Modelowanie operacyjne jest bardzo istotnym procesem hydrologicznej osłony kraju. W Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowym Instytucie Badawczym wykorzystuje się w tym celu oprogramowanie IMGW HD, które służy do tworzenia i uruchamiania modeli opisujących przepływ wody w sieci rzecznej.
Model hydrodynamiczny IMGW HD powstał IMGW 30 lat temu i jest stale rozbudowywany i ulepszany. Opiera się on na fizyce zjawiska przepływu nieustalonego, opisanego równaniami Saint-Venanta (układ nieliniowych równań różniczkowych), które określają jednowymiarowy przepływ wody w korytach otwartych. Do przygotowania modelu niezbędna jest znajomość geometrii koryta rzek, czyli przekrojów poprzecznych. Informacje o tych przekrojach uzyskuje się z pomiarów geodezyjnych, czasem korzysta się z danych numerycznego modelu terenu. W zależności od wielkości i zmienności rzeki, do zbudowania dobrego modelu należy przygotować przekroje co 50 m – 5 km. Model wymaga również wprowadzenia oporów ruchu (współczynnik szorstkości Manninga), które są szacowane na podstawie rodzaju dna oraz pokrycia terenu doliny zalewowej i ewentualnie korygowane w oparciu na dostępnych pomiarach stanu wody czy natężenia przepływu (tzw. kalibracja modelu). Po wprowadzeniu dopływów i warunków odpływu w przekroju zamykającym, model pozwala na obliczenie poziomów wody i natężenia przepływu w dowolnym czasie, w dowolnym punkcie modelowanej sieci rzecznej.
Podstawowym zastosowaniem IMGW HD są modele prognostyczne, które obliczają prognozę stanów wody i natężenia przepływu na głównych rzekach Polski. Modele takie uruchamiane są raz lub dwa razy na dobę, w zależności od lokalizacji. W czasie powodzi obliczane są co 3 godziny lub częściej, jeżeli sytuacja tego wymaga. Obliczone prognozy są automatycznie prezentowane w Monitorze IMGW. Możliwe jest również wydłużenie horyzontu prognoz, np. w sytuacji bezpośredniego zagrożenia. Tak było przy awarii kolektorów oczyszczalni „Czajka”, gdy obliczano prognozy na 6 dni. Zastosowania modelu IMGW HD do prognozowania parametrów przepływu w Warszawie okazało się niezbędne do bezpiecznego prowadzenia prac naprawczych. Narzędzie sprawdziło się również w czasie ostatnich największych powodzi w latach 2010 i 2014.
Ponadto wyniki modelu IMGW HD wykorzystywano również do:
- Analizy wpływu budowy obwałowań na przebieg powodzi (Bug).
- Modelowania powodzi wywołanej awarią obwałowań (Żuławy).
- Analizy wpływu wycinki roślinności w międzywalu na obniżenie stanu wody (Warszawa).
- Oceny możliwości wykorzystania zbiorników wodnych do utrzymania żeglugi (Odra).
- Wpływu budowy zbiornika retencyjnego na zmniejszenie zagrożenia powodziowego (zbiornik Racibórz).
- Planowania zrzutów ze zbiorników retencyjnych umożliwiających chłodzenie elektrowni (Połaniec).
- Oszacowania prędkości przepływu zanieczyszczeń (Czajka).
- Obliczania codziennych prognoz dopływu do zbiornika w celu optymalizacji produkcji energii (Włocławek).
- Wyszukania przekrojów nadających się na przeprawy (San).
- Oszacowania wielkości przepływu przez wyrwę w wale (powódź w 2010 roku, Wisła).
- Przygotowywania rozszerzonych prognoz do osłony budowanych obiektów (most Północny, Czajka).
- Analizy powodzi wywołanej awarią zapory zbiornika (Solina).
- Oceny współczynników szorstkości małych rzek zarastających (Wilga, Oziemkówka).
Zalety modelu IMGW HD
AUTOMATYZACJA
Model zintegrowany jest z bazami danych IMGW-PIB, zawierającymi dane pomiarowe i geometrię przekrojów poprzecznych koryt rzecznych, przez co proces budowy i eksploatacji modeli jest niezwykle efektywny. Eksploatowane w instytucie modele opad-odpływ mogą być automatycznie stosowane do obliczania warunków brzegowych modeli.
KALIBRACJA
Sposób wprowadzania współczynników szorstkości pozwala na bardzo dokładną i szybką kalibrację modeli oraz łatwą ich rekalibrację. Umożliwia to uwzględnienie „zarastania”, czyli zmienności pokrycia terenu w ciągu roku.
ANALIZA
Opracowane narzędzia umożliwiają wszechstronną analizę i opracowanie wyników na wodowskazach i w przekrojach niekontrolowanych.
JAKOŚĆ
Doświadczony zespół specjalistów IMGW-PIB zapewnia wysoką jakość modeli i możliwość ich codziennej eksploatacji.
Model IMGW HD to oprogramowanie o dużym potencjale. W zależności od zapotrzebowania oraz dostępności danych wejściowych, w przyszłości będą wdrażane nowe rozwiązania systemowe:
- rozbudowa sieci rzecznej, dla której obliczane są codzienne prognozy;
- rozszerzenie zakresu publikowanych wyników na przekroje niekontrolowane;
- wprowadzenie do modelu modułu sterowania zbiornikiem;
- lepsze prognozy dla dotychczasowych profili wodowskazowych, w związku z modelowaniem dopływów bocznych i dłuższych odcinków w górnych biegach rzek;
- prognozowanie w czasie powodzi, katastrof budowli hydrotechnicznych, czy poważnych awarii.
Oprac. Andrzej Kadłubowski, Emilia Szewczak | Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju, IMGW-PIB.
Zdjęcie główne: Maciek Maciejewski.
