Modelowanie powodzi sztormowych – case study Żuławy Elbląskie

Powodzie sztormowe należą do jednych z najbardziej katastrofalnych zjawisk naturalnych na Ziemi. Na całym świecie co roku powodują niewyobrażalne straty finansowe i środowiskowe, ale przede wszystkim śmierć tysięcy osób.

Mimo że Morze Bałtyckie wydaje się być znacznie mniej dynamiczne i niebezpieczne niż Morze Północne czy Ocean Atlantycki, to historyczne dokumenty i bieżące obserwacje potwierdzają niszczycielski potencjał Bałtyku. W 1983 roku sztorm na Zalewie Wiślanym spowodował zalanie blisko 3 tys. hektarów Wyspy Nowakowskiej, a w 2009 roku porywy wiatru w szczycie wezbrania sztormowego dochodziły do 95 km/h. Dziś, dzięki mapom powodziowym od strony morza, można lepiej i szybciej reagować na zagrożenia związane ze sztormami. Ich opracowanie było jednym z największych wyzwań dla IMGW-PIB w dwudziestym pierwszym stuleciu.

W 2005 roku w południowo-wschodnie wybrzeże Stanów Zjednoczonych uderzył jeden z najbardziej niszczycielskich huraganów w historii – Katrina. Przy wietrze wiejącym z prędkością dochodzącą do 280 km/h doszło do powstania 8-metrowych fal, które przerwały system wałów przeciwpowodziowych wokół Nowego Orleanu i zalały miasto wraz z sąsiadującymi terenami. Zginęły 1464 osoby. W 2016 roku Haiti nawiedził huragan Mathew. Prędkość wiatru osiągnęła niemal 230 km/h, a 16-metrowe fale i dochodząca do 3 metrów wysokości cofka spustoszyły południowe wybrzeże wyspy, powodując śmierć niemal 600 osób. Z kolei w Europie najtragiczniejszy w skutkach był sztorm w 1953 roku. Ogromne straty poniosły wszystkie kraje leżące nad Morzem Północnym – w samej Holandii zalane zostało 200 tys. ha lądu, a życie straciło niemal 1800 osób.

Morze Bałtyckie wydaje się nam znacznie spokojniejsze i przewidywalne. Jednak dokumenty historyczne dowodzą, jak niebezpieczne mogą być sztormy na Bałtyku. Gwałtowna burza w 1872 roku była przyczyną co najmniej 272 ofiar śmiertelnych i pozbawiła dachu nad głową ponad 15 tys. osób. W dniach 27-31 grudnia 1913 roku rozwinął się sztorm, podczas którego najpopularniejszy hotel Kurhaus Ost-Dievenow w Dziwnowie został zatopiony i zniszczony. Liczba osób, które straciły życie pozostaje nieznana. Podczas sztormu odnotowano najwyższy w historii poziom morza w Świnoujściu  (303 cm powyżej średniego poziomu), a na okoliczne plaże woda wyrzuciła liczne jednostki pływające, w tym rosyjski szkuner Austrumus.

Dyrektywa powodziowa UE – zmiana podejścia do zagrożenia

Zapobieganie powodziom wywołanym sztormami nie jest łatwe. Jednym ze sposobów ograniczenia negatywnych skutków tego zjawiska są różnego rodzaju budowle i urządzenia, np. wały przeciwsztormowe, opaski brzegowe, falochrony wzdłużbrzegowe lub wrota sztormowe. Ważnym elementem rozwiązań systemowych o charakterze nietechnicznym jest dyrektywa Parlamentu Europejskiego i Rady nr 2007/60/WE z dnia 23 października 2007 roku w sprawie oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim, zwana „dyrektywą powodziową”.

Dokument ten zobowiązuje państwa członkowskie UE do opracowania wstępnej oceny ryzyka powodziowego, map zagrożenia powodziowego, map ryzyka powodziowego i planów zarządzania ryzykiem powodziowym. Stworzono tym samym podstawy do zastosowania modelowania hydrodynamicznego, jako podstawowego narzędzia opracowywania map zagrożenia powodziowego w większości krajów UE.

W Polsce od momentu wdrożenia dyrektywy powodziowej zastosowano trzy różne podejścia do oceny zagrożenia powodziowego od wód morskich. Do 2010 roku, gdy opracowano metodykę obliczania zagrożenia powodziowego, opierano się na założeniu, że głównym celem jest ochrona przed powodzią od wód morskich oraz od wewnętrznych wód morskich na poziomie 2,50 m powyżej średniego poziomu morza. Zmiana podejścia nastąpiła wraz z powstaniem „Metodyki obliczania maksymalnych poziomów wody o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla wybrzeża oraz ujściowych odcinków rzek będących pod wpływem oddziaływania morza w celu wykorzystania wyników do modelowania hydrodynamicznego, a następnie opracowania map zagrożenia powodziowego oraz map ryzyka powodziowego”. Wytyczne z tego dokumentu były podstawą opracowania pierwszych map zagrożenia powodziowego i map ryzyka powodziowego w 2010 roku. Jednocześnie już w pierwszym cyklu planistycznym zauważono konieczność doprecyzowania pewnych kwestii spornych. W efekcie powstała zmodyfikowana wersja wytycznych „Metodyka opracowania map zagrożenia powodziowego i map ryzyka powodziowego od strony morza w II cyklu planistycznym”.

Warunki brzegowe w modelowaniu matematycznym

Mapy zagrożenia powodziowego oparte są na wynikach matematycznych modeli hydrodynamicznych, które wymagają prawidłowego przygotowania warunków brzegowych dla zagrożenia od wód morskich i wewnętrznych wód morskich w postaci:

• statystycznie i probabilistycznie opracowanych maksymalnych wartości wezbrań o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia, tj. tzw. powodzi raz na 100 lat (p = 1%) i powodzi raz na 500 lat (p = 0,2%);
• opracowania kształtów wezbrań fal hipotetycznych – niezwykle ważne zagadnienie pozwalające oszacować objętość wody przemieszczającej się w kierunku obszarów zagrożonych powodzią;
• uwzględnienia przyrostu średniego poziomu morza spowodowanego zmianą klimatu;
• uwzględnienia siły i kierunku wiatru w funkcji czasu, jako głównej siły propagacji wezbrań sztormowych.

Prawidłowe określenie warunków brzegowych jest kluczowe dla osiągnięcia wiarygodnych wyników obliczeń z matematycznych modeli hydrodynamicznych, a tym samym do określenia zasięgów obszarów zagrożenia powodziowego.

Modelowanie zasięgów zagrożenia powodziowego od wezbrań sztormowych

Modelowanie wezbrań sztormowych ma na celu określenie poziomów wody na obszarach przybrzeżnych, które charakteryzują się bardzo zróżnicowaną linią brzegową. Znacznie łatwiej jest modelować zagrożenie od morza w obszarach plaż z wysokimi wydmami lub obszarach klifowych niż terenów z polderami, chronionymi wałami przeciwpowodziowymi i poprzecinanymi ujściowymi odcinkami rzek, które umożliwiają przemieszczanie się zagrożenia powodziowego na duże odległości w głąb lądu.

Więcej: https://obserwator.imgw.pl/modelowanie-powodzi-sztormowych-case-study-zulawy-elblaskie/