Razvoj hidrološkog modela predviđanja poplava za sliv rijeke Save (sliv rijeke Bosne, Ukrine, Brke i Tinje)
Investitor: Evropska komisija, 2019-2020
Nakon razornih poplava u slivu rijeke Save koje su snažno pogodile i BiH, razvijeno je nekoliko sistema ranog upozoravanja na poplave. Model predviđanja poplava u realnom vremenu za sliv rijeke Bosne, Ukrine, Brke i Tinje je nastavak rada eksperata i spoljnih saradnika Zavoda ka razvoju ovakvih operativnih sistema zaštite od poplava.
Dok je sliv rijeke Bosne pokriven brojnim hidrološkim i meteorološkim stanicama za kalibraciju i pokretanje modela koji se pohranjuju u sistem prognoze, hidrološke i meteorološke stanice na slivu Ukrine, Brke i Tinje su rijeđe, takoreći nepostojeće. Naročito nedostaju hidrološke stanice i istorijska osmatranja, što u suštini čini ove slivove neizučenim.
U sistemima za prognozu poplava, hidrološki i hidraulični modeli su vitalni alat za predviđanje trenutnog stanja poplava i predstavljaju osnovu platforme prognostičkog modela. Ovi modeli se obično kalibrišu na osnovu posmatranih meteoroloških i hidroloških podataka. Kada slivovi ne posjeduju osmatračku mrežu, uspostavljanje pouzdanog sistema predviđanja poplava u realnom vremenu postaje izuzetno izazovno. Jedno od rješenja uključuje regionalizaciju parametara modela sa uključenom određenom klasifikacijom sliva radi razmatranja sličnosti dva ili više slivova. Drugi pristup se oslanja na fizički zasnovane hidrološke modele, ali čak i za njih je potrebna neka vrsta kalibracije/prilagođavanja parametara modela.
Za potrebe ovog projekta, za dio područja projekta na slivovima Ukrine, Tinje i Brke prilagođena je metodologija koja se koristi prilikom formiranja sistema prognoza poplava za neizučene slivove po principu da se podaci izučenog sliva rijeke Bosne koriste za kalibraciju parametara hidrološkog modela i definisanje regresionih modela između kalibrisanih parametara i određenih fizičkih i morfoloških karakteristika sliva.
Dobijeni podaci simulacije su upoređivani sa regionalnim krivim trajanja protoka u fazi validacije metodologije. Hidrološke veličine dodatno su provjeravane u fazi hidrauličkog modeliranja poredeći prikupljene podatke o poplavnim događajima u smislu dosezanja i geneze plavljenja, što je predstavljalo iterativni pristup, a sve u cilju formiranja pouzdanog hidrološko-hidrauličkog modela kao osnove za model prognoza poplava u realnom vremenu.
Nakon formiranja i verifikacije modela prognoziranja poplava na slivovima rijeke Bosne, Ukrine, Brke i Tinje izvršeno je njegovo povezivanje sa postojećim prognostičkim modelima Une sa Sanom i Vrbasom na zajedničku platformu sa izlaznim rezultatima prognoza na svakih sat vremena za naredna četiri dana.
PODRUČJE IZRADE SISTEMA PROGNOZA U REALNOM VREMENU I RASPOLOŽIVI PODACI
Sistem prognoza poplava u realnom vremenu sastoji se od četiri sliva, a to su sliv rijeke Bosne, Ukrine, Tinje i Brke (Slika 1).
Sliv Bosne nije predstavljao područje angažovanja Zavoda, već su samo rezultati kalibracije hidrološkog modela podsliva Bosne, tačnije optimizovani parametri za regionalizaciju, korišćeni za određivanje parametara neizučenih slivova Ukrine, Tinje i Brke.
Ukrina, Tinja i Brka (UTB) su desne pritoke rijeke Save, ukupne površine 1500 km2, 950 km2 i 233,2 km2, respektivno (Slika 2). Hidrometeorološki podaci prikupljeni za područje projekta su se uglavnom odnosili na vrijednosti padavina. Za sliv Tinje postoji samo jedna hidrološka stanica (HS Srebrenik) u gornjem i planinskom dijelu sliva.
HIDROLOŠKI MODEL
Za potrebe hidrološkog modeliranja odabranih slivova na području projekta korišćen je NAM hidrološki model koji se bazira na determinističkom, konceptualnom modelu padavine - oticaj.
U početnoj fazi modeliranja, sliv Tinje je podijeljen na dva podsliva na HS Srebrenik. Pošto je na stanici Srebrenik uočeno oticanje, taj dio sliva se automatski kalibriše korišćenjem autokalibracionog alata datog u NAM hidrološkom modelu. Ostatak sliva Tinje, kao i kompletni slivovi Ukrine i Brke, kalibrisani su prema predloženoj metodologiji. Za potrebe kombinovanog hidrološkog i hidrauličkog modeliranja, ovi slivovi su morali biti podijeljeni u nekoliko podsliva – gdje je potrebno definisati hidrauličke doprinose proticaju. Podjela slivova prikazana je na slici 3.
Ukrina je podijeljena na 14, Tinja na 5 i Brka na 8 podsliva. Vremenski korak proračuna simulacije za sve modele je jedan sat. Kada su dostupni, koriste se podaci po satu. Inače, dnevni podaci se interpoliraju pod pretpostavkom da su padavine ujednačene u toku dana.
Prije samog postupka kalibracije neizučenih slivova radi se analiza osjetljivosti parametara modela koja se sprovodi sa punom verzijom (svi parametri) NAM modela. Osjetljivost se analizira na mjerenom dijelu sliva Tinje, do HS Srebrenik, održavajući konstantnim 11 parametara, dok se onaj za koji se analizira osjetljivost mijenja za 20% od njihovog opsega. Za svaku promjenu parametra izvodi se simulacija i izračunava se efikasnost. Kada se ova efikasnost prikaže u odnosu na svaku vrijednost parametra iz unaprijed definisanog opsega, uticaj promjene vrijednosti parametra na performanse modela je dobro uočljiv. Ako se efikasnost mijenja u manjem obimu, bez obzira koju vrijednost parametar uzima, ti parametri su neosjetljivi tj. ne utiču na rezultate modela i nema potrebe za njihovom kalibracijom. Suprotno tome, kada mala promjena parametara izaziva priličnu promjenu efikasnosti modela – snažno utiče na rezultate simulacije modela, parametar je osjetljiv. To znači da su ti parametri važni za proces modeliranja i da se moraju kalibrisati.
Prema dostupnim podacima, period odabran za kalibraciju i validaciju modela je 2008-2014. godina, pri čemu je 2008. godina zagrijavanja modela. Opšta preporuka za dužinu kalibracije je najmanje 5 godina, tako da je period kalibracije 2008-2013. godina, dok se za validaciju modela koristi 2014. godina (validacija rezultata u nezavisnoj godini van perioda kalibracije).
Da bi se neizučeni slivovi kalibrisali, njihovo ponašanje u smislu mehanizma stvaranja oticaja se prenosi sa mjernih slivova procesom regionalizacije. U ovom procesu, sličnost sliva igra veliku ulogu pod pretpostavkom da se obližnji slivovi ponašaju na hidrološki sličan način. Osnovni pristup sličnosti sliva je prostorna blizina slivova, dok se najbolji rezultati dobijaju kombinovanjem pristupa prostorne blizine i atributa sliva, što je i primijenjeno u projektu.
HIDRAULIČKI MODEL
Za sve tri pritoke rijeke Save korišćeni su hidrodinamički modeli MIKE 11 i MIKE FLOOD za simulacije vodostaja i proticaja duž riječnih tokova tokom simuliranih poplavnih događaja. Softver MIKE 11 rješava „pune“ 1D jednačine nestacionarnog toka, a kvazi 2D pristup se simulira povezivanjem 1D rječnih tokova, tj. forimiranjem paralelnih krakova.
Kvazi 2D pristup je primijenjen za simulaciju nestacionarnog tečenja duž rijeke Ukrine, Tinje i Brke. Brojni riječni ogranci i shodno tome kanali koji ih povezuju međusobno i sa glavnim koritom zajedno sa nekoliko tipova graničnih i unutrašnjih uslova, korišćeni su za simulaciju složenog obrasca tečenja tokom poplavnih događaja.
Na slici 4 prikazan je mali dio računskog domena rijeke Ukrine koji pokriva grad Derventu. Vezni kanali simuliraju prelivanje preko nasipa. Jasno je da se ovaj metod može primijeniti samo ako se ne uzimaju u obzir uslovi preklapanja graničnih uslova.
Jedan od najizazovnijih zadataka u procesu modeliranja bilo je uključivanje efekata akumulacije Drenova (rijeka Drenova – pritoka rijeke Ukrine) na transformaciju poplavnog talasa. Geometrija rezervoara - akumulacije je simulirana kao fiktivni poprečni presjek koji podsjeća na krivu zapremine-visine rezervoara Drenova (Slika 5).
Na nizvodnim krajevima rijeka Ukrine, Tinje i Brke definisani su nivogrami tj. odgovarajući nivoi rijeke Save. Apsolutne visine vodene površine na tim lokacijama dobijaju se iterpolacijom nivoa na odgovarajućim mijernim stanicama duž rijeke Save.
REZULTATI HIDROLOŠKO-HIDRAULIČKIH MODELIRANjA
Ukupno je 18 podsliva iz sliva rijeke Bosne korišćeno za validaciju modela na slivovima Ukrine, Tinje i Brke.
Na slici 7 prikazane su standardizovane (podijeljene sa srednjim protokom) krive trajanja proticaja za 18 slivova koji su slični po svojim atributima sa slivovima Tinje, Ukrine i Brke.
Rezultati hidrauličkog modela ukazali su na potrebu za preciziranjem nekih parametara podsliva NAM modela u cilju povećanja oticaja. Stoga se ovi parametri fino podešavaju za sve podslivove koji se nalaze nizvodno od HS Srebrenik u slivu Tinje sve dok se simulirani vodostaji ne približe opsegu istorijskih plavljenja.
Na slici 8 prikazane su izračunate poplavne zone za završni korak procesa kalibracije u odnosu na maksimalno zabilježene istorijske poplave.
PROGNOZA POPLAVA U REALNOM VREMENU
Kroz razgovor sa glavnim korisnicima projekta usklađeni su detalji softverskog okruženja za sistem modeliranja koji će davati prognoze poplava. Primarno je trebalo obezbijediti integraciju sistema za prognoziranje poplava za rijeku Bosnu, Ukrinu, Tinju i Brku sa aktivnostima koje se uporedo provode na sistemima za rijeke Unu, Vrbas i Savu.
Usvojeni sistem za upravljanje podacima i sistem za podršku kada je riječ o hidrometeorološkim podacima u stvarnom vremenu je WISKI.
Što se tiče podataka koji su potrebni za rad pronoznog modela, odnosno za izradu prognoza, oni su razvrstani u tri glavne kategorije ulaznih vrijednosti:
- meteorološki podaci, uključujući podatke o temperaturi vazduha i količini padavina, sa terenskih stanica, koje ih šalju po unaprijed određenom rasporedu (svakih sat vremena), što je riješeno pomoću WISKI softverskih alata;
- hidrološki podaci, uključujući podatke o vodostaju i oticaju, sa terenskih stanica, koje ih šalju po unaprijed određenom rasporedu (svakih sat vremena), što je riješeno pomoću WISKI softverskih alata; i
- podaci u vezi prognoza, tačnije prognoziranih količina padavina (Aladin, ECMWF), koji se za cijelu zemlju primaju na osnovu bilateralnih i međunarodnih sporazuma.
Upravljanje cjelokupnim sistemom prognoza vrši se pomoću softverskih alata MIKE Operations, dok se na slici 9 prikazuje razmještaj glavnih softverskih paketa kojima se dolazi do podataka prognoziranih vrijednosti poplava.
Rad na razvoju hidrološkog sistema za predviđanje poplava rezultirao je razvojem sistema koji može dati prognoze poplavnih događaja za riječni sistem Bosne, Ukrine, Tinje i Brke. Sistem (slika 10) je uspješno instaliran na servere Agencije za vodno područje rijeke Save u Sarajevu i JU „Vode Srpske“ u Bijeljini.
