Powodzie należą do naturalnych zjawisk, którym nie sposób zapobiec. Jednak niektóre działania człowieka i zmiana klimatu przyczyniają się do zwiększenia prawdopodobieństwa występowania powodzi i zaostrzenia ich negatywnych skutków, zwłaszcza w miastach. Dlatego ważnym elementem współczesnego planowania i zarządzania przestrzenią miejską jest kartowanie zagrożeń powodziowych i wdrażanie nowoczesnych rozwiązań informatycznych umożliwiających precyzyjną analizę ryzyka.
AUTORZY:
Janusz Topiłko, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju
Marta Barszczewska, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju
Problematyką zagrożenia powodziowego od rzek, morza czy zalewów (Wiślanego i Szczecińskiego) zajmowano się w Polsce od setek lat, a w sposób usystematyzowany, choć niejednorodny, od dziesięcioleci. Dzięki implementacji unijnej dyrektywy w sprawie oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim (2007/60/WE) do polskiej ustawy Prawo wodne, zagadnienia te zostały prawnie ujednolicone. Opracowano i wdrożono ogólnokrajowe metodyki zatwierdzone przez Państwowe Gospodarstwo Wodne Wody Polskie oraz Urząd Morski w Gdyni. Z kolei sposób kartowania map zagrożenia powodziowego ustalono w Rozporządzeniu w sprawie opracowywania map zagrożenia powodziowego oraz map ryzyka powodziowego z 2012 roku.
Dla typowych zagrożeń powodziowych o dużym zasięgu w IMGW-PIB opracowano dotychczas dwa zestawy map. Pierwszy przekazano Krajowemu Zarządowi Gospodarki Wodnej w grudniu 2013 roku i został on opublikowany na Hydroportalu MZP i MRP w formie plików PDF. Drugi ukończono w grudniu 2019 roku. Obecnie wszystkie materiały są dostępne w postaci warstw przestrzennych i kartograficznych na stronie Państwowego Gospodarstwa Wodnego Wody Polskie (PGWWP) – pełną informację na ten temat można uzyskać pod adresem https://powodz.gov.pl/. Na mapach przedstawiono potencjalne zagrożenie powodziowe, wyznaczając zasięg wód powodziowych i głębokość warstwy wody, a także kierunki i prędkości jej przepływu w miastach powyżej 100 tys. mieszkańców.
Poza tym opracowano plany zarządzania ryzykiem powodziowym, z listą przyszłych inwestycji mających na celu niwelowanie zagrożenia powodziowego, tj. budowy lub modernizacji wrót sztormowych i powodziowych, progów, kaskad, stopni, pompowni, ostróg, wałów i opasek brzegowych, zmiany przebiegu wałów w ramach przestrzeni dla rzek, realizacji suchych i mokrych zbiorników przeciwpowodziowych, budowy lub modyfikacji przepustów i mostów, kanałów ulgi, regulacji w międzywalu czy zwiększania retencji naturalnej.
Sytuacja wygląda zupełnie inaczej w przypadku ochrony przed błyskawicznymi powodziami miejskimi. Obecnie uwaga zarówno badaczy, jak i decydentów jest zogniskowana na obszarach zurbanizowanych, dla których należy wypracować i wdrożyć metody wyznaczania obszarów zagrożonych powodziami o zasięgu lokalnym. Rozpatrujemy tu zagrożenie, które nie jest bezpośrednio związane z bliskością rzeki lub morza, przez co nie jest w naturalny sposób obecne w świadomości społeczeństwa.
Identyfikacja obszarów zagrożonych przez powodzie błyskawiczne
Wobec rosnącego zagrożenia powodziami typu flash flood i urban flood, a także wobec postępującej zmiany klimatu, w ostatnich latach podejmowano różne inicjatywy mające na celu identyfikację lokalizacji zagrożonych powodziami błyskawicznymi. Jednymi z ciekawszych rozwiązań analitycznych są indeks potencjału powodzi błyskawicznej (ang. Flash Flood Potential Index – FFPI) oraz mapy niebieskich obszarów (ang. bluespot maps).
Indeks potencjału wystąpienia powodzi błyskawicznej – FFPI
W 2003 roku amerykańskie National Weather Service zaprezentowało nową metodę badania powodzi błyskawicznych, opierającą się na współczynniku FPI. Pozwala ona na klasyfikowanie zlewni według ich względnego potencjału odpływu dzięki mapowaniu czterech cech fizycznych, które są związane z potencjalnym wystąpieniem powodzi błyskawicznej: nachylenia powierzchni ziemi, użytkowania terenu, rodzaju gleby oraz szaty roślinnej. Weryfikację obszarów oznaczonych indeksem FFPI realizowano na podstawie historycznych raportów o wystąpieniu zagrożenia powodziowego.
Tego rodzaju wskaźnik, zakładając dobrej jakości dane wejściowe, umożliwia określenie grupy obszarów o zwiększonym potencjale występowania powodzi błyskawicznych, jednak jest niewystarczający dla jednoznacznego wskazania miejsc z wysokim ryzykiem (duży potencjał strat). Osiągnięcie tego celu wymaga odniesienia wyników fizjograficznych do względnego potencjału oddziaływania powodzi błyskawicznej w zlewni, uzależnionego z kolei od charakteru zabudowy i gęstości zaludnienia (liczby osób dotkniętych oddziaływaniem). Takie podejście zastosowano we wskaźniku Flash Flood Vulnerability Index (FFVI), czyli wskaźniku zagrożenia powodzią błyskawiczną. Umożliwia on, po uwzględnieniu historycznych powodzi błyskawicznych, wyznaczenie obszarów i zlewni, gdzie potencjał do wystąpienia zjawiska jest wysoki, a sama powódź może powodować znaczące straty.
Wykorzystanie bluespot maps – case study dla Gdańska
Alternatywną metodą stosunkowo precyzyjnego określenia zagrożenia szybkimi powodziami miejskimi jest opracowana w Danii mapa niebieskich obszarów (ang. bluespot map). Rozwiązanie to powstało po błyskawicznej powodzi miejskiej, która nawiedziła Kopenhagę 2 lipca 2011 roku. Na centrum miasta spadło wówczas 136 mm wody na metr kwadratowy w zaledwie 90 minut. Straty sięgały miliard dolarów – 90 tys. ubezpieczonych wypłacono odszkodowania, których średnia wartość wyniosła ponad 11 tys. USD na polisę (https://learn.arcgis.com/en/projects/model-bluespots-to-map-flood-risk/) .
Chociaż określenie „niebieski obszar” to nic innego, jak termin oznaczający depresję lub zagłębienie w terenie, to wskazuje ono na ryzyko zatopienia określonego obszaru. Niebieski obszar to teren, który może zostać wypełniony wodą w części lub całkowicie w przypadku opadu nawalnego (oberwania chmury), co zagraża zatopieniem obiektów (budynków) a nawet życiu ludzi i zwierząt znajdujących się w jego obrębie. Narzędzia oparte na metodzie bluespot maps z powodzeniem wdrażają dwie duńskie firmy NIRAS i COWI, które dzięki połączeniu systemu GPS i technologii Lidar tworzą szczegółowe modele terenu o wysokiej rozdzielczości.
Niezbędnym minimum do opracowywania map zagrożenia powodziami miejskimi jest system informacji geograficznej (GIS) oraz szczegółowy i aktualny numeryczny model terenu (NMT). Odpowiednie narzędzia GIS umożliwiają analizę topografii, wskazanie obszarów zagrożonych, a następnie, jeśli to konieczne, obliczenie ich rozmiaru i objętości. W efekcie otrzymuje się mapę obszarów zagrożenia powodziowego, pozwalającą użytkownikom na dokładną analizę zawartych na niej danych (https://www.arcgis.com/apps/OnePane/storytelling_basic/index.html?appid=0719d45fbe62496faf3bb1350fe3a1b1).
Specjalnie dla czytelników Obserwatora przygotowaliśmy przykładową mapę dla części Trójmiasta z wykorzystaniem duńskiej metodyki bluespot maps. Już przy zastosowaniu wstępnej, stosunkowo prostej analizy, można stwierdzić, że metoda jest bardzo precyzyjna w zakresie oznaczenia obszarów zagrożenia powodziowego. Jako przykład pokazano rejon skrzyżowania przy Galerii Bałtyckiej w Gdańsku Wrzeszczu, które każdorazowo po opadach nawalnych staje się naturalnym zbiornikiem retencyjnym dla spływających wód, czego doświadczyliśmy w czasie powodzi w 2001 i 2016 roku.
Jak widać dzięki dostępnym narzędziom GIS możemy w stosunkowo łatwy sposób wyznaczyć obszary zagrożone szybkimi powodziami miejskimi. Jedynym problemem, jaki można napotkać w przypadku takiej analizy jest kwestia weryfikacji prawidłowości uzyskanych wyników. W przypadku rzek lub morza dysponujemy dość gęstą siecią monitoringu poziomów wody, natomiast dla obszarów zurbanizowanych, na których występuje zagrożenie podtopienia niezwiązanego z rzekami lub morzem, takich instrumentów pomiarowych właściwie brak. W takiej sytuacji weryfikację uzyskanych wyników możemy przeprowadzić wyłącznie na bazie zebranego materiału fotograficznego lub wideo, ewentualnie na podstawie wywiadu naocznych świadków.
Mając powyższe na względzie, zasadnym byłoby, aby podczas inwentaryzacji szkód ubezpieczyciele wykonywali dokumentację zdjęciową wskazującą na poziom wody, który wystąpił w określonej lokalizacji. Podobnie służby miejskie i centra zarządzania kryzysowego powinny dokumentować wszelkie znaczące podtopienia oraz maksymalne ich poziomy. Materiały takie mogą pomóc jednostkom samorządowym i rządowym w weryfikacji wyznaczonych obszarów zagrożenia szybkimi powodziami miejskimi.
Oczywiście opisana metoda ma pewne słabości. Nie zawiera ona m.in. informacji o kierunkach spływu wód, przez co utrudnia wykonanie analizy optymalizacji działań zaradczych dla ochrony przed powodzią. Jednakże dla wstępnego wyznaczenia obszarów zagrożonych jest optymalna, ponieważ w krótkim czasie, przy minimalnej ilości danych oraz środków finansowych pozwala uzyskać mapę lokalizacji terenów zagrożonych przez szybkie powodzie miejskie.
Nieco szersze możliwości oferuje oprogramowanie do modelowania hydrodynamicznego, przy czym należy mieć na uwadze, że nie każde narzędzie tego typu będzie odpowiednie, ze względu na występowanie spływu po bardzo stromych płaszczyznach przy stosunkowo niewielkich głębokościach, co przekłada się na błędy w obrazie wyników (a te z kolei nie pozwolą na prawidłową interpretację zagrożenia).
Numeryczne modelowanie hydrodynamiczne
Wymienione powyżej metody identyfikacji obszarów zagrożonych błyskawicznymi powodziami miejskimi są metodami statycznymi i nie pozwalają na wyznaczenie uprzywilejowanych dróg spływu wód opadowych, ich głębokości, kierunków i prędkości w sposób dynamiczny. Tym samym nie dają możliwości kompleksowych analiz, oceny i optymalizacji dla podejmowania środków zaradczych.
Tego rodzaju narzędzia są dostępne w postaci oprogramowania do dwuwymiarowego, numerycznego modelowania hydrodynamicznego. Pojęcie dwuwymiarowego modelowania dotyczy modeli, które wykorzystują do obliczeń rzeźbę terenu w postaci NMT o wysokiej rozdzielczości i pozwalają na jednoczesne, dynamiczne wyznaczenie głębokości i kierunków spływu powierzchniowego. Odpowiednio zastosowane dane wejściowe umożliwiają prześledzenie wszystkich wskazanych wyżej elementów związanych z koncentracją spływu powierzchniowego. Oprogramowanie pozwala również na wprowadzenie zmian w topografii terenu, a tym samym na przeanalizowanie wpływu zastosowanych środków zaradczych na formowanie się zagrożenia. Oznacza to, że narzędzia te można stosować w planowaniu zabezpieczeń przed błyskawicznymi powodziami miejskimi.
Przedstawione wyniki modelowania hydrodynamicznego pozwalają na precyzyjną identyfikację głównych kierunków spływu powierzchniowego i ich koncentracji w obniżeniach terenu. W kolejnym kroku możliwe będzie przeprowadzenie analizy wdrożonych środków zaradczych. Podobnie jak w przypadku oprogramowania GIS, dzięki dwuwymiarowemu modelowaniu hydrodynamicznemu działania te można prowadzić na różnym poziomie szczegółowości. Jednakże w obecnej chwili, mając na względzie bezpieczeństwo społeczeństwa oraz infrastruktury, należy podjąć jak najszybszą i jak najprostszą identyfikację najbardziej zagrożonych obszarów zurbanizowanych, co pozwoli na uświadomienie społeczeństwu potencjalnego niebezpieczeństwa.
Czy można uniknąć błyskawicznych powodzi miejskich?
Obecnie, biorąc pod uwagę przestarzałą i niewydolną sieć kanalizacji deszczowej czy ogólnospławnej, jak również brak analiz przestrzennych dotyczących efektów rozbudowy obszarów zurbanizowanych, nie jesteśmy w stanie uniknąć skutków błyskawicznych powodzi miejskich. Potwierdzenia dla powyższego stwierdzenia dostarczyły nam zdarzenia, które wystąpiły na terenie całej Polski latem bieżącego roku i w latach poprzednich. Możemy jedynie dążyć do minimalizacji strat. Jak to zrobić?
Należy w pierwszej kolejności sięgnąć po narzędzia umożliwiające identyfikację terenów zagrożonych zatopieniem, czyli wykorzystać numeryczny model terenu, i przy pomocy oprogramowania GIS lub oprogramowania do modelowania hydrodynamicznego opracować mapy obszarów zagrożonych błyskawicznymi powodziami miejskimi. Następnie należy poinformować o zagrożeniu mieszkańców i przygotować doraźne środki zabezpieczenia. W kolejnym etapie – najlepiej za pomocą modelowania hydrodynamicznego – warto opracować alternatywne rozwiązania mogące obniżyć ryzyko zatopienia zagrożonych obszarów.
W przeciwieństwie do powodzi rzecznych lub morskich, w przypadku powodzi miejskich dysponujemy ograniczoną listą działań, które mogą zniwelować to zagrożenie. Będą do nich należały: początkowo worki z piaskiem, a następnie mobilne przegrody powodziowe, suche lub mokre zbiorniki retencyjne (również te podziemne, np. pod drogami, parkingami), zwiększenie powierzchni terenów zielonych, w szczególności zadrzewień, zmniejszenie udziału terenów o nieprzepuszczalnej nawierzchni (likwidacja lub znaczące ograniczenie wszechobecnych betonowych i asfaltowych nawierzchni placów, rynków, deptaków itp.), budowanie lokalnych studni chłonnych i dodatkowych systemów odwodnieniowych, ewentualnie grawitacyjnych systemów odwodnieniowych o dużej wydajności lub systemów opartych na pompowniach. Być może konieczne będą lokalne przesiedlenia, jeśli analiza ekonomiczna dla ochrony danego obszaru wskaże takie rozwiązanie za najkorzystniejsze.
Lista dostępnych działań dla wytypowanych obszarów o dużym potencjale zagrożenia dla życia ludzi, zwierząt lub zniszczenia infrastruktury powinna być rozpatrywana i dobierana indywidualnie. W szczególności powinna opierać się na prewencji, czyli na wskazaniu władzom samorządowym i ludności miejsc, które muszą być chronione w pierwszej kolejności. Mieszkańcy takich obszarów i służby odpowiedzialne za dostarczenie środków ochrony przeciwpowodziowej muszą być przeszkoleni oraz posiadać szybki dostęp do worków z piaskiem, rękawów zabezpieczających, mobilnych zapór i pomp o dużej wydajności. Jednocześnie należy rozpocząć opracowywanie planów przeciwdziałania koncentracji spływu powierzchniowego i rozbudowy systemów odwodnieniowych, bazujących na naturalnych obszarach chłonnych, stawach retencyjnych lub w ostateczności na kanalizacji opadowej.
Zdjęcie główne: Thomas Evans | 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.
MARTA BARSZCZEWSKA. Kierownik Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Krakowie IMGW–PIB. Od czasu studiów na Międzywydziałowych Studiach Ochrony Środowiska SGGW w Warszawie zainteresowana i związana z gospodarką wodną. W IMGW-PIB od 2016 roku, aktualnie zajmuje się modelowaniem hydraulicznym i hydrodynamicznym powodzi oraz analizą zjawiska suszy. Koordynator zadań związanych z tematyką powodzi i suszy. Członek zespołu negocjacyjnego ds. adaptacji oraz loss and damage podczas COP24.
