Modelowanie GIS w prognozowaniu powodziowym Martyna Irska, Paulina Kocoń, Kinga Wenglorz, I rok MU geografia, GIS

Systemy Informacji Geograficznej (ang Systemy Informacji Geograficznej (ang. GIS), pozwalają na szybkie znajdowanie niezbędnych informacji, ich analizowanie i przedstawianie w przyjazny sposób. W zależności od doboru danych oraz stopnia szczegółowości przeprowadzanych analiz, ich wynik może być wykorzystywany dla wstępnego oszacowania skutków zaistniałych powodzi (dane rzeczywiste) bądź dla symulacji przyszłych kataklizmów (dane „sztuczne”). www.odskok.pl

Modele powodziowe Mogą być wykorzystywane przez towarzystwa ubezpieczeniowe (oszacowanie odszkodowania) Mają istotne znaczenie dla działań związanych z ograniczaniem skutków powodzi. W zależności od przyjętego scenariusza katastrofy (zjawiska meteorologiczne, awarie obwałowań, itp.) można określać strefy zagrożenia powodziowego, zaś na ich podstawie – mapy potencjalnych zalewów. Pozwalają one na szybkie reagowanie w obliczu zagrożenia (ewakuacja ludności) oraz korektę planów zagospodarowania przestrzennego.

Modele powodziowe są zazwyczaj wykonywane w oparciu o Numeryczny Model Terenu – NMT (ang. Digital Elevation Model – DEM). Jest to numeryczna reprezentacja fragmentu powierzchni ziemskiej, utworzona zazwyczaj przez zbiór punktów tej powierzchni oraz algorytmy służące do aproksymacji jej położenia i kształtu na podstawie współrzędnych x, y, z tych punktów.

Oszacowanie skutków powodzi w oparciu o analizy przestrzenne wymaga określenia zagrożenia powodziowego, co z kolei wiąże się z wyznaczeniem stref zagrożenia powodziowego. Wyznaczanie takich stref powinno być wykonane w oparciu o trzy zasadnicze elementy: - numeryczne mapy topograficzne; - numeryczny model terenu - bazy obiektów ważnych z punktu widzenia zagrożenia powodziowego.

Strefy zagrożeń powodziowych STREFA A1 Określana jest zasięgiem obszaru zalewowego odpowiadającego wysokiemu - powodziowemu przepływowi o objętości przepływu Q, którego prawdopodobieństwo występowania wynosi 1%. STREFA A0 Jest to (na ogół zewnętrzna) część strefy A1, określana mianem najniższego poziomu zagrożenia. Jej zasięg definiuje głębokość zalewu, która nie przekracza wartości 0.5 m. Strefa ta obejmuje granice zalewu wielkiej wody w rejonie rzek, potoków, zbiorników i wód stojących oraz podtopień w obniżeniach terenowych. STREFA A10 Zdefiniowano ją jako część strefy A1 o najwyższym poziomie zagrożenia powodziowego. STREFA ASW Strefa średniego i wysokiego ryzyka powodzi występująca pomiędzy granicami stref A0 oraz A10.

Modelowanie stref zagrożenia powodziowego z wykorzystaniem aplikacji OKI (Ośrodki Koordynacyjno-Informacyjne) W bazie danych OKI znajdują się Numeryczne Modele Terenu (NMT) w kroju arkuszowym map topograficznych 1: 10 000. Baza zawiera ponadto punkty wodowskazowe, oraz punkty, w których wykonano modelowanie hydrauliczne. W tych punktach znana jest wysokość zwierciadła wody dla danego scenariusza powodziowego. Generowanie stref zagrożenia powodziowego rozpoczyna się od zdefiniowani dowolnego odcinka na rzece. W aplikacji OKI, w sposób automatyczny generowane są przekroje poprzeczne do rzeki i nadawana jest im wysokość zwierciadła wody dla punktu, w którym zostały wygenerowane przekroje. Następnie, w oparciu o przekroje interpolowana jest powierzchnia zwierciadła wody. W dalszej kolejności w sposób automatyczny, bez konieczności udziału użytkownika i wprowadzania odpowiednich arkuszy NMT, wyznaczana jest linia przecięcia NMT i powierzchni zwierciadła wody. Tak wyznaczona strefa zalewowa jest następnie ręcznie interpretowana

B. Hejmanowska, „ Wpływ jakości danych na modelowanie stref zagrożenia powodziowego”

W wyniku analizy przecięcia NMT z poziomem zwierciadła wody uzyskuje się mapę różnicową. Na mapie różnicowej wartości ujemne oznaczają głębokość wody w strefie zalewowej, wartości dodatnie – wysokość nad poziomem zwierciadła wody, a linia graniczna – wartość różnicy równa zero- jest linią graniczną strefy zalewowej. Następnie, w wyniku zamiany mapy różnicowej na postać zerojedynkową otrzymujemy mapę zalewową, gdzie przykładowo wartość 1 oznacza strefę zalewu, a wartość 0 teren niezagrożony. Opisana metoda, nazywana jest metodą twardą, z uwagi na to, że zakładamy całkowitą pewność, co do przebiegu wyznaczonej w ten sposób linii granicznej. B. Hejmanowska, „ Wpływ jakości danych na modelowanie stref zagrożenia powodziowego

Informatyczny System Osłony Kraju przed Zagrożeniami zajmuje się wyznaczaniem stref ryzyka powodziowego. Jednym z głównych elementów tych działań jest wizualizacja tych zagrożeń za pomocą Numerycznego Modelu Terenu, wykonywanego w programie ArcGIS. Tworzenie modeli numerycznych pozwala realistycznie odwzorować przepływ w korytach i dolinach rzecznych w celu określenia stref zagrożenia i ryzyka powodziowego. W przyszłości dane te mogą zostać użyte do prognoz hydrologicznych i hydraulicznych. Olbrzymi postęp w modelowaniu powodziowym zapewniły nowe techniki pozyskiwania danych ukształtowania terenu z powietrza. Są to tzw. ortofotomapy. Pozwalają one na ocenę uwarunkowań przepływu wód w dolinie rzeki, ocenę ukształtowania morfologicznego rzek, określenie pokrycia, lokalizacji zabudowy hydrotechnicznej, komunikacyjnej i innej mogącej mieć wpływ na warunki przepływu i zasięgu zalewów.

Innym źródłem danych dla NMT są mapy topograficzne z naniesionym strefami zalewu. W przypadku obwałowanych odcinków rzek strefy zalewu są wyznaczane hipotetycznie, na zasadzie prognozowania przerwania wału lub zniszczenia innych obiektów hydrotechnicznych. Wyznaczenie stref zagrożenia powodziowego ma kluczowe znaczenia dla planowania i zagospodarowania przestrzennego. W przypadku obwałowanych odcinków rzek w sąsiedztwie terenów zabudowanych, istotne jest rozpoznanie potencjalnego zagrożenia powodziowego, jakie wynikałoby z częściowego lub całkowitego uszkodzenia urządzeń hydrotechnicznych.

Wyznaczenie obszarów bezpośredniego zagrożenia powodzią w zlewni Sanu. http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf Głównym efektem prac jest wyznaczenie zasięgów stref zalewowych dla wód powodziowych o siedmiu prawdopodobieństwach przewyższenia (50, 20, 10, 5, 2, 1 i 0,5%) dla rzeki San oraz jej 53 dopływów, a następnie określenie na ich podstawie obszarów bezpośredniego zagrożenia powodzią.

Jak się do tego przygotowano? Pierwszym etapem było przygotowanie sieci rzecznej obejmującej wszystkie rzeki i potoki, dla których wyznaczone miały być strefy zalewowe. Dokonano tego w oparciu o ortofotomapy oraz numeryczny model terenu, opisujący w cyfrowy sposób rzeźbę terenu. Następnie, w miejscach pomierzonych w terenie przekrojów geodezyjnych przygotowano przekroje, tzw. Dolinowe, które objęły swym zasięgiem całą szerokość doliny, na której potencjalnie woda może się rozlać. Przekroje dolinowe otrzymano, sklejając wykonany w terenie przekrój korytowy z informacją o kształcie doliny, pochodzącą z numerycznego modelu terenu. W oparciu o wyniki modelowania, w dalszej kolejności przystąpiono do procesu generowania stref zalewowych. Proces ten polegał na utworzeniu dla każdej rzeki i dla każdego z siedmiu rozpatrywanych prawdopodobieństw płaszczyzn obrazujących układ zwierciadła wody pomiędzy poszczególnymi przekrojami w rzece, a następnie przecięciu nimi numerycznego modelu terenu.

http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf Nałożenie Numerycznego Modelu Powierzchni Wody i Numerycznego Modelu Terenu.

W wyniku tego działania uzyskano obszary położone poniżej zwierciadła wody oraz obszary znajdujące się ponad zwierciadłem wody : Fragment mapy prezentującej strefy zalewowe określone w wyniku przecięcia NMT i NMPW.

Kolejnym etapem prac było wyznaczenie granic obszarów bezpośredniego zagrożenia powodzią. Za granicę tę na nieobwałowanych odcinkach rzek przyjęto strefę zalewową odpowiadającą prawdopodobieństwu 1%, tj. wodzie mogącej pojawić się teoretycznie nie częściej niż raz na 100 lat. http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf Przykładowe obszary bezpośredniego zagrożenia powodzią określone przez zasięg zalewu wody Q1% .

http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf Przykładowy fragment mapy prezentujący wytypowane obszary o szczególnym znaczeniu położenia w strefie zalewu wodą Q0,5%.

Następnie przygotowano mapę cyfrową oraz arkusz mapy w skali 1:10000. http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf Pochodzący z opracowania przykładowy arkusz napy w skali 1:10 000 prezentowany na podkładzie ortofotomapy.

Wyznaczanie stref zagrożenia powodziowego w aglomeracjach miejskich W tym przypadku właściwym sposobem określenia zasięgu strefy zalewowej jest wykonanie modelu dwuwymiarowego, który wykorzystując numeryczny model terenu w precyzyjny sposób określa zarówno zasięg strefy, prędkości chwilowe jak i kierunki przepływu wody, dokonując jednocześnie bilansu objętości wody, która dopływa i odpływa z obszarów zalewowych. W celu usprawnienia procesu obliczeń stosowane są modele łączące w sobie cechy modelowania jedno- i dwuwymiarowego. W takim przypadku koryto główne modelowane jest z zastosowaniem modelu jednowymiarowego, natomiast tereny zalewowe wyznaczane są z zastosowaniem modelu 2D.

Budowa dwuwymiarowych modeli hydrodynamicznych: 1) Określenie obszaru objętego opracowaniem - pierwszym etapem prac związanych z budową modelu hydraulicznego jest prawidłowe określenie zakresu obszaru, dla którego będzie on opracowany, w tym wytypowanie odcinków cieków, które zostaną uwzględnione w modelu z uwagi na fakt, iż powodują zagrożenie powodziowe i należy dla nich określić zasięg stref zalewowych, a także właściwe ustalenie granic modelu, aby uwzględnić specyfikę ukształtowania terenu. Określenie zakresu przestrzennego modelu 2D. http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf

Dane wejściowe do opracowania modelu. 2) Identyfikacja danych wejściowych koniecznych do właściwego wykonania modelu – niezwykle istotną sprawą w budowie modelu jest właściwa identyfikacja wszystkich danych wejściowych, które będą wykorzystywane w różnych etapach budowy modelu, w tym określenie zakresu niezbędnych danych geodezyjnych, kartograficznych, hydrologicznych oraz dokumentacji technicznych. Prace te pozwolą określić, które z danych wejściowych są możliwe do pozyskania, a które będą musiały zostać opracowane specjalnie do celów budowy modelu. http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Dane wejściowe do opracowania modelu.

3) Zebranie kompletu materiałów wejściowych i ich analiza 4) Opracowanie modelu hydraulicznego – po określeniu obszaru, dla którego zostanie opracowany model oraz pozyskaniu niezbędnych danych wejściowych o zadowalającej jakości, kolejnym krokiem jest budowa modelu w wybranym środowisku informatycznym. Jest to proces złożony składający się z następujących etapów: a) Przygotowanie danych wejściowych – pozyskane na wcześniejszym etapie prac dane wejściowe należy opracować do formatu obsługiwanego przez model. b) Opracowanie przekrojów poprzecznych http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Dostosowanie przekrojów poprzecznych do modelu 2D

NMT uszczegółowiony na etapie budowy modelu hydraulicznego c) Opracowanie numerycznego modelu terenu – dla modelowania dwuwymiarowego niezwykle istoty jest numeryczny model terenu, na którego siatce prowadzone są obliczenia rzędnych zwierciadła wody, prędkości oraz kierunków przepływu. Przy implementacji NMT do modelu należy pamiętać o uwzględnieniu linii nieciągłości takich jak obiekty kubaturowe, obwałowania, skarpy czy nasypy, które w istotny sposób mogą wpływać na zasięg terenów zalewowych. Wszystkie w/w elementy należy prowadzić do NMT, co zaprezentowano na rysunku poniżej. http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf NMT uszczegółowiony na etapie budowy modelu hydraulicznego

d) Wprowadzenie parametrów obiektów mostowych i hydrotechnicznych e) Określenie wartości współczynników szorstkości - podstawowym parametrem służącym kalibracji w modelu hydrodynamicznym jest współczynnik szorstkości, który ustalany jest przestrzennie dla obszarów o podobnej charakterystyce zagospodarowania. Aby wyznaczyć klasy zagospodarowania terenu konieczna jest wektoryzacja całego obszaru objętego modelowaniem 2D. Źródło:http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Przestrzenna wizualizacja współczynnika szorstkości

f) Określenie warunków brzegowych g) Kalibracja modelu http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Kalibracja modelu 2D w przekroju wodowskazowym

Strefa zalewowa naniesiona na ortofotomapę h) Weryfikacja modelu   5) Opracowanie wyników http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Strefa zalewowa naniesiona na ortofotomapę

Przykładowe mapy oraz wyniki modelowania 2D http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Mapa zagrożenia powodziowego – głębokości

Mapa zagrożenia powodziowego – prędkości http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Mapa zagrożenia powodziowego – prędkości

Rozkład głębokości w strefie zalewowej http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf

Rozkład prędkości oraz kierunki przepływu wody w strefie zalewowej http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf Rozkład prędkości oraz kierunki przepływu wody w strefie zalewowej

Źródła: B. Hejmanowska, „Wpływ jakości danych na modelowanie stref zagrożenia powodziowego” http://home.agh.edu.pl/~galia/papers/Beata%20Hejmanowska%20INSPIRE%202006.pdf J. Florek, W.Bartnik, L. Książek, M. Strutyński, A. Strużyński, M. Wyrębek, „Zastosowanie modeli jednowymiarowych (HEC-RAS, MIKE 11) do wyznaczania stref http://yadda.icm.edu.pl/agro/element/bwmeta1.element.dl-catalog-90c23792-50fb-447c-8717-e1bcc8e951e2/c/Ksiazek.pdf L. Tomica, D. Żuławska, „Wykorzystanie analiz przestrzennych do oceny skutków powodzi” http://twiki.fotogrametria.agh.edu.pl/pub/PraceMagisterskie/WebHome/PD_D_Zulawska_L_Tomica_2002.pdf T. Ciupa, R. Suligowski, „Zastosowanie techniki GIS w ocenie zagrożeń naturalnych – dawnych i przyszłych„ http://www.ap.krakow.pl/geo/paleo/ptg/konferencje/2010/kielce/2_Magnuszewski.pdf Ryłko, „Wyznaczenie obszarów bezpośredniego zagrożenia powodzią w zlewni Sanu” http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf

D. Gotlib, A. Iwaniak, R. Olszewski, „GIS – obszary zastosowań” M. Piórecki, R. Radoń, „Wyznaczanie stref zagrożenia powodziowego w aglomeracjach miejskich” http://oki.krakow.rzgw.gov.pl/Content/wwwdd/KimJestesmyPDF/hydrotechnika_2012/streszczenie.pdf T. Siuta, „Numeryczne modelowanie dwuwymiarowego pola przepływu na obszarach zalewowych” https://suw.biblos.pk.edu.pl/resources/i4/i9/i1/i4/r4914/SiutaT_NumeryczneModelowanie.pdf R. Banasiak, „Wykorzystanei technik GIS i numerycznych modeli hydrodynamicznych do oceny zagrożenia powodziowego” http://agro.icm.edu.pl/agro/element/bwmeta1.element.agro-1db978ce-57dd-4c38-9666-4475080f3c98/c/11.pdf D. Gotlib, A. Iwaniak, R. Olszewski, „GIS – obszary zastosowań” P. A. Longley, M. F. Goodchild, D. J. Maguire, D. W. Rhind, „GIS – teoria i praktyka”