Powodzie błyskawiczne – coraz częstsze zmartwienie samorządów

Powodzie błyskawiczne, powodzie opadowe, powodzie miejskie czy też z angielskiego flash floods są to najczęstsze określenia dla zjawisk nawiedzających regularnie współczesne polskie miasta. Susza charakteryzująca ostatnie lata w naszym kraju mogłaby wskazywać na brak zagrożenia powodziowego i podtopień na rzecz problemu z dostępem do wody. Nie jest to jednak tak oczywiste.

Zmiany klimatu przynoszą nam generalny przewrót trendów klimatycznych na rzecz m.in. ewolucji w liczbie pór roku i w zasadzie ich ograniczenia do dwóch – zimy i lata, wyższe średnioroczne temperatury, mniejsze średnioroczne opady, ale także intensyfikację zjawisk ekstremalnych. Zgodnie z danymi statystycznymi GUS w 2021 r. zarejestrowano blisko 30 tysięcy interwencji straży pożarnej w związku z nadmiernymi opadami deszczu i podtopieniami, w 2022 r. było tych interwencji około 20 tysięcy.

W Polsce powodzie błyskawiczne są najczęściej konsekwencją zjawisk burzowych, kumulacji intensywnych opadów w krótkim czasie na niedużym obszarze. Straty, które generują, bywają bardzo duże. Zjawiska ekstremalne w zestawieniu ze znacznym uszczelnieniem zlewni miejskiej oraz niejednokrotnie niewydolnymi sieciami kanalizacyjnymi, projektowanymi według nieaktualnych już standardów, powodują okresowe zatrzymywanie się wody opadowej na powierzchniach, które z założenia powinny być odwadniane. Najbardziej narażone na takie zdarzenia są obszary znajdujące się poniżej otaczającego je terenu, ponieważ stają się naturalnym (poprzez spływ powierzchniowy lub brak możliwości odpływu) odbiornikiem wód opadowych.

Nie zamierzamy jednak szczegółowo analizować genezy i przebiegu tych zjawisk na obszarach zurbanizowanych. Przedmiotem artykułu są potencjalne rozwiązania na poziomie planistycznym i analitycznym, które mogą zostać wdrożone w miastach w zależności od potrzeb, jakości posiadanych danych czy dostępnych środków finansowych.

Firma DHI Polska już ponad 16 lat z powodzeniem realizuje projekty dla miast i administracji samorządowej oraz rządowej, a także dla podmiotów prywatnych. Są one związane z gospodarowaniem wodami w rzekach, w sieci kanalizacyjnej i wodociągowej oraz na morzu. Zajmujemy się szeroko pojętą wodą, analizami i planowaniem możliwie najskuteczniejszego zarządzania zasobami, sposobami na radzenie sobie z ich nadmiarem czy niedoborem.

Do swoich analiz wykorzystujemy nowoczesne narzędzia i technologię bazującą na autorskim oprogramowaniu grupy DHI – MIKE. Narzędzia z rodziny MIKE wspomagają pracę w większości projektów, które realizujemy w trzech głównych obszarach – zasoby wodne, woda w mieście, obszary morskie. Modelowanie sieci kanalizacyjnych to jedno z naszych codziennych zadań. W zakresie zarządzania wodami opadowymi mamy szerokie doświadczenie lokalne: opracowane strategie i koncepcje gospodarowania wodami opadowymi dla Wrocławia, Raciborza, Torunia i Gdyni, analizy obszarów bezodpływowych dla Kalisza, Kołobrzegu, Katowic i Bielska Białej czy też modele wraz z koncepcją rozwiązań dla wybranych zlewni/obszarów w Bydgoszczy, Gdańsku, Katowicach i Krakowie.

Krótkie animacje podsumowujące realizacje wybranych projektów można obejrzeć w sieci, kody QR zamieszczono na końcu artykułu. Dostarczając naszym klientom narzędzia z rodziny MIKE, udzielamy także wsparcia technicznego oraz szkolimy z ich obsługi. W ramach grupy DHI mamy także ogromne doświadczenie międzynarodowe, możemy czerpać wiedzę od bardziej zaawansowanych w tym obszarze krajów skandynawskich czy Singapuru.

Zakres wsparcia miast i jednostek zarządzających siecią kanalizacji w obszarach zurbanizowanych może być kilkustopniowy lub ograniczać się do wybranego poziomu zaawansowania analiz. Poniżej przedstawiamy kolejne kroki, które pozwolą przygotować miasto na podjęcie właściwych decyzji, na określenie punktów wymagających najpilniejszej interwencji, by móc kontynuować pogłębione analizy i działania na okrojonym obszarze.

W obliczu tak ogromnego wzrostu kosztów funkcjonowania w ostatnim roku, kluczowe jest wydatkowanie środków w sposób możliwie najbardziej efektywny, a także skuteczne obniżenie ryzyka strat. Dbamy o to, by nie pogłębiać problemów finansowych wywołanych aktualną sytuacją gospodarczą i kryzysem energetycznym.

Pierwszy krok? Wyznaczenie opadów prawdopodobnych

Pierwszym krokiem w jakichkolwiek analizach związanych z zagrożeniem powodziowym jest przygotowanie danych meteorologicznych, przyjęcie określonych wartości opadów prawdopodobnych, na które narażone jest miasto.

Podstawą wyznaczania miarodajnych wartości jest określenie prawdopodobieństwa wystąpienia i czasu trwania opadu, jak również odpowiedni dobór metody obliczeniowej. Dotychczas w Polsce najczęściej stosowane były modele opadów o zasięgu ogólnokrajowym – model Błaszczyka (1954) oraz Bogdanowicz-Stachy (1998).

W ostatnich latach są one systematycznie zastępowane modelami opadów o zasięgu lokalnym, uwzględniającymi aktualne dane pomiarowe i rewidującymi starsze metody, często wskazując na niedoszacowanie wyników obliczeń w odniesieniu do aktualnie rejestrowanych opadów. Modele lokalne, oparte na danych opadowych o wysokiej rozdzielczości czasowej dla sieci stacji na terenie całego kraju, dostępne są w postaci gotowych produktów, takich jak Polski Atlas Natężeń Deszczów PANDa (dane płatne) lub projekt PMAXTP IMGW-PIB (dane bezpłatne).

Dobór metody opracowania opadów miarodajnych powinien uwzględniać warunki panujące na analizowanym obszarze, gdyż nie każda metoda jest uniwersalna. Konieczne jest również określenie prawdopodobieństwa (częstości) i czasu trwania opadów przyjętych do obliczeń. Najczęściej stosowane w praktyce inżynierskiej zestawienia to:

• prawdopodobieństwo wystąpienia opadu p=10% (częstość C=10), czas trwania t=15 min oraz t=120 min;
• prawdopodobieństwo wystąpienia opadu p=20% (częstość C=5), czas trwania t=15 min oraz t=120 min, zgodne z normą projektowania sieci kanalizacji deszczowej PN-EN-752:2017;
• prawdopodobieństwo wystąpienia opadu 1% (częstość C=100), czas trwania t=15 min oraz t=120 min, szczególnie istotne przy modelowaniu zintegrowanym z siecią rzeczną, gdzie scenariusz 1% jest najbardziej referencyjny.

Przyjęcie dłuższego czasu trwania opadu (na przykład 120 min) pozwala na przeprowadzenie analiz dla najmniej korzystnych warunków, tj. osiągnięcia pełnego nasycenia gruntu wodą (wyczerpania się zdolności infiltracyjnych), zatopienia przepustów i ich pracy pod ciśnieniem, częściowego bądź całkowitego wypełnienia kanalizacji deszczowej itp.

Co zostanie zalane? Detekcja miejsc bezodpływowych

Miejsca bezodpływowe w miastach są w sposób oczywisty narażone na zalania. W świetle ogólnodostępnych danych o powierzchni terenu (Numeryczny Model Terenu, NMT), możemy, z wykorzystaniem narzędzi GIS, dość łatwo dokonać uproszczonej analizy i wskazać miejsca, w których gromadzi się woda w efekcie intensywnych opadów deszczu (na powierzchnię terenu nakładamy określony wcześniej opad).

Obszary te mogą być wyznaczone nawet przy założeniu braku infiltracji podłoża oraz wpływu ewapotranspiracji. Opad zwykle rozłożony jest jednolicie i równomiernie po całym obszarze. Kolejny krok polega na weryfikacji uzyskanych wyników. W trakcie ich analizy można wprowadzić wybrane obiekty techniczne w celu poprawy rzeźby NMT, które w sposób naturalny zatrzymają rozlewającą się wodę (np. groble, mury oporowe), które stanowią powierzchnie pokryte wodą (np. jeziora, stawy) lub które mogą umożliwić przepływ wody (np. przepusty, rowy), a które to w dostępnym NMT nie zostały dobrze odwzorowane. Możliwość wprowadzenia/rewizji powyższych struktur wpływa znacząco na poprawność obliczeń ścieżek spływu wody opadowej, co przyczynia się do większej wiarygodności poprawności wyłonionych stref o potencjalnym zagrożeniu.

W dalszej kolejności należy ustalić minimalną powierzchnię obszarów zalanych, które zostaną określone jako problemowe (np. 100m² i więcej), gdyż wyniki wskażą tysiące takich punktów. Jest to jednak typowy post-processing i dokonuje się takiej weryfikacji dopiero po uzyskaniu wyników i określeniu skali problemu w danym mieście.

Choć analizy te uznaje się za najbardziej uproszczone, dość precyzyjnie wskazują miejsca problemowe na obszarze miasta i stanowią bardzo dobry punkt wyjścia do dalszych działań.

Czym już dysponujemy? Wyznaczenie miejsc pod zieloną retencję

Wyżej opisana metoda uproszczona, poza wyłonieniem miejsc bezodpływowych i narażonych na podtopienia, pozwala wskazać punkty mogące w sposób naturalny pełnić funkcję retencyjną. Aby zrobić to skutecznie, wyniki analiz należy zestawić z informacją o istniejącym pokryciu terenu, gdzie analizie poddawane są jedynie obszary określone jako: teren leśny i zadrzewiony, roślinność krzewiasta, roślinność trawiasta i uprawa rolna, grunt nieużytkowany.

Niezmiernie korzystne jest, kiedy obszar problemowy, stanowiący naturalne zagłębienie terenu, jest jednocześnie miejscem potencjalnej retencji. Może to być przykład dobrze planowanych działań w mieście, tj. zabezpieczenia powierzchni biologicznie czynnej na obszarze, na którym pojawiają się problemy z podtopieniami w trakcie silnych opadów deszczu, co dzięki obszarom zielonym jest w pewnym stopniu redukowane.

Może to być też zbieg okoliczności, więc tym bardziej należy dążyć do zwiększania bądź utrzymania już istniejącego użytkowania w takich miejscach, co przyczyni się do zmniejszenia wielkości kubatury zalania poprzez transpirację czy infiltrację. Ponadto stosownym wydaje się możliwość rozpatrzenia tych obszarów pod względem inwestycji technicznych, np.: budowy zbiorników retencyjnych, skwerów czy modernizacji już istniejących obszarów czynnych biologicznie ze względu na korzystne ukształtowanie terenu.

Oczywiście są to korzystne sytuacje, przypadki, w których nie planuje się intensywnej zabudowy, gdyż zmiana zagospodarowania może powodować tworzenie się lokalnych zastoisk podczas intensywnych opadów deszczu. Niestety takie sytuacje spotykamy w miastach na obszarze całego kraju. Każda inwestycja powinna mieć opracowany plan odwodnienia, który z uwagi na perspektywę opłat retencyjnych (opłata za zmniejszenie naturalnej retencji, za odprowadzenie wód opadowych i roztopowych), powinien starać się maksymalnie retencjonować wodę na własnym obszarze.

Gdzie reagować najpierw? Priorytetyzacja zlewni pod kątem wprowadzenia programu zagospodarowania wód opadowych

Z naszego doświadczenia wynika, że zwykle miejsc problemowych w obszarze średniej wielkości miasta otrzymujemy setki. Z uwagi na limity budżetowe wskazana jest priorytetyzacja wyników, tak aby sklasyfikować obszary i wyłonić te wymagające najpilniejszej interwencji.

Takich kryteriów oceny może być wiele. Poniżej wskazano przykładowy zestaw warunków z wagami, jednakże są one ustalane indywidualnie, z uwagi na warunki lokalne i potrzeby w danym mieście. Do przeprowadzenia rzetelnej analizy wielokryterialnej wymagane są dodatkowe dane oraz badania, choćby w zakresie planowanego zagospodarowania przestrzennego czy inwentaryzacji danych od Państwowej Straży Pożarnej.

Poniżej przedstawiono zestawienie kryteriów priorytetyzacji zlewni wraz z przypisanymi wagami dla jednego z miast.

NAZWA KRYTERIUM:	WAGA:
1. Liczba obiektów zagrożonych zalaniem – stan aktualny	10%
2. Liczba obiektów zagrożonych zalaniem – stan przeszły	12,5%
3. Objętość zatrzymanej wody w odniesieniu do powierzchni nieprzepuszczalnej – stan aktualny	7,5%
4. Objętość zatrzymanej wody w odniesieniu do powierzchni nieprzepuszczalnej – stan przeszły	10%
5. Podział gruntów pod kątem zdolności infiltracyjnych na terenach przepuszczalnych	15%
6. Liczba zlokalizowanych terenów szczególnie narażonych na zalanie	15%
7. Liczba interwencji Państwowej Straży Pożarnej	17,5%
8. Zmiana uszczelnienia danych zlewni w czasie	12,5%
SUMA:	100%

Wartości otrzymane ze stosunkowo prostej analizy wielokryterialnej sugerują jasno, które z badanych zlewni w pierwszej kolejności wymagają potraktowania priorytetowego. Stanowi to bardzo dobry punkt wyjściowy do dalszych analiz.

Co w kolejnym kroku? Modelowanie i planowanie działań

Następnie przystępujemy do pogłębionych analiz wytypowanych obszarów problemowych lub zlewni. Jest to optymalne rozwiązanie, gdyż zmniejsza koszty wykonania analiz na obszarze całego miasta. Pogłębione badania wymagają przygotowania zaawansowanych modeli hydraulicznych, które w jak najlepszy sposób odzwierciedlą hydrodynamikę sieci i innych obiektów na analizowanym obszarze, tak aby te dalsze analizy i planowanie konkretnych działań było jak najbardziej wiarygodne.

Do przygotowania takich modeli potrzeba szeregu danych, które (z wyłączeniem tych pochodzących z ogólnokrajowych zasobów) w dużej mierze pozostają w posiadaniu miast, miejskich wodociągów lub innych podmiotów zarządzających siecią kanalizacyjną. Zakres niezbędnych danych obejmuje przede wszystkim:

• dane o powierzchni terenu – numeryczny model terenu, numeryczny model powierzchni terenu, ortofotomapy, dane z zasobów GUGIK;
• dane o istniejącej infrastrukturze – Baza Danych Obiektów Topograficznych, dane z zasobów GESUT, mapa zasadnicza, dane o sieci z zasobów własnych miasta;
• kampania pomiarowa – dane o przepływach, napełnieniach i opadach atmosferycznych prowadzone w ramach okresowej, kilkumiesięcznej kampanii pomiarowej, kampanie prowadzone są na potrzeby danego projektu, niezbędne do rzetelnej kalibracji modeli;
• dane o opadach prawdopodobnych – do pozyskania lub obliczenia, jak opisano wcześniej;
• dodatkowe dane/pomiary geodezyjne – często dane o wybranych elementach sieci i obiektach nie są wiarygodne i wymagają dodatkowych wizji terenowych lub pomiarów geodezyjnych.

Najlepsze proponowane obecnie rozwiązania to modele zintegrowane, obejmujące modele jedno- i dwuwymiarowe, zarówno dla sieci kanalizacyjnej, jak i jej odbiorników (cieki, rowy, zbiorniki). To bardzo ważne, aby analizy prowadzić w szerszym wymiarze, z uwzględnieniem zagrożenia i sytuacji na ciekach wodnych.

Na odpowiednio przygotowanych modelach hydraulicznych prowadzi się zaawansowane analizy różnych scenariuszy. Testuje się różne warianty rozwiązań technicznych, mających na celu zlikwidowanie problemu. Wyniki analiz i opracowane produkty modelowania mogą również posłużyć do innych zadań jednostki, np. do procesu uzyskiwania pozwoleń na zrzuty z przelewów burzowych kanalizacji ogólnospławnej itp.

Jak się uchronić? Systemy prognostyczne

Mimo starań bywa, że zagrożenia nie da się wyeliminować. Istnieją różne dodatkowe, niestrukturalne narzędzia, które wspierają miasta w procesie zarządzania kryzysowego. Mowa głównie o systemach prognostycznych, systemach wczesnego prognozowania i ostrzegania. W DHI Polska opracowano aplikację, Network Flood Monitor (NFM), która prognozuje podtopienia i ostrzega przed ich wystąpieniem w mieście. W oparciu o model sieci kanalizacyjnej autonomiczny system prognozuje jej zachowania, analizując przy tym hydrodynamikę całego układu.

Aplikacja jest zintegrowana z aktualną prognozą meteorologiczną, co pozwala przewidzieć, dzięki przeprowadzonym wcześniej analizom, wpływ prognozowanego opadu na zachowanie sieci kanalizacyjnej. Użytkownicy informowani są o wystąpieniu potencjalnych podtopień. Aplikacja NFM jest elastyczna, tzn. może prognozować stany w sieci kanalizacji deszczowej, ogólnospławnej, sanitarnej, jak również łączyć modele ich wszystkich. Dostępne w aplikacji funkcje można dostosowywać do potrzeb użytkownika. Możliwa jest również rozbudowa o nowe funkcjonalności. Narzędzie zakłada integrację z danymi telemetrycznymi SCADA, z danymi radarowymi i predykcyjnymi lub też z modułem uczenia maszynowego. Systemy te zostały przez DHI zaimplementowane w kilku miastach w Polsce, m.in. w Gdyni.

Skąd pozyskać środki na realizację działań? Finansowanie

Najczęstszym wytłumaczeniem braku realizacji działań, a nawet zaniedbań w utrzymaniu sieci, jest brak wystarczających środków finansowych. W obliczu aktualnej sytuacji gospodarczej jest to jeszcze trudniejsze niż przed laty. Dlatego tak ważne jest kierowanie swoich aktywności na obniżenie kosztów (zwiększeniu efektywności energetycznej) i unikanie potencjalnych strat (podtopienia, powodzie, awarie). Fundusze europejskie już od wielu lat wspierają procesy inwestycyjne w wielu obszarach gospodarki w naszym kraju.

Finansowanie z UE podtrzymuje w kluczowych celach i osiach priorytetowych adaptację do zmian klimatu i gospodarkę wodno-ściekową. To przede wszystkim w te dwa obszary wpisują się problemy związane z wodami opadowymi i siecią kanalizacji. Pojawiło się też działanie związane z rozwojem zielonej infrastruktury, do którego można zaliczyć retencję w obszarach zurbanizowanych. Start nowej perspektywy to zawsze bardzo dobra okazja, aby zmobilizować się do działania i wystartować w konkursach o pozyskiwanie środków. Poprzednio dodatkowo punktowane były projekty dotyczące rozwoju sieci kanalizacyjnej, które posiadały już modele hydrauliczne, opadowe. Ważne jest zatem, aby prace przygotowawcze zacząć niezwłocznie i nie stracić szansy na pozyskanie cennych środków finansowych.

Podsumowanie

W Polsce kwestie zarządzania wodami powodziowym i planowanie ochrony przeciwpowodziowej dość precyzyjnie reguluje ustawa Prawo wodne, transponująca wymogi Dyrektywy powodziowej na krajowe warunki. Niestety obszar powodzi błyskawicznych, miejskich, nie jest ujęty w zakresie tych analiz. Nie istnieją obecnie żadne jednolite wytyczne w zakresie planowania i zarządzania wodami opadowymi, standardy, które ułatwiłyby rozpoczęcie prac w mniej zaawansowanych technicznie miastach.

Obecnie Wody Polskie realizują projekt, którego celem ma być stworzenie poradnika ułatwiającego miastom identyfikację obszarów zagrożonych wodami opadowymi, który z całą pewnością uporządkuje dostępną na rynku wiedzę i w przystępny sposób wskaże możliwe kierunki prac w przyszłości. Bez względu na zaangażowanie na poziomie centralnym, miasta, które w ostatnich latach doświadczyły negatywnych skutków powodzi i podtopień, związanych przede wszystkim z niewydolnością systemu sieci kanalizacyjnej lub obszarami bezodpływowymi, powinny zastanowić się nad konkretnymi działaniami i zaplanować środki na ich realizację.

W wielu miejskich planach adaptacji do zmian klimatu (MPA) już teraz widzimy wskazywanie tych elementów jako istotnych i wymagających działania. Wesprzeć miasta zdecydowanie może kolejna perspektywa finansowa UE, która po raz kolejny wskazuje jako priorytet adaptację do zmian klimatu.

Dążenie do urbanizacji obszarów naturalnie zalewowych (zagłębienia, doliny rzek) stanowi oczywiste ryzyko dla użytkowników, a niestety często równolegle z budową kolejnych osiedli nie idzie rozwój sieci kanalizacji deszczowej i możliwie największe zretencjonowanie wody na obszarach zabudowanych. Bezwarunkowe przerzucanie problemu na administratora sieci jest jedynie krótkotrwałym rozwiązaniem, gdyż woda ta prędzej czy później pojawi się na obszarze osiedla, zabudowanego, ale niewyposażonego w odpowiednie odwodnienie i zabezpieczenia.

To zdecydowanie temat do poprawy, a w dobie dostępnych narzędzi i nowoczesnych rozwiązań technologicznych umożliwiających modelowanie sieci, można znacznie szybciej niż kiedyś poznać skalę problemu i reagować. DHI Polska od lat wspiera polskie miasta w rozwiązywaniu problemów z nadmiarem wody deszczowej i występującym na ich terenie zagrożeniem powodziowym.

Program Gospodarowania Wodami Opadowymi dla Miasta Torunia

Racjonalne zagospodarowanie wód opadowych – analiza obszarów zagrożonych powodziami w Kołobrzegu

Analiza miejsc zagrożonych podtopieniami spowodowanymi deszczem nawalnym w granicach miasta Kalisz

Analiza przestrzenna dotycząca zlewni kanalizacji deszczowych dla MPWIK Wrocław

Nasze artykuły o podobnej tematyce:

Modelowanie sposobem na oszczędzanie wody

Jak skutecznie zatrzymać wodę. Poradnik dla samorządów

Powódź – czym jest i czy mi zagraża?