Dokładna prognoza zagrożenia powodziowego wymaga integracji różnych narzędzi modelowania – zarówno matematycznych modeli hydrodynamicznych, hydrologicznych, jak i statystycznych. Modele hybrydowe stosowane w IMGW-PIB umożliwiają uchwycenie złożoności zjawisk hydrologicznych i zredukowanie niepewności prognoz. Są one bardziej precyzyjne w prognozowaniu lokalnych zagrożeń, co jest kluczowe przy planowaniu działań ochronnych i zarządzaniu kryzysowym. Ten technologiczny postęp nie byłby możliwy bez zwiększenia dostępności do danych – radarowych, telemetrycznych i satelitarnych – oraz ciągłego rozwoju metod numerycznych i algorytmów.
AUTORZY: Albert Malinger, Justyna Czarnecka, Maksymilian Rybacki, Magdalena Pawlak, Marta Bedryj | IMGW-PIB/Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Poznaniu, Biuro Modelowania Powodziowego i Suszy[1]
Opracowane i wykorzystywane w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej jednowymiarowe, hydrauliczne modele prognostyczne IMGW HD, obejmują ponad 10 tys. km odcinków rzek, w tym 5,8 tys. km fragmentów obwałowanych. Uruchamiane w trybie operacyjnym, umożliwiają wykonywanie szybkich obliczeń (co najmniej 8 razy na dobę), na podstawie których wykonuje się prognozy stanów wody i przepływów, a dla wybranych lokalizacji także zasięgu zwierciadła wody w sąsiedztwie rzek i w tzw. międzywalach. W sytuacjach nadzwyczajnych te klasyczne narzędzia wspomagane są modelami hybrydowymi, będącymi połączeniem modeli jedno- i dwuwymiarowych. Dzięki integracji danych eksperci z IMGW-PIB mogą przewidywać przestrzenny i czasowy przebieg fali powodziowej (tzw. propagację) będącej skutkiem awarii wału oraz szacować poziom zagrożenia i ryzyka powodziowego. W procesie tym spełnione muszą być rygorystyczne wymagania jakościowe, które uzyskuje się poprzez odpowiednią budowę modelu i dobór jego wymiarowości, jak również wykorzystanie wydajnego środowiska umożliwiającego prowadzenie obliczeń.
Budowa, kalibracja i testy modelu eksperymentalnego
Po powodzi, która wystąpiła w Polsce w maju i czerwcu 2010 roku zidentyfikowano co najmniej 80 przypadków awarii wałów przeciwpowodziowych. Jednym z najpoważniejszych było przerwanie obwałowań Wisły w rejonie miejscowości Świniary (23.05). Na skutek tego zdarzenia pod wodą znalazło się ponad 20 miejscowości, ewakuowano niemal 2,5 tys. osób. Zebrane wówczas dane obserwacyjne i terenowe wykorzystano w IMGW-PIB do testowej budowy i kalibracji modelu dla ok. 80-kilometrowego odcinka Wisły, tj. od profilu wodowskazowego w Wyszogrodzie do zapory Zbiornika Włocławek. Celem było stworzenie narzędzia, które umożliwi szybkie i skuteczne prognozowanie tego typu zjawisk. Wymagania te spełniał hydrodynamiczny model hybrydowy, charakteryzujący się nie tylko bardzo krótkim czasem obliczeń, ale również szerokim spektrum danych wynikowych zgodnych ze specyfiką gwałtowanego napływu wody na terenie zawala na skutek awarii wału. Jednowymiarową część modelu (1D) stanowiło koryto główne oraz tereny zalewowe w bezpośrednim sąsiedztwie koryta – reprezentowane w postaci przekrojów obliczeniowych. W domenie modelu dwuwymiarowego (2D) znalazł się obszar położony po odpowietrznej stronie wałów przeciwpowodziowych, zdefiniowany na podstawie numerycznego modelu terenu z lotniczego skaningu laserowego (LiDAR). Bardziej szczegółowe informacje dotyczące parametrów zastosowanego modelu oraz zakresu danych wykorzystanych w procesie jego kalibracji przedstawiono w artykule „Modele powodziowe – jak skutecznie prognozować i chronić”, który ukazał się na łamach magazynu Obserwator we wrześniu 2024 roku.
Przeprowadzone testy umożliwiły wskazanie kluczowych elementów modelu, m.in. przekrojów obliczeniowych oraz budowli mostowych i hydrotechnicznych, umożliwiających jego operacyjne wykorzystanie. Nie mniej istotny okazał się sposób implementacji batymetrii obliczeniowej domeny 2D. Funkcjonalność wykorzystanego modelu umożliwiła utworzenie regularnej, prostokątnej siatki obliczeniowej, która następnie podlegała przekształceniu. Modyfikacja ta polegała na odpowiednim dopasowaniu boków komórek obliczeniowych, w szczególności w miejscach lokalizacji obiektów liniowych, takich jak wały przeciwpowodziowe, groble czy nasypy drogowe, istotnych z punktu widzenia propagacji fali powodziowej. Zabieg ten pozwolił na ograniczenie ilości komórek w domenie obliczeniowej, a jednocześnie przyczynił się do skrócenia czasu obliczeń modelu.
Przeprowadzone testy wykazały również, że jednym z kluczowych wymogów dla operacyjnego zastosowania modeli hybrydowych jest właściwa implementacja danych na temat wyłomu w wale przeciwpowodziowym – jego dokładnej lokalizacji, szerokości i czasu tworzenia. Niestety ze względu na dynamikę zjawiska parametry te są trudne, a czasem wręcz niemożliwe do pozyskania w czasie umożliwiającym ich operacyjne wykorzystanie. Rozwiązaniem okazały się wzory empiryczne – dzięki porównaniu danych o całkowitej szerokości 76 wyłomów, powstałych w obwałowaniach podczas powodzi w 2010 roku, z wynikami obliczeń matematycznych wskazano zależności, które najlepiej odzwierciedlały rzeczywistość. Uzyskane funkcje pomyślnie zweryfikowano w modelu testowym awarii wału przeciwpowodziowego w rejonie miejscowości Świniary – tym samym potwierdzono ich operacyjne zastosowanie do określania podstawowych parametrów wyłomu w początkowej fazie obliczeń.
Określenie zasięgu powodzi
Modele hybrydowe stanowią istotne wsparcie dla modeli operacyjnych IMGW HD – szczególnie podczas zdarzeń kryzysowych – ale ich zastosowanie jest znacznie szersze. Pozwalają bowiem pozyskiwać dane o przewidywanym rozwoju zdarzeń w trybie operacyjnym oraz umożliwiają zobrazowanie przewidywanej propagacji fali wezbraniowej i wyodrębnienie informacji o rozkładzie przestrzennym głębokości, uśrednionych w pionie prędkości przepływu, a także maksymalnym zasięgu powodzi. Dlatego docelowo IMGW-PIB planuje budowę modeli hybrydowych dla wszystkich odcinków rzek, na których prowadzone są obserwacje wodowskazowe Państwowej Służby Hydrologiczno-Meteorologicznej. Przykładowe wizualizacje propagacji fali wezbraniowej, wraz z uwzględnieniem informacji o rozkładzie głębokości i prędkości, przedstawiono na mapach. Zobrazowania powstały na przykładzie wyników analizy ex post awarii wału przeciwpowodziowego w rejonie miejscowości Świniary.
Wskazanie elementów ryzyka powodziowego
Określenie zasięgu powodzi jest informacją niewystarczającą do właściwego reagowania na zagrożenie, w szczególności na obszarach zamieszkałych. Dlatego w IMGW-PIB testom poddano procedury umożliwiające operacyjne przeprowadzenie szerszych analiz, w których pod uwagę bierze się obecność budynków czy infrastruktury drogowej – to identyfikacja tzw. ryzyka powodziowego. Zgodnie z klasycznym podejściem, ryzyko powodziowe określa się jako kombinację prawdopodobieństwa wystąpienia powodzi i związanych z nią potencjalnych negatywnych konsekwencji, określanych dla czterech podstawowych kategorii, tj.: zdrowia ludzkiego, środowiska, dziedzictwa kulturowego oraz działalności gospodarczej. W praktyce przyjmuje się, że na ryzyko powodziowe składa się zagrożenie (zasięg powodzi), ekspozycja (obiekty i społeczności na zagrożonym terenie) oraz wrażliwość (stopień przygotowania obiektów i społeczności do powodzi lub ich podatność).
Dla testowanego obszaru w rejonie Świniar przeprowadzono analizy identyfikacji ryzyka powodziowego, biorąc pod uwagę specyfikę tego zdarzenia oraz możliwość jego wyznaczenia w trybie operacyjnym. Z tego względu ryzyko powodziowe określono w sposób uproszczony, tj. jako funkcję zagrożenia powodziowego oraz ekspozycji z uwzględnieniem budynków zlokalizowanych na obszarze wystąpienia powodzi. Do identyfikacji zagrożenia wykorzystano najwyższy, obliczony poziom zwierciadła wody, który wystąpił w tym rejonie. Uwzględniono nie tylko zasięg przestrzenny powodzi, ale również informacje o maksymalnych głębokościach oraz prędkościach przepływu w bezpośrednim otoczeniu każdego budynku. Mając do dyspozycji dane dotyczące głębokości i uśrednionej w pionie prędkości przepływu, zdefiniowano zależności klasyfikujące negatywne oddziaływanie napływającej wody na obiekty budowlane. Wartości obu tych parametrów zostały podzielone na klasy (z uwzględnieniem odpowiednich przedziałów wartości), a kombinacjom klas głębokości i prędkości przepływu przypisano odpowiedni poziom tzw. wskaźnika negatywnego oddziaływania zagrożenia powodziowego W (ang. impact parameter), co umożliwiło wyodrębnienie trzech poziomów – niskiego, średniego i wysokiego.
Po wyznaczeniu zasięgu powodzi możliwa była identyfikacja znajdujących się w jej granicach budynków z funkcją: mieszkalną, oświatową i sportową, gospodarczą i produkcyjną, przemysłową, transportową i łączności, handlowo-usługową, pozostałą. Powiązanie danych o poziomie negatywnego oddziaływania zagrożenia powodziowego (W) z lokalizacją budynków pozwoliło na wskazanie poziomu ryzyka powodziowego dla poszczególnych obiektów. Na grafikach przedstawiono przykładowe wizualizacje zasięgu obszaru powodzi wraz z przedziałami głębokości wody oraz kierunkami przepływu. Każdy z budynków, który znajduje się choćby częściowo w zagrożonym rejonie, oznaczony został buforem – jego kolor oznacza poziom ryzyka powodziowego (małe, średnie, wysokie). Im wyższy poziom, tym większe negatywne konsekwencje powodzi i związane z nimi potencjalne straty.
Wsparcie dla służb kryzysowych
W trakcie testowego modelowania analizą objęto również budynki nieleżące bezpośrednio w zasięgu powodzi, ale zlokalizowane w bliskim otoczeniu. Dla tych obiektów nie wyznaczano poziomu ryzyka powodziowego – kluczowa była natomiast informacja czy znajdują się one na terenach odciętych komunikacyjnie, z których ewakuacja może być utrudniona. W procesie analizy uwzględniono szacunkową liczbę mieszkańców i istniejącą infrastrukturę drogową (z rozróżnieniem jakości nawierzchni), które następnie powiązano z danymi dotyczącymi maksymalnych głębokości, jakie wystąpiły podczas powodzi. Umożliwiło to wskazane odcinków dróg, które nie zostały zalane (kolor zielony), fragmentów zalanych do 0,3 m (z możliwością przejazdu np. samochodów osobowych – kolor żółty) oraz ponad 0,3 m (bez możliwości przejazdu samochodów osobowych – kolor czerwony). Dodatkowo, w ramach opracowanej procedury, przewidziano operacyjne przygotowanie raportów zawierających syntetyczne informacje dotyczące m.in. szacunkowej liczby zagrożonych osób, dane o budynkach, ich adresach oraz prognozowanym poziomie ryzyka powodziowego. Należy zaznaczyć, że podobne analizy mogą być prowadzone w trybie operacyjnym na innych odcinkach rzek, dla których opracowane zostaną hybrydowe modele hydrauliczne.
Mimo, że od powodzi w 2010 roku i wydarzeń w rejonie Świniar minęło blisko 15 lat, ostatnie zdarzenia z września 2024 roku zdają się potwierdzać, że przedstawiona problematyka może być niestety w dalszym ciągu aktualna. Rozwój narzędzi prognostycznych, takich jak hydrodynamiczne modele hybrydowe, daje realną szansę na to, abyśmy w przyszłości byli lepiej przygotowani na powódź – od jej prognozowania, poprzez informowanie i ostrzeganie, po wspieranie służb różnego szczebla w podejmowaniu trafnych decyzji.
[1] Przygotowując niniejszy artykuł, korzystaliśmy z kilkudziesięciu pozycji literatury naukowej, materiałów i informacji udostępnionych przez Powiatowe Centrum Zarządzania Kryzysowego w Płocku, informacji ogólnodostępnych w Internecie dotyczących awarii wału w Świniarach oraz materiałów własnych uwzględniających poruszoną problematykę. Zdjęcie na pierwszej stronie artykułu publikujemy dzięki uprzejmości pracowników WZMiUW RO w Koninie.
