Modelowanie powodzi sztormowych – case study Żuławy Elbląskie

Powodzie sztormowe należą do jednych z najbardziej katastrofalnych zjawisk naturalnych na Ziemi. Na całym świecie co roku powodują niewyobrażalne straty finansowe i środowiskowe, ale przede wszystkim śmierć tysięcy osób. Mimo że Morze Bałtyckie wydaje się być znacznie mniej dynamiczne i niebezpieczne niż Morze Północne czy Ocean Atlantycki, to historyczne dokumenty i bieżące obserwacje potwierdzają niszczycielski potencjał Bałtyku. W 1983 roku sztorm na Zalewie Wiślanym spowodował zalanie blisko 3 tys. hektarów Wyspy Nowakowskiej, a w 2009 roku porywy wiatru w szczycie wezbrania sztormowego dochodziły do 95 km/h. Dziś, dzięki mapom powodziowym od strony morza, można lepiej i szybciej reagować na zagrożenia związane ze sztormami. Ich opracowanie było jednym z największych wyzwań dla IMGW-PIB w dwudziestym pierwszym stuleciu.

AUTOR: Janusz Topiłko, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju, Wydział Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni

W 2005 roku w południowo-wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych uderzył jeden z najbardziej niszczycielskich huraganów w historii – Katrina. Przy wietrze wiejącym z prędkością dochodzącą do 280 km/h doszło do powstania 8-metrowych fal, które przerwały system wałów przeciwpowodziowych wokół Nowego Orleanu i zalały miasto wraz z sąsiadującymi terenami. Zginęły 1464 osoby. W 2016 roku Haiti nawiedził huragan Mathew. Prędkość wiatru osiągnęła niemal 230 km/h, a 16-metrowe fale i dochodząca do 3 metrów wysokości cofka spustoszyły południowe wybrzeże wyspy, powodując śmierć niemal 600 osób. Z kolei w Europie najtragiczniejszy w skutkach był sztorm w 1953 roku. Ogromne straty poniosły wszystkie kraje leżące nad Morzem Północnym – w samej Holandii zalane zostało 200 tys. ha lądu, a życie straciło niemal 1800 osób.

Morze Bałtyckie wydaje się nam znacznie spokojniejsze i przewidywalne. Jednak dokumenty historyczne dowodzą, jak niebezpieczne mogą być sztormy na Bałtyku. Gwałtowna burza w 1872 roku była przyczyną co najmniej 272 ofiar śmiertelnych i pozbawiła dachu nad głową ponad 15 tys. osób. W dniach 27-31 grudnia 1913 roku rozwinął się sztorm, podczas którego najpopularniejszy hotel Kurhaus Ost-Dievenow w Dziwnowie został zatopiony i zniszczony. Liczba osób, które straciły życie pozostaje nieznana. Podczas sztormu odnotowano najwyższy w historii poziom morza w Świnoujściu  (303 cm powyżej średniego poziomu), a na okoliczne plaże woda wyrzuciła liczne jednostki pływające, w tym rosyjski szkuner Austrumus.

Dyrektywa powodziowa UE – zmiana podejścia do zagrożenia

Zapobieganie powodziom wywołanym sztormami nie jest łatwe. Jednym ze sposobów ograniczenia negatywnych skutków tego zjawiska są różnego rodzaju budowle i urządzenia, np. wały przeciwsztormowe, opaski brzegowe, falochrony wzdłużbrzegowe lub wrota sztormowe. Ważnym elementem rozwiązań systemowych o charakterze nietechnicznym jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2007/60/WE z dnia 23 października 2007 roku w sprawie oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim, zwana „dyrektywą powodziową”.

Dokument ten zobowiązuje państwa członkowskie UE do opracowania wstępnej oceny ryzyka powodziowego, map zagrożenia powodziowego, map ryzyka powodziowego i planów zarządzania ryzykiem powodziowym. Stworzono tym samym podstawy do zastosowania modelowania hydrodynamicznego, jako podstawowego narzędzia opracowywania map zagrożenia powodziowego w większości krajów UE.

W Polsce od momentu wdrożenia dyrektywy powodziowej zastosowano trzy różne podejścia do oceny zagrożenia powodziowego od wód morskich. Do 2010 roku, gdy opracowano metodykę obliczania zagrożenia powodziowego, opierano się na założeniu, że głównym celem jest ochrona przed powodzią od wód morskich oraz od wewnętrznych wód morskich na poziomie 2,50 m powyżej średniego poziomu morza. Zmiana podejścia nastąpiła wraz z powstaniem „Metodyki obliczania maksymalnych poziomów wody o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla wybrzeża oraz ujściowych odcinków rzek będących pod wpływem oddziaływania morza w celu wykorzystania wyników do modelowania hydrodynamicznego, a następnie opracowania map zagrożenia powodziowego oraz map ryzyka powodziowego”. Wytyczne z tego dokumentu były podstawą opracowania pierwszych map zagrożenia powodziowego i map ryzyka powodziowego w 2010 roku. Jednocześnie już w pierwszym cyklu planistycznym zauważono konieczność doprecyzowania pewnych kwestii spornych. W efekcie powstała zmodyfikowana wersja wytycznych „Metodyka opracowania map zagrożenia powodziowego i map ryzyka powodziowego od strony morza w II cyklu planistycznym”.

Warunki brzegowe w modelowaniu matematycznym

Mapy zagrożenia powodziowego oparte są na wynikach matematycznych modeli hydrodynamicznych, które wymagają prawidłowego przygotowania warunków brzegowych dla zagrożenia od wód morskich i wewnętrznych wód morskich w postaci:

• statystycznie i probabilistycznie opracowanych maksymalnych wartości wezbrań o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia, tj. tzw. powodzi raz na 100 lat (p = 1%) i powodzi raz na 500 lat (p = 0,2%);
• opracowania kształtów wezbrań fal hipotetycznych – niezwykle ważne zagadnienie pozwalające oszacować objętość wody przemieszczającej się w kierunku obszarów zagrożonych powodzią;
• uwzględnienia przyrostu średniego poziomu morza spowodowanego zmianą klimatu;
• uwzględnienia siły i kierunku wiatru w funkcji czasu, jako głównej siły propagacji wezbrań sztormowych.

Prawidłowe określenie warunków brzegowych jest kluczowe dla osiągnięcia wiarygodnych wyników obliczeń z matematycznych modeli hydrodynamicznych, a tym samym do określenia zasięgów obszarów zagrożenia powodziowego.

Modelowanie zasięgów zagrożenia powodziowego od wezbrań sztormowych

Modelowanie wezbrań sztormowych ma na celu określenie poziomów wody na obszarach przybrzeżnych, które charakteryzują się bardzo zróżnicowaną linią brzegową. Znacznie łatwiej jest modelować zagrożenie od morza w obszarach plaż z wysokimi wydmami lub obszarach klifowych niż terenów z polderami, chronionymi wałami przeciwpowodziowymi i poprzecinanymi ujściowymi odcinkami rzek, które umożliwiają przemieszczanie się zagrożenia powodziowego na duże odległości w głąb lądu.

Case study – zagrożenie powodziowe Żuław Elbląskich

Charakterystyka obszaru modelowania
Żuławy Elbląskie to część Żuław Wiślanych – rozległej równiny deltowej Wisły, której znaczną część stanowią tereny depresyjne. Wschodnią granicę regionu stanowi Wysoczyzna Elbląska i płynąca z jeziora Drużno do Zalewu Wiślanego rzeka Elbląg. Wzdłuż zachodniego brzegu cieku znajdują się rozległe poldery. Całość obszaru jest szczególnie zagrożona powodziami sztormowymi od strony zalewu.

Wyznaczanie obszarów zagrożenia powodziowego przed I cyklem map zagrożenia powodziowego
Jak już wspomniano, przed rokiem 2010 ochrona brzegów morskich od skutków powodzi opierała się na zabezpieczeniu brzegów do wysokości 2,50 m powyżej średniego poziomu morza. Takie podejście nie pozwalało na określenie stopnia zagrożenia powodziowego na obszarach poza budowlami hydrotechnicznymi i wałami przeciwsztormowymi i przeciwpowodziowymi wybudowanymi według tej zasady. Tym samym nie było możliwe określenie wpływu tych obiektów na redukcję zasięgu wezbrania sztormowego w głąb ujściowych odcinków rzek i kanałów oraz terenów do nich przyległych, takich jak poldery. To z kolei utrudniało realizację właściwych działań zapobiegawczych i ochronnych.

Wyznaczanie obszarów zagrożenia powodziowego w I cyklu opracowania map zagrożenia powodziowego
Opracowując pierwsze mapy zagrożenia powodziowego oparto się na „Metodyce obliczania maksymalnych poziomów wody…” opublikowanej w 2010 roku. Dla wezbrania sztormowego o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1% (raz na 100 lat) w ujściowym odcinku rzeki Elbląg przyjęto następujące warunki brzegowe do matematycznych modeli hydrodynamicznych:

• Z_p1% = 1,63 m n.p.m., jako maksymalny poziom wewnętrznych wód morskich (Zalew Wiślany), określony w wyniku statystycznie i probabilistycznie przetworzonych danych obserwacyjnych;
• wyznaczenie kształtu fali hipotetycznej na podstawie sześciu historycznych wezbrań sztormowych;
• dodanie 5 cm jako ekwiwalent średniego wzrostu poziomu morza spowodowanego zmianą klimatu dla Zalewu Wiślanego (wg scenariusza IPCC: A2 Wzrost średniego poziomu morza do 2030 r.);
• dodatkowo do obliczeń matematycznych wprowadzono wiatr o stałej prędkości 10 m/s prostopadły do linii brzegowej.

Wyznaczanie obszarów zagrożenia powodziowego w II cyklu opracowania map zagrożenia powodziowego
W drugim cyklu opracowania map zagrożenia powodziowego wykorzystano zapisy zmodyfikowanej „Metodyki opracowania map zagrożenia powodziowego…” przygotowanej w latach 2017-2019. Dla wezbrania sztormowego o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1% (raz na 100 lat) w ujściowym odcinku rzeki Elbląg przyjęto następujące warunki brzegowe do matematycznych modeli hydrodynamicznych:

• Z_p1% = 1,61 m n.p.m., jako maksymalny poziom wewnętrznych wód morskich (Zalew Wiślany), określony w wyniku statystycznie i probabilistycznie przetworzonych danych obserwacyjnych;
• wyznaczenie kształtu fali hipotetycznej na podstawie sześciu historycznych wezbrań sztormowych;
• dodanie 5 cm jako ekwiwalent średniego wzrostu poziomu morza spowodowanego zmianą klimatu dla Zalewu Wiślanego (wg scenariusza IPCC: A2 Wzrost średniego poziomu morza do 2030 r.);
• wprowadzono zmienny w czasie średni wiatr, w zakresie od 0 do 25 m/s, prostopadły do linii brzegowej, opracowany na bazie danych obserwacyjnych z trzech wezbrań sztormowych.

Porównując warunki brzegowe można stwierdzić, że głównym element wpływającym na rozmiar zagrożenia powodziowego jest prędkość wiatru. O ile w modelowaniu w I cyklu planistycznym wartość warunku brzegowego została przyjęta jako stała wartość o prędkości 10 m/s, to już w II cyklu planistycznym uwzględniono analizę, zmiennych w czasie, średnich prędkości wiatru w czasie trwania wezbrań sztormowych (wartość prędkości wiatru zmieniała się w czasie od 0 do 25 m/s).

Konkluzje w zakresie warunków brzegowych do wyznaczania zagrożenia powodziowego od wód morskich

Porównanie zasięgu terenów zagrożonych powodzią od wód Zalewu Wiślanego o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1% wskazuje, że najważniejszym elementem tego procesu jest odpowiednie określenie warunków brzegowych.

1. Wyznaczenie maksymalnych wartości poziomów wód o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia.
W przypadku wód morskich oraz wewnętrznych wód morskich należałoby zmodyfikować sposób wyznaczania maksymalnych prawdopodobnych poziomów. Obecnie są one ustalane na podstawie analizy co najmniej 30-letnich ciągów obserwacyjnych. Podejście to nie wydaje się do końca właściwym rozwiązaniem, ponieważ przedstawione przykłady historycznych powodzi sztormowych na Morzu Bałtyckim wskazują, że wszystkie te zdarzenia powinny być uwzględniane przy opracowywaniu map. Procedurę wyznaczania maksymalnych prawdopodobnych poziomów morza należałoby zatem poszerzyć o zdarzenia historyczne, które wystąpiły poza określonym 30-letnim okresem obserwacji.

2. Wartość reprezentowana jako wzrost średniego poziomu morza w wyniku zmiany klimatu.
W obu metodach wykorzystanych do modelowania obszarów zagrożonych powodzią przyjęto 5-centrymetrowy wzrost średniego poziomu morza w Zalewie Wiślanym. Wartość taka wydaje się zdecydowanie zaniżona w kontekście wyznaczania powodzi, której teoretyczne pojawienie oszacowano na jeden raz na 100 lat. W przedstawionych przykładach uwzględniono przyrost średniego poziomu morza, który z dużym prawdopodobieństwem powinien pojawić się już w 2030 r.

Według raportu IPCC z 2007 roku prawdopodobny wzrost średniego poziomu morza w 2090 roku wyniesie 0,18-0,59 m, w zależności od scenariusza zmian klimatycznych. Natomiast w najnowszym raporcie z 2021 roku, wskazano że globalny wzrost średniego poziomu morza w latach 2081-2100 może kształtować się następująco:

• scenariusz RCP2.6: 0,26-0,53 m (średnio 0,39 m);
• scenariusz RCP8.5: 0,51-0,92 m (średnio 0,71 m).

W związku z powyższym wydaje się, że ten element warunków brzegowych dla powodzi od strony Morza Bałtyckiego powinien mieścić się w granicach przynajmniej scenariusza RCP2.6 dla prawdopodobieństwa wystąpienia powodzi raz na 100 lat i w ramach scenariusza RCP8,5 dla powodzi o prawdopodobieństwie raz na 500 lat. Ponadto, zgodnie z punktem B.3.4. raportu IPCC (2019) Summary for Policymakers: „Wzrost średniego poziomu morza spowoduje wzrost częstotliwości ekstremalnych zjawisk poziomu morza w większości lokalizacji na kuli ziemskiej. Przewiduje się, że lokalne poziomy mórz, które historycznie występowały raz na stulecie, będą pojawiały się co najmniej raz w roku w większości miejsc do 2100 r. we wszystkich rozpatrywanych scenariuszach, a ich poziom wiarygodności określono jako wysoki”. Warto w tym miejscu nadmienić, że w pierwszej wersji metodyki z 2010 r. IMGW proponował, aby przyjąć średni wzrost poziomu morza ze względu na zmianę klimatu wynoszący 35 cm.

3. Reprezentacja wiatru w warunkach brzegowych
Żadna z przedstawionych metod nie uwzględnia czynnika wiatru w aspekcie przyszłej zmiany klimatu, tj. potencjalnego wzrostu porywów wiatru i wzrostu średnich prędkości wiatru podczas przyszłych wezbrań sztormowych. Zgodnie z punktem B.3.5 raportu IPCC (2019) Summary for Policymakers: „Przewiduje się, że znaczące wysokości fal wzrosną na Oceanie Południowym i tropikalnym wschodnim Pacyfiku (wysoki poziom wiarygodności) i Morzu Bałtyckim (średni poziom wiarygodności).” Ponadto w punkcie B.9.1 stwierdzono że: „ (…) Przewiduje się, że roczne szkody powodziowe przybrzeżne wzrosną o 2-3 rzędy wielkości do 2100 r. w porównaniu ze stanem obecnym (wysoki poziom ufności)”.

W związku z możliwym wzrostem średnich i maksymalnych prędkości wiatru spowodowanych zmianą klimatu, przeprowadzono obliczenia dla scenariusza, w którym zwiększono maksymalną prędkość wiatru do 35 m/s.

Na mapie przedstawiono porównanie warstw zasięgów zagrożenia powodziowego zrealizowanych w oparciu o metodykę z 2019 r. z zastosowaniem dodatkowego scenariusza obliczeniowego, w którym maksymalną prędkość wiatru w szczycie wezbrania podniesiono do 35 m/s. Różnica powierzchni zasięgów zagrożenia powodziowego między scenariuszem z maksymalnym wiatrem do 25 m/s i wiatrem do 35 m/s wynosi ok. 28,8 km².

Na poniższej mapie porównano dwie warstwy wynikowe zasięgów zagrożenia powodziowego dla fali hipotetycznej o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1%, zrealizowanych na bazie metodyki z 2019 roku dla scenariusza z zerową prędkością wiatru i dodatkowego scenariusza obliczeniowego, w którym maksymalną prędkość wiatru w szczycie wezbrania podniesiono do 35 m/s. Modelowanie scenariusza, w którym przyjęto zerową prędkość wiatru zrealizowano w celu uwydatnienia konieczności stosowania tego warunku brzegowego. Należy tu również podkreślić, że rezygnacja z warunku brzegowego w postaci wiatru nie pozwala na osiągnięcie kalibracji modelu powodzi sztormowych. Oznacza to, że model nie odzwierciedla prawidłowo zmian poziomu zwierciadła wody w czasie na wodowskazie kalibracyjnym, jeżeli nie wprowadzi się warunku brzegowego w postaci zmiennego w czasie wiatru.

Alternatywny scenariusz dla zagrożenia powodziowego p = 1% (raz na 100 lat) wg średniego scenariusza RCP2.6 i prognozowanego wzrostu prędkości wiatru do 35 m/s

Na bazie wcześniejszych analiz, metodyk i szacowanych wzrostów średniego poziomu morza do 2100 roku oraz częstotliwości pojawiania się sztormów o prawdopodobieństwie wystąpienia raz na 100 lat (wg raportu IPCC), opracowano scenariusz hipotetycznego zagrożenia powodziowego od wewnętrznych wód morskich, który obejmuje wzrost zarówno średniego poziomu morza, jak i średniej prędkości wiatru.

Na poniższej mapie porównano warstwy wynikowe zasięgów zagrożenia powodziowego dla fali hipotetycznej o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1%, zrealizowanych na bazie metodyki z 2019 roku dla scenariusza z maksymalną prędkością wiatru w szczycie wezbrania do 35 m/s i wzrostem średniego poziomu morza o 5 cm oraz ten sam scenariusz uzupełniony o wzrost średniego poziomu morza o 39 cm do roku 2100. Różnica powierzchni zasięgów zagrożenia powodziowego między scenariuszami wynosi znacznie powyżej 17,4 km² (powierzchnia zagrożona powodzią powyżej 74,4 km²). Dokładniejsze szacowanie wymagałoby całkowitej przebudowy modelu w związku z  dotarciem zagrożenia do zachodniej granicy modelu. Analizując ukształtowanie terenu w pobliżu granicy modelu można przyjąć, że obszar nie uwzględniony w modelu nie powinien przekroczyć łącznie 2 km².

Celem alternatywnego scenariusza jest wskazanie implikacji i istotności uwzględnienia wzrostu poziomu morza do 2100 roku przy określaniu zagrożenia powodziowego dla fali hipotetycznej o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 1% (raz na 100 lat). Z tego względu pominięto czasochłonny proces rozbudowy modelu.

Jak wynika z przedstawionego przykładu dla Żuław Elbląskich, przy opracowywaniu przyszłych wytycznych określania zagrożenia powodziowego od strony wód morskich i wewnętrznych wód morskich należy uwzględnić ustalenia przedstawione w raporcie IPCC z 2021 roku. Ponadto historyczne zapisy katastrof spowodowanych przez huragany i powodzie sztormowe wskazują na dalszą potrzebę badań nad perspektywicznymi propozycjami statystycznych i probabilistycznych metod oceny ekstremalnych wzrostów wysokości i przebiegu hipotetycznych fal sztormowych. W szczególności należy zwrócić uwagę na czynnik wiatru, który jest główną siłą generującą powodzie sztormowe, a także na przyszłe wzrosty poziomu mórz jako warunek brzegowy w modelowaniu hydrodynamicznym. Zachodząca zmiana klimatu w zasadniczy sposób determinuje zagrożenia powodziami sztormowymi. Zagadnienia tego nie wolno bagatelizować ponieważ zjawiska sztormowe bezpośrednio prowadzą do śmierci ludzi oraz ogromnych strat w infrastrukturze i inwentarzu.

Zdjęcie główne: Marcus Woodbridge | Unsplash

---

JANUSZ TOPIŁKO. Magister inżynier w zakresie ochrony zasobów wodnych, absolwent Politechniki Gdańskiej, studia podyplomowe z zarządzania zasobami wodnymi na Politechnice Krakowskiej oraz studia podyplomowe z auditingu ekologicznego na Uniwersytecie Gdańskim. W latach 1996-2009 specjalista/główny specjalista ds. gospodarki wodnej w RZGW w Gdańsku. Koordynator kilku międzynarodowych projektów dotyczących wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej w Polsce w ramach programów PHARE,  PHARE-Tacis, INTERREG oraz projektów bilateralnych. Kierownik zespołu odpowiedzialnego za adaptację Ramowej Dyrektywy Wodnej do Ustawy Prawo wodne w zakresie zasobów wodnych oraz członek zespołu ds. konsultacji społecznych. W IMGW-PIB od 2009 roku, początkowo w charakterze koordynatora dwóch projektów: „Wiała Śmiała – Mapy zagrożenia powodziowego” oraz projektu „MOMENT – MODERN WATER MANAGEMENT IN THE SOUTH BALTIC SEA”, a następnie jako specjalista w dziedzinie modelowania hydrodynamicznego. Obecnie ekspert ds. modelowania hydrodynamicznego, zajmuje się realizacją zadań w zakresie opracowania map zagrożenia powodziowego od wód śródlądowych oraz wód morskich. Autor kilku publikacji na temat modelowania hydrodynamicznego i stref zagrożenia powodziowego, konsultacji społecznych, gospodarowania wodami, współautor raportów tematycznych z projektów BERNET i BERNET CATCH.