Vědci Technické univerzity v Liberci společně s firmou Ekohydrogeo Žitný vyvinuli novou technologii autokalibračního systému včasného varování před účinky vztlaku podzemních vod, která je schopna s dostatečným časovým náskokem predikovat povodňové stavy. Nový predikční algoritmus tak může sloužit jako účinný prvek protipovodňové ochrany. Důležité je, že predikci povodňového stavu v dané lokalitě je možné uskutečnit pomocí automatizovaných prvků, které samy rozpoznají potenciálně nebezpečnou situaci.
Na varovném systému, který je schopen minimalizoval negativní dopady elevace hladin podzemních vod v důsledku povodňových stavů, spolupracovali univerzitní vědci Ústavu pro nanomateriály, pokročilé technologie a inovace (CXI TUL) a Fakulty mechatroniky, informatiky a mezioborových studií (FM TUL). Výzkum probíhal v rámci ukončeného projektu TA ČR nazvaného Technologie autokalibračního systému včasného varování před účinky vztlaku podzemní vody při povodni a liberecké týmy v něm zúročily zkušenosti z předchozího projektu zaměřeného na sledování povodňových stavů a měření a interpretaci chování podzemní vody při povodni. Většina současných předpovědí povodní pracuje jen s výškou hladiny vodních toků. Na Technické univerzitě v Liberci ale zjistili, že je třeba brát v úvahu i nastoupání hladin podzemních vod, která se zvyšuje vlivem vsakujících se srážek a omezením přirozeného odtoku podzemních vod. Nasazení nové technologie na vybraných lokalitách ukázalo, že synergie těchto efektů může být zásadní. Technologie včasného varování průběžně získává data z instalovaných měřicích objektů na určité lokalitě a následně je odesílá do řídicí jednotky k průběžnému vyhodnocování. V rámci řídicího systému, který je realizován vyvinutým databázovým systémem ioTUL, jsou prováděny pokročilé vyhodnocovací funkce s průběžným propočítáváním pravděpodobnosti dosažení kritických stavů. Univerzitní a firemní týmy se cíleně věnovaly lokalitám s vybudovanými protipovodňovými zábranami, často v podobě uměle zvednutých břehů. „Tam při povodni nastoupá voda vysoko nad terén, tlačí přes horninové prostředí na podzemní vodu a zdvihá její hladinu. Následně může dojít k zatopení sklepů, podmáčení základů domů a ulic, aniž by se voda rozlila z vodních toků. Tento druhotný efekt jsme důkladně zkoumali s cílem generovat maximální možný časový předstih pro upozornění na tyto stavy,“ vysvětluje Jaroslav Nosek z CXI TUL.
Nástroj pro minimalizaci škod při povodni
Základním stavebním kamenem monitorovacího systému je měřicí zařízení pro kontinuální sledování úrovně hladiny podzemních a povrchových vod a zasílání těchto měření do řídicího systému. Sonda s kontinuálním záznamem HLogge s bezdrátovou GSM komunikací byla vyvinuta a vyzkoušena v rámci projektu TA ČR. Pokud je spuštěna do vrtu, umožňuje měřit hladinu podzemní vody, pokud je umístěna přímo v toku, měří hladinu povrchové vody. Systém spočívá v tom, že ve vybrané lokalitě jsou do vrtů spuštěny měřáky s tlakovým snímačem hladiny, které dlouhodobě v pravidelných intervalech posílají potřebná data do databáze centrální jednotky řídicího systému. „Sondy jsou vybaveny akumulátory a je možné je sledovat a řídit na dálku. Po určité době se na základě srovnávání s historickými údaji pohybu hladin při různě zvýšených hladinách systém sám naučí rozpoznávat, jak podzemní voda v dané lokalitě reaguje. Na tomto základě je schopen predikovat z aktuálně naměřených hodnot a dynamiky jejich změn blížící se povodňové stavy a v předstihu informovat určeného pracovníka (nebo prostřednictvím místního rozhlasu) o blížícím se nebezpečí. Obyvatelé tak mohou přiměřeně reagovat (vyklidit sklepy, zavřít poklopy, zapnout čerpadla apod.), a tím minimalizovat negativní dopady,“ říká autor sondy Ing. Tomáš Pluhař z CXI TUL s tím, že pro zasílání avíz havarijních stavů lze využít celou řadu dostupných technických prostředků (SMS zprávy, e-maily, zapojení do existujících systémů ochrany atd.) Ovládání na dálku Libereckým vědcům nevyhovovaly běžné, na trhu dostupné komerční měřicí systémy, potřebovali měnit hardware sondy podle potřeb. Navíc počítali také s tím, že se vrty s měřicím zařízením nacházejí i v lokalitách, kde může při povodích dojít k dlouhodobějšímu přerušení přívodu elektřiny. Proto vycházeli z potřeby energeticky nezávislého zařízení s dlouhodobým akumulátorovým provozem, které umožní zasílání dat na vzdálené pracoviště, ovládat zařízení na dálku a nastavovat ho tak, aby měřilo výšku hladiny v časových intervalech podle aktuální situace. „V době klidu stačí zasílat data třeba jen jednou za několik dní, a šetřit tak akumulátory, ale v případě povodňové situace můžeme na dálku intervaly zkrátit na minuty, případně sekundy. To běžná komerční řešení nenabízejí. Zařízení jsme proto vyvíjeli kompletně od samého začátku. Dostali jsme se samozřejmě i do slepých uliček, stejně jako autoři nabízených komerčních řešení,“ říká Tomáš Pluhař a zároveň přiznává i určitá slabá místa systému. Ta spočívají v tom, že v naměřené lokalitě musí být z principu funkce dostatečně silný GSM signál. To ostatně vyžadují všechna řešení používající GSM pro přenos dat. Každé zařízení ve vrtu má totiž vlastní SIM kartu, chová se jako samostatný měřicí prvek a vysílá data nezávisle na ostatních. Data jsou pomocí GSM protokolu přenášena na FTP server a databázově zpracována. Všechny výpočty a logika řízení jsou pak realizovány na straně serveru. Když není dostatečné pokrytí GSM signálem, funguje měřák v pasivním režimu. To znamená, že je možné se připojit na místě kabelem a data stáhnout. Protože je ale ve většině obydlených lokalit, které mohou být povodní ohroženy, GSM signál dostatečný, nevidí Ing. Pluhař v této „slabině“ podstatný problém.
Nový algoritmus
Výraznou inovací systému je řídicí predikční algoritmus systému, kdy jsou z historických dat a aktuálně měřených hodnot určovány pravděpodobnosti potenciálně nebezpečných stavů pro blízkou budoucnost. Predikční algoritmus vyvinul Ing. Vratislav Žabka, Ph.D., z FM TUL a univerzita na něj již podala patentovou přihlášku. Základem je automatické hledání podobností mezi časovými průběhy výšky hladiny v několika objektech sledované lokality. Algoritmus s každou aktuální naměřenou hodnotou porovnává vývoj výšky hladiny v posledních několika hodinách s historickými průběhy a určuje míru podobnosti s aktuální situací. To dělá pro všechny objekty v dané lokalitě, vybírá nejpodobnější situace a z nich odvozuje vývoj v několika následujících hodinách. „Představte si zjednodušenou situaci, kdy měříme výšku hladiny ve vrtu u sledovaného objektu a také výšku hladiny ve vrtu výše proti proudu blízkého vodního toku. Když začne hladina u druhého vrtu stoupat, algoritmus najde podobný úsek v jeho historii vrtu a podívá se, jak se tou dobou choval vrt u sledovaného objektu. Z toho odhadne další vývoj. A to je celý hlavní princip. Pouze do něj bylo potřeba zakomponovat, že algoritmus neví, který vrt je u řeky, že vrtů může být libovolný počet, že vliv nemá pouze povodňová vlna, ale také aktuální výška hladiny, změna výšky hladiny za sledovaný časový úsek a mnoho dalších drobných detailů. Algoritmus se například dokáže s určitou mírou nejistoty vypořádat také s tak extrémními nárůsty, které nemají v historii měření hladiny daného vrtu obdoby. Vždy ale platí, že kvalita predikce závisí především na vztahu mezi hladinami ve sledovaných vrtech a na kvalitě historických dat,“ konstatuje dr. Žabka s tím, že predikační algoritmus je kompatibilní s databázovým systémem a systémem posílání dat, který zpracoval dr. Špánek rovněž z FM TUL. Základním zdrojem dat jsou textové soubory vytvořené jednotlivými měřicími sondami na FTP serveru, z kterého jsou data automaticky stahována systémem ioTUL a po zpracování a validaci jsou uložena do interní databáze.
Úspěšné zkoušky v terénu
V rámci projektu ověřovali vědci a pracovníci firmy Ekohydrogeo Žitný systém na třech lokalitách, které se dostatečně hydrogeologicky i geologicky lišily a došlo v nich v průběhu čtyř let k několika povodňovým stavům. V obci Višňová na Liberecku byl v tomto období dokonce vyhlášen třetí stupeň povodňové aktivity na řece Smědé, několik zvýšených stavů hladiny povrchového toku bylo zaznamenáno také na řece Orlici. Zvýšené hladiny vodních toků se pak různou měrou projevily na úrovni hladiny podzemní vody v monitorovacích objektech. Je známo, že určitá odezva zvýšené hladiny povrchového vodního toku se projeví na zvýšení hladiny podzemní vody v kvarterním kolektoru, tedy i ve vrtech umístěných v blízkosti vodního toku. Ale v průběhu společných výzkumných úkolů ověřovali kolegové z firmy a z univerzity skutečnost, že nástup hladiny v mělkém kvarterním kolektoru je rychlejší, než by odpovídalo běžným výpočtům na základě propustnosti horninového prostředí. Tento efekt může být významný i pro ohrožení stability budov v blízkosti vodního toku. Ověřování dynamiky a úrovně nástupu hladiny podzemní vody při povodni bylo koncipované tak, že na každé lokalitě byly měřicí sondy instalovány do pěti vrtů v terénu a jeden do měrného objektu přímo ve vodním toku. Data ze všech vrtů se sbírala po pěti až deseti minutách a získaly se tak obrovské časové řady dat. „Účelem bylo zkoumat, jakým způsobem a jak rychle může vzestup hladiny podzemní vody reagovat na vzestup hladiny povrchové vody, v závislosti na vzdálenosti od toku. Abychom dokázali posoudit rychlost odezvy, snažili jsme se uspořádat geometrii systému monitorovacích vrtů v linii co nejvíce kolmo na tok. Mimo jiné jsme si ověřili, že systém spolehlivě funguje i v minimální konfiguraci se dvěma sondami ve vrtech a jednou ve vodním toku. Systém se učí podle vygenerovaných křivek ze zpracovaných dat. Když je vrtů více, výsledek predikce je samozřejmě přesnější,“ říká Martin Mikeš z firmy Ekohydrogeo Žitný.
Důležitá je spolupráce a dynamika
Podle Jaroslava Noska z CXI je při instalaci systému v terénu nenahraditelná spolupráce s místními úřady a se znalci hydrogeologických podmínek lokality, kteří určí, kolik je potřeba udělat vrtů a jak mají být hluboké. „Pokud by byly vrty příliš blízko u sebe, získali bychom sice velké množství čísel, ale ve stejných řadách, a to by bylo k ničemu. Stejný efekt by nastal, kdybychom vrt umístili příliš blízko vodního toku, protože pak by data ze sondy téměř kopírovala hladinu v toku — proto musí být vzdálenost monitorovacího vrtu vhodně zvolena podle geologických podmínek. Na některých lokalitách to mohou být desítky metrů od toku, aby se sem vlna zvýšené hladiny dostala se zpožděním. Aby zařízení mohlo porovnávat data z jednotlivých vrtů a vyhodnocovat dynamický vývoj situace, musí být vrty ve větších vzdálenostech od sebe. Na takové dynamice, kdy porovnáváme výšky hladiny v jednotlivých vrtech, se dá stavět a predikovat,“ říká Jaroslav Nosek.
Využití pro obecní a městské úřady
Jednání s obcemi a vyřizování jejich souhlasu pro testovací provoz na vybraných lokalitách se ujala firma Ekohydrego Žitný. Podle Martina Mikeše výrazně větší zájem projevovaly obce, které mají z povodňovými stavy vlastní zkušenosti a které si uvědomují, že je počáteční investice do monitorovacího systému v poměru k možným škodám a zachráněným hodnotám pro ně cenově přijatelná. Následný vlastní provoz je už finančně nenáročný. Výhodou pro každodenní práci je podle něj to, že současný systém má za „klidového“ stavu minimální spotřebu energie a v terénu vydrží pracovat poměrně dlouho bez zásahu obsluhy. „V poslední verzi, kterou testujeme například na Pardubicku, v obci Choceň, je měřicí systém vybaven akumulátorem s velkou kapacitou. To v ostrém nasazení umožní posílání dat po minutě déle než měsíc. V běžném nasazení, kdy jsou intervaly posílání dat delší, může posílat data i déle než rok bez lidského zásahu,“ říká Ing. Mikeš s tím, že některé obce už označují nový systém za perspektivní. Dokazuje to např. probíhající jednání s Krizovým štábem hlavního města Prahy. A to i s ohledem na neblahou zkušenost ze zaplavené čtvrti Karlín při poslední pražské povodni, kdy poškození stability části budov nebyla způsobena vlastním zaplavením, ale právě narušením statiky v důsledku vzestupu podzemní vody. „Když má budova nepropustnou spodní část, snaží se při vzestupu hladiny podzemní vody vyplout jako loď,“ vysvětluje Ing. Mikeš s tím, že monitorovací systém stávajících vrtů může být efektivně rozšířen o nově vyvinutý systém predikce potenciálně nebezpečných stavů s tím, že firma je schopna zájemcům predikační zařízení dodat bez větších průtahů.
Uplatní se i při ochraně vodních zdrojů
Vyvinuté zařízení má podle Martina Mikeše v rámci hydrogeologických monitoringů poměrně univerzální využití a najde si aplikaci i v jiných odvětvích. Systém může být využitelný nejen pro měření vzestupu hladiny podzemní vody při povodni, ale také opačně, například při monitoringu čerpacích zkoušek nebo při sledování hladiny podzemní vody ve vodárensky využívaných objektech. Je tak cenným nástrojem ve vodárenských společnostech, které chtějí zajistit optimální využívání svých zdrojů vody a chránit je před nežádoucím poklesem hladiny v důsledku čerpání. Výhodou nového řešení z pohledu využití v terénu je podle dr. Žabky z FM TUL také „pružný“ software, který jsou schopni jeho autoři upravovat, rozvíjet, připojovat němu další zařízení a přizpůsobit ho tak konkrétním podmínkám a požadavkům. „Teď pracujeme na vzdáleném měření fyzikálně chemických parametrů. To ještě zvýší univerzálnost naší technologie,“ doplňuje Jaroslav Nosek. /Jaroslava Kočárková/
