Projekti / Programi
Analiza poplav z uporabo Copula funkcij
| Koda |
Veda |
Področje |
Podpodročje |
| 2.20.00 |
Tehnika |
Vodarstvo |
|
| Koda |
Veda |
Področje |
| P500 |
Naravoslovno-matematične vede |
Geofizika, fizična oceanografija, meteorologija |
| Koda |
Veda |
Področje |
| 2.07 |
Tehniške in tehnološke vede |
Okoljsko inženirstvo |
Poplave, visoke vode, povratna doba, ekstremni dogodki, copula, verjetnostna analiza poplav
Raziskovalci (8)
Organizacije (1)
Povzetek
Upravljanje z vodami, načrtovanje, določanje poplavnih območij, dimenzioniranje objektov na vodi ipd., vse to zahteva temeljito poznavanje značilnosti visokovodnih dogodkov. Trenutno se povratna doba ekstremnih dogodkov v Sloveniji računa na podlagi verjetnostne analize maksimalnih visokovodnih konic, torej na podlagi le ene spremenljivke. To lahko pripelje do podcenjevanja rizika pojava določenega dogodka. Npr. dogodek s 100-letno povratno dobo konice vala lahko povzroči manj škode kot dogodek z 10-letno povratno dobo konice in volumna vala. Kompleksni hidrološki pojavi kot so poplave se vedno pojavljajo kot posledica večih med seboj odvisnih slučajnih spremenljivk (npr. konica, volumen, trajanje itd.). Torej lahko z verjetnostno analizo le ene spremenljivke precej nenatančno ocenimo možnost pojava določenega dogodka. Za popolno razumevanje vseh treh spremenljivk in njihovo medsebojno povezanost je nujen multivarianten statistični pristop. V zadnjih nekaj letih se je pojavilo nekaj multivariantnih pristopov v hidroloških in okoljskih študijah po svetu. Večina teh študij temelji na dveh predpostavkah in sicer, da vse spremenljivke pripadajo istemu tipu porazdelitve ekstremnih vrednosti in da spremenljivke sledijo normalni porazdelitvi. V resnici so v naravi spremenljivke, ki opisujejo poplavni val, med seboj odvisne, v splošnem ne sledijo normalni porazdelitvi in ne pripadajo istemu tipu porazdelitve ekstremnih vrednosti. Glede na vsa ta spoznanja, so znanstveniki po svetu v zadnjem času poskušali uporabiti Copula funkcijo za verjetnostno analizo poplav. Copula funkcija se je do sedaj uspešno uporabljala predvsem v ekonomiji (finance). S Copula funkcijo lahko modeliramo odvisnost večih spremenljivk, neodvisno od tipa porazdelitve, ki mu sledijo posamezne spremenljivke.
V raziskovalnem projektu bomo za izbrano padavinsko območje dela Save (ali drugega vodotoka) iz izmerjenih visokovodnih valov določili njihove glavne značilnosti (konico, volumen in trajanje). Pri tem bo vsakemu valu posebej potrebno izločiti bazni del odtoka. Nato bomo določili medsebojno odvisnost vseh treh spremenljivk (konice, volumna in trajanja). Pri tem bomo uporabili Pearsonov linearni korelacijski koeficient ter Kendalov koeficient korelacije. Vsaki od treh spremenljivk bomo nato poiskali najbolje prilegajočo se verjetnostno porazdelitveno funkcijo, ki ni nujno iz iste družine porazdelitev. Na koncu bomo z eno od Copula funkcij generirali skupno porazdelitveno funkcijo vseh treh spremenljivk. Za statistične analize bo uporabljen računalniški program R (ali drug podoben program). Rezultat tako kompleksne verjetnostne analize je možnost določanja različnih kombinacij pojava konic, volumnov in trajanj za določeno povratno dobo ter obratno. Pri verjetnostni analizi poplav je npr. zaželena tudi informacija o verjetnosti pojava nekega poplavnega volumna pri znani konici ali trajanju vala.
Razvoj in uporaba novega pristopa je v polnem zamahu. Cela vrsta vprašanj pri izbiri vzorcev, metodologiji in analizi rezultatov je še odprta. S tem projektom se bomo priključili prvim državam, ki razvijajo nov pristop in enakopravno sodelovali pri razvoju in uporabi copola funkcij.
Pomen za razvoj znanosti
Področje voda ima zagotovo velik javni pomen. Projekt sledi Evropski poplavni direktivi (Directive 2007/60/EC), katere cilj je zmanjšati in obvladati nevarnosti poplav za človeka, okolje, kulturno dediščino in ekonomske aktivnosti. Kljub pomembnemu napredku hidrologije in tudi verjetnostne analize poplav v zadnjih desetletjih pa se metodologija določanja tveganja pojavljanja poplav v večini držav že dolgo ni posodobila. V svetovni hidrološki literaturi je le omejeno število študij, ki obravnavajo določanje povratne dobe oz. analizo ekstremnih dogodkov z obravnavo večih spremenljivk hkrati. Kopula modeli se pravzaprav v svetovni hidrološki praksi šele uveljavljajo. Do sedaj narejene študije v svetu kažejo, da je nov pristop k določanju povratnih dob ekstremnih poplavnih dogodkov zelo uspešen in nujen za sodobno in uspešno načrtovanje in upravljanje z vodami. Raziskovalni projekt ima velik pomen za razvoj hidrologije in tudi drugih okoljskih znanosti v mednarodnem prostoru, na kar kažejo tudi objave rezultatov projekta v uglednih svetovnih revijah (5 SCI člankov) in predstavitve na velikih mednarodnih konferencah (6), zanimanje zanje, odzivi in tudi že prvi citati. Raziskava predstavlja in uvaja nov pristop določanja povratne dobe ekstremnih dogodkov. V prihodnje bo razvoj in uporaba verjetnostnih modelov večih spremenljivk verjetno nujna. Poleg zastavljenih ciljev projekta pa smo s pomočjo kopula funkcij izvedli tudi trivariatne verjetnostne analize konic, volumnov in suspendiranih snovi visokovodnih valov, kar je prvi tovrstnen primer v svetu. Izvedli smo tudi prvi poskus ocenjevanja manjkajočih meritev (koncentracij suspendiranih snovi) in ga zelo uspešno predstavili na mednarodni znanstveni konferenci v Deggendorfu, v Nemčiji. Razvoj in uporaba kopula funkcij je v polnem zamahu. Cela vrsta vprašanj pri izbiri vzorcev, metodologiji in analizi rezultatov je bila odgovorjena tudi s pomočjo te projektne naloge (glej objave). S tem projektom smo se priključili vodilnim državam, ki razvijajo nov pristop in dodali edinstven prispevek pri razvoju in uporabi kopula funkcij v znanosti in praksi.
Pomen za razvoj Slovenije
Področje voda zagotovo spada med najpomembnejše javne interese, zato so tovrstne raziskave zelo pomembne za razvoj družbe. Poplave so ena od najpogostejših in v ekonomskem smislu tudi najdražjih naravnih nesreč. Ne majhen delež slovenske populacije, infrastrukture, industrije in celo kulturne dediščine je lociran na poplavno ogroženih območjih. Posledično poplave na teh območjih vedno pogosteje povzročajo veliko škodo, stroške in včasih terjajo celo življenja. Inženirji poplav ne moremo ustaviti, moramo pa iskati konstrukcijske in nekonstrukcijske rešitve za zmanjšanje tveganja družbene ogroženosti, velikih ekonomskih stroškov, okoljske škode in izgube življenj. Razvoj ekonomsko učinkovitih in racionalnih načrtov pa zahteva dobro oceno tveganja poplavljanja in upoštevanje Evropske poplavne direktive (Directive 2007/60/EC). Čim bolj točna ocena obsega in pogostosti pojavljanja poplav je nujna za pravilno načrtovanje in delovanje vodooskrbnih sistemov, objektov za kontrolo vode, določanje poplavnih območij in gospodarjenje, dimenzioniranje transportne infrastukture (mostovi, ceste) ipd. Rezultati projekta v hidrološko prakso v Sloveniji in v svetu prinašajo nov pristop določanja povratne dobe ekstremnih dogodkov. V prihodnje bo razvoj in uporaba verjetnostnih modelov večih spremenljivk nujna tudi v Sloveniji. Nenazadnje tudi zaradi vedno pogostejšega pojavljanja ekstremnih dogodkov (podnebne spremembe). Študija je pokazala, da je v primerjavi s klasičnimi univariatnimi analizami metodologija kopul nekoliko bolj zapletena, končni rezultati pa so večinoma drugačni od tistih, ki jih dobimo s klasičnimi analizami le ene spremenljivke. Verjamemo, da bo nov pristop v veliki meri izboljšal določanje tveganja pojava ekstremnih dogodkov, predvsem za potrebe dimenzioniranja pomembnejših hidrotehničnih objektov in tako zmanjšal škodo in stroške ob poplavah, zmanjšal ogroženost ljudi, lastnine, naravne in kulturne dediščine in verjetno rešil kakšno življenje.
Najpomembnejši znanstveni rezultati
Letno poročilo
2013,
zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
Najpomembnejši družbeno–ekonomsko in kulturno relevantni rezultati
Zaključno poročilo,
celotno poročilo na dLib.si
