Fonyó György1 – Dr. Koncsos László2
1 projekt vezetı, GeneralCom Mérnöki Kft., fonyo@generalcom.hu;
2 tanszékvezetı, Budapesti Mőszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Vízi Közmő és Környezetmér-nöki Tanszék. koncsos@vkkt.bme.hu
Abstract: Present paper gives an introduction into the research work of the ’WateRisk’ Water Man-agement Decision Support System. The system is a unique development in water manMan-agement field, and targets to integrate all the major hydrologic, hydrodynamic, transport and water quality, ground-water, land use etc. model knowledge into one user-friendly environment. The user interface of the WateRisk system is GIS based, and compatible with all the major standard data formats. The aim of the research work during the development of the WateRisk system is to integrate the fragmented spe-cific scientific knowledge into a system where all the dynamic communication is solved at algorithmic level. In this way the system becomes a modular unit, where all the modules (1D hydrodynamics, 2D hydrodynamics, rainfall-runoff etc.) can be activated or deactivated, and when they are active and work together with other modules the communication is fast and effective.
Bevezetés
A Kárpát-medence, s így hazánk vízkészleteinek jövıjét különbözı külsı és belsı környezeti, társadalmi, politikai folyamatok kombinációja határozza meg, mint például a globális változások (beleértve a klímaváltozást), a né-pességnövekedés, a földhasználat-változás, a terület- ill. településfejlesztés, ill. a gazdasági és technikai fejlesztések. Az Alföld területén különösen je-lentıs kihívás a szélsıséges vízkészlet-jelenségek kezelése (árvíz, vízhiány, aszály, heves csapadékok után kialakuló lokális áradások, belvíz), melyek a jövıben a klíma elırejelzések szerint egyre növekvı kilengéseket mutathat-nak (SOMLYÓDY L., 2000).
Egyes szakértıi becslések szerint az éghajlatváltozás következtében a Tisza-völgy árvízi kockázata 2050-ig megkétszerezıdik (KONCSOS L.,-B A-LOGH E., 2008). A területfejlesztés hatására nı a talajvesztés, a beszivárgás és vízvisszatartás mértéke csökken, amely jelentıs hatással van a felszín alatti vízkészletek megújulási képességére (LÁNG I., 2006).
A felmerülı problémák szükségessé tették a vízgazdálkodási gyakor-lat számára egy felhasználóbarát, integrált, térinformatikai alapokon nyugvó döntéstámogató rendszer (DSS) kidolgozását. E rendszer kialakítása érdeké-ben intenzív szoftverfejlesztési munka kezdıdött, melynek célja az egységes szemlélető vízgazdálkodási probléma megközelítés támogatására egy
integ-rált vízgazdálkodási szoftveres döntéstámogató rendszer kidolgozása volt. A szoftver fejlesztés több int másfél éve folyik, a rendszer alapjai elkészültek és mintaterületi tesztelés alatt állnak.
A WateRisk rendszer felépítése
A WateRisk rendszer moduláris jelleggel tartalmazza a hidrológia, a hidrodinamika, a talajtan és a gazdaság leíró modelljeit. A rendszer alap koncepciója az osztott paraméterő dinamikus modellszemlélet. A fejlesztés elsı, kutatási fázisa során a legnagyobb hangsúlyt a megfelelı modellezési alapok összefoglalására, és az egyes modellek közti kommunikációra fordí-tottuk. Fontos volt az eltérı idıléptékkel modellezhetı folyamatok össze-hangolása a gyors modell futtatási sebesség elérése céljából.
Az elkészült modell alaprendszer után a következı fontos lépés egy olyan könnyen kezelhetı és hatékonyan mőködtethetı felhasználói felület (GUI) elkészítése volt, amellyel a rendszer felhasználói a közeljövı vízgaz-dálkodási problémáit hatékony módon elemezhetik. A kezelıi felület alapját a térinformatikai szemléletmód adja (1. ábra).
1. ábra A WateRisk rendszer adatbeviteli és projekt szerkesztési ablaka
A speciális, vízgazdálkodási feladatok miatti igények miatt a szoftver fej-lesztés elsı részében elvetettük egy már meglévı térinformatikai rendszerbe integrálódást, helyette elkészítettük a WateRisk saját fejlesztéső kezelıi felü-letét. A felület kialakításakor fontos szempont volt a rugalmas és könnyő felhasználhatóság mellett a legfontosabb térinformatikai adatformátumok
ismerete, az ezekben tárolt bemeneti adatok kezelése és a modell számítási kimeneteinek többféle adatformátumban történı archiválhatósága.
A WateRisk Vízgazdálkodási Döntéstámogató rendszert alkotó almodulok, azok felépítése
A rendszer egyik alapköve a hidrológiai modul. A koncepció alapja az osz-tott paraméterő csapadék-lefolyási modellszemlélet, amely szerint a vízgyőj-tıt térben homogén fizikai tulajdonságokkal rendelkezı elemekre (cellákra) bontjuk. A hidrológiai mérlegegyenleteket a cellákra felírva a lefolyás há-romdimenziós leírása nyerhetı (KONCSOS L.,2001;KONCSOS L.,SZABO CS., 2003).
A modell a folyamatok tér-, és idıbeli leírásához a peremfeltétel ada-tait (például csapadék, léghımérséklet, páratartalom) területi eloszlásuknak megfelelıen veszi figyelembe. A peremfeltételek hatására lejátszódó folya-matok (2. ábra) a cellák lefolyási hierarchia szerinti összekapcsolását köve-tıen a mérlegegyenletek segítségével eredményezik a vízgyőjtı kimeneti szelvényében megjelenı lefolyás vízhozam idısorát. A lefolyás idıbeli vál-tozása a vízgyőjtı egy adott pontjában azon cellák lefolyásából adódik, ame-lyek az adott pont felett találhatók.
2. ábra A felszíni és a felszín alatti lefolyás és összegyülekezés fı folyamatai a WateRisk rendszerben
A modellezés során a csapadékból – a belvízfoltok megjelenése elıtt – elıször lefolyás alakul ki, amely a terep mélyedései irányába mutató áram-lást idéz elı (összefüggésben a talaj nedvességi állapotával).
A modell alapja a morfológiai térkép, amelyet cellákra bontunk. Az eljárásban a számítási elemet (cellát), a szakirodalomban újszerő módon, Bessel-felülettel közelítjük, amelynek belsı pontjaira analitikusan meghatá-rozhatóak az esésvonalak egyenletei, illetve az, hogy a belsı pontokból a cella melyik peremén távozik a lefolyó csapadék. A víz egy meghatározott cellából mind a négy szomszédos cellába továbbfolyhat, a cellák egymáshoz viszonyított helyzetének megfelelıen. Két szomszédos cella között kétdi-menziós horizontális áramláslép fel. Folyószerő lefolyás akkor képzıdik a cellák határvonalán, ha a szomszédos cellák közös peremén kilépı vízmeny-nyiség mindkét értéke nagyobb mint nulla. A „pálya” egyenleteket a cella felületén átlagolva nyerhetık a peremi fajlagos térfogatáramok, amelyek a felületelemre esett csapadék élek irányába lefolyó arányait fejezik ki.
Ha a szomszédos cellák között folyószerő lefolyási elem keletkezik, akkor annak folyóelemben kell folytatódnia. Tehát a „folyóból” terepen tör-ténı továbbhaladás a lefolyás során nem megengedett. Ez az elv faszerő, összefolyó gráf struktúrát eredményez.
A hidrológiai modul mellett a felszíni víz áramlással kapcsolatos folyamatok másik fontos eleme a terepi árasztás. Ennek számítása 2D hidrodinamikai modell alkalmazásával történik.
A számítás alapja a Navier-Stokes egyenletekbıl származtatott se-kélyvízi hullám egyenlet megoldása, ami a parciális differenciálegyenletek jellege és a peremfeltételek bonyolultsága miatt csak numerikusan nyerhetı.
A modell a vízmozgás sebességterének horizontális komponenseit és a víz-szintek területi változásait határozza meg az idı függvényében. A numerikus megoldás legegyszerőbben a véges differenciák módszerével történik, de alkalmazható a véges elem vagy véges térfogatok módszere is.
Ezek az eljárások pontos, és dinamikus megoldást adnak, de a pon-tosságnak ára van: a számítási igény, amely idıben kifejezhetı. A program-ban – adott esetben – több tízezer cella állapotát kell vizsgálni a terepen, miközben a mederbeli lefolyás modellje szinkronban fut a felszín alatti áramlás számítással. A szimulált idı/valós idı hányados gyakran olyan ala-csony, hogy fel kell adni valamit a modellbıl. Ugyan a gépek teljesítménye fokozatosan növekszik, de nı az igény a finomabb cellafelbontású és na-gyobb modellterek szimulációjára is. Mindezt figyelembe véve felmerül a kérdés, hogy létezik-e alternatív megoldás.
Azokban az esetekben, ahol az elárasztási folyamat végeredményére vagyunk kíváncsiak, a komplex számítás megtakarítható. E végeredmény alatt az értendı, hogy a víz nyugalmi állapotba, kvázi hidrosztatikus
állapot-ba kerül a vizsgált terepen. Amennyiben szükség van a közbensı hidrodina-mikai folyamatok követésére vissza kell térni a szokásos numerikus módsze-rekhez.
A terepen meglévı folyómedrek, csatornák esetén a kialakított me-derbeli lefolyási modell elvi felépítése szerint csomópontok és az ezeket ösz-szekötı szakaszok segítségével írható le egy folyó vagy csatornahálózat. Az ily módon leírt hálózat tetszıleges nagyságú lehet, és természetesen egy csomópontba több szakasz is csatlakozhat. A csomópontokhoz magasságot lehet rendelni, míg a szakaszok esése a csatlakozó csomópontok magasságá-ból származik, és a fı paraméterük a szakaszonkénti két keresztmetszetük (egy szakasz két félre van felosztva és így mindkét félhez külön keresztmet-szet rendelhetı) és a hozzá tartozó érdességi tényezık. A szakaszok lehetnek csatornák, folyómedrek vagy egyéb mőtárgyak, mint például szivattyúk vagy áramlásszabályozó eszközök.
Az egydimenziós modell (CHOW V.T., 1959), a WateRisk többi almodellje közül a felszíni lefolyás 2D hidrodinamikai modelljével, illetve a talajvíz 2D modellel a csomópontokban kommunikál, itt történhet befelé vagy kifelé irányuló vízmozgás (a folyóból/csatornából történı kibukás ter-mészetesen a teljes szakaszon kerül kiszámításra a Poleni bukóképlettel, és csak ezután kerül összegzésre a két csatlakozó csomópontra). Megjegyzen-dı, hogy a kapcsolódó talajvíz modell a folyó teljes hosszán elosztva kezeli a ki- illetve belépı vízmennyiségeket.
A modell több – vízkormányzást, vízhozam szabályozást biztosító – mőtárgyat tud modellezni, mint például bukók, tározók, szivattyúk stb. Ezek bıvebb leírása alább található.
A peremfeltételek megadása a csomópontokban történhet szükség esetén. A felvízi illetve oldalsó peremeket itt adhatjuk meg vízhozam idıso-rok formájában. Az alvízi perem idısoidıso-rokat vízmélység idısor vagy például fix alvízi vízszint formában lehet megadni az ún. kiömlı csomópontnál.
Amennyiben az így megadott vízmélység idısorok a számítás szerint nem teljesíthetı vízmélységet adnak, úgy a program felülírja az alvízi vízszinte-ket, ezért nem nevezhetıek szigorú értelemben vett peremfeltételeknek.
A felszín alatti telített zónában zajló szivárgáshidraulikai folyamatok leírása a WateRisk talajvízmodellel történik. A modul az idıben változó szi-várgó vízmozgás réteg mentén integrált kétdimenziós alapegyenletének nu-merikus megoldását biztosítja. A számítások elvégzése a véges differenciák módszerén alapul, amelynek során a folytonos számítási tartományt az eljá-rás kétdimenziós rácsháló segítségével diszkretizálja. Ennek megfelelıen a modell osztott paraméterő, ami a felszín alatti víz mozgásának meghatározá-sát térben heterogén közegek esetén is lehetıvé teszi. Az anizotrop viszo-nyok megfelelı leírását az térben változó paraméterek mellett a vízvezetı és
félig áteresztı rétegek jellemzésére használt szivárgási együttható irányfüg-gése biztosítja.
A talajvízmodul az alapegyenlet megoldásához szükséges peremfelté-telek, valamint a számításokból adódó nyomásmagasságok révén kapcsoló-dik a WateRisk integrált vízkészlet-gazdálkodási modellbe. A talajvízmoz-gás dinamikus leírásának a teljes rendszerbe történı beépítése számos olyan problémakör átfogó vizsgálatára ad lehetıséget, amelyek esetében a talaj telítettségi állapotának meghatározó szerepe van. A WateRisk szoftver bel-vizes feladatokra alkalmazása esetében a kialakuló talajvízmozgás jó közelí-téssel vízszintesnek tekinthetı, amelynek leírására a háromdimenziós talaj-vízmozgási egyenlet egy egyszerősített alakja is megfelelı.
3. ábra A számítási eredmények nyomon követése és kiértékelése a WateRisk rend-szerben
A fent részletesebben kifejtett számítási modulok egy meglehetısen bonyo-lult, komplex szoftveres keretet adnak. A szoftver bonyolultságának legfıbb oka a valós idejő modellek közötti folyamatos kommunikáció megoldása dinamikus számítási körülmények között. Ezen megoldás segítségével a rendszer lehetıvé teszi a vízgazdálkodás szempontjából hagyományosan szeparáltan kezelt problémakörök jövıbeni integrált megközelítését.
A bonyolult számítási eljárásokra a fejlesztés során igyekeztünk olyan felhasználó barát felületet kialakítani, mely a modellezés minden
lépé-sében, így az eredmények kiértékelésénél is hatékony támogatja a felhaszná-lót (3. ábra).
Összefoglalás, a WateRisk rendszer fejlesztési célkitőzései
A fentiekben részletezett vízgazdálkodási döntéstámogató rendszer hatékony eszköz a döntéshozatalban résztvevı szereplıknek az egyes beavatkozási, döntési alternatívák minél pontosabb kiértékelésében. A legfontosabb prob-lémák, melyekkel a WateRisk rendszerfejlesztési projekt célkitőzései között foglalkozik:
• Szélsıséges vízgazdálkodási jelenségek (árvíz, aszály, belvíz, (ivó)vízkészletek) kockázata egyes kistérségekben, településeken
• Az IPCC (illetve más nemzetközi) modellek által kidolgozott szcenáriók leskálázása és értelmezése a vízkészletek alakulása szempontjából
• Az egyes vízgazdálkodást támogató/érintı beavatkozások, jó példák (best practice) és azok egyedi, ill. kombinált természeti, gazdasági és tár-sadalmi hatásainak rendszerezett, közérthetı katalógusának elkészítése
• Fizikai modellen alapuló közép- és hosszú távú folyamatokat elemzı döntéstámogató rendszer kidolgozása a vízkészletek területi értékelésére és várható alakulására
• Az energia ellátás mellett a vízgazdálkodás lesz a legfontosabb stratégiai kihívás, melynek szakpolitikai interdiszciplináris jellegő megalapozása támogatható a WateRisk rendszer felhasználásával.
Irodalomjegyzék
CHOW V.T. (1959): Open-Channel Hydraulics, McGraw-Hill, London.
SOMLYÓDY L., szerk. (2000): A hazai vízgazdálkodás stratégiai kérdései. MTA Vízgazdál-kodási Tudományos Kutatócsoportja, Budapest.
KONCSOS,L. (2001): Development of flood forecast on the Upper-Tisza.Floods, BUTE, Budapest, in Hungarian.
KONCSOS L., SZABO CS. (2003): Entwicklung ein physikalisches, numerisches Hochwasserabflussmodell. Symposium: Lebensraum Fluss Hochwasserschutz, Wasserkraft, Ökologie. Wolgau, Oberbayern.
LÁNG I., (2005): Éghajlat és idıjárás: változás - hatás - válaszadás. "Agro-21" ISSN 1218-5329, 43. sz., pp . 3-10.
KONCSOS,L.,BALOGH,E. (2006): Optimum operation of flood control reservoirs. Flood Protection Conference, Slovakia, Podbanske, 4-7. 12. pp. 202-211.