLADA. Pokaže se naslednje pogovorno okno:

227 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Z izborom med možnostima AutoCAD Civil 3D površina in 3D face elemeti določimo, kateri tip elementov želimo pretvarjati. Iz padajočega seznama Ime površine izberemo površino, oziroma iz seznama Risalna ravnina izberemo risalno ravnino, ki vsebuje 3D face gradnike. S klikom na gumb .. izberemo izhodno datoteko za zapis površine v formatu COLLADA.

5.5 Analiza napak pri poenostavljanju površin

5.5.1.1 Uvod Poenostavitev površine pomeni zmanjšanje števila točk, robov in ploskev, ki tvorijo površino. S tem dosežemo hitrejše in udobnejše delo s površino, vendar poenostavljena površina nekoliko odstopa od originalne površine. V tem oddelku predstavljamo analizo napake s tremi parametri na površini kot celoti. V nizkogradnji pa nas pogosto pri načrtovanju uporabljamo profile površine. Zato smo izvedli analizo napak tudi na posameznih profilih.

5.5.2 Metoda Metoda Edge contraction temelji na krčenju robov v točke. V splošnem lahko rob skrčimo v katerokoli točko na robu. Običajno pa upoštevamo pogoj, da morajo biti točke, ki tvorijo poenostavljeno površino, podmnožica točk originalne površine [Andersson, 2006]. V tem primeru rob skrčimo v eno od obeh krajišč. Tako lahko operacijo pojmujemo tudi kot izločanje točk. Za točke oziroma robove, ki jih izločamo, se odločamo na podlagi analize spremembe površine, ki pri tem nastane. Ker so te operacije računsko zahtevne, se običajno uporablja katera od poenostavitev [Garland in Hekbert, 1997]. Postopek krčenja je prikazan na naslednji sliki:

Slika 141: Krčenje roba AB v točko A

Metoda je podrobneje opisana v različnih člankih, npr [Yan in sod., 2004; Hoppe 1996; Hoppe in sod. 1993], . Metodo lahko uporabimo za dvodimenzijsko ali tridimenzijsko triangulacijo. Podoben postopek se uporablja tudi v teoriji grafov [Wolle in Bodlaender, 2004]. V našem primeru smo za poenostavljanje uporabili znani program za načrtovanje v nizkogradnji AutoCAD Civil 3D [Autodesk, 2008]

Za analizo napake, ki pri tem nastane, smo uporabili dva pristopa. Pri prvem (1) smo analizirali napake na površini kot celoti, pri drugem (2) pa smo na površino projicirali niz profilov in napake izvrednotili v profilih. Napako smo vrednotili s tremi kriteriji:

228 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

a) Koren iz srednje kvadratne napake (root mean square error, RMSE)

b) Srednja absolutna napaka (mean absolute error, MAE)

c) Srednja napaka (mean error, ME)

Za izvrednotenje smo uporabili zvezne (integralne) oblike:

na površini:

‐ a1)

‐ b1)

‐ c1)

na profilu:

‐ a2)

‐ b2)

‐ c2) kjer je:

‐ A … skupna površina, ‐ L … dolžina profila

‐ z … višina na poenostavljeni površini

‐ zo … višina na originalni površini Ker so površine sestavljena iz trikotnikov, lahko razliko površin razdelimo na množico ravnih elementov, ki so presečišča elementov originalne in poenostavljene površine. Potem lahko enačbo a1 zapišemo kot vsoto kvadratov napake (SE) po elementih:

In podobno za enačbi b1 in c1. Če je enačba razlike med originalno in poenostavljeno ravnino na posameznem elementu

in elemente dodatno razdelimo tako, da sta zgornja in spodnja meja linearni (po y), lahko kvadrat napake za element i izračunamo kot:

229 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Napako za posamezni element pa izračunamo kot:

Enačbo za b1 in c1 izvrednotimo na enak način, le da moramo pri absolutni napaki upoštevati še meje, kjer se predznak enačbe za Z spremeni, ter upoštevati absolutno vrednost.

230 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 142: Elementi za izračun RMSE, MAE in ME med trikotnikoma dveh površin.

Profile razdelimo na odseke med posameznimi točkami, tako da lahko enačbe a2‐c2 zapišemo kot vsote po odsekih i (Z je razlika višin med površinama):

5.5.3 Rezultati in diskusija Analizirali smo parametre napake na dveh površinah in enem nizu profilov. Z originalno površino smo primerjali površine, iz katerih smo odstranili 50%, 75%, 85%, 90%, 950%, 98% in 99% točk.

Obe površini sta narejeni iz LIDAR‐skega posnetka z resolucijo 1m. Prva površina vsebuje 51255 točk, pokriva površino 508 ha in je ravninskega tipa, druga pa vsebuje 4455 točk, pokriva površino 457.56 ha in je hribovitega tipa. Površini sta prikazani na Slika 143. Primerjali smo srednje absolutne napake in srednje napake za obe površini. Rezultati so podani v Tabela. 12

231 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 143: Posnetka terena: ravninski (LIDAR 1, levo) in hribovit (LIDAR 2, desno).

Tabela 12: Primerjava srednje absolutne napake (MAE) in srednje napake (ME) za obe površini.

Zmanjšanje točk na LIDAR 1 LIDAR 1 LIDAR 2 LIDAR 2 površini (%) MAE (m) ME (m) MAE (m) ME (m)

50 0.004 ‐0.0001 0.006 0.0000

75 0.008 ‐0.0002 0.014 0.0000

85 0.011 ‐0.0002 0.021 0.0000

90 0.013 ‐0.0003 0.027 0.0002

95 0.019 ‐0.0004 0.042 0.0004

98 0.029 ‐0.0005 0.077 0.0006

99 0.039 ‐0.0011 0.116 0.0017

Niz profilov vsebuje vodotok in nasip. Primer profila je prikazan na Slika 144. Originalna površina vsebuje 12768 točk. Profili, dobljeni iz originalne površine, vsebujejo med 92 in 128 točkami. Dolžina profilov je 50 m, razdalja med njimi pa 20 m.

Slika 144: Primer profila, uporabljanega za analizo.

232 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

6 Sistem Sistem sestavlja odjemalca v obliki vizualizacijskega orodja, ter strežnik z zaslombo v obliki podatkovne zbirke.

Dostop do strežnika poteka preko protokola HTTP. Dostop do strežnika je načeloma javen in omogoča dostop od koderkoli, vendar ga je moč nastaviti tako, da dopušča dostop le določenim računalnikom. Nadalje omogoča selektiven dostop do posameznih slojev, kar omogoča različne nivoje objave podatkov glede na stopnjo javnosti ali privilegiranosti uporabnikov.

Pomemben vidik sistema je, da zagotavlja zanesljiv in optimalen dostop do podatkov. Zanesljivost dosežemo tako z varovanjem integritete podatkov kot z zaščito pred izpadi strežbe. Veliko stopnjo zanesljivosti dosežemo s porazdelitvijo tako same shrambe kot števila dostopnih točk. Porazdelitev hrambe skupaj z redno izdelavo varnostnih kopij varuje pred izgubo podatkov ob okvari posameznega podatkovnega nosilca. Večanje števila dostopnih točk za strežbo, ki je geografsko porazdeljen nadalje omogoča, da ob izpadu manjšega števila strežnikov (npr. ob okvarah na energijskih ali komunikacijskih vodih) za uporabnika neopazno preusmerimo promet na še delujoča vozlišča sistema. Hkrati s povečanjem dejanskih strežnikov lahko zagotovimo tudi, da sistem prilagaja breme posameznega strežnika glede na globalno število uporabnikov, po drugi strani pa lahko poskrbi, da posamezni uporabnik dobi podatke iz njemu geografsko najbližjega strežnika, kar ugodno vpliva na hitrost delovanja odjemalca.

7 Integracija ukrepanja v primeru visokih voda

7.1 Obstoječi sistem ukrepanja Pospešena urbanizacija, posegi na vodna zemljišča (premostitve, prestavitve strug, prekritja…), zasedba poplavnega prostora in prostora za razlivanje visokih voda ter zmanjševanje visokovodnih konic na eni strani, poleg tega pa tudi globalne vremenske spremembe (večja koncentracija padavin) močno povečujejo poplavno ogroženost območjih ob naših vodotokih.67

Varstvo pred naravnimi in drugimi nesrečami po zakonu obsega varstvo ljudi, živali, premoženja, kulturne dediščine ter okolja pred vsemi nevarnostmi in nesrečami, ki lahko ogrozijo njihovo varnost.68

Namen varstva je predvsem zmanjšati število nesreč in preprečiti oziroma ublažiti posledice le teh. Varstvo pred naravnimi in drugimi nesrečami je enoten in celovit sistem v državi, katerega vse oblike se izvajajo v skladu z načeli mednarodnega humanitarnega prava in mednarodnega prava varstva

67 MOP 2008, Poplavno ogrožena območja, Ljubljana

68 URSZR 2000, Nacionalni program varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami, Ljubljana [VPNDN (Ur. l. RS, št. 44/02)]

233 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

ljudi, živali, kulturne dediščine in okolja pred škodljivimi vplivi naravnih nesreč in nesreč povzročenih s strani družbe. Tako so temeljne naloge varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami naslednje:

‐ izvajanje preventivnih ukrepov, ‐ vzpostavitev in vzdrževanje pripravljenosti, ‐ opazovanje, obveščanje in alarmiranje ob nevarnostih in nesrečah, ‐ zaščita, reševanje in pomoč ob nesrečah, ‐ odpravljanje posledic nesreč. Varnost pred poplavami se zagotavlja z različnimi aktivnostmi. Poleg tehničnih ukrepov (urejanje vodnega režima, gradnje vodnogospodarskih objektov – nasipi, protipoplavni zidovi, vzdrževanje vodotokov), obstajajo tudi drugi ukrepi, kot so:

‐ ‐ usmerjanje gradnje poselitve in drugih objektov, na katerih je lahko velika škoda, izven poplavnih območij, ‐ ‐ alarmiranje in opozarjanje na nevarnost poplav, ‐ ‐ evakuacija prebivalstva in premoženja, ‐ ‐ zavarovanje pred škodo, ki jo povzročajo poplave. Za izvajanje teh ukrepov so pristojne lokalne skupnosti, izvajalci zaščite in reševanja ter posamezne pravne in fizične osebe, ki so dolžne izvajati ukrepe samozaščite. Namreč, pri izvajanju varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami je v državni pristojnosti predvsem urejanje sistema; načrtovanje razvojnega in raziskovalnega dela; organiziranje sistema opazovanja, obveščanja in alarmiranja; organiziranje, opremljanje ter usposabljanje državnih sil za zaščito, reševanje in pomoč; izdelava programov izobraževanja in usposabljanja za zaščito; reševanje in pomoč ter izgradnja in vzdrževanje telekomunikacijske, informacijske in druge infrastrukture. Občine so tako zadolžene za spremljanje nevarnosti; organiziranje in pripravljanje sil za zaščito; reševanje in pomoč ter za organiziranje in izvajanje zaščite, reševanja in pomoči.

Za primer izvajanja ukrepov za varnost pred poplavami podajamo celjsko občino (Slika 145).69

69 Mestna Občina Celje, 2004, Načrt zaščite in reševanja ob poplavah (številka: 22000‐1/2004‐03 AV/1), Celje

234 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

UKREPI ZA ZAGOTAVLJANJE VARNOSTI PRED POPLAVAMI

ZAŠČITNI UKREPI UKREPI ZA REŠEVANJE UKREPI ZA ZAŠČITO IN REŠEVANJE* IN POMOČ - obveščanje, opozarjanje, alarmiranje - reševanje ob poplavah - evakuacija, nastanitev in - evakuacija, nastanitev in oskrba oskrba - posebni tehnični ukrepi - tehnični ukrepi za zaščito - - tehnični ukrepi za zaščito urejanje prometa svojih objektov in naprav pred poplavami pred poplavami in prečrpavanje poplavne vode

reševanje ob poplavah * za te morajo organizacije s področja vzgoje in izobraževanja, zdravstvenega varstva, otroškega in invalidskega varstva, varstva starješih občanov ter varstva kulturne dediščine izdelati svoje načrte

Slika 145: Ukrepi za zagotavljanje varnosti pred poplavami.

Med zaščitnimi ukrepi se pod pojmom obveščanje smatra zbiranje podatkov o nevarnosti poplave, obveščanje organov in organizacij, ki vodijo in izvajajo ZRP, obveščanje javnosti in poročanje. Pri opozarjanju je potrebno pripraviti opozorila in navodila o ravnanju ob poplavah ter slednja posredovati naprej. Pri alarmiranju pa je potrebno opomniti še na izdajanje navodil za izvajanje zaščitnih ukrepov. Evakuacijo, nastanitev in oskrbo izvajajo občine same, glede na prostorsko razpoložljivost in funkcionalnost. Med tehnične ukrepe za zaščito pred poplavami štejemo črpanje naplavljene vode na prizadetih območjih, črpanje vode iz določenih kletnih etaž, protipoplavno zavarovanje ogroženih lokacij z UMT (gumijastmi) tesnili in vrečami s peskom, uvedba dežurstva in pripravljenosti mehaniziranih ekip, protipoplavna zaščita javnih zavodov, nadzor kvalitete pitne vode, uravnavanje oskrbe s pitno vodo kot npr. izklop posameznih vodnih virov iz omrežja in postavitev cestnih zapor. Nazadnje nam na izbiro preostanejo še posebni preventivni tehnični ukrepi, ki se izvajajo kjer je to potrebno. To je lahko vstop v stanovanje, porušitev objekta ali posek drevja.

Med ukrepe za reševanje in pomoč štejemo pod reševanje ob poplavah reševanje iz vode in na vodi, črpanje vode iz kletnih prostorov, črpanje in nevtralizacija naftnih derivatov, oblikovanje ekip za črpanje večjih količin naftnih derivatov, pomoč reševalnim ekipam in delovni sili. Odstranitev ovir, ki onemogočajo uspešno intervencijo ( pri tem se lahko uporabi tudi tuje zemljišče), vstop v stanovanje in intervencijski izkopi ter prekopi spadajo pod posebne tehnične ukrepe. Pri urejanju prometa gre

235 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

predvsem za spremljanje stanja prometnih komunikacij; izdajanje obvestil in navodil o prevoznosti, uporabnosti in stanju prometnih komunikacij; zavarovanje neprevoznih odsekov in označitev obvozov; urejanje prometa na obvoznih odsekih in

(pre)obremenjenih cestnih lokacijah ter čiščenje cest. Pod oskrbo pa spadajo kontrola pitne vode in izdaja dezinfekcijskih sredstev in navodil za dezinfekcijo; oskrba s pitno vodo; zagotovitev nujne oskrbe z osnovnimi živili; logistična oskrba reševalnih ekip; zagotovitev druge logistične oskrbe reševalnim enotam; popravila gasilske tehnike; objava urgentnih telefonskih linij za storitve (črpanje vode, dostava pitne vode, črpanje in nevtralizacija naftnih derivatov ter zasilna nastanitev) in nenazadnje tudi oskrba in pomoč ostarelim, ki si sami ne morejo zagotoviti ZRP.

7.2 Ukrepanje – alarmiranje ranljivih objektov, lastnikov, prebivalstva, upravljalcev Namen zgodnjega alarmiranja o poplavni nevarnosti je obveščanje javnosti o trenutnem stanju višine vodostajev in napovedovanje pričakovanih količin padavin. Gre predvsem za pravočasno ukrepanje na poplavno najbolj ogroženih območjih, ki temelji na intervencijskih vrednostih višine vodostajev. Državni načrt zaščite in reševanja se aktivira, ko pride do katastrofalnih poplav na kateremkoli vodotoku v RS na osnovi odločitve poveljnika CZ RS (URSZR, 2008).

Opazovanje in obveščanje se ureja in izvaja v skladu z Uredbo o organiziranju in delovanju sistema opazovanja, obveščanja in alarmiranja (U.l. RS, št. 105/2007) in Pravilnikom o obveščanju in poročanju v sistemu varstva pred naravnimi in drugimi nesrečami (U.l. RS 26/2008).

Hidrološka prognostična služba MOP, ARSO, Urada za monitoring spremlja stanje vodostajev, količine padavin in nevarnosti poplav v Republiki Sloveniji. V vseh primerih, ko reke presežejo intervencijske vrednosti višine vodostajev, se prične z obveščanjem javnosti.

V Sloveniji je določenih pet stopenj (od H1 do H5) intervencijskih vrednosti višine vodostajev.

Dosežene vrednosti na vodomerni postaji pomenijo naslednje:

‐ H1 (Q1) vodostaj je povišan, ‐ H2 (Q2) stalno spremljanje razmer, ‐ H3 (Q3) stanje pripravljenosti za ukrepanje, ‐ H4 (Q4) ukrepanje in ‐ H5 (Q5) katastrofalne poplave. Višini vodostajev H1 in H2 sta opozorilni višini, s katerima se zaznava zvišanje gladine in s tem ogroženost zaradi poplav. Pri višini H3 vode že poplavljajo in začne se intervencija na terenu.

MOP, ARSO, Urad za monitoring o vsaki nevarnosti nastanka poplav ali o poplavah obvesti Center za obveščanje Republike Slovenije pri Upravi Republike Slovenije za zaščito in reševanje, ki informacije posreduje pristojnim državnim organom in regijam, kontaktnim organom sosednjih in tujih držav (URSZR, 2008).

236 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Poplave lahko poškodujejo objekte, zlasti tiske ki so v neposredni bližini vodotokov, kmetijske površine, motena je lahko oskrba prebivalstva s pitno vodo in električno energijo ipd. Ob nevarnosti nastanka poplav v naseljenih območjih, ko so zaradi pričakovane višine vodnega vala lahko ogrožena življenja ljudi, se začne takoj opozarjati prebivalstvo na bližajočo se nevarnost s sirenami z alarmnim znakom za preplah.

Za obveščanje prebivalcev o stanju na prizadetem območju so pristojne občine. Informacije o razmerah na prizadetem območju občine posredujejo prek javnih občil in na druge, krajevno običajne načine, ki jih določijo v načrtih zaščite in reševanja. Za dodatne informacije občine lahko objavijo posebne telefonske številke oziroma po potrebi organizirajo informativne centre.

Za obveščanje javnosti o izvajanju nalog zaščite, reševanja in pomoči na regijskem nivoju so odgovorni poveljniki CZ posameznih regij ob pomoči članov štaba odgovornega za informativno dejavnost. Sodelujejo še župani in poveljniki CZ občin. Aktivnosti na področju obveščanja javnosti organizira in usklajuje Informacijski center pri štabu CZ posamezne regije, kadar gre za poplave, ki so prizadele več občin. V kolikor gre za poplave lokalnega obsega obvešča javnost prizadeta občina70.

70 http://www.maribor.si/dokument.aspx?id=7143

237 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

8 Priporočila za nadaljnje delo

8.1 Kalibracija hidravlike Potreba po kalibraciji hidravlike, zajem podatkov v času poplav (načini zajema podatkov: terenski zajem, daljinsko zaznavanje…

Pri modeliranju hidravličnih modelov se pojavljajo mnogi viri napak, ki vplivajo na napovedovanje hidravličnih veličin. Zato se v procesu modeliranja upošteva določena negotovost v povezavi z napovedmi modela, povezanimi z napakami oziroma pomanjkljivostmi podatkov.

Vrste napak podatkov se lahko deli v več skupin. Prve spadajo v skupino topografskih napak, ki odražajo napake v zvezi s fizičnimi lastnostmi modeliranega odseka, druge najpogostejše so povezane z delovanjem oziroma obtežbenimi primeri hidravličnega modela, kjer je verjetnost nepoznavanja dejanskega stanja oziroma nepopolnosti ter zastarelosti podatkov največja. Zelo pogosto pri modeliranju nastajajo napake v postopku modeliranja rečnega korita oziroma pri njegovem poenostavljanju. Tu napake nastajajo kot kompromis med preglednostjo in obvladljivostjo hidravličnega modela. Izdelovalec modela mora zato strokovno presoditi, kakšno gostoto profilov/mreže bo uporabil, da se ohrani najboljši kompromis v smislu določevanja hidravličnih razmer. Naslednjo zelo pogosto skupino napak pa predstavlja človeška zmotljivost. Te napake se pojavljajo na vseh navedenih področjih, kot na primer pri: vnosu podatkov o omrežju, določevanju topologije, poenostavljanju, določevanju obtežbenih primerov itd.

Ker je hidravlični model matematična predstavitev stvarnega vodnega telesa, je seveda edino umestno, da vrednosti izračunanih hidravličnih veličin izkazujejo dejansko dogajanje na obravnavanem področju. V nasprotnem primeru je izdelava hidravličnega modela omejena le na učne postopke in analizo obnašanja določenih teoretičnih obremenitev in stanj. Posledično je zato treba hidravlični model umeriti, to je izvesti proces, s katerim se prilagaja parametre, ki opisujejo matematični model, dokler se med merjenimi hidravličnimi veličinami in izračuni matematičnega modela ne doseže želen nivo usklajenosti.

Čeprav se v praksi izraz kalibracija ali umerjanje uporablja za cel postopek izdelave verodostojnega hidravlič nega modela, gre za zahteven postopek, ki je praviloma sestavljen iz treh splošno uveljavljenih faz na področjih modeliranja, to so kalibracija, verifikacija in validacija. Enega od pristopov k vzpostavitvi zanesljivega hidravličnega modela, kjer so predstavljeni posplošeni postopki kalibracije, verifikacije in validacije, prikazuje Slika 146. Na podlagi ustreznih meritev se najprej izvede postopek kalibracije ali umerjanja, to je proces prilagajanja parametrov matematičnega modela, s čimer se želi izboljšati ujemanje med izračunanimi in merjenimi vrednostmi. V naslednji fazi, to je postopku verifikacije ali potrjevanja, se na podlagi izbranega neodvisnega, v procesu kalibracije neuporabljenega niza meritev iz enakega obratovalnega stanja preveri in potrdi ustreznost procesa umerjanja. V tej fazi se lahko potrdi, da v določenem obratovalnem stanju model izkazuje želeno ujemanje s stvarnim sistemom.

238 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 146: Postopek umerjanja, verifikacije in validacije hidravličnih modelov

Da pa se preveri in oceni širša uporabnost modela, ga je treba preveriti in potrditi tudi v območju drugih obtežbenih stanj oziroma na drugih primerih. Zato se ponavadi proces umerjanja zaključi s postopkom validacije ali uveljavitve, s katero se določi in potrdi območje oziroma področje, v katerem model z želeno natančnostjo predstavlja stvarni sistem.

Umerjanje hidravličnih modelov vodooskrbnih sistemov se lahko označi kot dvostopenjski proces (Walski et al., 2001):

1. makrokalibracija ali grobo umerjanje in

2. mikrokalibracija ali fino umerjanje.

V postopku makrokalibracije se postopoma zagotovi, da neumerjen hidravlični model prek grobega umerjanja preide v izboljšan hidravlični model in po drugi fazi umerjanja v umerjen hidravlični model (Slika 147).

239 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 147: Natančnejši pristop dvostopenjskega umerjanja hidravličnih modelov

Šele po ustrezno izvedeni makrokalibraciji, v postopku katere naj bi se odpravilo večino razhajanj pri geometrijskih podatkih med dejanskim stanjem in hidravličnim modelom, se lahko preide v fazo mikrokalibracije, kjer se v ustreznem postopku umerijo zlasti hidravlične spremenljivke.

8.2 Uporaba rezultatov projekta za osveščanje pred nevarnostjo poplav Namen vizualizacije poplav je pomembna dimenzija tudi z vidika osveščanja prebivalstva o poplavnih nevarnostih, lastni ogroženosti in ustreznemu samozaščitnemu ravnanju. Osveščanje prebivalstva o nevarnosti poplav (flood awareness) je pomembna dimenzija preventivnega ravnanja ob poplavah, saj predstavlja eno od najbolj stroškovno učinkovitih ukrepov za zmanjšanje poplavnih škod in učinkovito vodenje poplav. Prebivalstvo, ki je dobro seznanjeno z nevarnostjo poplav ne razvija rabe prostora v poplavnem območju in tako deluje preventivno na najustreznejši način.

Različna so orodja, ki so namenjena osveščanju prebivalstva, so bila obdelana v številnih projektih (FLOODAWARE, Rising Waters). Delujejo na različnih vsebinah, ki so vse povezane s ciljnim prenosom informacij do »končnih uporabnikov«, to so predvsem prebivalci v ogroženih območjih in

Ključen problem vezan na tovrstni prenos podatkov je, da so podatki pogosto predstavljeni v obliki, ki je nestrokovnjaku težko razumljiva in pregledna, kar odvrača veliko skupino uporabnikov od poglabljanja v to temo, ki je že sama zase lahko vir stresa, saj opozarja na potencialno nevarnost vezano na bivanje in dejavnosti na poplavnem območju. V ta namen so bila tudi že izdelana različna vizualizacijska orodja71, ki izkazujejo izrazito učinkovitost pri predstavitvah navedenih vsebin.

71 SU Guozhong et. al. (2004), Visualization and damage assessment for flooded area, Geo‐Spatial Information Science, Vol. 7 issue 3, september 2004, Springer Verlag

240 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 148: Vizualizacija poplave v Biltmoru72

Integrirane simulacije in vizualizacije omogočajo:

‐ poglabljanje v obravnavano področje znanj, ‐ samousmeritveno učenje, ‐ raziskavo vzroka in posledic ‐ preigravanje s kompleksnimi spremenljivkami ‐ simulacijo procesov resničnega sveta ‐ razvoj P2P procesov učenja ‐ razvoj visoko motiviranega učenja. Navedena aplikacija – interaktivna vizualizacija poplavnih območij omogoča gladek prehod na področje izboljšanega osveščanja na področju poplav. Osnovni predpogoji za odprtje aplikacije za širšo javnost z namenom osveščanja so:

‐ ustrezna kakovost podatkov (izboljšana verifikacija podatkov, ki so predmet vizualizacije); ‐ strojna oprema – zahtevnost strojne opreme na strani uporabnika ni visoka, v primeru velikega števila uporabnikov pa je potrebno ustrezno ojačati kapaciteto strežnikov; ‐ ustreznost povezav za prenos podatkov – glede na velike količine podatkov, ki se prenašajo je potrebna širokopasovna povezava;

72 Mc. Conville D. (2004) Visualization, Simulation, and Gaming as Effective Educational Tools, Applied Visualization Symposium Asheville, NC November 10th, 2006

241 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ izboljšave na področju prijaznosti uporabe aplikacije nestrokovnemu uporaniku; ‐ komentarji in omejitve vezane na interpretacijo podatkov; ‐ opredelitev pravnega statusa podatkov in pravnih posledic objave in vizualizacije podatkov.

8.2.1 Vzdrževanje vizualizacije Postavitev podatkovnega skladišča ter strežnika HTTP za dostop do podatkov z odjemalcev je šele prvi korak pri vzpostavitvi in vzdrževanju sistema. Na nivoju posameznega strežniškega vozlišča je namreč treba zagotavljati gladko delovanje. Ker je vozlišče postavljeno na javno omrežje, je izpostavljeno morebitnim poskusom kompromitiranja in onemogočanja njegovega delovanja. Zato mora upravitelj vozlišča redno posodabljati programsko opremo, s čimer odpravlja morebitne varnostne pomanjkljivosti.

Izvajanje varnostnega kopiranja podatkov je načeloma samodejni proces, vendar je priporočljivo občasno ročno opraviti izdelavo kopije celostne slike vozlišča in jo shraniti na odklopljeni ali prenosni medij na varno mesto, ki je fizično ločeno od samega vozlišča.

Nadalje k vzdrževanju sistema sodi tudi skrb za širitev mreže vozlišč glede na zahteve odjemalcev in pogostost njihove rabe. Zato je potrebna občasna analiza geografske porazdelitve odjemalcev in intenzivnosti prometa glede na geografsko lego. Posledično je potem moč načrtovati širitev vozlišč na nova področja, kjer doslej vozlišč še ni bilo, ali postaviti nova vozlišča na že pokrita področja, če bi s tem razbremenili del omrežja.

8.2.2 Vzdrževanje vizualizacije Možnosti vzdrževanja in optimizacije vizualizacije so sledeče:

GUI (ang. Graphics user interface) oziroma uporabniški vmesnik: predvsem današnje spletne tehnologije so dokaz, kako se uporabniški vmesniki hitro spreminjajo v smeri preprostejše in bolj smiselne uporabe različnih ukazov, ki so potrebni za pridobivanje določenih informacij. Poleg spletnih tehnologij lahko opazimo tudi napredek pri uporabniškem vmesniku najpopularnejše pisarniške zbirke Microsoft Office, ki je z zadnjo izdajo močno spremenil vmesnik, ki je precej enostavnejši, hitrejši in bolj preprost za uporabnika.

Plasti (ang. Layers) različnih stopenj: za lažje razumevanje, plasti v našem primeru pomenijo podatke, ki so vgrajeni v sistem. Tako imamo vgrajene podatke na različnih nivojih. Pomenijo torej lahko vremenske razmere, višino vodne gladine, temperature in ostale podobne informacije. Vse te plasti lahko poljubno dodajamo, seveda, če imamo prave podatke, ki jih lahko vključimo. Vendar pa so možnosti še precej večje, če imamo na voljo stalno spreminjajoče se podatke. Tako lahko npr. vsakih 5 minut dobimo vremenske podatke, ki jih potem preko sistema prikazujemo in jih uporabnik spremlja.

Podpora (ang. Support) novim formatom datotek: ker se svet informacijskih tehnologij spreminja iz dneva v dan v smeri razvoja novih tehnologij, je možnost vzdrževanja predvidena tudi v smeri optimizacije novih formatov za uvoz in izvoz datotek optimiziranih datotek, ki bodo za enake funkcije porabile manj časa in prostora, s tem pa manj obremenjevale računalniške sisteme. Vzdrževanje hidravlike – spremembe geometrije, upravljanje s tem

242 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

8.3 Dodajanje novih poplavnih območij Generalna izvedljivost dodajanja novih območij. Formati in postopki obdelave so znani, kateri podatki so potrebni in

243 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Slika 149: Generalni postopek oblikovanja poplavnih linij pri novih poplavnih območjih

244 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

8.4 Zanesljivost podatkov in upravljanje z negotovostmi Matematično modeliranje hidravličnih razmer vodnih teles je zapleteno in zahteva poznavanje hidravlike, matematičnih orodij za reševanje sistemov enačb, poznavanje inženirskih lastnosti posameznih objektov in naprav, kakor tudi kritično presojanje izračunov na podlagi hidravličnega modela. Slednja nalogo štejemo v področje umerjanja, verifikacije in validacije modelov, ki sledi iz primerjave izračunov hidravličnega modela z opravljenimi meritvami hidravličnih veličin. Meritve predstavljajo pomemben vir podatkov, ki hidravličnemu modelu gotovost pravilnega delovanja oziroma odražanja dejanskih razmer.

Kakovost meritev oziroma merilna negotovost je element v fazi umerjanja hidravličnih modelov, ki je bil nekoliko zapostavljen in si zasluži večjo pozornost. Pogosto se ne preverja, kako so bile meritve pridobljene, saj so prav meritve pretokov zelo občutljive na pravilno izbrano merilno mesto. Meritve gladin so manj občutljive kot meritve pretokov, saj so manj občutljivi na pravilno izbrano merilno mesto in tudi merilne naprave imajo višjo natančnost.

Postopek ocenjevanja merilne negotovosti pridobiva na pomembnosti v procesu umerjanja hidravličnih modelov, saj so meritve tiste oporne točke, na katere prilagajajo posamezne vrednosti parametrov hidravličnega modela. Ocena merilne negotovosti spada v področje statističnih obdelav podatkov, kjer posamezne statistike dajejo vpogled v negotovost posamezne meritve. Merilna negotovost bo po končanem postopku umerjanja upoštevano skupaj s kriteriji za določevanje natančnosti umerjanja, da se poda ocena o tem, kako dobro oziroma slabo hidravlični model določenega vodovodnega sistema predstavlja dejansko delovanje sistema.

Natančna in zanesljiva meritev je odvisna od instrumenta, uporabnika in matematične obdelave izmerjenih podatkov. Meritev je postopek, pri katerem primerjamo neznano količino s sprejeto standardno količino. Vse meritve so podvržene napakam zaradi nenatančnosti instrumenta, človeške napake ali napačne rabe instrumenta. Napaka pomeni razliko med rezultatom meritve in resnično vrednostjo merjene količine.

Prvi korak pri oceni negotovosti je določitev postopka merjenja. Za meritev količin toka tekočine je ponavadi treba kombinirati vrednosti številnih vhodnih podatkov za pridobitev vrednosti izhodnih podatkov. Viri napak se delijo na:

‐ Kalibracijska negotovost: Vsaka merilna naprava je lahko povzročitelj napake. Glavni razlog umerjanja naprave je zmanjšanje napake na zadovoljiv nivo. ‐ Negotovost pri pridobivanju podatkov: Negotovost pri sistemu pridobivanja podatkov se lahko pojavi pri signalu odjemnika, sistemu za shranjevanju podatkov naprave, itd.. Najboljši postopek za zmanjšanje vpliva tovrstnih napak je izvedba umerjanja celotnega sistema. Ocena negotovosti pri pridobivanju podatkov se lahko pridobi s primerjavo znanih vhodnih količin z izmerjenimi količinami. V primeru, da to ni mogoče je potrebno oceniti vse dele negotovosti posebej in jih združiti. Tako se pridobi celotna negotovost sistema. ‐ Negotovost pri obdelavi podatkov: V tem primeru pride do napak pri eksperimentalno določenih enačbah, pridobljenih pri umerjanju merilnih naprav. Večja količina meritev poda malce drugačno enačbo oziroma funkcijo od manjše količine meritev. Zato ima vsak koeficient v enačbi določeno napako.

245 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ Negotovost glede na metodo: Negotovost glede na metodo je določena z dodatnimi viri napak, ki nastanejo zaradi različnih načinov in metod uporabljenih v procesu merjenja. Ti viri napak vplivajo na merilno negotovost končnih podatkov. V modernih merilnih sistemih je ta vrsta napak veliko manjša od napake pri umerjanju naprave, napake pri obdelavi podatkov in napake pri pridobivanju podatkov. Vsi instrumenti so umerjeni v skladu s standardi v času njihove izdelave. Standarde razvrstimo v štiri kategorije: mednarodni standardi, primarni standardi, sekundarni standardi in delovni standardi. ISO (International Organisation for Standardization) je globalna mreža nacionalnih standardnih teles. Standard ISO‐5168 določa postopke za oceno negotovosti izmerjene vrednosti toka tekočine. Kadarkoli je opravljena meritev pretoka tekočine, se pridobijo vrednosti, ki so najboljši približek dejanske vrednosti pretoka ali kake druge merjene količine. V praksi to pomeni, da ima dejanska količina malce višjo ali nižjo vrednost od izmerjene količine. Negotovost določa območje vrednosti, v katerem naj bi bila prava vrednost izmerjene količine.

8.4.1 Ocene negotovosti tipa A Ocene negotovosti tipa A so tiste, ki uporabljajo statistične metode za obdelavo podatkov pri večji količini meritev. Negotovost meritve se progresivno zmanjšuje v odvisnosti od števila meritev. V pogostih primeri merjenja, ni praktično opravljati veliko število meritev. V teh primerih se lahko komponente negotovosti določi na podlagi predhodnih ocen negotovosti tipa A, ki so bile osnovane na večjem številu meritev, ki so potekale pod enakimi pogoji. V nadaljevanju so podane osnovne statistične definicije, ki so uporabljene pri oceni negotovosti tipa A: a) Srednja vrednost

Srednja vrednost vrste podatkov x je definirana kot aritmetično povprečje vseh vrednosti v vzorcu z enačbo (1):

1 1 n x ( 321 xxxx n )... =++++= ∑ xm , (1) n n m=1 kjer so:

‐ xm = m‐ta vrednost v vzorcu, ‐ n = število vrednosti v vzorcu. b) Eksperimentalni standardni odmik (standardna deviacija), s, vrste podatkov

V vsakem vzorcu eksperimentalnih podatkov je vedno prisoten raztros podatkov. Eksperimentalni standardni odmik za niz n meritev iste merjene količine s, ki označuje raztros podatkov je določen z enačbo (2):

1 n 2 xs )( = ∑ m − xx )( . (2) n − )1( m=1

Včasih je uporabno izraziti raztros podatkov kot delež srednje vrednosti. To se lahko opravi z uporabo koeficienta raztrosa CV, definiranega v enačbi (3):

246 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

s C = . (3) V x c) Stopnja svobode v, v povezavi s raztrosom vzorca ali standardnim odklonom

Stopnja svobode v, je število neodvisnih meritev pod določenimi omejitvami. Ko se računa standardni odklon je omejitev ta, da mora biti vsota odklonov enaka nič (odklonov od srednje vrednosti). Tako ima lahko prvih n ‐1 odklonov poljubno vrednost, vendar pa mora biti zadnja vrednost taka, da je vsota odklonov enaka nič. Če je n‐1 neodvisnih meritev, potem je n‐1 stopenj svobode.

d) Standardna negotovost u x srednje vrednosti vzorca, ki temelji na standardnem

odmik vzorca

Srednja vrednost x vzorca podatkov predstavlja zgolj približek srednje vrednosti celotne populacije. V primeru, ko je vzet drug vzorec iz iste populacije, je izračunana drugačen približek srednje vrednosti. Večji kot je raztros podatkov manjša je natančnost srednje vrednosti in več meritev poda natančnejšo srednjo vrednost. Meritev negotovosti vzorca podatkov je imenovana standardna negotovost in je definirana z enačbo (4):

s u x = . (4) n

e) Standardna negotovost u x vzorca podatkov glede na standardni odmik, ki je bil

pridobljen na preteklih izkušnjah

Pogosto se zgodi da je na voljo manjši vzorec podatkov in da obstajajo informacije o raztrosu podatkov iz preteklih izkušenj, ko je bil obdelan večji vzorec podatkov. V tem primeru je dovoljeno povezati standardno negotovost srednje vrednosti manjšega vzorca podatkov standardno negotovost spe večjega vzorca podatkov. Srednja vrednost x in število meritev n se izračuna za manjši vzorec podatkov, stopnje svobode v pa se vzame iz vzorca z večjim številom podatkov. Tako je nova standardna negotovost u x izračunana po enačbi (5):

s pe xu = . (5) n f) Standardna negotovost usm, posamezne vrednosti glede na pretekle izkušnje

Uporaba zunanjega standardnega odmika pridobljenega iz preteklih podatkov omogoča vrednosti negotovosti, da je ocenjena za eno samo meritev. Ta ocena se uporabi, ko ni mogoče ponavljati meritve. V tem primeru srednja vrednost x postane sama meritev in število meritev n = 1. Stopnja svobode je ponovno vezana na zunanji standardni odmik sp. tako je standardna negotovost usm določena z enačbo (6):

sm = su pe . (6)

247 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Primerjava enačb (5) in (6) pokaže, da je bolje pridobiti srednjo vrednost iz dveh ali več meritev, če je le mogoče, saj standardna negotovost pri eni meritvi 41% večja od tiste, kjer je bila srednja vrednosti pridobljene pri dveh meritvah in 73% večja od tiste, kjer je bila srednja vrednost pridobljena pri treh meritvah. Kadarkoli je možno, je treba upoštevati srednjo vrednost izračunano pri več meritvah in ne tiste, ki jo dobimo z eno samo meritvijo. g) Združen standardni odmik spo iz več nizov podatkov

Podatki iz preteklih meritev ne tvorijo vedno kontinuiran niz podatkov, saj so bili lahko pridobljeni v različnem času pod različnimi pogoji. V primeru, ko razlike med različni pogoji, v katerih so bile opravljene meritve niso vplivale na variabilnost podatkov, se lahko združi podatke iz različne nize in določi združen standardni odmik z veliko več stopnjami svobode. Pomembno je upoštevati, da so bili združeni le standardni odmiki nizov podatkov in ne sami nizi podatkov. Združena je variabilnost nizov podatkov okoli njihove povprečne vrednosti z razlogom, da se pridobi boljši približek variabilnosti merilne tehnike. Združeni standardni odmik spo je definiran z enačbo (7):

m, 2 ∑ sv jj j=1 s = , (7) po m, ∑v j j=1 kjer so:

‐ sj = standardni odmik j‐tega niza podatkov,

‐ vj = stopnja svobode v povezavi s sj, ‐ m, = število nizov podatkov, ki so bili združeni. Standardna negotovost srednje vrednosti vzorca podatkov je izračunana z enačbo (8):

s po xu = . (8) n

Standardna negotovost ene same vrednosti podatka pa je izračunana po enačbi (9):

sm = su po . (9)

h) Stopnja svobode, vpo v povezavi s združenim standardnim odmikom

Združen standardni odmik predstavlja boljši približek populacijskega standardnega odmika, kot standardni odmik, ki je bil pridobljen na enem samem podatku, ker je povezan z več stopnjami svobode. Kombinirana stopnja svobode se pridobi enostavno z dodajanjem stopenj svobode, ki so v povezavi z vsakim od pripadajočih standardnih odmikov v skladu z enačbo (10):

m, po = ∑vv j . (10) j=1

248 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

i) Razširjena negotovost U x srednje vrednosti vzorca osnovana na standardnem odmiku

vzorca

Standardna negotovost srednje vrednosti vzorca poda območje v katerem naj bi bila dejanska srednja vrednost vzorca. Meje območja so pogosto nelinearne in obstaja velika verjetnost, da leži prava srednja vrednost vzorca zunaj tega območja. Pri standardnem odmiku in pri z njim povezani standardni negotovosti osnovani na dveh stopnjah svobode je 42% možnost, da dejanska srednja vrednost leži izven območja, določenega z standardno negotovostjo. Tudi pri stotih stopnjah svobode obstaja 32% verjetnosti, da dejanska srednja vrednost leži izven območja, določenega s standardno negotovostjo. Zato se razširi meje območja in s tem zagotovi večjo stopnjo zaupanja, da dejanska srednja vrednost leži v mejah tega območja. Meje območja se ponavadi izračuna za pridobitev 95% stopnje zaupanja. To se doseže z uvedbo faktorja obsega delovanja k v enačbo standardne negotovosti:

x ⋅= ukU x . (11)

Vrednost faktorja obsega delovanja je odvisna od stopnje svobode v povezavi s standardno negotovostjo v primeru, ko je standardna negotovost osnovana na standardnem odmiku vzorca podatkov.

j) Razširjena negotovost U x srednje vrednosti vzorca osnovana na standardnem odmiku

pridobljenim iz preteklih izkušenj

Enačba razširjene negotovosti je enako uporabna, ko je standardna negotovost pridobljena iz standardnega odmika osnovanega na preteklih izkušnjah. Iz enega ali kombinacije več nizov vzorcev. V tem primeru mora biti faktor obsega delovanja izbran za stopnje svobode pripadajoče standardnim odmikom iz preteklih izkušenj. Enačba za razširjeno negotovost je uporabna tudi v primeru enojne vrednosti ene same meritve. Tudi v tem primeru je potrebno izbrati faktor območja delovanja za stopnjo zaupanja v povezavi s standardnim odmikom, ki je bil uporabljen. k) Interval tolerance za posamezno meritev

Razširjena negotovost srednje vrednosti definira, za dano stopnjo zaupanja, območje v katerem naj bi ležala dejanska srednja vrednost merjene količine. Kljub temu bodo posamezne vrednosti ležale izven tega območja zato je potrebno določiti mejo v kateri bo ležal določen odstotek izmerjenih podatkov. Za standardni odmik te meje definira normalna porazdelitev. Pri majhnih vzorcih pa je sam standardni odmik podvržen negotovosti in zato morajo biti meje zaupanja postavljene na interval, ki vsebuje določen procent podatkov. Te meje določi interval tolerance, ki je definiran z enačbo (12).

± t skx , (12) kjer so:

‐ x = srednja vrednost vzorca, ‐ s = standardni odmik vzorca,

249 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

73 ‐ kt = koeficient vzet iz tabele za tolerančni interval vrednosti kt po ISO‐5168.

Vrednosti kt so podane za različne velikosti vzorca in ne za stopnje svobode povezane s standardnim odmikom in so oprte na predpostavko, da je bil vzorec vzet iz normalne ali Gaussove porazdelitve. l) Odkrivanje vrednosti, ki ležijo zunaj območja zaupanja

Ponavadi, ko se pridobi rezultate meritev, določene vrednosti izstopajo in so veliko večje ali manjše od ostalih vrednosti. Včasih imajo določene ekstremne vrednosti poznan vzrok, če ne pa se ponavadi predpostavi, da so napačne. Ekstremna vrednost vpliva tako na srednjo vrednost kot tudi na standarden odmik vzorca. Ti dve vrednosti sta lahko dosti bolj reprezentativni za vzorec, če ekstremne vrednosti izločimo iz obdelave. Vendar pri tem vedno obstaja možnost izločka pravilne vrednosti. Eden izmed testov za izločitev tovrstnih vrednosti je Grubbsov test, ki primerja razdaljo med ekstremno vrednostjo in povprečno vrednostjo s standardnim odmikom celotnega niza podatkov. Če imamo niz podatkov (x1, x2, … xn) s srednjo vrednostjo x , standardnim odmikom s in podatek ki ima ekstremno vrednost xm, potem je Grubbsov statistični test določen z enačbo (13):

− xx Z = m . (13) n s

74 Vrednost Zn se primerja z vrednostjo, podano v tabeli za Grubbsov test ekstremnih vrednosti za stopnjo zaupanja in število vzorcev. Če Zn preseže tabelarično vrednost je meritev xm uvrščena med ekstremno vrednost z navedeno stopnjo zaupanja. m) Postopek izračuna ocene negotovosti tipa A

Posamezne enačbe so podrobneje opisane v prejšnjem poglavju. Standardna negotovost izmerjene količine xi je izračunana iz vzorca meritev xi,m v skladu z enačbami (14) do (18):

‐ Izračun povprečne izmerjenih količin z enačbo (14); glej tudi enačbo (1): 1 n xi = ∑ x ,mi . (14) n m=1

‐ Izračun standardnega odmika vzorca z enačbo (15); glej tudi enačbo (2)

1 n 2 xs i )( = ∑ , − xx imi )( . (15) n − )1( m=1

‐ Standardna negotovost enega samega vzorca je enaka standardnemu odmiku in je podana v enačbi (7):

i = xsxu i )()( . (16)

73 ISO‐5168, 2005, str. 28

74 ISO‐5168, 2005, str. 29

250 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

‐ Izračun standardnega odmika srednje vrednosti z enačbo (17); glej tudi enačbo (4) xs )( xs )( = i . (17) i n

‐ Standardna negotovost srednje vrednosti je podana z enačbo (18)

i = xsxu i )()( . (18)

8.4.2 Ocena napake tipa B Ocene napak tipa B so izpeljane iz postopkov, ki niso predmet statističnih analiz serije meritev. Pri oceni napake tipa B je potrebno zagotoviti podobno stopnjo zaupanja, da se lahko primerja in združi različne metode. Ocena napake tipa B zahteva poznavanje verjetnostnih porazdelitev v povezavi z negotovostjo, katere bodo podrobneje predstavljene v nadaljevanju. a) Pravokotna verjetnostna porazdelitev

Tipični primeri pravokotne porazdelitve (graf 1) so na primer tolerančne meje proizvajalca merilne naprave, napaka zaradi omejene ločljivosti ekrana merilne naprave in maksimalno obdobje delovanja merilne naprave med dvema umerjanjema.

Graf 1: Pravokotna verjetnostna porazdelitev75 Graf 2: Normalna verjetnostna porazdelitev76

Standardna negotovost izmerjene vrednosti xi je izračunana iz enačbe (19):

ai xu i )( = . (19) 3

Območje merjenih vrednosti leži med xi‐ai in xi+ai. b) Normalna verjetnostna porazdelitev

Tipičen primer normalne verjetnostne porazdelitve (graf 2) vsebujejo kalibracijski certifikati pri navajanju stopnje zaupanja ali faktorja območja zaupanja z razširjeno negotovostjo. Standardna negotovost je v tem primeru izračunana iz enačbe (20):

75 ISO‐5168, 2005, str.20

76 ISO‐5168, 2005, str.20

251 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

U xu )( = , (20) i k kjer je:

‐ U = razširjena negotovost, ‐ K = faktor območja zaupanja.

V primeru, da je faktor območja zaupanja določen razširjeni porazdelitvi, je potrebno izbrati pravilno vrednost k. Pri 95% stopnji zaupanja je vrednost k enaka 2. c) Trikotna verjetnostna porazdelitev

Nekatere negotovosti so podane kot maksimalne meje v katerih naj bi ležale vse vrednosti merjene količine.

Graf 3: Trikotna verjetnostna porazdelitev77 Graf 4: Nesimetrična verjetnostna porazdelitev78

Vrednosti, ki so bližje mejam so manj verjetne od tistih, ki so bližje sredinam meja. V tem primeru bi bila predpostavka z pravokotno porazdelitvijo preveč pesimistična. Trikotna porazdelitev (graf 3) je kompromis med normalno in pravokotno porazdelitvijo in standardna negotovost je določena z enačbo (21):

ai xu i )( = . (21) 6 d) Bimodalna verjetnostna porazdelitev

Bimodalna verjetnostna porazdelitev je uporabna takrat, ko je napaka vedno ekstremna vrednost izmerjene količine. Primeri tovrstne porazdelitve so pri meritvah toka tekočin izjemno redki. Standardna negotovost je podana je z enačbo (22):

)( = axu ii . (22) e) Nesimetrična verjetnostna porazdelitev

77 ISO‐5168, 2005, str.20

78 ISO‐5168, 2005, str.21

252 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Zgoraj opisani primeri veljajo za simetrične porazdelitve. V določenih primerih zgornja in spodnja meja vhodne količine Xi nista simetrični glede na najboljši približek xi. V primeru, ko ni znana informacija o porazdelitvi, je priporočljiva uporaba pravokotne verjetnostne porazdelitve z celotnim območjem, ki je podobno območju med zgornjo in spodnjo mejo. Primer asimetrične porazdelitve (graf 4) je naraščajoče trenje v ležajih turbinskega merilnika hitrosti toka vode. Standardna negotovost je podana z enačbo (23):

+ ba ii xu i )( = , (23) 12

, kjer je iiii +<<− bxXax i ).()(

Bolj konzervativna možnost bi bila pravokotna porazdelitev z uporabo večjih vrednosti od obeh meja območja.

8.4.3 Kombiniranje negotovosti Ko je standardna negotovost vhodnih količin in njim pripadajočih koeficientov občutljivosti določena z metodo ocene negotovosti A ali B, je skupna negotovost izhodnih količin določena z enačbo (24):

N 2 c )( = ∑[]xucyu ii )( . (24) i=1

V primeru, ko so bile uporabljene relativne negotovosti, je potrebno upoštevati relativne koeficiente občutljivosti z enačbo (25):

N * * * 2 c )( = ∑[]xucyu ii )( . (25) i=1

Pri uporabi enačb (24) in (25) je potrebno upoštevati, da morajo biti vhodne količine medsebojno nepovezane. Povezanost med količinami nastopi takrat, ko je ena merilna naprava uporabljena za izvedbo več različnih meritev.

Ocenjevanje merilne negotovosti služi za presojo kakovosti izmerjenih hidravličnih veličin, ki so uporabljene za umerjanje posameznih parametrov hidravličnega modela. Ker so meritve osnova za določevanje vrednosti teh parametrov, je treba zagotoviti čim bolj kakovostne meritve oziroma v primeru, da jih ni mogoče zagotoviti, se je treba zavedati pomanjkljivosti le‐teh. Rezultati umerjanja izkazujejo visoko stopnjo istovetnosti, če poznamo stopnjo merilne negotovosti in posledično dajejo zaupanje v odločitve, ki bi jih sprejemali na podlagi tega hidravličnega modela.

8.5 Druge vsebine (sedimenti, erozijska območja, plazovita in plazljiva območja) V izdelan model interaktivne vizualizacije poplavnih območij za podporo interventnem ukrepanju je možno vključiti tudi razne druge vsebine, ki so sorodne vsebinam geografskim informacijskim sistemov: naplavišča površinskega odtoka, erozijsko območje, plazljivo območje, plazovito območje.

253 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

Naplavišče površinskega odtoka so deli zemljišč, na katerih se zaradi zmanjšane transportne sposobnosti razpršenega površinskega odtoka odlagajo naplavine. Erozijsko območje je površina, na kateri prihaja zaradi intenzivnega delovanja padavin in površinskih voda do izpiranja zemljišč (ZV‐1, 2002), erozija pa je proces, ki spreminja zemeljsko površje. Plazljivo območje je zemljišče, kjer zaradi pojava vode in geološke sestave tal ogrožena stabilnost zemeljskih ali hribinskih sestojev (ZV‐1, 2002). Plazovito območje je območje, kjer zaradi klimatskih in topografskih razlogov redno prihaja do pojava snežnih plazov ali pa obstoja velika verjetnost, da se pojavijo (ZV‐1, 2002).

8.6 Prenos drugih dinamičnih podatkov Spremljanje premikov vozil v 3D okolju prenos podatkov iz track vehicle programa post‐event analysis (če se cel sistem uporablja za vodenje ukrepanja v primeru poplav je mogoče na podlagi arhiviranja vsebin v bazi podatkov in potem izpisa log‐a teh vsebin zelo hitro izdelati poročilo o dogodku.

254 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

9 Zaključki V okviru projekta interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju smo izvedli številne pomembne obdelave, ki so bile potrebne za razvoj vizualizacijskega orodja s katerim se prikazujejo in obravnavajo poplavni dogodki. Pri tem smo se zgledovali tako v primerih iz tujine, kjer so različni avtorji in inštitucije ubrali primerljive razvojne poti, hkrati pa smo razvijali tudi lastna orodja in postopke, ki predstavljajo inovativni razvoj na tem področju. Rezultat opravljenega dela je tako niz postopkov in orodij, ki omogočajo prenos tako kompleksnega pojava kot je interventno ukrepanje v primeru poplav v zahtevno tri‐dimenzijsko vizualizacijsko okolje. Pri tem je mogoče izpostaviti nekaj ključnih elementov, ki sestavljajo ta projekt:

1) Hidravlični modeli izdelani na osnovi LIDAR podatkov. V okviru projekta so se je prvič v takem obsegu v Sloveniji uporabili podatki pridobljeni z LIDAR tehnologijo zaznavanja, ki omogoča identifikacijo digitalnega modela reliefa z visoko natančnostjo. V okviru projekta smo se tako srečevali s popolnoma novimi izzivi vezanimi na hidravlično modeliranje, ki izhajajo iz tega, da ob uporabi LIDAR podatkov

2) Navedeni podatki so omogočili izdelavo hidravličnih modelov, s katerimi je mogoče izredno natančno ovrednotiti poplavno nevarnost na obravnavanih poplavnih območjih. V primerjavi s tradicionalnim načinom izdelave hidravličnih modelov (še posebej dvodimenzijskih) je obseg uporabljenih podatkov in način izdelave hidravličnih modelov inovativen in omogoča hidravlično modeliranje z višjo natančnostjo, hkrati pa tudi hitrejšo izdelavo hidravličnih modelov.

3) Izvedene hidravlične analize in njihova integracija v vizualizacijsko okolje so izpostavili nekatere pomanjkljivosti, predvsem v sistemu upravljanja z vodami. Med njimi je potrebno predvsem izpostaviti stanje katastra voda in vodne infrastrukture, pa tudi klasifikacijski sistem rečnih odsekov, ki trenutno v RS še ne obstaja.

4) Okolje za vizualizacijo, ki je bilo razvito eza potreb projekta ni bilo razvito v enem koraku, saj je bilo potrebno izvesti več poizkusov s preizkušanjem različnih tehnik, ki omogočajo 3D vizualizacijo zahtevnih geometrij v realnem času.

5) Interaktivnost vizualizacije je v tem, da aplikacija v realnem času spremlja pretoke na avtomatskih merilnih napravah državne mreže monitoringa) (ARSO in jih na podlagi implementiranih algoritmov pretvarja v prostorsko‐grafični prikaz, ki je pridobljen na podlagi matematičnega hidravličnega modela. Odprta zasnova aplikacije omogoča nadaljnje vključevanje različnih objektov, tako statičnih kot tudi dinamičnih v izdelano vizualizacijsko okolje.

6) Vizualizacija objektov, ki so predmet poplavljanja (kataster stavb) in ostalih objektov, ter infrastrukture je bila ustrezno izvedena in taka predstavlja podlago za sistem za podporo odločanju.

255 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

7) Oblikovanje tri‐dimenzijskih objektov in njihova integracija v vizualizacijsko okolje je bilo eno od področij dela v projektu. Tok oblikovanja, prenosa in upravljanja s tridimenzijskimi objekti je ključnega pomena za vzdržnost in dologoročni razvoj tovrstne aplikacije.

8) Glede na to, da za vsa obravnavana območja še niso izdelane osvežene hidrološke analize smo v za potrebe vizualizacije izbrali kot osnovno merilo pretoke, ki so izmerjene vrednosti in jih je kot take mogoče neposredno vključevati v vizualizacijsko okolje za podporo odločanju. Kjer so na razpolago ustrezni podatki se ti pretoki navezujejo tudi na povratne dobe nastopa ali preseganja določenega poplavnega dogodka.

9) Vzdrževanje in nadgradnja sistema vizualizacije je relativno enostavno, saj je možno enostavno dodajanje novih in novih poplavnih območij za katere je bila študija poplavne nevarnost izdelana z matematičnim modelom, ali pa je bil izveden posnetek dejanskega poplavnega dogodka.

NADALJNJE DELO

Tekom procesa izdelave naloge so se nam ob zadovoljstvu, da vzpostavljamo interaktivno vizualizacijo poplavnih območij, odpirale tudi številno nove ideje, zaradi katerih menimo, da to šele prvi korak k postopnemu razvoju polno integriranega tri‐dimenzijskega orodja za podporo odločanju. Kot ključna področja potreb za nadaljnje delo tako izpostavljamo:

1) Nadaljevanje dela na aplikaciji za tridimenzionalno vizualizacijo z nadgradnjo njenih zmožnosti za prenos oz. vizualizacijo vedno večjega obsega podatkov, ki bo v čim večjem obsegu vključeval tudi čim bolj podrobne LIDAR podatke.

2) Integracija novih procesov, entitet in njihovih atributov v vizualizacijsko okolje; v splošnem so v trenutno verzijo aplikacije vključeni: topografija območja, prostorske poplavne linije glede na različne pretoke, škodni objekti stavbe in infrastruktura. Glede na odprto zasnovo okolja je mogoče vključevati tudi številne ostale procese, entitete in njihove atribute in na ta način izboljšati uporabnost orodja za uporabnike. Med entitetami ki jih je v tej fazi mogoče opredeliti so predvsem objekti vodnogospodarske infrastrukture, med procesi pa procesi zaščite in reševanja, ki so opredeljeni v načrtih zaščite in reševanja za vsako posamezno poplavno območje.

3) Kalibracija in validacija hidravličnih modelov je bila okviru projekta le delno izvedena, samo za posamezna poplavna področja, za katera so obstajali ustrezni podatki. Glede na to, da je uporabnost orodja močno odvisna tudi od kakovosti podatkov, ki so vključeni v okolje je potrebno. Povezano s hidravličnim modeliranjem je potrebno izvesti tudi doslednejši pristop k obravnavi poplavnih scenarijev, ki jih je potrebno identificirati in potem z vidika vodenja poplav tudi implementirati kot realne scenarije. Osnovni element za to je, da se ob vsakem poplavnem dogodku ta tudi ustrezno dokumentira, tako obseg poplav kot tudi mehanizem nastanka in dinamika realizacije poplave.

4) Kot eden pomembnih vidikov, ki so bili tekom projekta tudi testno analizirani je tudi identifikacija in vizualizacija hitrosti vodnega toka. Poleg globine vode, ki predstavlja osnovno nevarnost za ljudi in škode na nekem poplavnem območju je hitrost vodnega toka v primeru

256 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

poplav manj očitni vir nevarnosti, pa vendar morda celo bolj ogroža človeška življenja kot sama globina vode, saj je delovanje vodnega toka manj predvidljivo.

5) Širitev kroga uporabnikov; čeprav se bo orodje v prvi vrsti uporabljalo za potrebe podpore odločanju v procesu aktiviranja in dela sil zaščite in reševanja, pa je mogoče celoten sistem nameniti tudi širšemu krogu uporabnikov in na ta način po eni strani uporabiti orodje v delu celovitega pristopa k osveščanju prebivalstva pred poplavno nevarnostjo, po drugi strani pa je mogoče na ta način pridobivati tudi pomembne povratne informacije o kakovosti modela in realnosti vizualizacije.

6) Izboljšana analitska kapaciteta orodja; glede na to, da je bil osnovni cilj projekta izdelava interaktivnega vizualizacijskega okolja s prikazom določenih poplavnih območij za potrebe interventnega ukrepanja, lahko po realizaciji te naloge ugotovimo, da je možen in potreben tudi naslednji korak, s katerim bi lahko razširili krog uporabnikov tudi na ostale deležnike v procesu upravljanja s poplavami.

V splošnem lahko ugotovimo, da obravnavani projekt predstavlja izredno pomembno razvojno delo na dveh področjih: (1) področje hidravličnega modeliranja poplav, ter širše področje vodenja poplav, ter (2) področje tridimenzijske vizualizacije za potrebe odločanja in interventnega ukrepanja. Na vsakem od navedenih področij so partnerji v projektu izvedli pomembne razvojne korake in jih implementirali v delujočo aplikacijo, hkrati pa so z integracijo obeh področij prestavili razvojne mejnike še za korak naprej.

257 Interaktivna vizualizacija poplavnih območij za podporo interventnemu ukrepanju

10 Literatura Autodesk 2008. AutoCAD Civil 3D 2009 Users Guide, 2008.

Garland M., Heckbert P. Surface Simplification Using Quadric Error Metrics. Zbornik SIGGRAPH '97. Los Angeles, ZDA, avg 1997.

Yan J., Shi P., Zhang D. Mesh Simplification with Hierarchical Shape Analysis and Iterative Edge Contraction. Transactions on the Visualisation and Computer Graphics, 10/2, pp 142‐151, IEEE 2004.

Hoppe H., DeRose T., Duchamp T., McDonald J., Stuetzle W. Mesh Optimization. Zbornik SIGGRAPH '93. Anaheim, ZDA, avg 1993.

Hoppe H. Progressive Meshes. Zbornik SIGGRAPH '96. New Orleans, ZDA, avg 1996.

Andersson M., Gudmundsson J., Levcopoulos Ch. Restricted Mesh Simplification Using Edge Contractions. Zbornik COCOON 2006, Taipei, 2006.

Wolle T., Bodlaender H.L. A Note on Edge Contraction. Institute of information and computing sciences, Utrecht university, technical report UU‐CS‐2004‐028, 2004.

[Bloom] Bloom, Charles, "Terrain Texture compositing by blending in the frame buffer"

[Boer] de Boer, W.H., "Fast terrain rendering Using Geometrical MipMappiing", October 2000

[Duchaineau97] Duchaineau, M., M. Wolinski, D.Sigeti, M.Miller, C. Aldrich and M.Mineev‐ Weinsteing "ROAMing terrain" Real time optimally adapting meshes", IEEE Visualization '97, pp 81‐ 987, 1997, http://www.llnl.gov/graphics/ROAM

[Hoppe98] Hoppe, H. "Smooth view dependent level of detail control and its application to Terrain Rendering" IEEE Visualization 1998, October 1998, pp 35‐42, http://www.research.microsoft.com/~hoppe

[deBerg] De Berg, Mark, Computational Gometry 2nd edition, Springer, 2000. pp. 2‐19

[Ulrich02] Ulrich T, Rendering Massive Terrains using Chunked Level of Detail Control"

Janežič, M., Kosmatin Fras, M., 2002. Development of 3D buildings database in the Municipality of Ljubljana for the needs of 3D location documentation, Technical report (in Slovene language), Ljubljana.

M. Kosmatin Fras, M. Janežič, D. Kreuh, T.Fius, 2003, Visualization of 3D Spatial Data for City Planning, Geoinformation for Practice, Croatia

[Akenine‐Moller], Real‐Time Rendering, 2002, Akenine‐Moller, Haines

[Phar], Pharr, Matt, GPU Gems 2, 2005, Addison Wesley

258