Od 2010 roku, gdy wezbrane wody Wisły zalały dwukrotnie Sandomierz, nie mieliśmy w Polsce do czynienia z dużymi, rozległymi powodziami rzecznymi. Jednak w ostatnich latach coraz częściej pojawiają się pojedyncze, punktowe zdarzenia, związane głównie z ekstremalną pogodą. Mimo niedużej skali, powodzie wywołane przez nawalne deszcze powodują poważne straty w infrastrukturze i są niezwykle groźne dla ludzi – szczególnie w obszarach zurbanizowanych. Czy wzrost zagrożenia powodziami w miastach należy wiązać ze zmianą klimatu? Jakie są inne przyczyny tego zjawiska? A może największym problemem jest człowiek?
Rzeki stanowiły w historii cywilizacji jeden z najważniejszych czynników rozwojowych miast. Umożliwiały szybką i sprawną komunikację, były źródłem wody pitnej, pełniły również niejednokrotnie funkcję obronną. Czasem jednak stawały się śmiertelnym zagrożeniem dla mieszkańców, występując z brzegów i zalewając domy, ulice oraz inne budynki użyteczności publicznej. Dla ochrony miast przed powodziami zaczęto wznosić wały przeciwpowodziowe i inne urządzenia oraz obiekty, mające zatrzymać nadmiar wody w korycie rzeki. Dziś coraz większym zagrożeniem, wobec którego klasyczna infrastruktura hydrotechniczna pozostaje bezradna, są szybkie powodzie związane z lokalnymi ciekami (których zlewnie w znacznej części leżą na terenie miasta) lub specyficzną rzeźbą terenu i sztuczną zabudową. Za ich tworzenie się w głównej mierze odpowiadają intensywne opady, najczęściej burzowe – określane potocznie oberwaniem chmury (ang. cloudburst) – o wysokości co najmniej 20 mm/h[1].
Powódź rzeczna a „flash floods” i „urban floods”
W praktyce nie jest łatwo odróżnić powodzie rzeczne od tych spowodowanych bezpośrednio opadami. Szczególnie jeśli myślimy o lokalnych ciekach, których zlewnie leżą w granicach miasta. Woda opadowa spływa zgodnie z nachyleniem teren w kierunku lokalnych odbiorników, gromadzi się w zagłębieniach lub zatrzymuje się na płaskich powierzchniach miejskich, ponieważ system kanalizacji nie radzi sobie z jej większą ilością. (https://dziennikbaltycki.pl/wielka-ulewa-w-gdansku-w-2016-r-trzy-lata-temu-deszcz-zatopil-wiele-ulic-miasta-zdjecia-wideo/ga/c1-12255725/zd/24618110). W takich sytuacjach miasto i lokalne cieki stanowią jeden system, który musi być rozpatrywany integralnie.
Zalania i podtopienia w wyniku ulewnego deszczu zdarzają się praktycznie we wszystkich większych miastach w Polsce. W 2021 roku burze z tzw. oberwaniem chmury wystąpiły m.in. w Poznaniu, Swarzędzu, Krakowie, Zielonej Górze, Szczecinie i Białymstoku. Ale powodzie wywołane ekstremalną pogodą mogą pojawiać się zarówno na obszarach zurbanizowanych, jak i użytkowanych w inny sposób. Dlatego też w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej, na potrzeby analiz i prac naukowych, przyjmuje się podział na powodzie błyskawiczne, tzw. flash floods i powodzie miejskie, czyli urban floods.
Powódź błyskawiczna jest szczególnym przypadkiem powodzi opadowej o lokalnym zasięgu, bardzo szybkim przebiegu i krótkim czasie trwania (zwykle mniej niż 6 godzin). Najczęściej jest wywołana opadami deszczu o dużej wydajności, często o charakterze burzowym, występującym na relatywnie małym obszarze. Powódź błyskawiczna może zdarzyć się w każdym miejscu, a czynnikami determinującymi jej wystąpienie są nachylenie powierzchni terenu, użytkowanie gruntów, typ gleby oraz pokrycie roślinnością. Tego rodzaju zdarzenie może być również wywołane awarią urządzeń hydrotechnicznych (https://tv.trojmiasto.pl/Zawalanie-sie-zapory-na-zbiorniku-Subislawa-Gdansk-19-07-2016-video-16673.html), przerwaniem zapory lub wału przeciwpowodziowego, a także nagłym uwolnieniem wody zatrzymanej przez zator lodowy.
Jedną z cech charakterystycznych powodzi błyskawicznych jest fakt, że kończą się równie nagle, jak zaczynają. Z tego względu, a także z uwagi na dużą prędkość przemieszczania się wody, flash floods są bardzo niebezpieczne. Silny nurt z łatwością przenosi samochody, powala drzewa, podmywa grunt, a czasem porywa całe budynki. W trakcie powodzi błyskawicznej poziom wody jest zazwyczaj niewielki, ale może on znacznie wzrastać, jeśli zdarzenie ma miejsce na małej i ograniczonej powierzchni.
Sprzyjające warunki do powstania powodzi typu flash flood występują również na obszarach miejskich, a głównym czynnikiem jest tu brak odpowiedniego drenażu. Ze względu na niewielką ilość przestrzeni wolnych od wszelkiego rodzaju zabudowy oraz infrastruktury drogowej, które mogłyby być wykorzystane do magazynowania wody, niemal cała objętość opadów musi być w mieście odprowadzona do wód powierzchniowych lub do kanalizacji deszczowej. Jeżeli systemy te nie są sprawne bądź ich wydajność jest zbyt mała, wówczas woda zaczyna gromadzić się na ulicach i wdzierać się w niżej położone miejsca, jak stacje metra, tunele, piwnice itp. W takiej sytuacji mówimy o powodzi miejskiej.
Urban floods całkowicie destabilizują funkcjonowanie miasta i życie mieszkańców. Zablokowane przez wodę drogi, torowiska i inne ciągi komunikacyjne sprawiają trudności w dotarciu do pracy, szkoły i innych obiektów użyteczności publicznej. Mogą pojawić się problemy z dostawą energii elektrycznej i innych mediów, a także z dostępem do niektórych usług. Poza szczególnymi przypadkami, związanymi z wyjątkowo niekorzystnym ukształtowaniem terenu, przybór wody w trakcie powodzi miejskiej jest zazwyczaj dość wolny, a prędkość jej przepływu jest niewielka. Dlatego nie zagraża ona życiu ludzi tak bardzo jak flash flood (https://www.youtube.com/watch?v=gt6ZsI5_BoE, https://www.youtube.com/watch?v=CSAqnk37ylU). Natomiast straty gospodarcze mogą być wysokie i często jeszcze kilkanaście godzin po ustąpieniu powodzi występują poważne zakłócenia organizacyjne.
Mechanizm powstawania powodzi i czynniki ryzyka
Powódź błyskawiczna może wystąpić nawet w kilka minut po opadzie. Jeśli jest on wystarczająco silny, woda gwałtownie spływa po stokach gór lub zboczach dolin, wyrywając drzewa, niszcząc mosty i zabudowania. Czynnikami sprzyjającymi wystąpieniu nagłej powodzi są rzeźba terenu, rodzaj gleb i ubogie w roślinność użytkowanie terenu. Duże nachylenie stoków oraz liczne i wąskie doliny przyśpieszają spływ wody i zwiększają niebezpieczeństwo. Podobny mechanizm obserwujemy w obszarach zurbanizowanych, gdzie w terenie zabudowanym materiałami nieprzepuszczalnymi (jezdnie, chodniki, place, rynki) znacznie zwiększa się spływ wód opadowych – od 2 do 6 razy w stosunku do terenów naturalnych.
Za główne czynniki wpływające na wielkość zagrożenia powodziowego w miastach można uznać:
- występowanie obszarów bezodpływowych;
- występowanie obszarów płaskich o małym nachyleniu 2-3%, z których woda odpływa na tyle powoli, że jej ilość może stwarzać zagrożenie;
- obszary o dużych deniwelacjach terenu;
- uszczelnienie terenu, które powoduje utrudnienie lub całkowity brak infiltracji wód opadowych.
Przykłady powodzi na obszarach miejskich
Gdańsk, 14/15 lipca 2016 roku
Letnią powódź w Gdańsku wywołała ekstremalna pogoda – w ciągu 14 godzin spadło 160 mm deszczu, podczas gdy norma opadowa dla lipca z wielolecia 1981-2010 dla stacji synoptycznej Gdańsk Świbno wynosi 68,4 mm. Szczególnie niekorzystną okolicznością był fakt, że główna część opadów wystąpiła na tzw. górnym tarasie Gdańska, co spowodowało gwałtowny przyrost poziomu wody w potokach, które zamieniły się w rwące rzeki.
Z raportu opublikowanego przez Urząd Miasta w Gdańsku wynika, że wskutek powodzi zginęły dwie osoby, a około siedemdziesiąt osób wymagało pomocy służ ratowniczych. Łączne straty oszacowano na 10,5 mln zł, z czego: 39 proc. stanowiły zniszczenia w infrastrukturze drogowej, w tym uszkodzone torowiska i tramwaje, 17 proc. kosztów pochłonęło usuwanie skutków powodzi w budynkach komunalnych (zalane piwnice, uszkodzone dachy) i placówkach edukacyjnych, a 18 proc. remonty zbiorników retencyjnych (Subisława 4 i Nowiec). Pozostałe straty związane były m.in. z naprawami na terenie Gdańskiego Ogrodu Zoologicznego, porządkowaniem zieleni miejskiej i oczyszczaniem miasta.
Elbląg, 18 września 2017 roku
Bezpośrednią przyczyną powodzi były gwałtowne opady, które zaczęły się około północy z 17 na 18 września. W pierwszej dobie, według danych IMGW-PIB, spadło 60 mm deszczu, w kolejnej 70 mm, ale opady nie był przez te dwa dni rozłożone równomiernie. Z brzegów wystąpiła rzeka Kumiela, a w obszarze zurbanizowanym doszło do intensywnego spływu powierzchniowego. Zalaniu uległo łącznie dwadzieścia szkół i placówek oświatowo-wychowawczych, dwadzieścia sześć domów mieszkalnych, a także infrastruktura komunikacyjna. Około osiemdziesiąt osób złożyło wnioski o pomoc. Poważnie zagrożony był prywatny szpital, a w szczególności generatory prądu i pompy do wykonywania dializ, które znajdowały się w piwnicy. W akcji wzięło udział ponad czterystu pięćdziesięciu strażaków i policjantów, wojsko pomagało przy układaniu worków z piaskiem na wałach.
Poznań, 22 czerwca 2021 roku
Nawalne opady deszczu wystąpiły między 12:30 a 17:30. W początkowej fazie dotknęły one wschodnich obszarów aglomeracji poznańskiej, a później objęły również dzielnice w centrum i zachodniej części miasta. Na Lotniskowej Stacji Meteorologicznej Poznań-Ławica zanotowano sumę opadu równą 79,4 mm, co stanowi 137% normy opadów w miesiącu czerwcu. O godzinie 15:00 godzinowa suma opadu wyniosła 75,2 mm, a trzydziestominutowa 59,4 mm (miejscami w 10 minut spadło prawie 25 mm deszczu). Na stacji opadowej w Gruszczynie, zlokalizowanej na wschodnich obrzeżach aglomeracji, w ciągu doby spadło 136,9 mm deszczu – aż 236% normy dla czerwca.
Poznań przez kilka godzin był wręcz sparaliżowany, zalane zostały ulice, węzły komunikacyjne i wiadukty. W obniżeniach terenu kierowcy zmuszeni byli porzucić unieruchomione przez wodę auta. Podtopieniu uległo wiele domów mieszkalnych, budynków komunalnych i publicznych, w tym m.in. szpitali. Na osiedlu Pod Lipami zawaliła się część konstrukcji dachu szkolnej hali sportowej. Dzięki przeprowadzeniu sprawnej ewakuacji w zdarzeniu nikt nie ucierpiał. Intensywne opady spowodowały wezbranie małych rzek przepływających przez miasto. W przypadku Bogdanki i Górczynki woda wystąpiła z koryt, co doprowadziło do powstawania zalań i podtopień wzdłuż biegu obu cieków.
Ulewne deszcze staną się normą?
Wiemy już, że jednym z istotnych czynników powodujących wzrost ryzyka powodzi miejskich jest uszczelnienie powierzchni oraz indywidualne uwarunkowania przestrzenne danego miasta. Jednak do pełnego obrazu tych zagrożeń potrzebujemy analizy trendów drugiego czynnika, jakim jest klimat i pogoda.
Obserwowana współcześnie zmiana klimatu jest przyczyną wzrostu częstości i intensywności ekstremalnych zjawisk meteorologicznych i hydrologicznych na całym świecie, w tym również nawalnych deszczów. Badania wskazują, że globalne ocieplenie będzie w najbliższych dziesięcioleciach w Polsce powodować zwiększanie się dysproporcji przestrzennej i czasowej występowania długookresowych epizodów suszy i ponadnormatywnych opadów deszczu. Analizy trendów częstości występowania opadów dobowych powyżej 20 i 30 mm, wykonane dla 42 posterunków pomiarowych IMGW-PIB, pokazują że w większości polskich miast do końca XXI wieku zwiększy się ryzyko wystąpienia tego typu zjawisk.
Skutkiem prognozowanego wzrostu wydajności opadów w Europie będzie rosnąca liczba powodzi błyskawicznych, powodujących bezpośrednie zagrożenie życia i rozległe szkody w gospodarce i infrastrukturze. Jeżeli zestawimy to z informacją o dalszym wzroście liczby mieszkańców miast (wg https://ec.europa.eu/jrc/en/luisa do 2050 roku udział ludności miejskiej w UE może wynieść 70 proc.), to możemy się spodziewać, że problem powodzi miejskich będzie narastał. Tymczasem średnioroczne straty spowodowane powodziami flash floods i urban floods są prawie równe dużym powodziom rzecznym, które występują średnio raz na sto lat.
Projektowanie systemów odwodnieniowych – adaptacja którą musimy poprawić
Obowiązująca w Polsce norma projektowania systemów odwodnieniowych (PN-EN 752:2017), określa dwa parametry częstości występowania deszczu, które różnicowane są w zależności od rodzaju zabudowy. Pierwszym jest częstość deszczu obliczeniowego, dla której nie powinno dochodzić do przekroczenia przepustowości systemu odwodnieniowego (kanalizacji deszczowej). Dla obszarów miejskich, w zależności od struktury zabudowy, wartości przeciętnego okresu powtarzalności wynoszą raz na 2, 5 i 10 lat. Drugim parametrem jest częstość występowania wylewów z systemów kanalizacyjnych, powodujących podtopienia i zalania dla różnego typu zabudowy, określonego dla siedmiu przykładowych lokalizacji. Częstości wylewów zwiększają się w zależności od wrażliwości rodzaju zabudowy na potencjalne zalewy. Przykładowo dla dróg i otwartych przestrzeni w pobliżu budynków wynoszą 5 lat, a dla infrastruktury krytycznej 50 lat.
Kryteria projektowe deszczu obliczeniowego do wymiarowania kanałów bez przeciążeń (wg. PN-EN 752:2017).
Kryteria projektowe deszczu dla zagrożeń wylewami z kanałów i podtopień terenów (wg. PN-EN 752:2017).
Wartości obu parametrów projektowych uwarunkowane są oczywiście kwestiami ekonomicznymi budowy systemów odwodnieniowych – im wyższe kryteria, tym większy koszt realizacji inwestycji. Należy zauważyć, że wartości częstości, dla których system kanalizacyjny powinien działać bez powstawania wylewów są stosunkowo niewielkie, co oznacza, że z góry zakładamy występowanie przekroczeń przepustowości. W takiej sytuacji odpowiednio dobrany parametr zagrożeń wylewami z kanałów i podtopień terenów powinien zmniejszać ryzyko realnego zagrożenia dla danego typu zabudowy.
Norma PN-EN 752:2017, w porównaniu z wcześniejszymi wytycznymi ujętymi w PN-EN 752:2008, wprowadziła do prac projektowych stosowanie wyższych wartości dla spodziewanej częstości wylewów. Zwiększono poziom zabezpieczenia analogicznych typów zabudowy. Zatem budowa nowych i modernizacja istniejących systemów kanalizacyjnych powinna zabezpieczać przed powstawaniem zjawisk powodziowych na nieco wyższym poziomie niż wcześniej.
Drugim podejściem stosowanym w praktyce są analizy, określające zagrożenie terenów w przypadku powstawania wylewów z systemu kanalizacyjnego, które powinny obejmować obliczenia hydrauliczne w sieci kanalizacyjnej oraz ustalenie kierunków przepływu i głębokości zalewów na powierzchni terenu. Prace te można wykonać w modelach zintegrowanych, tj. dokonujących obliczeń przepływu w sieci kanalizacyjnej z równoczesnym procesem przepływu po powierzchni terenu. Połącznie między modelami realizowane jest przez studzienki i wpusty kanalizacyjne. Innym rozwiązaniem jest luźne powiązanie obu zjawisk w osobnych symulacjach, np. przeprowadzenie obliczeń w pierwszej kolejności dla systemu kanalizacyjnego, a następnie w kolejnej symulacji dla powierzchni terenu. Do obliczeń przepływu po powierzchni najlepiej nadają się modele hydrodynamiczne opisujące ruch dwuwymiarowy (2D). W wyniku ich zastosowania powstaje dość wiarogodny obraz przepływu nadmiaru wody, włącznie z określeniem prędkości przepływu oraz głębokościami zalewu, w tym w obniżeniach terenowych i obszarach bezodpływowych. O ile obliczenia dla sieci kanalizacji deszczowej są zasadniczym elementem inżynierskiej praktyki projektowej, o tyle zastosowanie analizy przepływu po powierzchni terenu, w tym za pomocą modeli hydrodynamicznych 2D, wykracza poza standard i wymaga nieco innego zakresu wiedzy i doświadczenia.
W odniesieniu do wspomnianych modeli zintegrowanych, ważnym ograniczeniem są stosunkowo wysokie koszty programów komputerowych realizujących obliczenia, jako że dostępne są w zasadzie jedynie rozwiązania komercyjne. Jednocześnie należy zauważyć, że wytyczne dotyczące określenia częstości wylewów i analizy ich skutków są bardziej zaleceniami niż ściśle realizowanym wymogiem projektowym. Z tego też względu analizy w pełnym zakresie opracowywane były dotychczas stosunkowo nieczęsto.
Czy za powodzie miejskie odpowiedzialna jest zmiana klimatu? To źle postawione pytanie. Globalne ocieplenie powoduje, że coraz częściej występują ekstremalne zdarzenia pogodowe. To fakt potwierdzony przez Międzyrządowy Zespół ds. Zmian Klimatu. Jednak sposób, w jaki dany obszar reaguje na np. nawalny deszcz, zależy od wielu innych czynników, w tym od rodzaju użytkowania terenu. Im bardziej więc ingerujemy w naturalne systemy i łańcuchy zależności środowiskowej i im bardziej „zabetonowane” stają się nasze miasta, tym większe ryzyko, że pewnego dnia każdy z nas doświadczy szybkiej powodzi miejskiej. A ponieważ, jak czytamy w najnowszym Sixth Assessment Report, „nie ma cienia wątpliwości, że źródłem współczesnej zmiany klimatu jest działalność człowieka”, to za większość tego typu niebezpiecznych zdarzeń powinniśmy winić przede wszystkim nas samych.
Jak to zmienić? Poprawić wytyczne i normy, które ze względów ekonomicznych dopuszczają do okresowego przekroczenia wydajności urządzeń odwodnieniowych. Wprowadzać do miast jak najwięcej zieleni i miejsc, w których nadmiar wody może być w naturalny sposób retencjonowany. Ciąć emisje gazów cieplarnianych i skończyć z wszechobecną „betonozą” miejskiego krajobrazu.
[1] Niekiedy są klasyfikowane jako opady powyżej 10-15 mm w ciągu 15-20 minut.
MAGDALENA SKONIECZNA. Starszy specjalista w Zakładzie Hydrologii i Inżynierii Zasobów Wodnych. W IMGW-PIB od 2008 roku. Absolwentka Politechniki Krakowskiej im. Tadeusza Kościuszki na kierunku Inżynieria Środowiska o specjalności Inżynieria wodna i zarządzanie zasobami wodnymi. Realizuje zadania w zakresie prac badawczych, metodycznych i wdrożeniowych dotyczących gospodarki wodnej. Obecnie jej zawodowe zainteresowania skupiają się na prowadzeniu analiz związanych z ryzykiem zagrożeń naturalnych, w szczególności na geomorfologicznych aspektach powodzi opadowych w obszarach zurbanizowanych.
ANDRZEJ HAŃSKI. Absolwent Wydziału Inżynierii Środowiska Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu oraz Studium Podyplomowego „Monitoring i Osłona Hydrologiczno-Meteorologiczna” Politechniki Warszawskiej. W IMGW-PIB od 2000 roku, zajmuje się systemami prognozowania i ostrzegania hydrologicznego, modelowaniem hydrologicznym i hydrodynamicznym oraz ekspertyzami hydrologicznymi. Uczestniczył w szeregu projektach z zakresu hydrologii, oceny zagrożenia i ryzyka powodziowego – między innymi ISOK, Aktualizacja Map Zagrożenia Powodziowego i Map Ryzyka Powodziowego, Plany Zarządzania Ryzykiem Powodziowym. Pełni funkcję kierownika Wydziału Prognoz i Opracowań Hydrologicznych w Poznaniu realizującego osłonę hydrologiczną zlewni Warty oraz dolnej Odry. Koordynator zadania rozwojowego Centrum Hydrologicznej Osłony Kraju IMGW-PIB dotyczącego wdrożenia systemu ostrzegania hydrologicznego przed powodziami błyskawicznymi.
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.
MARCIN WDOWIKOWSKI. Doktor nauk technicznych w zakresie inżynierii środowiska, górnictwa i energetyka. Absolwent Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. W IMGW-PIB od 2007 roku. Współautor ponad 30 prac naukowych i popularnonaukowych w zakresie modelowania opadów maksymalnych, hydrometrii, ochrony przeciwpowodziowej i zarządzania kryzysowego. Aktualne zainteresowania zawodowe to aplikacyjne zastosowania hydrologii i meteorologii m.in. w takich obszarach, jak zagospodarowanie wód opadowych, prognozy długoterminowe czy odnawialne źródła energii. Zawodowo i rodzinnie związany z Odrą i Wrocławiem
