CV09 – Hydrologické analýzy

Hydrologické analýzy

Hydrologické analýzy v GIS zahrnují širokou škálu nástrojů a metod pro analýzu hydrologických jevů, správu vodních zdrojů a modelování vodního cyklu. ArcGIS Pro poskytuje robustní sadu nástrojů pro provádění těchto analýz, které mohou zahrnovat vytváření a analýzu povodí, modelování odtoku, simulaci povodní, analýzu kvality vody a další. Následující text popisuje hlavní aspekty hydrologických analýz v GIS.

Klíčové prvky hydrologických analýz v GIS

1. Digitální výškový model (DEM)
   • DEM je základním vstupem pro hydrologické analýzy, protože poskytuje informace o topografii terénu.
   • Z DEM se odvozují další hydrologické charakteristiky jako směry toku, akumulace toku a povodí.
2. Příprava a předzpracování dat
   • Vyplnění depresí (Fill Tool): Tento krok odstraňuje nesprávné deprese v DEM, které by mohly narušit tok vody.
   • Výpočet směru toku (Flow Direction): Určuje směr, kterým voda teče z každé buňky DEM.
   • Výpočet akumulace toku (Flow Accumulation): Počítá počet buněk, které přispívají k odtoku v každé buňce.
3. Analýza povodí
   • Watershed Tool: Identifikuje oblasti, které odvádějí vodu do konkrétního bodu nebo toku.
   • Pour Points: Specifické body, kde se analyzuje odtok a identifikují se přispívající povodí.
4. Identifikace a klasifikace toků
   • Stream Definition: Definuje toky na základě prahových hodnot akumulace toku.
   • Stream Order: Klasifikuje toky podle jejich hierarchie (např. Strahlerův nebo Shreveův řád).
5. Modelování odtoku a povodní
   • Rainfall-Runoff Modeling: Simuluje, jak srážky přecházejí do povrchového odtoku.
   • Floodplain Delineation: Identifikuje oblasti, které mohou být zaplaveny během povodňových událostí.
6. Analýza kvality vody
   • Contaminant Transport: Modelování šíření znečišťujících látek ve vodních tocích.
   • Water Quality Assessment: Hodnocení kvality vody na základě různých parametrů a sledování znečištění.

Data pro cvičení

• DMR5G: https://ags.cuzk.cz/arcgis2/rest/services/dmr5g/ImageServer
• DIBAVOD, povodí III. řádu: https://www.dibavod.cz/27/struktura-dibavod.html

Postup cvičení

• připojte si do ArcGIS Pro DMR5G a ořízněte jej pomocí připravené polygonové vrstvy povodí III.řádu, které se nachází na území Lhotky, Ludgeřovic, Petřkovic a Ostravy
• Použijte nástroj Fill k vyplnění všech depresí v DEM. Tento krok je nezbytný, aby se zajistilo, že voda bude proudit správně přes povodí.
• Použijte nástroj Flow Direction k určení směru odtoku vody z každé buňky DEM. Seznamte se s kódováním směrů odtoků.
• Pomocí nástroje Flow Accumulation zjistěte kolik vody přitéká do každé buňky v rámci daného povodí na základě topografických vlastností zaznamenaných v DEM. Otestujte si v Symbologii vytvořeného rastru změnu prahové hodnoty pro detekci vodního toku. Pro vizuální kontrolu využijte jako podkladovou mapu např. OpenStreetMap.
• Následně reklasifikujte podle vaší prahové hodnoty tak, aby vodní toky měly novou hodnotu 1 a všechny ostatní buňky hodnotu NODATA. Převeďte do vektorového formátu (Stream to Feature).
• S takto vytvořenou vrstvou vodních toků lze pak provádět další analýzy např.: Stream Order nebo Watershed. Pomocí Stream Order můžete lépe porozumět hierarchii vodních toků v krajině a jejich vzájemným vztahům. Stream Order je klíčový pro vytváření a analýzu povodí, kde různé řády toků představují různé části povodí s odlišnými hydrologickými charakteristikami.

Flow Direction

Pro každou buňku v DEM nástroj určuje směr, kterým voda teoreticky odtéká z této buňky na základě největšího spádu (nejmenšího odporu) do sousedních buněk.

Existují různé metody výpočtu směru odtoku, jako jsou D8, MFD (Multiple Flow Direction) a DINF (D-infinity), které se liší v přesnosti a výpočetní složitosti v závislosti na terénních podmínkách.

Každá z metod (D8, MFD, DINF) může být použita pro výpočet směru odtoku v závislosti na požadavcích analýzy a charakteristikách terénu.

Bližší popis naleznete zde: https://pro.arcgis.com/en/pro-app/latest/tool-reference/spatial-analyst/how-flow-direction-works.htm

Např.:

• D8 přiděluje každé buňce pouze jeden z osmi možných směrů odtoku na základě největšího spádu do sousedních buněk.
• MFD umožňuje vodu odtékat do více než jednoho směru z každé buňky, což je užitečné pro komplexní terény.
• DINF bere v úvahu největší spád nebo nejmenší odpor ze všech možných směrů odtoku z každé buňky.

Flow Accumulation

Než může být provedena akumulace toku, je obvykle potřeba určit směr, kterým voda odtéká z každé buňky. Směr odtoku určuje, které buňky přispívají vodou do každé buňky a jakou cestou voda putuje po povrchu terénu.

Flow Accumulation vypočítává, kolik vody přitéká do každé buňky v závislosti na jejím směru odtoku a výškových rozdílech mezi sousedními buňkami. Pro každou buňku se vypočte suma vodních přítoků z okolních buňek. Čím větší je výškový rozdíl mezi buňkami a čím více sousedních buňek odtéká vodu do dané buňky, tím vyšší je hodnota akumulace toku v této buňce.

Výsledkem je nová rastrová vrstva, která ukazuje akumulované množství vody pro každou buňku v analýzované oblasti. Tato vrstva obsahuje hodnoty, které reprezentují počet buňek, které přispívají vodou do dané buňky. Čím vyšší je hodnota, tím větší je přítok vody do této buňky.

Obr.: Flow Direction, hledání prahové hodnoty pro Flow Accumulation, výsledek Watershed