Współczesne technologie komputerowe zmieniły sposób, w jaki prognozujemy pogodę i przewidujemy niebezpieczne zjawiska hydrologiczne. Dzięki nim bardzo skomplikowane obliczenia matematyczne i analizy statystyczne wykonywane są z precyzją i szybkością nieosiągalną dla człowieka. Jednak zarówno superkomputery, jak i najnowocześniejsze narzędzia programistyczne nie mogą być skutecznie wykorzystywane bez odpowiednio dużego zbioru danych pomiarowych wysokiej jakości. Oto przykład długiej drogi „od pomiaru do prognozy”.
AUTORZY:
Beata Letkiewicz, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Gdyni
Małgorzata Miłkowska, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Gdyni
Karolina Poczobutt, IMGW-PIB/Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju/Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Gdyni
Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy już od ponad 100 lat prowadzi ciągłe i systematyczne pomiary oraz obserwacje meteorologiczne i hydrologiczne, wykorzystując w tym celu sieć stacji i posterunków. Dzięki temu IMGW-PIB dysponuje obszerną bazą cennych informacji hydrologiczno-meteorologicznych, pozwalających na bieżąco opracowywać prognozy oraz realizować działalność naukowo-badawczą i komercyjną, której owocem są liczne artykuły, prace naukowe i projekty. Jednym z przykładów zastosowania historycznych danych hydrologicznych jest projekt “Aktualizacja map zagrożenia powodziowego (MZP) i map ryzyka powodziowego (MRP)”. W jego realizację ze strony IMGW-PIB zaangażowane były tzw. Centra Modelowania Powodziowego i Suszy. W projekcie, poza mapami dla wód śródlądowych, opracowano również mapy zagrożenia i ryzyka powodziowego od strony morza. Ich przygotowanie powierzono CMPiS w Gdyni.
Centra Modelowania Powodziowego i Suszy tworzą zespoły tzw. „modelarzy” i „GIS-owców”. Modelarze specjalizują się w modelowaniu hydrodynamicznym, podczas gdy GIS-owcy są specjalistami w zakresie systemów informacji przestrzennej. Współpraca obu grup to przykład doskonałej kooperacji na wielu etapach projektu. Zanim jednak mogli oni przystąpić do modelowania i opracowania map, ważną rolę w projekcie miał do odegrania Wydział Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Gdyni. Tutaj właśnie przygotowano „fundament” map zagrożenia powodziowego od strony morza, czyli dane hydrologiczne do modelowania.
Dane źródłowe
Opracowanie MZP wymagało przygotowania obszernego zbioru danych zarówno hydrologicznych i meteorologicznych, jak również dotyczących ukształtowania terenu oraz danych referencyjnych niezbędnych do opracowania wersji kartograficznych MZP.
Jedną z najważniejszych składowych dwuwymiarowych modeli hydrodynamicznych był numeryczny model terenu (NMT). Oryginalny NMT w rozdzielczości 1 metra, pozyskany z GUGiK i Urzędu Morskiego w Gdyni, poddano generalizacji na potrzeby modelowania („oczko” siatki od 4 m do maksymalnie 9 m). Zmiana rozdzielczości była niezbędna ze względu na możliwości obliczeniowe oprogramowania i zależała głównie od wielkości analizowanego obszaru. Następnie zgeneralizowany raster terenu uzupełniany był o wybrane informacje:
- dane batymetryczne większych cieków i zbiorników (wartości rzędnych terenu pod powierzchnią wody nie są mierzone podczas tworzenia NMT ze względu na ograniczenia technologiczne);
- budowle ochrony brzegu morskiego nieuwzględnione w oryginalnym NMT.
Drugim elementem niezbędnym dla uruchomienia modeli był zestaw danych hydrologicznych obejmujący:
- charakterystyki hydrologiczne stacji mareograficznych;
- poziomy wody dla przyjętych scenariuszy powodziowych (H 1%, H 0.2%)[i];
- średnie przepływy w ujściowych odcinkach rzek kontrolowanych i niekontrolowanych;
- historyczne wezbrania sztormowe.
Pozyskane dane źródłowe, po ich odpowiedniej obróbce, zasiliły modele hydrauliczne przygotowywane osobno dla każdego analizowanego odcinka wybrzeża. W celu wyznaczenia obszarów zagrożenia powodziowego od strony morza, ze względu na ich specyfikę (duży zasięg przestrzenny i liniowość morskich warunków brzegowych), opracowano modele dwuwymiarowe oraz hybrydowe, w ruchu nieustalonym (poziomy wody zmienne w czasie).
Niezbędne dane referencyjne
– ortofotomapy;
– mapy topograficzne
– granice pasa technicznego i pasa ochronnego;
– granice portów i przystani morskich;
– kilometraż brzegu morskiego;
– kilometraż ujściowych odcinków rzek;
– granice miejscowości, gmin, powiatów, województw, państwa;
– nazwy miast i wsi;
– sieć rzeczna;
– wały przeciwpowodziowe i przeciwsztormowe.
Dane dotyczące ukształtowania terenu
– numeryczny model terenu oraz numerycznych model powierzchni terenu;
– wyniki pomiarów profili brzegowych wzdłuż wybrzeża;
-dane batymetryczne rzek i akwenów morskich;
– dane dotyczące przekrojów korytowych wraz z parametrami obiektów mostowych i hydrotechnicznych, wałów przeciwpowodziowych oraz przeciwsztormowych.
Modelowanie hydrauliczne
Krok 1. Przygotowanie batymetrii obliczeniowej
Dla wybranego odcinka wybrzeża określano zakres modelu i rozdzielczość regularnej siatki obliczeniowej, co stanowi zawsze kompromis pomiędzy dokładnością a czasochłonnością obliczeń. Stanowiło to bazę dwuwymiarowej batymetrii obliczeniowej, przygotowywanej w taki sposób, aby poprawnie odzwierciedlała zmienność topograficzną całego obszaru.
Krok 2. Identyfikacja istotnych budowli hydrotechnicznych
Na podstawie pozyskanych danych i analizy terenu wyodrębniono i uwzględniono w modelu naturalne i techniczne obiekty chroniące obszary przed powodzią oraz budowle umożliwiające swobodny przepływ wód powodziowych w terenie (przepusty, wiadukty itp.).
Krok 3. Ustalenie warunków początkowych
Początkowe warunki hydrologiczne i wiatrowe przyjmowane były indywidualnie, w zależności od rozpatrywanego scenariusza, a co za tym idzie kształtu i wysokości fali hipotetycznej oraz specyfiki danego obszaru. Dążono do uzyskania łagodnego, niegenerującego błędów startu modelu, przy zachowaniu możliwie najkrótszego czasu obliczeń.
Krok 4. Uwzględnienie oporów przepływu
Podstawowym parametrem opisującym opory przepływu jest współczynnik szorstkości. Przedstawiany dwuwymiarowo dla przyjętego zakresu modelu, określany był na podstawie Bazy Danych Obiektów Topograficznych lub opracowań geodezyjnych, jeśli BDOT dla przedmiotowego obszaru był niedostępny.
Krok 5. Określenie warunków brzegowych
Warunki brzegowe w modelach dwuwymiarowych wprowadzano globalnie (prędkość i kierunek wiatru) lub ze wskazaniem lokalizacji (poziom lub przepływ wody). W miejscach, gdzie nie miał następować transfer wody, ustalono granice zamknięte, a tam gdzie docelowo miały zostać określone warunki brzegowe, wprowadzono granice otwarte – liniowe dla morza i punktowe dla rzek. Warunki brzegowe na potrzeby kalibracji i weryfikacji modeli przygotowano, opierając się na hydrogramach największych historycznych wezbrań sztormowych z okresu ostatnich 15 lat.
Poziomy morza o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia wyznaczono przy uwzględnieniu oddziaływania falowania oraz prognozowanego wzrostu poziomu morza wzdłuż polskiego wybrzeża Bałtyku wywołanego zmianami klimatu.
Podstawą do budowy scenariuszy powodziowych były fale hipotetyczne, których kulminacja odpowiadała poziomom o prawdopodobieństwie przewyższenia 1% oraz 0,2%, obliczonych metodami statystycznymi na podstawie danych o maksymalnych rocznych poziomach wody dla okresu ostatnich 30 lat (1987-2016).
Warunek brzegowy od strony rzek został zlokalizowany poza zasięgiem wpływu zjawiska cofki od poziomu wód morskich o prawdopodobieństwie przewyższenia 0,2% i stanowił stały przepływ średni SSQ w ujściowych odcinkach rzek (wyliczony z ostatnich 30 lat).
Parametr wiatru uwzględniano w modelu za pomocą dwóch rozwiązań:
– jako stała w czasie wartość kierunku i prędkości (od początku do szczytu wezbrania), gdzie kierunek określony był prostopadle do linii brzegu, a prędkość wynosiła 10 m/s;
– jako komponent falowania uwzględniony przy obliczaniu poziomów o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia.
Krok 6. Kalibracja i weryfikacja
Do celów kalibracji i weryfikacji modelu zbudowano dwuwymiarowy model wielkoobszarowy o nieregularnej siatce obliczeniowej, ponieważ nie było możliwości wykonania obliczeń kalibracyjnych dla modeli o mniejszych zakresach i większej rozdzielczości siatki obliczeniowej ze względu na brak co najmniej dwóch mareografów na ich obszarze.
Krok 7. Wyniki obliczeń modelowych dla scenariuszy powodziowych
Obliczenia wykonano dla fal hipotetycznych, o kulminacjach odpowiadających poziomom o prawdopodobieństwie przewyższenia 0,2% i 1%. Jeśli występował rzeczny warunek brzegowy, to stanowił wartość średniego przepływu z ostatniego trzydziestolecia (SSQ) dla przekroju rozpoczynającego model. Wynikiem obliczeń w siatce regularnej był plik zawierający dwuwymiarową informację o maksymalnych rzędnych zwierciadła wody i głębokościach w każdej komórce siatki obliczeniowej.
Po przygotowaniu i zaimplementowaniu danych do modelu rozpoczął się czasochłonny procesu jego ulepszania – wielokrotnego uruchamiania, sprawdzania, usuwania błędów i uzupełniania szczegółów, tak aby ostatecznie uzyskać poprawnie działający model hydrauliczny. Czas pełnych obliczeń gotowego modelu dwuwymiarowego lub hybrydowego wahał się zwykle od kilku godzin do kilku tygodni. Uzyskane wyniki musiały następnie zostać przetworzone do formatu czytelnego dla oprogramowania GIS.
Krok 8. Konwersja wyników modelowania hydrodynamicznego do postaci GIS
Wyniki dwuwymiarowych modeli hydrodynamicznych poddano przetworzeniu w oprogramowaniu GIS. W pierwszej kolejności od rastra wynikowego odjęto raster numerycznego modelu terenu w rozdzielczości 1m. W ten sposób otrzymano informację o głębokości wody na terenie zagrożonym powodzią, którą przypisano do czterech klas:
- h ≤ 0,5 m – wskazującą na niskie zagrożenie dla ludzi i obiektów budowlanych;
- 0,5 m < h ≤ 2 m – wskazującą na średnie zagrożenie dla ludzi ze względu na możliwość ewakuacji na wyższe piętra, ale wysokie ze względu na straty materialne;
- 2 m < h ≤ 4 m – wskazującą na wysokie zagrożenie dla ludzi; zalaniu mogą podlegać nie tylko partery, ale również pierwsze piętra budynków;
- h > 4 m – wskazującą na bardzo wysokie zagrożenie dla ludzi i bardzo wysokie zagrożenie wystąpienia szkód całkowitych.
Następnie raster poddano filtracji w celu usunięcia pojedynczych, różniących się od otoczenia, pikseli. W dalszej części postać rastrową przekonwertowano do formy wektorowej, a otrzymane wyniki poddano specjalistycznej ocenie i korekcie manualnej. W końcowej fazie procesu przeprowadzono scalenie małych, nieistotnych w skali opracowania, poligonów klas głębokości do większych sąsiadujących oraz wygładzono krawędzie wszystkich obiektów.
W ostatnim kroku wynikowe poligony głębokości wody połączone zostały w jeden obiekt reprezentujący obszar zagrożenia powodziowego.
Baza numeryczna i kartografia
Efektem tego skomplikowanego i niezwykle czasochłonnego procesu modelowania są dwa kluczowe produkty – wektorowe reprezentacje zasięgów wody powodziowej dla każdego analizowanego scenariusza (obszary zagrożenia powodziowego) oraz poligony klas głębokości. Stanowiły one podstawę do utworzenia innych warstw zagrożenia powodziowego (np. miejsc przelań przez wały przeciwpowodziowe), a w dalszej kolejności warstw ryzyka powodziowego.
Przetworzone dane wynikowe modelowania hydrodynamicznego weszły w skład dwóch grup produktów: bazy numerycznej i wersji kartograficznej.
Baza numeryczna to zestaw wszystkich warstw wektorowych utworzonych w projekcie. Materiał ten może być wykorzystany do dalszych analiz GIS, wizualizacji lub stanowić element wyjściowy do kolejnych projektów.
Wersja kartograficzna to zestaw map w podziale na arkusze (godła) odpowiadające arkuszom map topograficznych w skali 1:10 000, w układzie współrzędnych płaskich prostokątnych PL-1992. Każda pojedyncza mapa zawiera wiele elementów składowych (wynikowych warstw modelowania, danych referencyjnych, podkładu w postaci ortofotomapy, legendy i opisów pozaramkowych) poddanych starannej redakcji kartograficznej. Każdy arkusz mapy zapisano w postaci dwóch plików cyfrowych. Pierwszy plik, w formacie PDF, przedstawia pełną kompozycję mapową zawierającą mapę oraz elementy pozaramkowe (tytuł, legendę, skalę, itp.). Drugi plik, w formacie GEOTIFF, zawiera jedynie wizualizację kartograficzną arkusza mapy (bez elementów pozaramkowych) wraz z przypisaną informacją dotyczącą georeferencji obrazu kartograficznego (współrzędne punktu wstawienia, parametry układu odniesienia oraz skala).
W sumie w ramach projektu dla powodzi od strony morza opracowano 1173 arkusze map w wersji kartograficznej, w tym 391 arkuszy map zagrożenia powodziowego oraz 782 arkusze map ryzyka powodziowego. Wszystkie są dostępne na Hydroportalu Państwowego Gospodarstwa Wodnego Wody Polskie (https://www.isok.gov.pl/hydroportal.html).
Opracowanie map zagrożenia i ryzyka powodziowego to ogromne wyzwanie. Jak pokazałyśmy proces ich powstawania jest żmudny i złożony. Wymaga zaangażowania i współpracy wielu instytucji oraz wykorzystania specjalistycznego sprzętu i oprogramowania. Podstawą są surowe dane, które należy odpowiednio przetworzyć, oraz czasochłonne obliczenia modelowe. Pośród tych wszystkich skomplikowanych operacji są ludzie, którzy dzięki swojej wiedzy i doświadczeniu odpowiednio interpretują uzyskane wyniki i właściwie je prezentują. To fantastyczny przykład synergii człowieka z technologią komputerową.
Przydatne linki:
https://www.isok.gov.pl/hydroportal.html
https://mapy.umgdy.gov.pl/portal/home/
http://www.gugik.gov.pl/projekty/isok/produkty
https://isap.sejm.gov.pl/isap.nsf/DocDetails.xsp?id=WDU20180002031
Zdjęcie główne: Gleb Lucky | Unsplash
[i] Zagrożenie powodziowe określono dla trzech prawdopodobnych scenariuszy: H 1% – poziom wody o prawdopodobieństwie wystąpienia raz na 100 lat; H 0,2% – poziom wody o prawdopodobieństwie wystąpienia raz na 500 lat; WZ 1% – zniszczenie wałów przeciwpowodziowych i przeciwsztormowych.
Beata Letkiewicz
Absolwentka gospodarki wodnej na Politechnice Gdańskiej. W IMGW-PIB od 2002 roku – początkowo w Biurze Prognoz Hydrologicznych w Gdyni jako synoptyk hydrolog, następnie w Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy jako specjalista ds. modelowania matematycznego. Współwykonawca prac związanych z realizacją zapisów Dyrektywy powodziowej w ramach I i II cyklu planistycznego oraz celów rozwojowych IMGW-PIB/CHOK.
Małgorzata Miłkowska
Magister inżynier Inżynierii Środowiska w specjalności Inżynieria Wodna. Absolwentka Politechniki Gdańskiej. W IMGW-PIB pracuje od 2008 roku. Współwykonawca opracowań wymaganych zapisami tzw. dyrektywy powodziowej w ramach pierwszego i drugiego cyklu planistycznego. Obecnie realizuje zadania w zakresie hydrodynamicznego modelowania powodzi morskich z uwzględnieniem zmian klimatu oraz bierze udział w pracach analityczno-badawczych zgodnych ze strategią IMGW-PIB.
Karolina Poczobutt
Absolwentka geografii morza na Uniwersytecie Szczecińskim. W IMGW-PIB od 2010 roku. Zajmuje się szeroko pojętymi analizami GIS w ramach działalności Centrum Modelowania Powodziowego i Suszy w Gdyni.
