IMGW-PIB znany jest przede wszystkim z prognozowania pogody i monitoringu stanu rzek. Nieduża część społeczeństwa zdaje sobie sprawę, że poza tymi najbardziej oczywistymi kwestami zajmujemy się szeregiem innych problemów – nieco mniej medialnych i nośnych, jednak z perspektywy bezpieczeństwa – niezwykle ważnych. Mowa o monitorowaniu stanu wałów przeciwpowodziowych. Zanim nastąpi kataklizm, na pierwszej linii obrony przed powodzią są wały. I to właśnie od tych budowli, ich stanu i wytrzymałości, zależy los wielu ludzi.
AUTORZY: Dagmara Zelaya-Wziątek, Maciej Kuzioła, Tomasz Ryfa, Maciej Wrzesiński. IMGW-PIB/Centrum Technicznej Kontroli Zapór
Instytut zajmuje się tą kwestią w sposób całościowy – monitorujemy nie tylko pogodę i stan rzek, ostrzegając tym samym społeczeństwo przed możliwością wystąpienia niebezpieczeństwa, tworzymy mapy zagrożenia powodziowego i prognozy powodziowe, żeby uświadomić o skali potencjalnego problemu, ale również monitorujemy stan wałów przeciwpowodziowych, aby pomóc zapewnić najwyższy stopień zabezpieczenia przed ewentualnymi skutkami powodzi. Problematyką tą zajmuje się w IMGW-PIB Centrum Technicznej Kontroli Zapór (CTKZ) – jednostka, która zgodnie z prawem wodnym pełni rolę Państwowej Służby do Spraw Bezpieczeństwa Budowli Piętrzących. Pod naszą opieką jest większość wałów przeciwpowodziowych I i II klasy znajdujących się w Polsce. Co roku wykonujemy oceny stanu technicznego i stanu bezpieczeństwa budowli piętrzących, w tym również wałów. Sam proces przygotowania oceny jest złożony i bazuje na kompleksowych pomiarach geodezyjnych i teledetekcyjnych oraz badaniach geotechnicznych, geofizycznych, betonów i wizji lokalnej.
Wał przeciwpowodziowy można porównać do organizmu, który zaraz po swoim powstaniu jest silny i zdrowy, a każda jego część sprawnie spełnia swoją funkcję. Jednak zachodzące z czasem procesy erozyjne powodują, że konstrukcja – tak samo jak organizm – staje się słaba i wymaga interwencji specjalisty. I w tym miejscu właśnie pojawiamy się my – eksperci analizujący wnikliwie przyczynę choroby (działające mechanizmy erozyjne) oraz miejsce i rozmiar jej występowania. Pierwszym z etapów diagnozowania problemu, podobnie jak w medycynie, jest badanie „internistyczne” – nieinwazyjna ocena stanu powierzchni wału. W tym kontekście przychodzi z pomocą teledetekcja, a mówiąc dokładniej skaning laserowy oraz kamery lotnicze, które w sposób bezinwazyjny obrazują zmiany powierzchniowe będące przyczyną lub skutkiem toczącej wał erozji. Dopiero po wstępnej ocenie tych oczywistych oznak słabości i po ustaleniu dokładnych miejsc ich występowania przystępujemy do szczegółowych badań wnętrza wału wykonując badania geofizyczne i geotechniczne.
Teledetekcja lotnicza: samoloty i drony jako pierwsza linia monitoringu
Planowanie monitoringu środowiska zaczyna się od podstawowego pytania: jaką metodę pomiarową zastosować? W przypadku wałów przeciwpowodziowych, których struktura i układ przestrzenny są dość przewidywalne, samo zebranie danych nie stanowi wyzwania pod względem techniczny. Problem pojawia się jednak w praktyce. Wały są długimi obiektami liniowymi, często porośniętymi gęstą roślinnością. Zarówno bujna wegetacja, jak i znaczny rozkład przestrzenny obwałowań skutecznie utrudnia, a miejscami wręcz uniemożliwia bezpośrednie pomiary ich geometrii.
Co roku CTKZ ocenia stan techniczny blisko 700 kilometrów obwałowań. Przy tak dużej skali działania konieczne są rozwiązania łączące wysoką dokładność z wydajnością. Pod tym względem za najefektywniejszą metodę pomiaru uznaje się dziś skaning laserowy (LiDAR). Technologia ta umożliwia zebranie w krótkim czasie bardzo gęstego pomiaru, którego efektem jest chmura punktów zawierająca nawet kilkaset pomiarów na metr kwadratowy. Dzięki tej właściwości otrzymujemy jednorodny i szczegółowy obraz terenu. Co więcej, skaning laserowy zapewnia rejestrację kilku odbić pojedynczej wiązki laserowej, co pozwala odróżnić roślinność od rzeczywistej powierzchni gruntu. Po odpowiednim przefiltrowaniu danych uzyskujemy precyzyjny model rzeźby samego terenu wolnego od roślinności i pozostałych zakłóceń.
Równie istotny jak metoda pomiarowa jest wybór nośnika, czyli platformy, z której wykonywane są pomiary. Od lat niezastąpione okazują się statki powietrzne – bezzałogowe statki powietrzne (drony) i samoloty załogowe wysokiego pułapu lotu. Ich największymi atutami są szybkość działania, wysoka dokładność oraz fakt, że nie wymagają wchodzenia w często trudno dostępny, a nawet niebezpieczny teren. W CTKZ rozpoczęliśmy przygodę ze skaningiem z pułapu lotniczego w 2015 roku. Na początku stawialiśmy na drony – zarówno wielowirnikowce, jak i płatowce. Zaletą wykonywania pomiarów tą techniką jest dokładność danych, ale przede wszystkim duża mobilność metody i krótki czas przygotowania do samego pomiaru. Dzięki tym właściwościom możliwe jest szybkie uzyskanie aktualnych informacji o stanie badanego obszaru. Jednak w sytuacji, gdy obszar pomiarowy obejmuje 700 kilometrów, kluczowe znaczenie zyskuje prędkość wykonania skaningu. W takich warunkach optymalnym rozwiązaniem okazuje się pomiar z pokładu samolotu – metoda, która łączy dużą wydajność z satysfakcjonującą dokładnością. To właśnie skaning laserowy z tej platformy pomiarowej stanowi obecnie podstawę badań i monitoringu wałów przeciwpowodziowych w CTKZ. Z kolei drony, ze względu na swoją wyjątkową precyzję i elastyczność operacyjną, wykorzystujemy przede wszystkim do pomiarów mniejszych obiektów, gdzie liczy się dokładność co do milimetra. W takich przypadkach wysoka rozdzielczość danych jest wręcz na wagę złota.
Numeryczne Modele Terenu – klucz do wykrywania uszkodzeń
Po uzyskaniu i przefiltrowaniu danych do formy odwzorowującej geometrię wału przeciwpowodziowego, tworzony jest Numeryczny Model Terenu (NMT). Na tym etapie wał zostaje niejako „zamknięty” w cyfrowej formie, co umożliwia szczegółową identyfikację jego niedoskonałości i potencjalnych uszkodzeń. Wyniki analiz przesyłane są następnie do zarządcy obiektu. Na ich podstawie przygotowuje się plany modernizacji obiektu lub działania mające na celu likwidację pojedynczych uszkodzeń. Zdarza się, że usunięcie lokalnego uszkodzenia wystarczy do przywrócenia bezpieczeństwa budowli. Często jednak do zabezpieczenia struktury wału nie wystarczy przyklejenie przysłowiowego plasterka. Wówczas pożądanym tokiem działań jest usunięcie przyczyny problemu. Dlatego też podczas analizy NMT staramy się nie tylko identyfikować uszkodzenia, ale także określić ich możliwe źródło.
Uszkodzenia dzielimy na dwie główne kategorie: te wynikające z działań sił zewnętrznych (np. lokalne obniżenia skarp w postaci ścieżek wykonanych przez ludzi lub zwierzęta, koleiny na koronie wału) oraz takie, które mogą świadczyć o wewnętrznych procesach erozyjnych, jak osuwiska czy osiadanie gruntu. Szczególną kategorię awarii wykrywanych podczas analiz przestrzennych stanowią uszkodzenia odzwierzęce, takie jak nory i jamy. Na modelu NMT widoczne są one jako niewielkie, ale głębokie wgłębienia. Mimo pozornie niedużych zmian powierzchniowych, ich przebieg może być złożony i sięgać głęboko w strukturę wału, stanowiąc tym samym poważne zagrożenie dla jego stabilności. Powstaje więc zasadnicze pytanie – według jakich kryteriów identyfikowane są uszkodzenia?
Za potencjalne uszkodzenie wykryte na podstawie NMT uznajemy każdą nieciągłość powierzchni wału nienawiązującą do jego pierwotnego kształtu. Na tym etapie wszelkie zidentyfikowane zaburzenia nazywamy anomaliami. W dalszej kolejności weryfikujemy czy wykryte anomalie nie są przypadkowym efektem nadmiernej generalizacji modelu (np. wynikającej przez odfiltrowanie punktów należących do roślinności) lub celowo wprowadzonymi zmianami inżynieryjnymi. W tym procesie niezwykle pomocna jest ortofotomapa pozyskiwana równolegle ze skaningiem laserowym, która poprzez zestawienie danych geometrycznych z rzeczywistym wyglądem terenu pozwala lepiej zrozumieć kontekst obserwowanych zjawisk. Jeśli dana anomalia nie znajduje racjonalnego uzasadnienia, klasyfikujemy ją jako uszkodzenie. Dopiero wtedy – na podstawie jej kształtu, lokalizacji i kontekstu terenowego – można próbować przypisać jej konkretną nazwę jako osuwisko, ścieżka zwierzęcą, dzikie przejście, norę itp.
Aby zobrazować złożoność tego procesu, przyjrzyjmy się przykładowi osuwiska. Charakteryzuje się ono linijnym przebiegiem, często poprzedzonym widoczną szczeliną w górnej części, stopniowym obniżeniem terenu w strefie środkowej oraz nagromadzeniem przemieszczonego materiału u podnóża. Wszystkie te cechy mogą, ale nie muszą, występować jednocześnie. To sprawia, że pełna automatyzacja procesu identyfikacji uszkodzeń na podstawie NMT pozostaje dużym wyzwaniem, a weryfikacja jej końcowych wyników przez specjalistów dobrze znających uwarunkowania terenowe jest absolutnie niezbędna.
Od tego roku w ramach rozszerzenia metod identyfikacji uszkodzeń planujemy użycie dodatkowego narzędzia – analizy zobrazowań w bliskiej podczerwieni, a konkretnie analizę znormalizowanego różnicowego wskaźnika wegetacji (NDVI). Często uszkodzeniom, szczególnie o charakterze powierzchniowym, towarzyszy odarnienie co sprawia, że zmienność wartości NDVI może stanowić cenne uzupełnienie dotychczasowych metod wykrywania uszkodzeń.
Długookresowy monitoring stanu wałów – prewencja przed kataklizmem
Analiza stanu obecnego, czyli identyfikacja uszkodzeń występujących na badanym wale, to dopiero pierwszy etap prowadzonej przez nas obserwacji. Zgodnie z prawem wodnym, każdy wał przeciwpowodziowy powinien być kontrolowany pod względem bezpieczeństwa co pięć lat. Z taką właśnie częstotliwością prowadzimy nasze pomiary na poszczególnych odcinkach. Obecnie, po ponad dziesięciu latach wykorzystania skaningu lotniczego, dysponujemy co najmniej dwoma zestawami danych dla każdego wału.
Dzięki pozyskiwaniu danych w ujęciu długoterminowym oceniamy już nie tylko stan aktualny, ale także monitorujemy dynamiki zmian w czasie – ich tempa, kierunku oraz stopnia zaawansowania. Takie podejście pozwala z kolei lepiej zrozumieć i rozpoznać zachodzące procesy erozyjne. Podstawą tych analiz są tzw. modele różnicowe, czyli modele wykazujące różnice wysokościowe wału powstałe między dwoma okresami badawczymi. Proces identyfikacji uszkodzeń przebiega analogicznie, jak w przypadku analizy Numerycznego Modelu Terenu, jednak jego efektem nie jest już tylko identyfikacja i lokalizacja ubytków, lecz także ocena ich rozwoju w czasie. Zdarza się, że niektóre z uszkodzeń wykrytych na postawia analizy danych z pojedynczej kampanii pomiarowej są uszkodzeniami nieaktywnymi – to znaczy, że w ciągu pięciu lat nie uległy pogorszeniu. Takie ubytki obniżają ogólny poziom bezpieczeństwa, ale nie w sposób krytyczny. Inaczej wygląda sytuacja w przypadku uszkodzeń o wysokiej dynamice rozwoju, co świadczy o intensywnie zachodzącym procesie erozji wewnętrznej, który realnie zagraża integralności konstrukcji wału. Uszkodzenia tego rodzaju powinny zostać jak najszybciej usunięta, a ich przyczyna zatrzymana. Informacje te są kluczowe przy planowaniu modernizacji i ustalaniu priorytetów dla prac naprawczych.
Monitoring stanu wałów przeciwpowodziowych to przykład tego, jak wiedza i technologia mogą pracować na rzecz bezpieczeństwa – systematycznie, bez rozgłosu, ale z realnym wpływem na funkcjonowanie infrastruktury krytycznej. Właśnie tu swoją kluczową rolę odgrywa Centrum Technicznej Kontroli Zapór IMGW-PIB, zespół który łączy doświadczenie inżynierskie z nowoczesnymi metodami obserwacji przestrzennych. W CTKZ wiemy, że skuteczna ochrona zaczyna się na długo przed pierwszą kroplą deszczu. Dlatego nieustannie rozwijamy metody analizy danych przestrzennych, by zawczasu wykrywać słabe punkty i ograniczać ryzyko katastrofy. Bo choć samych zjawisk ekstremalnych nie da się całkowicie uniknąć, to ich skutki możemy, a nawet powinniśmy minimalizować. Teledetekcja już dziś odgrywa w tym procesie kluczową rolę, a jej znaczenie w najbliższych latach będzie tylko rosło.
