Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozása ... · Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozása térinformatikai alapú modellrendszer alkalmazásával

Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozása térinformatikai alapúmodellrendszer alkalmazásával

Lucza Zoltán(1) – Szabó János Adolf(2) – Réti Gábor(2)

1) FETIVIZIG, Vízrajzi és Adattári Osztály;2) HYDROInform, Hidroinformatikai rendszerfejlesztő Betéti Társaság;

I. Előzmények

Az elmúlt évek (1998, 2001, 2006.) árvizei többször is bebizonyították: árvíz-hidrológiai éshidrometeorológiai sajátosságok miatt a Felső-Tiszán és mellékfolyóin az év bármelyidőszakában lehet magas és heves árhullámokra számítani. A vízszintemelkedések 12-36 óraalatt elérhetik a védekezés szempontjából kritikus értékeket. Az áradás intenzitása 30-40 cm/óra,a Tisza 10-12 m-t is emelkedhet a tetőzésig.

Az utóbbi évek nagy károkat és emberéleteket is követelő árvizeinek hatására Ukrajnábannagymértékű és egyre gyorsuló töltésfejlesztési munkák indultak. A jelenlegi ukrán árvízvédelmikoncepció a teljes 824,7 km hosszú töltésrendszer (töltések és partbiztosítások együttes hossza)fejlesztését tartalmazza, 1 %-os mértékadó árvízre méretezve a meglévő töltések erősítését.

A Felső-Tisza árvíz-hidrológiai és hidrometeorológiai sajátosságai, valamint az elmúltidőszakban megtapasztalt árvízi események rendkívüliségeire utaló statisztikák (mint pld.:gyakoriság, intenzitás, tartózkodási/reakció idő, tetőző vízszintek, stb.) előnytelen alakulásavisszaigazolni látszik az utóbbi időkben a témakört behatóan vizsgáló tanulmányokmegállapításait, miszerint a jövőben számítani kell az eddigieknél is magasabb és egyéb árvíz-hidrológiai tulajdonságaiban is változó árvízi helyzetek kialakulására.

Fentiek alapján a kockázatvállalás ésszerű mértékének fenntartása megkövetelte, hogy a térségárvízi védekezéséért felelős döntéshozói újragondolják az operatív hidrológiai, árvízi előrejelzésés a valósidejű számítógépes kockázatelemzés fejlesztésének lehetőségeit, és megtervezzenekegy megújított szemléletű, a jelen és a közeli jövő – fent hivatkozott – változásaira is reagáló,országhatárokon átívelő, közös érdekeltségű és üzemeltetésű, valós idejű integrált árvíziinformációs és erőforrás-optimalizált előrejelző rendszert. Az előrejelző rendszer célterületéttekintve (lásd 1. ábra) valójában három részvízgyűjtő uniója: A Tisza a Bodrog csatlakozása előtt(kb. 35 489 km2) + Ung az ukrán-szlovák határig (kb. 3 362 km2) + Latorca az ukrán-szlovákhatárig (kb. 1 992 km2), amelyek együttesen mintegy 40 843 km2.

A tervezett fejlesztések megvalósítására kidolgozott Magyar – Ukrán közös elgondolás azEurópai Szomszédsági és Partnerségi Támogatási Eszköz (ENPI) finanszírozási forma keretébennyert támogatást „A magyar és ukrán Felső-Tiszai árvízvédelmi fejlesztési programoktovábbfejlesztése és összehangolása, integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer létrehozásatérinformatikai alapú modellrendszer alkalmazásával” című pályázattal.A közös magyar-ukrán pályázat vezető partnere a Tiszai Vízgyűjtő-gazdálkodási Igazgatóság(Ungvár), közreműködő partnerek a Felső-Tisza-vidéki Vízügyi Igazgatóság (Nyíregyháza) ésKárpátaljai Hidrometeorológiai Szolgálat (Ungvár).

Fentieknek megfelelően, a közös Magyar-Ukrán fejlesztés legfőbb célja tehát az volt, hogy egykorszerű, közös üzemeltetésű hidrológiai előrejelző rendszerrel javítsuk az előrejelzéseink(különös tekintettel az árvízi) megbízhatóságát és növeljük időelőnyét.

2

Jelen dolgozatban röviden bemutatjuk a rendszer lényeges elemeit, erőforrásait, és beszámolunkaz eddig szerzett üzemeltetési tapasztalatainkról is.

1. ábra: A projekt célterülete, a kifejlesztett (DIWA-HFMS) program fő panelje

II. Módszertani áttekintés

Az ENPI támogatást nyert pályázat alapján a rendszerfejlesztés közvetlen célja egy korszerű,tudományosan is megalapozott, a nemzetközi szakmai palettán is magasan jegyezhető integráltszellemű előrejelző modell- és számítógépi program-rendszer kifejlesztése volt az 1. ábra alattbemutatott célterületre. A fejlesztéssel kapcsolatos alapelvárások az alábbiak voltak:

– A rendszer a működtetéshez szükséges minden adatot adott, rögzített protokoll szerint aFETIVIZIG szerverfarmjáról nyers adatként veszi át, azokat az előrejelzés céljainakmegfelelően maga dolgozza fel, készíti elő és tárolja a saját adatbázisában továbbifelhasználásig.

– Hidrológiai előrejelzések végrehajtása térinformatikai alapokon nyugvó (térben ésparamétereiben osztott) hidrológiai modellrendszer felhasználásával.

– Olyan informatikai megoldást kellett kidolgozni, amely alkalmas az előrejelzett adatok ésinformációk alapján származtatott riasztások kezelésére, szétosztására oly módon, hogyközben kielégítik a résztvevő országok központi és egyéb vonatkozó munkaszervezeteinekegyedi és közös igényeit.

– Az üzemeltetés teljes folyamatát (adatkinyerés az adatfarmról, elő-feldolgozás, előrejelzés,riportok a tájékoztatási és riasztó rendszer felé) automatikusan, diszpécseri beavatkozásnélkül végzi.

– Az automatikus procedúrákat elkerülve lehetőség alternatív előrejelzések kidolgozására.

3

A FETIVIZIG mint megbízó konkrétan megfogalmazta a rendszerfejlesztéssel kapcsolatosfeladatokat is. Ezek alapján a rendszerfejlesztést az alábbi szekvenciában kellett megvalósítani:

– Az integrált előrejelző rendszer részleteinek kidolgozása.– Integrált árvízi információs rendszer kialakítása. Az adatok és információk minden érdekelt

fél, intézmény számára történő on-line elérhetőségének biztosítása.– Automatikus adat-előkészítő, adatbázis kezelő informatikai rendszer kialakítása.– Előrejelző modell és szoftver-rendszer kifejlesztése ultrarövidtávú (1-6 óra) mennyiségi

csapadék-előrejelző (Auto-NowCasting), és folyamatos hidrológiai előrejelző modulokkalaz 1. ábra alatti célterületre.

– A már létező, vagy tervezés alatt álló árvízvédelmi rendszerek (hegyvidéki árapasztók,síkvidéki tározók, polderek) optimális üzemirányításához szükséges finom időskálájú (órás)előrejelzéseinek biztosítása.

– Előrejelző szoftver-rendszer és adatbázis-használat oktatása 10 mérnöknap (5 nap oktatásUkrajnában a Kárpátaljai Vízügyi Igazgatóságon és 5 nap Nyíregyházán a FETIVÍZIG-en).

– Záró dokumentáció, működő előrejelző rendszer beüzemelése Nyíregyházán a FETIVÍZIG-en és Ukrajnában a vezető partnernél és a projektpartnernél, Ungváron a Kárpátaljai VízügyiIgazgatóságon és a Hidrometeorológiai Szolgálatnál.

II.1 Elvárt kapcsolódás már meglévő információs rendszerekhez

A kifejlesztett rendszerrel szembeni elvárások egy lényeges pontja volt, hogy annak logikailag isés fizikailag is maximálisan illeszkednie kell a rendszert üzemeltető FETIVÍZIG informatikairendszereihez. Ennek mentén alapvetően a kapcsolódás két szintjét kell elkülönítenünk: hálózati,hálózati-logisztikai, valamint funkcionális illeszkedés.

A) Hálózati, hálózati-logisztikai illeszkedés valójában annak elvárása, hogy a rendszert és arendszert kiszolgáló informatikai erőforrásokat egy már meglévő, adott informatikaikörnyezetbe kell beágyazni.

B) A rendszer funkcionális illeszkedése szempontjából alapvető kiindulási pont volt, hogykidolgozandó egy „Integrált Árvízi Információs Rendszer”, amely szerves része kelllegyen a már meglévő VIZIG-INFO belső információs rendszernek. A fejlesztés keretébengondoskodni kell az adatok és információk minden érdekelt fél, intézmény számára történőon-line elérhetőségének többszintű biztosításáról.

II.2 A rendszerkomponensek architektúrája – logikai elrendezés

A rendszer lényeges komponenseit szoftvermodulok és azok alapvető részmoduljai,adatinterfészek, adatbázisok, külső adatszolgáltatói rendszerek, és felhasználói felületek alkotják.Azok topologikus összefüggéseit, egymáshoz viszonyított elhelyezkedését jól szemlélteti a 2.ábrán látható úgynevezett „szolgáltatás-folyam” diagram.

Az ábrán jól láthatóan két alapvető szintet különítettünk el: az adatszolgáltatói, valamint azelőrejelző rendszer szintjeit. Bár logikailag összefüggő rendszerről van szó, mégis a két szintközött az a lényeges különbség, hogy az első, az adatszolgáltatói szint elemeinek kifejlesztéséért,létének biztosításáért a Megrendelő, míg a másik szintért a tervező-fejlesztő konzorcium felel.A rendszer-architektúra áttekintését – ahol lehet – szekvenciális szempontok szerint célszerűkövetnünk. Ezek szerint:

4

2. ábra: A rendszerkomponensek architektúrája, szolgáltatás-folyam diagramja

a. Az előrejelző rendszer logikailag is és fizikailag is a FETIVIZIG telephelyén üzemeltetettrendszerfarm adataival van kapcsolatban, amelynek az adatbázisait külső adatszolgáltatók,terepi mérő-automaták és konvencionális mérési adatok adatfelvitele révén regulárisan, adottprotokollok szerint töltik. A rendszertervezőknek ezzel a területtel tehát nem kellettfoglalkozniuk. Azt feltételezzük, hogy az oda beérkező adatok a szükséges mennyiségben ésidőben az előrejelzés valós időn belüli kivitelezéséhez a rendszer számára kinyerhetőek. Eztehát a rendszer működésének egyik legfontosabb alapfeltétele.

b. Az előrejelzés bemenő adatait egy automatikusan betöltődő „adatexportőr” procedúraötpercenkénti mintavételezéssel az előre definiált protokoll szerinti tartalmat megkeresi aszerverfarm adott helyein, és a feladathoz rendelt adat-interfész helyre teszi továbbifelhasználás céljából.

5

c. A rendszer számára érkező adatokat fogadó adat-interfészt egy adatértelmező programötpercenként megvizsgálja, és ha ott újabb kiértékelhető adatot talál azokat átveszi,funkcionális alapon szétosztja. Egy részét közvetlenül betölti az előrejelző rendszeradatbázisába, más részét újabb adat-interfészbe helyezi további adatfeldolgozás céljából. Haa szükséges mennyiségű adat egy adott időkorláton belül (az előrejelzés időelőnyét megelőző20. percig bezáróan) nem áll rendelékezésre az adat-interfészben, a helyzetet naplózza, és azadathiány függvényében jár el.

d. A hidrometriai adatok (vízállás, vízhozam) bizonyos elő-feldolgozást igényelnek, amelyetegy cél-szoftver végez el. A szoftver öt percenként megvizsgálja a c) pont alatt töltött adat-interfész tartalmát, és ha a feldolgozás feltételei fennállnak, a feldolgozás megkezdődik, és aszármaztatott adatokat betölti az előrejelző rendszer saját adatbázisába.

e. A meteorológiai adatok (csapadék, léghőmérséklet) bizonyos elő-feldolgozást igényelnekamelyet a DIWA-MetField cél-szoftver végez el automatikusan. A szoftver öt percenkéntmegvizsgálja a c) pont alatt töltött adat-interfész tartalmát, és ha a feldolgozás feltételeifennállnak, a feldolgozás megkezdődik, és a származtatott adatokat betölti az előrejelzőrendszer nsaját adatbázisába.

f. Az ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés feltételei a rendszer saját adatbázisában állnak össze.Ezért az előrejelzést kivitelező DIWA-Nowcasting szoftver öt percenként megvizsgálja afeltételeket, és ha azok fennállnak, az előrejelzést elvégzi, majd a származtatott adatokatbetölti az előrejelző rendszer saját adatbázisába.

g. Az „Integrált adat-utófeldolgozó” program 20 perccel az előrejelzés időelőnyének lejártaelőtt megvizsgálja a rendelkezésére álló adatokat, és ha nincs objektív akadálya, elvégzifeladatát, és az eredményeket visszateszi az adatbázisába.

h. A DIWA (GIS alapú hidrológiai szimulációs) szoftver 15 perccel az előrejelzés időelőnyéneklejárta előtt megvizsgálja a rendelkezésére álló adatokat, és ha nincs objektív akadálya,elvégzi az előrejelzést, és az eredményeket visszateszi az adatbázisába.

i. A HEC-RAS hidraulikai szoftver a DIWA lefutása után azonnal betöltődik a memóriába,kiszámítja a Tisza fővízfolyás Huszt-Tokaj szakaszára a vízállás-hosszelvényeket, majd azeredményeket visszateszi az adatbázisába.

j. Az előrejelzés befejeztével azonnal betöltődik egy adat-export program amely az előrejelzésieredményekről automatikusan riportot készít a tájékoztatási és riasztási rendszer felé adottprotokoll szerint, majd az exportált adatokat, információkat adat-interfészbe helyezi eltovábbi feldolgozás céljából.

k. Az előrejelzés befejeztével, a j)-vel párhuzamosan azonnal betöltődik egy másik adat-exportprogram is, amely a magyar és ukrán forgatókönyv-elemző szerverének adatbázisaitaktualizálja.

l. A fenti, b)-k) pontok alatt leírt komponenseket a DIWA-HFMS „Feladatvezérlő automata”fogja össze (panelképét lásd az 1 ábrán). Ennek a rezidens programnak a dolga a hatókörébenlévő feladatok időzített (időkritikus) kiosztása, az elvégzett tevékenység naplózása, és azoperátor (szak-diszpécser) tájékoztatása a rendszer pillanatnyi állapota felől.

6

m. A rendszer tájékoztatási és riasztási program modulja az erre a célra konstruált SQLadatbázisban regulárisan elhelyezett (lásd az „j)” pont alatt) adatokat, információkat eljuttatjaa célcsoportok megfelelő köreihez.

III. Az előrejelző modell-rendszer és moduljai

A modell-rendszert három lényeges, úgynevezett elsődleges részmodulra, majd azokat újabb,másodlagos részmodulokra bontottuk az alábbiak szerint:

– Adat elő-, és utó-feldolgozó modellek Idősor-adatok regularizációja Hidrometeorológiai mezőadatok modellezése, csapadék-radaradat integráció Ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés (Auto-nowcasting)

– A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer A DIWA modell A modell térinformatikai hátterének felépítése Modell-kalibrációs modul A HEC-RAS hidraulikai modul beágyazása

– A tájékoztatási és riasztási rendszer Adatbázis-kezelés A web alapú megjelenítés

III.1 Adat előkészítő modellek

Az adat-előkészítés feladatainak egy része gyakran nagyon komoly matematikai modellezéstigényelnek. Különösen így van ez a térinformatikai alapokon nyugvó osztott hidrológiaimodellek esetében, amilyen a jelen rendszer is, melyben lényegében három, jól elkülöníthetőmegoldandó adatelőkészítési feladatról beszélünk, amelyek mindegyike matematikai modellezéstigényel.

III.1.1. Idősor-adatok regularizációja

A különböző adatszolgáltatótól érkező idősor jellegű adatokat (pl.: vízállás, vízhozam, csapadék,stb.) általában nem egyenlő lépésközben mintavételezik, vagy ha mégis, akkor pedig nemminden esetben adódik úgy, hogy annak időléptéke megegyezik a rendszerterv szerinti 1 órásléptékkel. Ezért ebben a rész-modulban olyan eljárásokat alkalmazunk, amellyel azokleképezhetőek a célkitűzéseknek megfelelő 1 órás reguláris időintervallumokra.

III.1.2 Hidrometeorológiai mezőadatok modellezése

A csapadék és a léghőmérsékleti adatok kulcsfontosságú peremfeltételi adatai a hidrológiaimodelleknek. A lehulló csapadék térfogatának és térbeli eloszlásának alakulása a kialakulóárhullám mértékét és összegyülekezési idejét alapvetően befolyásolja, alakítja. A csapadékhalmazállapotának, és a vízgyűjtő párolgási viszonyainak térbeli megoszlását viszont ahőmérséklet területi és magassági eloszlása szabja meg.Különösen érzékeny pontja ez az úgynevezett osztott paraméterű hidrológiai modelleknek,amilyen a jelen előrejelző rendszer motorját képező DIWA modell is. Ezeknek a modelleknek –természetüknél fogva – a peremfeltételt jelentő klimatológiai adatokat (hasonlóan minden más

7

szükséges adathoz és paraméterhez) a modell felbontási sűrűséghez igazodva kell előállítani (1x1km).

III.1.3 Ultrarövidtávú csapadék-előrejelzés (Auto-nowcasting)

Szakmai körökben közismert, hogy a konvektív feláramlások hatására kialakulni képes nagycsapadékesemények előrejelzése a regionális modellekkel lehetetlen, ezért szintén lehetetlen azezekből származó, úgynevezett hirtelen keletkező árvizek (flash flood) előrejelzése. Erre a célraa világon szinte mindenütt a csapadékmező pillanatnyi mozgásának térben és időben valóextrapolálásán alapuló (2D-s mező-extrapoláció) eljárásokat dolgoznak ki.A módszer hatékonyságának két fontos kulcsa van: a módszer bemenetét képező múltbeli (teháta méréseken alapuló) mezőadat minél kisebb bizonytalanságú leírása, és az alkalmazottextrapolációs modell. Mi a jelen rendszerben a problémát modellezési technikán (radaradat ésföldi adat matematikai kompozitálásán) alapuló 2D-s autókorrelációs módszerrel kezeltük. Azalgoritmus lépései a 3. ábrán követhetőek nyomon:

3. ábra: Az ultra-rövidtávú csapadék-előrejelzés illusztratív sémája

8

III.2 A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer

A DIWA integrált hidrológiai modell-rendszer – felhasználva az adat előkészítő modellek általfeldolgozott adatokat – származtatja mindazokat az előrejelzési adatokat, információkat amelyekegy korszerű hidrológiai előrejelzéstől napjaink döntéshozói elvárhatnak.A megvalósított rendszerünkben ez az integrált feldolgozói alrendszer az alábbi két lényegesmodell funkcionálisan harmonizált integrációját fogja jelenteni:

a. Egy 1x1 km felbontású térinformatikai adatokra épülő osztott paraméterű 3D-shidrológiai modell (DIWA modell) a csapadék-lefolyás bonyolult folyamatának leírására,és

b. Egy 1D-s hidraulikai modell (HEC-RAS modell), amely a Tisza fővízfolyás Huszt-Tokajszakaszán kialakuló felszíngörbéket, vagy később akár a síkvidéki szükségtározóküzemirányítását is hivatott lesz majd modellezni.

III.2.1 A DIWA modell

A vízgyűjtőn lejátszódó bonyolult hidrológiai folyamatok többcélú modellezésének módszertanieszköztára jelentős – mondhatni ugrásszerű – változáson ment keresztül az utóbbi egy-kétévtizedben. A távérzékelés technológiai és minőségi fejlődése, a geoinformatika önállótudományának kialakulása, a nagyteljesítményű számítógépek megjelenése és ezzelpárhuzamosan a számítástudomány továbbfejlődése, de nem utolsó sorban az automata földimérőhálózatok megjelenése egészen új távlatokat nyitott komplex hidrológiai rendszerek,folyamatok integrált szemléletű elemzésére, modellezésére, és előrejelzésére.

4. ábra. A DIWA hidrológiai modell 3D-s elvi sémája.

A DIWA kombinált elvek mentén kifejlesztett, döntően fizikai alapokon nyugvó, térben ésparamétereiben is osztott dinamikus vízgyűjtő-hidrológiai modell, amely a vízgyűjtőt elemicellákra (gridekre) osztva tekinteni (lásd 4. ábra). Ezáltal – cellánként – eltérő értékben képes

9

figyelembe venni az alapvető vízgyűjtő-karakterisztikákat, paramétereket, fizikai állandókat és ahatárfeltételi adatokat (pl.: meteorológiai, vagy opcionálisan a talajvízszint), amelyeket aztán acellán belül már homogénnek, oszthatatlannak tételezünk fel. A szomszédos cellák a felszíniösszegyülekezés folyamatában (felsőbb vízgyűjtőterületeken a felszín alattiban is) azúgynevezett lefolyási hierarchia mentén vannak egymással kapcsolatban, amelyekre alkalmazzáka vízmérleg és a megfelelő dinamikai egyenleteket, melyek által gyakorlatilag eljutnak afolyamat 3 dimenziós matematikai modelljéhez.

5. Ábra. A DIWA modell egyszerűsített folyamatábrája.

A fenti 4 és 5 ábrákon jól nyomon követhetőek a modellezett folyamat lényeges részfolyamatai,mint például, hogy a DIWA a peremfeltételi csapadék intercepció utáni maradékát az esetlegesolvadékvízzel együtt a legfelső „elosztó” zónába vezeti. Onnan aztán a fizikatörvényszerűségeinek megfelelően egy része elpárolog, egy másik része közvetlenül a talaj felső,majd onnan az alsóbb részeibe jut, míg egy harmadik része közvetlenül a felszínnelpárhuzamosan, de az „O” horizon belső szivacsos szerkezetében képez lefolyást. A talajba kerültvíz egy része pedig az adott elemre jellemző talajtípus, vegetáció, talajtelítettség és a levegőpáratartalmának függvényében evapotranspirálódik, miközben a másik része részt vesz a felszínalatti lefolyásban.A modell egy további nagyon lényeges beépített komponense az önszabályozó völgyzárógátashegyvidéki tározók működésének hidraulikai modulja. Ez a modul lehetővé teszi a vízhálózatbármely pontján definiált (felparaméterezett) tározó lefolyás-módosító hatásának elemzését,előrejelzését.

Ezen – kétségtelenül előnyös – lehetőségek kihasználásához azonban nem egyszerű, sőt,mondhatni nagyon bonyolult út vezet. Komoly geo- illetve tér-informatikai, és hidrológiai-modellezői szaktudást igénylő, alapos átgondoltsággal meg kellett tervezni, és ki kellett építeni avízgyűjtő idealizált térinformatikai modelljét, és annak adatbázisát is. A GIS adatbázisnakalapvetően kategóriája van:

I. Statikus GIS adatbázis-komponens: A vízgyűjtő lényeges karakterisztikáinak,paramétereinek, állapotjellemzőinek és fizikai állandóinak véges rácsfelbontású georeferált

10

eloszlásait tartalmazó digitális adatrendszer, digitális vízgyűjtőmodell. Ennél fogva avízgyűjtőmodell tehát egyfelől egy geometriai eloszlás, másfelől egy a geometriai eloszlássalmegegyező sűrűségű tulajdonság-eloszlások összessége, vagyis egy digitális prototípusa atekintett területnek. (Itt a statikus jelző arra utal, hogy a szóban forgó adatok – a modellezésskáláján mérve – hosszú idő távlatában állandónak tekinthetjük.)

II. Dinamikus GIS adatbázis-komponens: A DIWA matematikai modell peremi feltételeitjelentő meteorológiai adatok, valamint a modell által az idő mentén folyamatosan képzettállapotjellemzők véges rácsfelbontású georeferált eloszlásait tartalmazó digitálisadatrendszer. A dinamikus jelző itt arra utal, hogy olyan adatokról beszélünk, amelyek az I.-beli adatokkal ellentétben minden számítási időlépésben más és más térbeli eloszlás jellemez.

III.2.2 A HEC-RAS hidraulikai modul beágyazása

A DIWA hidrológiai modell a vízgyűjtőt érő különböző fluxusok anyagmérleg elvű dinamikusrendszerét írja le, ennek következtében annak eredményei (kimenetelei) szintén fluxusok(hozamok) lehetnek „csak”, miközben az árvízi védekezés egyik legfontosabb paramétere avízállás.Ezt az ellentmondást oly módon kezeltük, hogy a modellrendszer hidrológiai részmodellje(DIWA) számítási eredményeit a síkvidéki folyószakaszokon 1 dimenziós hidraulikai modellekveszik át mint a hidraulikai modell felső peremfeltétele, majd azok felhasználásával, és avízhálózaton a számítás kezdetén mért vízszintek kezdeti feltételével, valamint az ismertmedermorfológiai modell felhasználásával már számíthatóvá válnak a védekezésheznélkülözhetetlen vízfelszín értékei is. A feladat az, hogy a két modell integrációját oly mértékbengördülékennyé kell tenni, hogy a rendszert felügyelő szak-operátornak ne kelljen rendelkezniekülönlegesen mély ismeretekkel egy hidraulikai modul paraméterezésére és futtatására.

Olyan modellintegrációt valósítottunk meg, amelyben a DIWA hidrológiai modell futtatásieredményeit (vízhozam) mint kezdeti feltételeket automatikusan adja át a HEC-RAS hidraulikaimodellnek, majd azt szintén automatikusan elindítja, és a végterméket elhelyezi a feldolgozórendszer saját adatbázisába.

III.3 A Tájékoztatási és Riasztási Rendszer (TRR) moduljai

Az általános (koncepcionális) sémát az alábbi, 6. ábra mutatja be. A tájékoztatási feladatok azábra által vázolt folyamat teljes vertikumát lefedik, míg a riasztás különböző szintjei csak anövekvő árvízkockázatok előírt fázisainak az elérése esetén aktivizálódnak.

III.3.1 A tájékoztatás és riasztás alapelemei

A tájékoztatás szöveges, táblázatos, grafikonos és térképi eszközökkel történik. A szövegestájékoztatást elsősorban a hagyományosnak tekinthető kommunikációs csatornákon célszerűhasználni, de az adott hidrológiai helyzet rövid, szövegszerű bemutatása a kommunikációminden szintjén szükséges lehet. Az ilyen szöveges tájékoztatók készítését úgy kellmegszervezni, hogy annak törzs-szövegét egy alapséma szerint automatikusan generálja atájékoztató rendszer, felhasználva és beépítve az aktuális helyzetet leíró hidrológiaiállapotjellemzőket. Ez utóbbiakat, sok egyéb információ mellett, a TRR SQL-adatbázisaszolgáltatja. A TRR-ben automatikus tájékoztatás soha nem történhet, a tájékoztató anyagotközreadás előtt kézzel lehessen módosítani, majd a végleges anyag kerülhet ki a tájékoztatórendszer különféle csatornáira.

11

A táblázatos tájékoztatási anyag a VIZIG-INFO már jelenleg is működő táblázatainak mintájárakészül el az igény szerint meghatározandó tartalommal. A táblázat tartalma előre meghatározott,azon a felhasználó nem módosíthat.A grafikonos tájékoztató anyag szintén előre megkötött formában készül. A tájékoztató rendszerelső változatában egy grafikonon csak egyetlen adatsor jelenik meg. A megjelenített adatfajtátólfüggően a grafikonon egyéb, az állomásra vonatkozó adatok is megjeleníthetők (pld. vízállásesetén LNV, KV, LKV, riasztási szintek, stb.).

A térképi tájékoztatással olyan térbeli információkat jeleníthetünk meg, amiket az előbb felsoroltmódokon (pl. táblázat, grafikon) csak körülményesen, vagy nem hatékonyan lehet megtenni.Ilyen lehet például egy területen a csapadék-eloszlás, vagy a hóban tárolt vízkészlet eloszlása,stb. A térképek tartalmának dinamikus szerkesztése azonban messze túlmutat a jelen projektlehetőségein. Ebben az esetben a DIWA modell által folyamatosan készített tematikus térképeket(png-formátumban), ill. azok időbeli sorozatát jelenítheti meg a felhasználó. Megjegyzendő,hogy ugyanezt a technikát a Vízállás hossz-szelvények időbeli változásának grafikonosmegjelenítés során is célszerű alkalmazni egy folyón. Ezt a képsort azonban a DIWA modelláltal szolgáltatott adatokból a TRR-ben kell felhasználói kérésre elkészíteni.

Riasztás esetén a tájékoztatást szolgáló, fent felsorolt alaptechnikákon túlmenően, továbbieszközöket is alkalmazni kell. Ezek az eszközök a riasztás esetén informálandó személyek,szervezetek időben történő elérését és értesítését szolgálják. Ilyenek a rendszer által generáltszöveges üzenetek (email-ek, sms-ek). Ezek általában rövid, figyelemfelhívó üzenetek, melyeketa rendszer generál és küld ki automatikusan a riasztási listán szereplő személyeknek vagyszervezeteknek. Az ilyen üzeneteknek kizárólag az a célja, hogy egy kialakulóban lévő,potenciálisan veszélyes helyzetre hívják fel a figyelmet. Maga a részletes tájékoztatás, az adotthelyzet bemutatása a fent felsorolt tájékoztatási eszközökkel történik.

A riasztási séma készítésekor már figyelembe vettük az EU Árvízkockázati Irányelvében (ÁKI)megjelenő szemléletet. Ennek az a lényege, hogy magát a riasztási fokozatokat is azárvízkockázatok szempontjából tekintjük, és ennek figyelembe vételével értékeljük.

A jelenlegi hidrológiai rendszerben tehát a riasztás vízszintek alapján történik akkor, ha azelőrejelzett vízállás eléri valamelyik hivatalos riasztási fokozatot. A DIWA modell segítségévelazonban a rendszerünk ennél jóval többre is képes. Akár vízmércék esetén is, nem kell megvárni,amíg pl. az első (legfelső) vízmércén kialakul a riasztási helyzet. Az ún. Megfigyelési ReferenciaHelyek alkalmazásával, melyeket a vízgyűjtő tetszőleges pontján jelölhetünk ki a DIWAmodellel, jóval korábban észlelhető egy veszély-gyanús helyzet kialakulása azokon a távoliterületeken, ahol nem rendelkezünk merőállomással. Miután az MRH-t kijelöltük a vízgyűjtőn,az TRR SQL-adatbázisában ezt ugyanúgy kezeljük, mint a mérőhelyeket (vízmérce,csapadékmérő, stb.), és így hozzárendelhetünk minden ott megfigyelendő adatfajtára riasztásiszinteket is.

12

6. ábra. A riasztás általános sémája

Az MRH-k azonban két szempontból is eltérnek a mérőhelyektől. Ezek nem valódi állomások,sőt még csak nem is tényleges pontok. Amikor ezeket a DIWA-rendszerben meghatározzuk,akkor tulajdonképpen egy 1x1 km méretű cellát jelölünk ki. Az MRH elméletileg ennek acellának a középpontja. Minden MRH-hoz tartozik egy részvízgyűjtő (az a rész-vízgyűjtő,amelynek minden pontjáról a felszínen összegyülekező víz az adott MRH-n halad át) és bizonyosadatfajták esetén (pl. napi csapadékösszegek eloszlása) az így kijelölt MRH-hoz tartozhat egymesterséges adat-idősor, nevezetesen az adott MRH-hoz tartozó részvízgyűjtőn a szóban forgóadat területi jellemzőjének (pl.: átlaga, összege, stb.) idősora.

III.3.2 Az Integrált árvízi információs rendszer kialakítása

A rendszer fő funkciója a DIWA modell által előállított helyi idősor adatok és területi térképadatok vizuális megjelenítése, valamint riasztások indukálása előrejelzett idősor adatok alapján.A rendszer webes felülten történő interaktív prezentálásra és publikálásra lett kihegyezve, ezértfelhasználói oldalról csak böngésző alkalmazásra van szükség.

A rendszer elérhetősége:– INTRANETEN (http://hydra.fetivizig.vizugy) Csak belső hálózaton működik.– INTERNETEN (http://hydra.fetivizig.hu) Publikus külső DNS regisztrálás megtörtént az OVFszerverfarmon.

13

7. ábra Az árvízi információs rendszer nyitólapja

A rendszer elérhetősége:– INTRANETEN (http://hydra.fetivizig.vizugy) Csak belső hálózaton működik.– INTERNETEN (http://hydra.fetivizig.hu) Publikus külső DNS regisztrálás megtörtént azOVF szerverfarmon.

A felhasználói felület HTML5 technológiával került megvalósításra CSS stílusleíróformázásával. Mivel alapvetően minden megjelenített tartalmi egység az SQL adatbázisbólszármazik, ezért ezek megjelenítésért Javascript aszinkron hívások felelősök.

A felületen megjelenített adattípusok két formában jeleníthetők meg:– Idősor (táblázat és grafikon)– Térkép (kép állományokból generált hurokfilm)

Mindkét megjelenítési formátum dinamikusan generálódik az adatbázisból származó adatokból afelhasználó által kiválasztott szűrési feltételnek megfelelően.

Az idősorok megjelenítése:

A grafikon funkciói:– Dinamikus idősor generálás (észlelési időszak, előrejelzett időszakban)– Idősor adatok megjelenítése szövegbuborék formájában– Dinamikusan előállított vizuális jelölők megjelenítése állomástól függően

(LNV,LKV,riasztási szintek)– Adatsorok nagyítása (zoom-olás)

14

8. ábra Az észlelt és előrejelzett vízállás grafikus megjelenítése

Az adatbázisban szereplő törzstábla tartalmazza valamennyi állomás tekintetében az összesadattípus riasztási küszöbértékeit.Ez alapján megkülönböztetünk: Korai riasztás I., II., III. riasztási fokozat

A riasztási alrendszer egy háttérben működő SQL alapú tárolt eljárás, mely folyamatosan figyeliaz éppen aktuális modellből származó adatsorokat, ezeket feldolgozza és a kritériumoknakmegfelelően elkészíti az a riasztáshoz szükséges adathalmazt.

IV. A kifejlesztett programrendszer képességei, szolgáltatásai

A DIWA-HFMS számítógépi programrendszer valójában egy korszerű, felhasználóbarát,interaktív grafikus környezetbe ágyazott "direktor", amely az aktuális feladatnak megfelelőenautomatikusan (idővezérléssel), vagy a felhasználó által közvetlenül vezérelve irányítja avezérlésére bízott programmodulokat.

9. ábra A DIWA-HFMS fő panelje

15

A DIWA-HFMS programot alapvetően két féle képen lehet használni: előrejelző, és modellezőüzemmódokban.

Az előrejelző üzemmódban a program egy beépített, szigorú protokollnak megfelelőenidőkritikusan hajtja végre a protokoll szerinti feladatait, amelyeket folyamatosan naplóz. Aprotokoll egy órás előrejelzési periodicitásra lett beállítva úgy, hogy minden órai előrejelzéselőtt folyamatosan figyeli a rendszert kiszolgáló külső adatbázisokat, az ott elérhető újadatokat átveszi, elemzi, előkészíti, majd ha eljön az előrejelzési számítások ideje, azelőrejelző matematikai modul rendelkezésére bocsájtja. Ezalatt a rendszer felügyelő szakértőgrafikus paneleken keresztül folyamatosan nyomon követheti az adatokat, avagy a megelőzőadatokat is, az esetleges hibaüzeneteket, és ha kell beavatkozik.

A modellező üzemmódban a fent említett időkritikus feladatokat nem lehet aktivizálni.Ebben az üzemmódban a szakértő felhasználó képes bármilyen alternatív előrejelzéskialakítására azáltal, hogy az épen aktuális előrejelzés peremi (csapadék, léghő), esetlegkezdeti (tározók üzemeltetési adatai) feltételeit megváltoztatja. Ugyan itt lehetőség van mégvalamely korábbi (akár több évvel) adatokon tetszőleges céllal hidrológiai szimulációkatvégezni.

A program további lényeges jellemzői:

Az osztott szemléletnek köszönhetően a programmal képesek vagyunk a vízgyűjtővízhálózatán bármely kiszemelt pontra, vagy a pont feletti részvízgyűjtőre számítások(előrejelzések) során azokra adatokat származtatni. Ezen adatok listája meglehetősen hosszú,és általuk hasznos információhoz juthatnak a terület szakértői, a védekezést irányítók. Ezenpontok/részvízgyűjtők kezelését (aktivizálás, de-aktivizálás), a lekérdezni kívánt adatokbeállítását teljesen interaktív körülmények között oldhatjuk meg, és amint a felhasználó aztbeállítja, a rendszer már legközelebbi előrejelzési órától figyelembe is veszi.

A rendszer mérőhálózatának (hidrometriai, meteorológiai állomások, tározók) módosításáhoznem kell újraprogramozni a rendszert. Mindössze annyit kell tenni, hogy a rendszerállomástábláját az előírtaknak megfelelően kiegészítjük, javítjuk, avagy valamelymérőpontját töröljük, és a DIWA-HFMS a következő előrejelzési ciklusban már az újállomáshálózattal dolgozik.

A tájékoztatási lehetőségek:

A fentiekben már érintettek szerint a DIWA-HFMS számítási (előrejelzési) adatait számosparaméterre és tetszőleges helyre/részvízgyűjtőre lehet lekérdezni, grafikusan megtekinteni.Ezek közül azonban csak néhány, a közérdeklődésre leginkább számot tartó információkat,adatokat, ábrákat juttatjuk el a tájékoztatási rendszer felé. A megjelenítés szerint ezek lehetnekidősoros, és térképi adatok.

Az idősoros adatok közös szabálya, hogy azok a jelen időt megelőző 3, és a jövő 6 napjainak9 napos időszakának adatait ábrázolják (lásd a mintaábrákat). A peremfeltételi adatokat(csapadék, léghőmérséklet, hóban tárolt vízkészlet) oszlopdiagram formájában, avízállásadatokat pedig vonalasan ábrázoljuk. A vízállás-előrejelzés grafikonját kiegészítjükaz előrejelzés megbízhatóságát jellemző sávval, továbbá az ábrán feltüntetjük az adottmérceszelvényre vonatkozó készültségi szinteket, a minden idők legnagyobb vízszintjét is. A

16

rendszer készít egy úgynevezett "zéró" előrejelzést is, amelyet szintén feltüntetünk az ábrán.A zéró előrejelzés valójában azt a feltételezést tükrözi, mintha az elkövetkező 6 napban nemlenne csapadék.

A térképi adatok valójában szintén idősorok megjelenítése, csak nem skaláris, hanem területijellegű adatok idősorai. Ezen adatokat a tájékoztatási rendszerben (és a DIWA-HFMSprogramban is) az úgynevezett "hurokfilm" ábrázolással tudjuk szemléletessé tenni. Atérképi adatok időintervalluma az idősoros adatokhoz hasonlatosan a jelen időt megelőző 3,és a jövő 6 napjainak 9 napos időszaka. A megjelenített adatok (paraméterek) a csapadékkivételével napi értelműek, a csapadék időléptéke pedig 1 óra.

Mintaábrák a tájékoztatási lehetőségek szemléltetésére:

10. Ábra Vízállás-előrejelzés ábrája

11. Ábra Napi közepes léghőmérséklet területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvény felettirészvízgyűjtőre vonatkozóan

17

12. Ábra Órás csapadékösszeg területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvény felettirészvízgyűjtőre vonatkozóan

13. Ábra Hóban tárolt vízkészlet napi értékeinek területi átlaga a Tisza-Tiszabecs mérceszelvényfeletti részvízgyűjtőre vonatkozóan

18

Szakirodalmi hivatkozás:

Kalaš, M. - Wachter , K. - Szabó, J.A. - Bodis, K. - Niemeyer , S. - van der Knijff , J. - de Roo ,A. (2005): Setup, calibration and testing of the LISFLOOD model for the Upper Danube Riverbasin on 1km. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) GeneralAssembly” (Vienna, Austria, 24-29 April 2005).

Szabó, J.A. - Kalaš, M. (2004): Influence of uncertainty of interpolated precipitation fields ondistributed model-based simulations using LisFlood model: Case study for Upper-Tisza andMorava catchments. In: Conference Abstracts of the “XXIInd Conference of the DanubeCountries on the Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of Water Management”(Brno, Czech Republic, 30 Aug. – 02 Sept. 2004), pp.: 35.

Szabó, J.A. (2005): Estimation of high resolution meteorological fields based on geostatisticalapproaches. European Geosciences Union (EGU) General Assembly, 24-29 April 2005, Vienna,Austria.

Szabó, J.A. - Kalaš, M. (2005): Influence of uncertainty of interpolated meteorological inputsfor distributed hydrological models. In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union(EGU) General Assembly”, 24-29 April 2005, Vienna, Austria.

Wachter, K. - Kalaš, M. - Szabó, J.A. - Niemeyer, S. - Bodis, K. - de Roo, A. (2005): Setup andtesting of European Early Flood Alert System (EFAS) in the Danube River Basin. In: Book ofAbstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly” (Vienna, Austria, 24-29 April 2005).

Szabó, J.A. (2007): Decision Supporting Hydrological Model for River Basin Flood Control. InR. J. Peckham and G. Jordan (eds): “Digital Terrain Modelling: Development and Applicationsin a Policy Support Environment”. Chapter 7, pp. 145-182. Springer-Verlag, Berlin. ISBN: 978-3-540-36730

Szabó, J. A. (2007): Nagy Kiterjedésű Meteorológiai Mezők Geostatisztika-alapú GenerálásaNagy Felbontású Hidrológiai Modellezéshez. Az előadás elhangzott: MHT XXV. OrszágosVándorgyűlésén az 1. Árvízvédelmi szekció keretében: Tata, 2007. július 4-5. ISBN 978-963-8172-20-4

Salamon, P. - Bódis, K. - De Roo, A. - Barredo, J. - Feyen, L. - Kalas, M. - Dankers, R. - Szabó,J. A. - Wachter, K. (2007): Large scale (preliminary) Fflood Hazard and Risk Mapping UsingSRTM Data. ICPDR Workshop on "Flood Risk Mapping in the Danube River Basin". VITUKI,Budapest, 2007. szeptember 12-13.

Szabó, J. A. (2007): Új kihívások a Vízkészlet-gazdálkodásban: Térbeli, Integrált, Valós IdejűDöntéstámogató Rendszer. Az előadás elhangzott: XXXI. Országos Vízrajzi Értekezlet, Eger,2007. november 27-28.Gierk, M. – Bodis, K. – Younis, J. – Szabó, J. A. – Ad de Roo (2008): The impact of retentionpolders, dyke-shifts and reservoirs on discharge in the Elbe river.Hydrological modelling study in the framework of the Action Plan for the Flood Protection inthe Elbe River Basin of the International Commission for the Protection of the Elbe River.European Commission, Directorate-General Joint Research Centre, Institute for Environmentand Sustainability, Ispra, Italy, p. 110. EUR 23699 EN.

19

Szabó, J.A. (2008): An efficient hybrid optimization procedure of adaptive partition-basedsearch and downhill simplex methods for calibrating water resources models. In: Book ofAbstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly”, 24-29 April 2005,Vienna, Austria.

Szabó, J.A. - Gierk, M. - Wachter, K. (2008): An approach for distributed parameteroptimization of LISFLOOD hydrological model using efficient hybrid optimization procedure.In: Book of Abstracts of the “European Geosciences Union (EGU) General Assembly”, 24-29April 2005, Vienna, Austria.

Szabó, J. A. - Bódis, K. - Tóth, S. (2009): Árvízi lefolyások modellvizsgálata. Az előadáselhangzott: A Felső-Tisza-vidéki Környezetvédelmi és Vízügyi Igazgatóság valamint a MagyarHidrológiai Társaság Szabolcs-Szatmár-Bereg Megyei Területi Szervezetének a Víz Világnapjaalkalmából szervezett közös rendezvényén, Nyíregyháza, 2009.

Szabó, J. A. - Bódis, K. - Volodimir Csipak - Illés, L. - Lucza, Z. (2009): A Tisza kárpát-ukrajnai vízgyűjtőjére tervezett árapasztó tározók fenékleeresztő paraméterének pontosításakombinált, sztochasztikus, és inverz szimulációs algoritmus segítségével. Az előadás elhangzott:a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Baja, 2009. július 1-3.

Szabó, J. A. - Lucza, Z. (2009): A 2001-es felső-tiszai árhullám számítógépes modell-szimuláción alapuló elemzése az árvédelmi gátak Ukrán oldali megerősítésének tükrében. Azelőadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Baja, 2009. július 1-3.

Szabó, J. A. (2010): A DIWA újgenerációs vízgyűjtő-hidrológiai modellrendszer és alkalmazásitapasztalatai. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság Bács-Kiskun megyeiterületi szervezet ülésén, Baja, 2010. május 6.

Szabó, J. A. (2010): Towards the development of a spatial decision support system for IWRMand RBM planning. Az előadás elhangzott az ICPDR, UNDP-GEF, UNEP és EC, DG ENV-D.1közös, "Integrating land and water management in the Tisza River Basin" című workshop-on,Szolnok, 2010. április 26-27.

Szabó, J. A. - Tóth, T. - Réti, G. (2010): Valós idejű vízkészletállapot-elemző és előrejelzőmodell-rendszer kifejlesztése a Duna vízgyűjtőjére. Az előadás elhangzott: a Magyar HidrológiaiTársaság vándorgyűlésén, Sopron, 2010. július 7-9.

Szabó, J. A. - Illés Lajos - Lucza Z. (2010): A beregi árapasztó tározót terhelő nagyvizekgyakoriságának számítógépes modell-szimuláción alapuló elemzése. Az előadás elhangzott: aMagyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Sopron, 2010. július 7-9.

Szabó, J. A. (2010): Új tudományos eredmények az árvízvédelmi művek terhelésénekvizsgálatához. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság Szabolcs-Szatmár-Beregmegyei Területi Szervezete, a "Magyar Tudomány Ünnepe" alkalmából rendezett előadóülésén.Nyíregyháza, 2010. november 18.Szabó, J. A. (2011): Large-scale Meteorological Field Modelling Based on GeostatisticalApproaches. Az előadás elhangzott: XIVth Congress of Hungarian Geomathematics and theThird Congress of Croatian and Hungarian Geomathematics: Applications of geostatistics, GISand remote sensing in the fields of geosciences and environmental protection. Mórahalom,Hungary, 26-27-28 May 2011.

20

Szabó, J. A. - Bódis, K. - Tóth, T. - Tahy, Á. - Réti, G. (2011): Towards a DistributedHydrologic Modelling Based Real-Time Drought Monitoring and Forecasting System for theCatchment Areas of Hungary's Streams. In: Conference Abstracts of the XXVth Conference ofthe Danube Countries on the Hydrological Forecasting and Hydrological Bases of WaterManagement (Budapest, Hungary, 16-17 Jun. 2011), pp.: 45.

Szabó, J. A. - Tóthné Seres, É. - Réti, G. - Tóth, T. (2011): A Szerencs-patak számítógépesmodell-szimuláción alapuló árvízi gyakoriság-elemzése Az előadás elhangzott: a MagyarHidrológiai Társaság vándorgyűlésén, Eger, 2011. július 6-8.

Szabó, J. A. - Lucza Z. - Tóth Z. - Futaki K. (2012): Rendszerterv: Közös, magyar és ukránFelső-Tiszai Integrált árvízvédelmi előrejelző rendszer térinformatikai alapú modellrendszeralkalmazásával. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, 2012.

Lucza Z. - Szabó, J. A. - Réti G. (2013): A Közös magyar-ukrán mértékadó árvízszintmeghatározása. Az előadás elhangzott: a Magyar Hidrológiai Társaság vándorgyűlésén, 2013.