Zespół ekspertów Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w IMGW-PIB prowadzi prace nad wdrożeniem dodatkowych narzędzi do operacyjnego modelu IMGW HD, które pozwolą na prognozowanie zasięgu powodzi w przypadku awarii wałów przeciwpowodziowych.
AUTORZY:
Justyna Czarnecka, Magdalena Pawlak, Maksymilian Rybacki, Albert Malinger. Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy, Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/IMGW-PIB
Rafał Stepnowski. Zespół Komunikacji/IMGW-PIB
Opracowane i wykorzystywane w IMGW-PIB jednowymiarowe, hydrauliczne modele prognostyczne IMGW HD obejmują ponad 10 tys. km odcinków rzek, w tym 5,8 tys. km odcinków rzek obwałowanych. Uruchamiane w trybie operacyjnym, umożliwiają wykonywanie szybkich obliczeń i prognozowanie poziomów zwierciadła wody, m.in. obrazowanie transformacji fal powodziowych na terenach zalewowych w sąsiedztwie rzek i w tzw. międzywalach. Podjęte w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej prace miały na celu przetestowanie dostępnych na rynku narzędzi, pozwalających na uwzględnienie w modelach IMGW HD skutków awarii wałów przeciwpowodziowych. Do przeprowadzenia obliczeń testowych wykorzystano modele hybrydowe 1D+2D, a uzyskane wyniki potwierdzają operacyjną użyteczność tego narzędzia.
Doboru odcinków rzek, dla których w pierwszej kolejności wykonano obliczenia, dokonano na podstawie kilku kryteriów:
- lokalizacji obiektów pełniących funkcję wałów przeciwpowodziowych wg map zagrożenia powodziowego i map ryzyka powodziowego;
- stanu technicznego i stanu bezpieczeństwa wałów przeciwpowodziowych;
- zakresu modeli IMGW HD;
- lokalizacji obszarów chronionych wałami względem dużych miast;
- pojemności terenów chronionych wałami przeciwpowodziowymi;
- wielkości potencjalnych, sumarycznych strat na obszarach chronionych wałami przeciwpowodziowymi.
Kolejnym krokiem było testowanie wzorów empirycznych do obliczenia parametrów wyłomu w wale przeciwpowodziowym – maksymalnej jego szerokości i czasu formowania. Otrzymane wyniki zestawiono z danymi historycznymi o 76 awariach, które wystąpiły podczas powodzi w 2010 roku. Te analizy umożliwiły wskazanie zależności wykorzystywanych podczas obliczeń modelowych.
Wykorzystanie modelu matematycznego na odcinku pilotażowym Wisły
Testowy model zbudowano na 80-kilometrowym odcinku Wisły, tj. od profilu wodowskazowego w Wyszogrodzie do zapory Zbiornika Włocławek, odtwarzając warunki fali powodziowej z 2010 roku i awarię wału przeciwpowodziowego w rejonie Świniar. Następnie przeprowadzono obliczenia eksperymentalne dla różnych wielkości komórek obliczeniowych, wartości kroku obliczeniowego oraz długości hydrogramów[i]. Finalnie model hybrydowy na odcinku testowym charakteryzował się następującymi parametrami:
- 50 przekrojami poprzecznymi[ii] reprezentującymi koryto główne i przyległy teren zalewowy (model 1D);
- nieregularną siatką obliczeniową utworzoną na podstawie siatki prostokątnej o maksymalnych rozmiarach pojedynczej komórki 50 m × 50 m, w sumie 138 tys. komórek, reprezentującą obszar chroniony wałem przeciwpowodziowym (model 2D);
- implementacją 1404 obiektów liniowych – tzw. „breaklines” (model 2D);
- hydrogramem fali powodziowej z 2010 roku trwającym 40 dni;
- krokiem obliczeniowym wynoszącym ∆t = 30 sekund;
Tak skonstruowany model pozwolił na przeprowadzenie obliczeń na wielordzeniowej stacji roboczej w czasie wynoszącym do 50 minut. W procesie kalibracji modelu uwzględniono standardową procedurę, podczas której porównywano rzeczywiste hydrogramy obserwowane w profilach wodowskazowych z hydrogramami obliczeniowymi (w profilach Wyszogród i Kępa Polska). Wykorzystano również informacje o wielkości przepływu zarejestrowanego podczas pomiaru sondą ADCP w pobliżu wyłomu. Dodatkowo, sięgnięto po mapy sporządzone przez Samodzielny Pododdział Prewencji Policji w Płocku (SPPP), przedstawiające zasięg zalewu w kolejnych dniach po awarii wału przeciwpowodziowego.
Wyniki i wnioski
Dzięki przeprowadzonym testom wytypowano zestaw wzorów empirycznych, które umożliwiają właściwe oszacowanie parametrów wyłomu np. w sytuacji, gdy dostępna jest jedynie informacja o wystąpieniu przerwania wału przeciwpowodziowego, a brakuje szczegółowych danych o skali awarii. Wykorzystana platforma obliczeniowa charakteryzowała się dużą stabilnością podczas wykonywania obliczeń modelowych, a czas obliczeń był relatywnie krótki (do 50 min), co pozwala sądzić, że zastosowanie hydrogramów uwzględniających krótszy okres (np. 5 dni) umożliwi pozyskiwanie wyników prognostycznych jeszcze szybciej. Dodatkowo stwierdzono, że testowy model sprawdzi się w analizie wielu wyłomów wału przeciwpowodziowego jednocześnie.
„Powyższe prace realizowane są w ramach zadań rozwojowych Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju. Docelowo planuje się budowę tego typu modeli na odcinkach rzek, na których zlokalizowane są wały przeciwpowodziowe, zakładając, że w sytuacjach kryzysowych wyniki modeli hybrydowych stanowić mogą istotne wsparcie m.in. dla służb kryzysowych”. – komentuje dr Paweł Przygrodzki, dyrektor Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju IMGW-PIB.
Zaletą opracowanego narzędzia jest szybka wizualizacja propagacji fali wezbraniowej[iii], z uwzględnieniem ukształtowania terenu na obszarze chronionym wałem przeciwpowodziowym oraz obiektami, które mogą ulec zalaniu. Wyniki pozwalają także na stosunkowo szybkie opracowanie obrazów z kierunkami i rozkładem prędkości przepływu. Wstępne testy wskazały na możliwość wymiany danych wynikowych dotyczących hydrogramów pomiędzy platformą modelową IMGW HD a hybrydową platformą modelowania awarii obwałowań.
Dr inż. Albert Malinger, koordynator zadania i kierownik Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy, zwraca uwagę, że „Opracowanie modeli w standardzie umożliwiającym wykorzystanie w trybie operacyjnej jest procesem złożonym, wymagającym znacznego nakładu pracy ze strony doświadczonych specjalistów. Niemniej jednak, ostatnie zdarzenia powodziowe na obszarze południowo-zachodniej Polski, jak również zachodzące na naszych oczach zmiany klimatyczne, zdają się potwierdzać, że rozbudowa ww. sieci modeli jest konieczna. Będzie to kolejny ważny krok w rozwoju jakości prognoz hydrologicznych, jak również adaptacji do zmiany klimatu”.
[i] Hydrogram – wykres przebiegu w czasie zmian stanów wody lub przepływów.
[ii] Przekrój wodowskazowy – przekrój poprzeczny koryta rzeki i terenu zalewowego w miejscu zainstalowania stacji wodowskazowej wyposażonej w łatę wodowskazową lub czujnik (czujniki) stanu wody.
[iii] Wezbranie – zjawisko hydrologiczne, podczas którego przepływ i/lub stan wody utrzymują się powyżej przyjętej wartości granicznej, spowodowane zwiększonym zasilaniem lub podpiętrzeniem zwierciadła wody wskutek utrudnionego przepływu. W przebiegu wezbrania wyróżnia się fazę wznoszenia, kulminację i fazę opadania. Zależnie od genezy dzieli się je na: opadowe (wywołane opadami nawalnymi lub rozlewnymi), roztopowe (wywołane gwałtownym topnieniem pokrywy śnieżnej), zimowe, związane z rozwojem zjawisk lodowych (śryżowe, zatorowe i lodowe) oraz sztormowe.
