Modelowanie GIS w prognozowaniu powodziowym

Report
Martyna Irska, Paulina Kocoń, Kinga Wenglorz, I rok MU geografia, GIS
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 KoordynacyjnoInformacyjne)
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
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
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
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
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
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-8717e1bcc8e951e2/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
A. Ryłko, „Wyznaczenie obszarów bezpośredniego zagrożenia powodzią w zlewni
Sanu”
http://www.pogorzedynowskie.pl/data/referaty/VIIBS/ref_7_VIIBS.pdf
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-4c38-96664475080f3c98/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”

similar documents