PROGNOSTIČKI SUSTAV U FUNKCIJI PLOVIDBE ... · Web viewFaktor uvažavanja modelske greške je bezdimenzionalni faktor, vrijednosti 0-1. Ako ima vrijednost 1, smatra se da su mjerenja

PROGNOSTIČKI SUSTAV U FUNKCIJI PLOVIDBE DUNAVOM U REPUBLICI HRVATSKOJ

Renata Vidaković Šutić,dipl.ing.građa, dr.sc. Dijana Oskoruš, dipl.ing.geot.b

a Institut za elektroprivredu d.d., Koturaška 51, Zagreb, [email protected] bDržavni hidrometeorološki zavod Republike Hrvatske, Grič 3, Zagreb, [email protected]

SAŽETAK Hidrološki ekstremi na površinskim vodama pojavljuju se sve češće, a njihova su trajanja često dulja od trajanja ekstrema zabilježenih u ranijim desetljećima. Dulje razdoblje niskih plovidbenih vodostaja ograničavajući je faktor riječnoj plovidbi, a ograničenje plovidbe provodi se i uslijed pojave leda. Ograničenja plovidbe dužeg trajanja u velikoj su mjeri povezana sa financijskim gubicima vezanim za riječni transport robe. Prognostički sustav za rijeku Dunav na dionici koja protječe Republikom Hrvatskom je integralni dio projektnih aktivnosti u sklopu EU projekta FairWay Danube. Jezgra predmetnog prognostičkog sustava je hidraulički simulacijski model tečenja, koji se sastoji od dionice Dunava od državne granice s Republikom Mađarskom do državne granice s Republikom Srbijom i dionice Drave od Belišća do ušća u Dunav. Sustav automatski prikuplja mjerene podatke s hidroloških postaja DHMZ RH i mađarske prognoze na ulaznim profilima, izvodi kontinuirane simulacije, te prognozira vodostaje na zadanim lokacijama u zadanoj vremenskoj domeni. U radu će se dati osvrt na metodologiju izrade, rezultate i kontrolu točnosti prognoza u uvjetima malih i srednjih voda na Dunavu.

KLJUČNE RIJEČI: prognostički model, male vode, plovidba, rijeka Dunav, rijeka Drava

REAL TIME FORCASTING SYSTEM FOR THE DANUBE RIVER NAVIGATION PURPOSE IN CROATIA

ABSTRACT Hydrological extremes on surface waters appear more and more often, and their duration is often longer than the duration of extremes recorded in earlier decades. The duration of low water levels is a limiting factor for the river navigation. The limitation of navigation is also due to the appearance of ice. Long-duration navigation restrictions are to a large extent associated with financial losses related to river transport. The Danube Real-Time Forecasting System on Croatian part of Danube is integrated to the global EU Danube Navigation System. The base of the forecasting model is the hydraulic simulation model, consisting of the Croatian Danube section from the state border with the Republic of Hungary to the state border with the Republic of Serbia and the part of Drava from Belišće to the mouth of the Danube. The system automatically collects recorded hydrological data from DHMZ RH gauging stations and forecasted hydrological data from Hungarian forecasting system, performs continuous simulations, and forecasts water levels at default locations in the given time domain. The paper will give an overview of the used methodology, results and the accuracy of the forecast in the low waters conditions on the Danube.

KEYWORDS: forecasting model, low waters, navigation, Danube river, Drava river.

1

1. UVOD

Prognoziranje vodostaja na rijekama u realnom vremenu provodi se u svrhu donošenja pravovremenih odluka i provođenje odgovarajućih mjera. Prognoze velikih voda u najvećoj se mjeri koriste za potrebe aktivnosti obrane od poplava. Saznanja o prognoziranim niskim vodostajima podloga su za donošenje odluka vezanih za riječnu plovidbu, od ograničenja plovidbe povezanih s pretovarom tereta na manja plovila, do potpune obustave prometa. Dionica Dunava u Republici Hrvatskoj dugačka je oko 140 km i na cijelom potezu je plovni put VI kategorije. Dionica Drave od luke Osijek do ušća u Dunav plovni je put IV kategorije, dok je a dionica uzvodno od Osijeka plovni put III kategorije (slika 1a). Obveza održavanja plovnog puta u nadležnosti je Ministarstva pomorstva, prometa i infrastrukture Republike Hrvatske. Prognostički sustav za osiguranje i unaprjeđenje plovidbe integralni je dio projektnih aktivnosti u sklopu EU projekta FairWay Danube, a izrađen je za dionicu Dunava od državne granice s Republikom Mađarskom do državne granice s Republikom Srbijom i dionicu Drave od Belišća do ušća u Dunav. Na slici 1b prikazan je plovni put Dunava i Drave na području obuhvata prognostičkog modela.

Slika 1.a Plovni put Dunava i Drave Slika 1.b Obuhvat prognostičkog modela

2. ZNAČAJKE PROGNOSTIČKOG SUSTAVA

Osnovna uloga prognostičkog sustava su prognoze vodostaja za 5 dana unaprijed na lokacijama hidroloških postaja na Dravi (Belišće i Osijek) i Dunavu (Batina, Aljmaš, Dalj, Vukovar i Ilok). Kako su na predmetnoj dionici Dunava uspostavljene nove hidrološke postaje: Siga, Petreš, Sotin i Mohovo, prognostički sustav omogućuje da se nakon verifikacije i one uključe u prognoze vodostaja. Osim upozorenja za niski plovidbeni vodostaj, prognostički sustav daje upozorenja za mogućnost pojave leda na vodotoku, prikaz meteoroloških prognoza i izmjerenih vrijednosti oborine i temperature zraka na lokacijama meteoroloških stanica te kontinuirani uvid u rad svih mjernih postaja u sustavu. Sustav automatski prikuplja izmjerene satne podatke o vodostaju i protoku zabilježene u prethodnih

2

48 sati na svim mjernim postajama, preuzima podatke o prognozama protoka na mjernim postajama Belišće na Dravi i Mohacs na Dunavu iz mađarskog prognostičkog sustava, te simulira vodostaje za buduće 5 dnevno razdoblje. Simulacije se pokreću automatski svakih 6 sati, a za posebne slučajeve omogućeno je i ručno pokretanje. Automatske procedure u vidu prikupljanja mjerenih podataka za asimilaciju, kreiranje ulaznih datoteka, pokretanje simulacije, prikupljanje rezultata simulacije, arhiviranje i objavljivanje na webu, provode se vlastito razvijenim software-skim paketom za potrebe prognostičkog sustava. Rezultati se na odabranim lokacijama prikazuju na posebno izrađenoj web platformi Državnog hidrometeorološkog zavoda (DHMZ), koja je dostupna korisnicima plovnog puta Dunav. Sustav arhivira sve ulazne i prognozirane vrijednosti te daje numeričku i grafičku usporedbu apsolutnih odstupanja rezultata provedenih simulacija (prognoza) i izmjerenih (ostvarenih) vrijednosti. Kontrola pouzdanosti modela ugrađena je u prognostički sustav preko tri različita testa, te omogućuje ispitivanje pouzdanosti za proizvoljno odabrana razdoblja.

2.1. Hidrološki podaci i analize

S obzirom na namjenu prognostičkog sustava, hidrološkim obradama i analizama obuhvaćene su male i srednje vode. Na temelju analize satnih protoka na Dunavu izabrana su višemjesečna razdoblja malih i srednjih voda za potrebe kalibracije i verifikacije hidrauličkog modela. Usporedbom raspoloživih Q-h funkcija, ustanovljene su česte i značajne morfološke promjene na lokacijama mjernih profila. Obradama su obuhvaćene lokacije na kojima se prognoziraju vodostaji na Dravi (h.s. Belišće i h.s. Osijek) i Dunavu (h.s. Batina, h.s. Aljmaš, h.s. Dalj, h.s. Vukovar i h.s. Ilok), kao i podaci sa hidroloških postaja koje reprezentiraju dotok vodotocima s međusliva: Baranjske Karašice (h.s. Popovac), Vučice (h.s. Marjančaci) i Vuke (h.s Tordinci). Na slici 1b prikazane su lokacije svih hidroloških postaja na predmetnom području. U sklopu prethodne hidrološke analize ispitani su odnosi Drave i Dunava, kao i hidrološki doprinosi Vučice na Dravu i Dunav te Baranjske Karašice i Vuke na Dunav u području malih i srednjih voda. Ustanovljeno je da se pojedinačni doprinos srednjih voda Vučice, Vuke i Baranjske Karašice na protoke Dunava u vrijeme malih i srednjih voda kreće ispod 1%. Površina međusliva navedenih pritoka u odnosu na ukupni sliv Dunava do Iloka, iznosi oko 1 %. Uvažavajući činjenicu da se utjecaj navedenih slivova nalazi unutar očekivane pogreške modela, njihova se oborinska komponenta nije uzela u obzir, tim više što eventualni hidrološki doprinos uzrokovan oborinama na predmetnim slivovima u vrijeme malih voda Dunava dolazi „prekasno“ da bi poboljšao plovnost ili spriječio ograničenje plovidbe proglašeno na mađarskom dijelu plovnog puta.

2.2. Hidraulički model

Za hidrauličku analizu i modeliranje tečenja Drave i Dunava odabran je jednodimenzionalni nestacionarni numerički model MIKE Hydro River. Početak modela na Dunavu je na granici Hrvatske i Mađarske, a na Dravi model počinje nešto uzvodnije od lokacije h.p. Belišće. Završetak modela je na granici sa Republikom Srbijom neposredno nizvodno od h.p. Ilok. Ukupna duljina modelirane dionice Dunava je 132 km, a duljina modelirane dionice Drave 56 km. Za geometriju korita korištene su najnovije raspoložive podloge. Korito Dunava modelirano je na temelju hidrografske snimke iz 2016. (Institut za

3

vodoprivredu “Jaroslav Černi“), kada je na predmetnoj dionici snimljeno 134 profila, na razmacima od 800 – 1000 m. Za potrebe modeliranja korita Drave, od ušća Drave u Dunav do 23. km od ušća korištene su single beam snimke korita iz 2017. godine, a preostalih 30-ak km do h.p. Belišće preuzeto je iz Hidrografskog atlasa Drave iz 2000. godine. Na modeliranoj dionici Drave nalazi se 212 profila u razmacima od 200 – 300 m. Ulazni podaci su protoci zadani hidrogramom neposredno uzvodno od h.s. Belišće na Dravi i hidrogramom na lokaciji oko 5 km uzvodno od h.s. Batina na Dunavu. Nizvodni rubni uvjet je Q – h krivulja na lokaciji malo nizvodnije od h.s. Ilok. Hidraulički model je kalibriran na lokacijama hidroloških postaja na Dunavu i na Dravi za izabrane hidrološke događaje u razdoblju od 2005. – 2010. godine a verificiran za izabrane višemjesečne hidrološke događaje malih voda u razdoblju 2011. – 2016. godine. Obzirom na namjenu prognostičkog sustava, hidraulički model koji je osnova za prognoziranje malih voda, izrađen je za hidrauličke uvjete u kojima voda ostaje u koritu, odnosno nema izlijevanja izvan korita. Hidraulička hrapavost je definirana preko Manningovog koeficijenta. Vrijednosti koeficijenta hrapavosti se razlikuju ovisno o obraštaju vegetacije korita i obale te se u skladu s time mijenjaju lokalno prema Ven Te Chow metodologiji. Usvojene vrijednosti kreću se u granicama n = 0.028 – 0.035 s / m1/3 . Na slici 2 prikazan je rezultat kalibracije modela na lokaciji h.p. Dalj za izabrano šestomjesečno razdoblje (27.08.2006. – 05.03.2007.) i rezultat verifikacije modela na lokaciji h.p. Osijek za razdoblje verifikacije (01.07.2015. – 05.02.2016.). Donja crtkana linija na h.p. Dalj predstavlja minimalni, a gornja maksimalni zabilježeni vodostaj u razdoblju (2001.-2017.) Vremenski korak prikazan je u satima. Kvaliteta modela ocijenjena je zadovoljavajućom za daljnju nadogradnju u smislu prognoza vodostaja.

Slika 2. Rezultati kalibracije na h.p. Dalj (27.08.2006. – 05.03.2007.) i verifikacije modela na h.p. Osijek (01.07.2015. – 05.02.2016.)

2.3. Primjena modula za prognoziranje na izrađeni hidraulički model

Postupak u kojem se mjerenja u realnom vremenu unutar modelske domene koriste za korekcije modela, odnosno poboljšavanje kvalitete njegovih rezultata, naziva se asimilacija podataka ili DA (Data Asimilation). Asimilacija podataka se aktivira u posebnom modulu unutar MIKE Hydro River platforme.

4

Kod definiranja modula za prognoziranje jedan od osnovnih parametara je trenutak prognoze, TOF (Time of Forecast). To je trenutak u kojem se model prebacuje u prognostički način rada, a izmjereni podaci do trenutka prognoze moraju biti uneseni u model za sve prognostičke točke. Korekcija je provedena pomoću metode težinske funkcije WF (Weight Function). Parametri težinske funkcije su vrsta distribucije korekcije pogreške, faktor uvažavanja modelske greške i duljina uzvodnog i nizvodnog utjecaja korekcije pogreške u odnosu na mjernu postaju. Vrsta distribucije korekcije pogreške može biti konstantna, triangularna i mješovita eksponencijalna. U slučaju predmetnog modela izabrana je konstantna distribucija. Faktor uvažavanja modelske greške je bezdimenzionalni faktor, vrijednosti 0-1. Ako ima vrijednost 1, smatra se da su mjerenja apsolutno točna, a ako ima vrijednosti bliže 0, manje značaja se daje mjerenjima u odnosu na model. S obzirom na pouzdanost hidroloških opažanja na mjernim postajama Drave i Dunava, izabrana je vrijednost 1. Duljina uzvodnog i nizvodnog utjecaja korekcije pogreške s neke mjerne postaje je određena otprilike polovicom udaljenosti do sljedeće mjerne postaje, tako da korekcijom bude pokrivena čitava modelska domena. Na kraju je potrebno usvojiti jednadžbu kojom se definira način korekcije pogreške do trenutka prognoze, te se primjenjuje na model iza trenutka prognoze. U ovom slučaju je odabrana jednadžba u kojoj se modelskom vodostaju pridodaje vrijednost pogreške u odnosu na mjerenje iz prethodnog vremenskog koraka. Na slici 3 prikazano je ažuriranje pomoću težinske funkcije na lokacijama prognoziranja h.p. Batina i h.p. Aljmaš na Dunavu. Asimilacija podataka (DA) provedena je za vremensko razdoblje izrade i testiranja modela (lipanj/srpanj 2018). Vremenski korak prikazan je u satima. Do trenutka prognoze se provodi ažuriranje modela i vidljivo je da su poklapanja izmjerenih i modelskih vrijednosti vrlo dobra. Nakon trenutka prognoze, vidljivo je da pouzdanost modelskih rezultata opada protekom vremena, sa zadovoljavajućim poklapanjem prvih 60 sati od trenutka prognoza (TOF).

Slika 3. Usporedba simuliranog i izmjerenog nivograma sa i bez DA na lokacijama h.p. Batina i h.p. Aljmaš, za realni događaj iz srpnja 2018.

2.4. Uspostava operativnog hidrološkog prognostičkog sustava

U provedbi operativnog rada u realnom vremenu, model koristi 2 dana izmjerenih satnih vrijednosti protoka na Dravi i Dunavu iz sustava podataka DHMZ, prikuplja i dopunjava ulazni hidrogram za simulacije iz mađarskog prognostičkog sustava za Dravu (Belišće) i

5

Dunav (Mohacs) te prognozira nivogram za 5 dana unaprijed. Simulacije se provode kontinuirano svakih 6 sati. Posebno razvijen software-ski paket, izvršava funkcije: prikupljanja mjerenih podataka o vodostaju, protoku i temperaturi vode; prikupljanja prognoziranih podataka o protoku (mađarske prognoze); kreiranje ulaznih datoteka za simulacije; pokretanje simulacija; prikupljanje rezultata simulacija; prikaz prognoza na web pregledniku; arhiviranje prognoza; izračun točnosti prognoza; prikaz izmjerenih i prognoziranih klimatoloških pokazatelja. Nakon 2 mjeseca testnog rada izvršene su dorade poput logičke kontrole ulaznih podataka sa upozorenjima na nepotpune podatke ili sumnjive i nelogične promjene u uzastopnim vrijednostima ulaznog niza podataka. Kreirana je grafička podrška prikaza hidroloških podataka na adekvatnom prikazu poprečnog presjeka korita na svakoj lokaciji, te upozorenja za situacije koje ugrožavaju plovidbu (vodostaj niži od kote propisanog niskog plovidbenog vodostaja, mogućnost pojave leda na vodotoku). Prognostički sustav je instaliran u Sektoru za hidrologiju DHMZ, te se tijekom probnog rada operativno koristio paralelno na računalu u Institutu za elektroprivredu i u DHMZ-u, uz istovremene interaktivne dorade web prikaza, u cilju njegove kvalitete i preglednosti. Testni i probni rad provedeni su u razdoblju malih voda na Dravi i Dunavu, te su utvrđene zadovoljavajuće točnosti prognoza. Na slici 4. prikazan je izgled web preglednika za slučaj prekoračenja niskog plovidbenog vodostaja za lokaciju h.s. Batina.

Slika 4. Izgled web preglednika Prognostičkog sustava za razdoblje prekoračenja niskog plovidbenog vodostaja na h.s. Batina na Dunavu

6

Tijekom probnog rada Prognostičkog sustava u više navrata zabilježena je višednevna pojava vodostaja nižeg od granice niskog plovidbenog vodostaja, a značajno je da je zabilježen hidrološki ekstrem prekoračenja minimalnog vodostaja na h.p. Batina na Dunavu. Apsolutni minimum vodostaja u recentnom razdoblju (2001-2017) na h.s. Batina od -82 cm zabilježen je 27.10. 2018., a prognoziran dva dana ranije. Ta vrijednost vodostaja Dunava na lokaciji h.s. Batina, prema aktualnoj Q-h krivulji odgovara protoku od 872,9 m3/s.

2.6. Kontrola točnosti prognoza

Za ocjenu učinkovitosti i točnosti prognostičkog sustava korištena su tri statistička pokazatelja: Nasch-Sutcliff koeficijent efikasnosti modela (NSE) (1), korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE) (2) i standardna devijacija (SD) (3). Formule za statističke pokazatelje navedene su u nastavku, a vrijednosti koeficijenata koje potvrđuju zadovoljavajuću točnost, navedene su u tablici 1.

Nasch-Sutcliff koeficijent efikasnosti modela (NSE)

Rm=√1−∑

i=1+¿

n

( H mi−Hoi )2

∑i=1+¿

n

( H oi−Ho )2 (1)

Rm - Nasch-Sutcliff koeficijent efikasnosti modelaHoi - opaženi vodostaj u vrijeme iH o - prosječni opaženi vodostajHmi - modelirani vodostaj u vrijeme ilt - obuhvat prognoze

Korijen srednje kvadratne pogreške (RMSE)

RMSE=√ ∑i=1+¿

n ( Hmi−H oi )2

n (2)

Standardna devijacija (SD)

δ=√ n ∑i=1+¿

n

( H mi−Hoi )2−( ∑

i=1+¿

n

( Hmi−Hoi ))2

n(n−1)

(3)

Tablica 1. Granice vrijednosti koeficijenata NSE, RMSE i SD za pouzdanost prognoza

OBUHVAT PROGNOZE1-2 dana 3-5 dana

STATISTIČKA MJERA GREŠKE

NSE >0.95 >0.85RMSE <20 <40SD <20 <40

7

Iz tablice 1, vidljivo je da je zahtjevana točnost u prvih 48 sati veća od razdoblja sljedećih 72 sata, kada se tolerira veće odstupanje. U administracijskom sučelju Prognostičkog sustava, na kartici Izračun točnosti, moguće je pokrenuti izračun točnosti prognostičkog sustava na temelju povijesnih izvođenja simulacija i mjerenih podataka. Rezultati izračuna točnosti za razdoblje prognoza od 31.10.2018 do 31.01.2019. za sve lokacije prognoza, prema sva tri navedena kriterija, ukazuju na slabiju pouzdanost prognoza na h.p. Belišće na Dravi u cijelom rasponu vremenske domene, a na h.p. Osijek tek u 5 danu. Mogući razlog većeg odstupanja rezultata prognoze i stvarnih vrijednosti protoka na ulaznom profilu Belišće leži u izlaznom rezultatu mađarskog prognostičkog modela za Dravu. Za sve lokacije prognoza na Dunavu, prema svim kriterijima zadovoljene su granice točnosti.

3. ZAKLJUČAK

Prognostički sustav za osiguranje i unaprjeđenje plovidbe integralni je dio projektnih aktivnosti u sklopu EU projekta FairWay Danube, a izrađen je za dionicu Dunava od državne granice s Republikom Mađarskom do državne granice s Republikom Srbijom i dionicu Drave od Belišća do ušća u Dunav. Za operativno održavanje prognostičkog sustava zadužen je Državni hidrometeorološki zavod, Sektor za hidrologiju, a krajnji korisnik je Ministarstvo pomorstva, prometa i infrastrukture Republike Hrvatske. Implementirani Prognostički sustav za unaprjeđenje plovidbe u Republici Hrvatskoj sastavni je dio Sustava za nadzor plovidbe Dunavom u okviru EU. Osim prognoze vodostaja, implementirani sustav putem interaktivnog sučelja daje upozorenja o mogućnosti pojave leda, što isto tako ograničava plovidbu. Dodatna vrijednost interaktivnog sučelja Prognostičkog sustava je što ukazuje na anomalije u izmjerenim vrijednostima vodostaja, protoka i temperature vode u realnom vremenu, te pruža mogućnost pravovremene intervencije na mjernoj opremi postaja. Kako je probni rad sustava koincidirao sa višestrukim i višednevnim prekoračenjima vrijednosti minimalnih plovidbenih vodostaja, prognostički sustav je potvrdio svoju svrhu i važnost pravovremenih informacija za donošenje odgovarajućih sektorskih odluka i provođenje mjera za sigurnost plovidbe. Utvrđeno odstupanje od zadane točnosti prognoziranja vodostaja na Dravi, osobito na lokaciji h.p. Belišće, ukazuje na potrebu rješavanja dodatnih pitanja, vezanih na usklađenje Q-h funkcija sa mađarskim partnerima kao i usklađivanjem mađarskog prognostičkog sustava sa radom uzvodnih hidroelektrana na Dravi. Morfološka dinamika korita Dunava i Drave uzrokuje lokalne i globalne promjene koje mogu negativno djelovati na točnost modela na kome se temelje prognoze. Stoga se, kao preporuka ističe potreba za redovitim održavanjem hidrološko-hidrauličkog modela u smislu noveliranja i dopune geometrije, rekalibracije modela ili pojedinih dionica i ažuriranja Q-h odnosa na lokacijama hidroloških postaja. Nakon verifikacije novoosnovanih hidroloških postaja, model je potrebno dopuniti sa novim prognostičkim točkama, te i na taj način poboljšati pouzdanost prognoza vodostaja na kritičnim dionicama za plovidbu.

LITERATURA

1. HIS2000 – Hidrološki informacijski sustav DHMZ2. DHI GROUP (2017): MIKE 2017; MIKE HYDRO River;

8

3. Institut za elektroprivredu d.d.(2018): Hidrološki prognostički sustav za unapređenje plovidbe na rijeci Dunav u Republici Hrvatskoj;

4. www.fairwaydanube.eu;5. www.mathworks.com/matlabcentral; 6. www.vodniputovi.hr

9