Modelowanie hydrauliczne jest obecnie jedną z najpopularniejszych metod wyznaczania map ryzyka i zagrożenia powodziowego. Może być stosowane do określania zasięgu powodzi rzecznych o określonym prawdopodobieństwie wystąpienia, wzrostu zagrożenia powodziowego w wyniku przerwania wałów, czy też do weryfikacji wpływu różnego rodzaju inwestycji na zasięg stref zagrożenia powodziowego. Wykonanie obliczeń modelowych to skomplikowany proces, wymagający olbrzymiej ilości danych, odpowiedniego oprogramowania, wydajnego sprzętu komputerowego oraz doświadczonych praktyków – modelarzy i GIS-owców.
Zanim przystąpimy do jakichkolwiek prac związanych z modelowaniem, musimy dokonać wyboru odpowiedniego typu modelu hydraulicznego. Decyzja ta jest uzależniona po pierwsze od rodzaju terenu, dla którego wykonywane będzie modelowanie, a po drugie od tego, jak dokładnych informacji oczekujemy w wyniku przeprowadzenia obliczeń modelowych. W zależności od potrzeb stosuje się modele 1D, 2D lub modele hybrydowe 1D/2D. Modele 1D/2D i 2D preferowane są w przypadku terenów zurbanizowanych, skomplikowanego ukształtowania terenów zalewowych, czy też konieczności uzyskania dokładniejszych informacji na temat rozkładu prędkości przepływu wody.
Podstawą do stworzenia modelu obszaru, dla którego chcemy wykonać modelowanie hydrauliczne, są dane topograficzne – przekroje geodezyjne, odzwierciedlające rzeczywistą geometrię koryta rzecznego oraz Numeryczny Model Terenu obszarów zalewowych. Ważnym zasobem jest również warstwa określająca rodzaj pokrycia terenu, która pozwala określić tzw. opór przepływu na terenach zalewowych, definiowany za pomocą współczynników szorstkości. W zależności od typu modelu i użytych danych wejściowych poszczególne etapy przygotowania geometrii mogą być różne. W modelach 1D ukształtowanie koryta i terenów zalewowych odzwierciedlają przekroje dolinowe, w modelach 2D – siatka obliczeniowa o odpowiedniej rozdzielczości. W modelach sprzężonych 1D/2D poszczególne etapy opracowania geometrii są prawie takie same, jak w przypadku oddzielnych modeli 1D i 2D. Dodatkowym krokiem jest zdefiniowanie powiązań pomiędzy modelami 1D i 2D.
Po przygotowaniu podstawowej geometrii, w kolejnym kroku definiowane są budowle i urządzenia hydrotechniczne (np. zbiorniki, mosty, jazy, przepusty). Niezależnie identyfikuje się także budowle liniowe, takie jak wały przeciwpowodziowe, czy nasypy drogowe. Wykorzystuje się do tego dostępne dane o budowlach, np. pomiary geodezyjne, NMT, czy dokumentację projektową. Ten zestaw informacji pozwala modelowi „obliczyć” jak zachowa się fala powodziowa przechodząc przez kolejne kilometry rzeki.
Niezbędnym warunkiem uruchomienia procesu obliczeniowego scenariuszy powodziowych są dane hydrologiczne w postaci hydrogramów fal powodziowych lub stałych wartości przepływów o założonym prawdopodobieństwie wystąpienia. Dodatkowo wykorzystuje się również hydrogramy wezbrań historycznych, które pozwalają skalibrować i zweryfikować model. Procesy te realizuje się poprzez dopasowanie obliczonych stanów wody do historycznego hydrogramu stanów wody (opracowanego na podstawie obserwacji wodowskazowych) za pomocą korekty współczynników szorstkości lub innych parametrów. Ostatecznie, gdy istnieje taka możliwość, model matematyczny poddawany jest procedurze weryfikacji za pomocą danych z innego wezbrania historycznego.
Skalibrowany i zweryfikowany model może być wykorzystany do obliczeń scenariuszy powodziowych, poprzez określenie górnych i dolnych warunków, źródeł punktowych i źródeł rozproszonych. Wynikami wykonanych obliczeń mogą być rzędne zwierciadła wody, głębokości oraz prędkości przepływu wody. W przypadku modeli 1D, chcąc uzyskać przestrzenny rozkładu zasięg obszaru zagrożenia powodziowego, stosuje się dodatkowe procedury wykorzystujące zaawansowane narzędzia GIS. Modele 2D mają tę przewagę, że bez dodatkowych prac generują przestrzenny zasięg obszaru zagrożenia powodziowego i odpowiadające mu głębokości, rzędne zwierciadła wody, czy wektory prędkości przepływu wody. W ten sposób powstaje obraz zasięgu, skali i wielkości powodzi rzecznej o zadanych parametrach wejściowych, które można modyfikować w zależności od uwarunkowań rzeczywistych.
Modelowanie powodzi rzecznych wymaga różnorodnych typów danych oraz przejścia przez skomplikowany proces przygotowania modelu, co może być czaso- i kosztochłonne. Jednak wysoka jakość danych wejściowych oraz odpowiednio przygotowane modele matematyczne pozwalają na wykonywanie wiarygodnych analiz zagrożenia powodziowego. Na ich podstawie odpowiednie służby i instytucje mogą realizować działania planistyczne, zarządcze i inwestycyjne, mające na celu ograniczać skutki i koszty powodzi.
Niniejszy tekst opracowano w ramach wystąpienia na konferencji 6th IAHR Europe Congress, odbywającej się w lutym 2021 r.
Zdjęcie główne: Corina Rainer | Unsplash
Albert Malinger
Doktor w dyscyplinie ochrony i kształtowania środowiska. Absolwent Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu. W IMGW-PIB pracuje od 2010 roku. Współwykonawca i koordynator opracowań wymaganych zapisami tzw. dyrektywy powodziowej w ramach pierwszego i drugiego cyklu planistycznego. Obecnie prowadzi zadania w zakresie matematycznego modelowania powodzi rzecznych, ze szczególnym uwzględnieniem zdarzeń ekstremalnych związanych z występowaniem zjawisk lodowych, awarii wałów przeciwpowodziowych oraz analizą ich skutków. Autor ponad 10 publikacji z zakresu inżynierii środowiska.
Ewelina Szałkiewicz
Doktor nauk technicznych w dyscyplinie inżynieria środowiska, górnictwo i energetyka. Absolwentka Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu oraz Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu. W IMGW-PIB od 2016 roku. Zajmuje się realizacją prac i analiz związanych z modelowaniem hydrodynamicznym i zagrożeniem powodziowym. Obecnie jej zawodowe zainteresowania skupiają się na modelowaniu powodzi zatorowych i zjawisk lodowych. Autorka 10 publikacji z zakresu inżynierii środowiska.
