Zachęcamy do zapoznania się z komentarzem eksperckim dra inż. Krzysztofa Raczyńskiego z Katedry Hydrologii i Klimatologii UMCS. Jak bardzo niszczycielskim żywiołem może być woda, jakie są przyczyny powodzi oraz jak możemy się przed nią uchronić? – tę tematykę przybliża specjalista z naszej uczelni. Naukowiec komentuje także ostatnią powódź w Niemczech i wskazuje ryzyko występowania zdarzeń ekstremalnych w naszym kraju w przyszłości. Tekst powstał w ramach inicjatywy „Okiem eksperta” - specjaliści z UMCS tworzą komentarze eksperckie, opinie, analizy czy prognozy branżowe dotyczące bieżących wydarzeń, problemów czy zagadnień budzących wątpliwości, a znajdujących się w polu ich zainteresowań badawczych.
fot. Pixabay
Woda jest niewątpliwie jednym z najważniejszych zasobów Ziemi. Jej obecność jest niezbędna dla życia. Jej niedobory prowadzą przede wszystkim do degradacji środowiska, a dla człowieka oznaczają zazwyczaj straty ekonomiczne spowodowane zmniejszeniem plonów, produkcji rolnej, a w konsekwencji również zmniejszeniem dostępności żywności. Długotrwałe susze często prowadzą do konieczności ograniczenia zasobów wodnych wykorzystywanych do celów komunalnych, tak było chociażby w 2015 roku w Kalifornii. Z drugiej strony, nadmiar wody może prowadzić do występowania zagrożeń co najmniej równie niebezpiecznych. To właśnie przy nadmiarze wody często powstają powodzie, które odpowiedzialne są za około 50% wszystkich katastrof wodnych.
Powódź czy wezbranie?
Zgodnie z zapisami Dyrektywy Powodziowej UE, powódź to okresowe zalanie wodą terenu normalnie niepokrytego wodą. W Polsce główną przyczyną powodzi są trzy zjawiska:
Najgroźniejsze powodzie roztopowe zagrażają głównie dużym rzekom nizinnym, z kolei powodzie opadowe kształtują się głównie w rzekach górskich i podgórskich. Niezależnie jednak od przyczyny, głównym mechanizmem powodującym występowanie powodzi jest podniesienie się poziomu wody w rzece, jeziorze czy zbiorniku. Jeżeli wzrost poziomu wody występuje na terenie naturalnym, mówimy o wezbraniu, jeżeli jednak powoduje zagrożenie życia ludzi lub straty materialne (np. zniszczenie budynków, dróg czy upraw) mówimy o powodzi.
Flash floods – szczególnie niebezpieczne powodzie
Flash flood czyli powódź błyskawiczna, jest szczególnie niebezpiecznym rodzajem powodzi. O powodzi błyskawicznej mówimy, gdy zalanie obszaru wodą następuje bardzo szybko, zazwyczaj w ciągu maksymalnie kilku godzin. Powodzie takie występują zarówno w przypadku gwałtownych opadów, jak i na skutek zatorów lodowych czy katastrof obiektów hydrotechnicznych. W obszarach górskich bardzo często dochodzi do powstania nawet kilkumetrowych fal przemieszczających się doliną rzeki (fot. 1). Powodziom takim zazwyczaj towarzyszy wymywanie materiału skalnego z podłoża, co dodatkowo prowadzi do powstawania osuwisk i destabilizacji konstrukcji inżynierskich (fot. 2).
Fot. 1 Potok Zarvraggia (Szwajcaria), po lewej przybór wody przed powodzią błyskawiczną, po prawej to samo miejsce 15 minut później. [źródło: ne-friend.bafg.de]
Fot. 2 Osuwisko powstałe na skutek powodzi w Niemczech w 2021 roku. [źródło: bbc.com]
Niszczycielska siła błyskawicznych powodzi jest niezrównana. W 1979 roku w Indiach w czasie jednej powodzi trwającej 20 minut zginęło pomiędzy 1 800 a 25 000 osób, z kolei w 2010 roku, w Pakistanie, na skutek wystąpienia deszczy monsunowych życie straciło 1 400 osób, a kolejnych 20 milionów poniosło straty materialne. Warto również pamiętać, że powodzie błyskawiczne zagrażają wszystkim, niezależnie od tego gdzie przebywają, przykładowo w Teksasie spośród 203 ofiar szybkich powodzi, 136 zginęło będąc w samochodach.
Powódź w Niemczech
Wydarzenia, jakie miały miejsce w Niemczech w lipcu 2021 roku pokazują, że nawet w wysoko rozwiniętym kraju, woda może powodować straty na ogromną skalę. Gwałtowne opady, jakie nawiedziły Nadrenię Północną-Westfalię i Nadrenię-Palatynat na zachodzie Niemiec, przyniosły od 100 do 200 mm opadu (co odpowiada średniej trzymiesięcznej opadów w tym regionie). Spowodowało to szybkie podniesienie się poziomów wody w korytach rzek (przede wszystkim w ciągu kilku godzin nocnych), co dodatkowo utrudniło reakcję na rosnące zagrożenie. Ilość wody była tak duża, że systemy ochrony przeciwpowodziowej zawiodły. Ulice miast zamieniły się w rwące potoki, a powstające osuwiska doprowadziły do zawalenia się wielu budynków. Liczenie strat wciąż trwa, jednak już teraz wiadomo, że była to najcięższa w skutkach powódź na terenie kraju, przewyższająca wydarzenia z Saksonii i Bawarii w 2013 roku.
Sposoby ochrony
Istnieją trzy główne strategie ochrony przeciwpowodziowej: inżynierska, planistyczna oraz edukacyjna. Rozwiązania inżynierskie obejmują głównie budowę zbiorników retencyjnych oraz naturalnych polderów zalewowych - te rozwiązania są bardzo skuteczne. Do innych rozwiązań inżynierskich zaliczamy kanały ulgi oraz wały przeciwpowodziowe. Skuteczność tych ostatnich zależy jednak od kilku czynników i jest zazwyczaj nieco niższa, zwłaszcza w kontekście negatywnego zjawisko tzw. podnoszenia wałów. Obwałowywanie górnych odcinków rzek powoduje kumulowanie się wody w korycie i w konsekwencji większą jej objętość na niższych odcinkach. To z kolei może doprowadzić do sytuacji, w których dolnym odcinkiem prowadzone będą większe objętości wody niż te, na które projektowano wcześniej powstałe obwałowania. Z takim właśnie scenariuszem mieliśmy do czynienia w naszym kraju w czasie powodzi w 2010 roku.
Tworzenie i aktualizowanie map zagrożenia powodziowego ma z kolei za zadanie ograniczenie zabudowy na terenach zalewowych. Niestety, bardzo często jednak nowe prognozowane obszary zalewowe obejmują obszary już zabudowane. Wtedy zazwyczaj powstaje obowiązek zastosowania rozwiązań inżynierskich. Z kolei każda taka nowa inwestycja oznacza potrzebę aktualizacji map zagrożenia powodziowego.
Rola edukacyjna polega na zdobywaniu wiedzy na temat zagrożenia powodziowego oraz systemów ostrzegania w obszarze zamieszkania, przygotowanie rodzinnego planu powodziowego, ubezpieczenia majątku oraz przygotowania domu na wypadek powodzi. Według analiz eksperckich, ten element miał duży wpływ na skalę strat powstałych w Niemczech w ostatnich dniach – wiele osób po otrzymaniu ostrzeżenia na temat zbliżającego się zagrożenia po prostu nie wiedziało jak zareagować. Jeżeli więc przyjdzie nam już mieszkać w obszarze zagrożonym wystąpieniem powodzią, warto odpowiednio się przygotować. W pierwszej kolejności należy dowiedzieć się jakie obowiązują protokoły bezpieczeństwa w przypadku wystąpienia zagrożenia. Dodatkowo, powinniśmy odpowiednio przygotować dom na ewentualność wystąpienia sytuacji ekstremalnej. Sprawdzą się nawet proste rozwiązania, jak uszczelnienie i odpowiedni drenaż fundamentów lub dolnej części ścian zewnętrznych (fot. 3), czy chociażby odpowiednie ułożenie przedmiotów np. w garażu (tj. przedmioty, które łatwo ulegną zniszczeniu przez wodę, czy też mają szczególne znaczenie sentymentalne ustawiajmy na górnych półkach).
Fot. 3 Wzmocnienie przeciwpowodziowe domu poprzez uszczelnienie dolnej części ściany oraz dostawienie bariery w drzwiach. [źródło: imageflooddefence.co.uk]
Błędne przeświadczenia
Mówiąc o powodziach należy również rozwiać dwa mity, które powstały w ostatnich latach, na skutek błędnego przekazu informacji. Pierwszy dotyczy określenia woda 100-letnia. Często w kontekście informacji o powodziach możemy usłyszeć określenie, że woda, która wystąpiła z koryta rzeki była np. wodą 100-letnią. Błędnym jest rozumowanie, że jeżeli, przykładowo w 2010 roku wystąpiła właśnie taka woda, to kolejna wystąpi dopiero w 2110 roku, czyli za 100 lat. Określenie woda 100-letnia wynika z zastosowania przejścia z prawdopodobieństwa na cykliczność. W terminologii hydrologicznej często stosuje się kwantyle prawdopodobieństwa do opisu prawdopodobieństwa (empirycznego) wystąpienia danego zjawiska. Sprowadza się to najczęściej do zestawienia historycznych wartości przepływów obserwowanych w danym posterunku wodowskazowym i wykreślenia na tej podstawie funkcji prawdopodobieństwa przewyższenia. Dzięki takiej funkcji możemy dalej określić „prawdopodobieństwo przewyższenia przepływu o danej wartości”. Konsekwencją jest na przykład stwierdzenie, że przepływ 3 m3/s odpowiada prawdopodobieństwu przewyższenia 50% (inaczej: jest w 50% prawdopodobne wystąpienie przepływu wyższego niż 3 m3/s). Cykliczność stanowi przekształcenie wartości prawdopodobieństwa do okresu powtarzalności, rozumianego jako 100/p. Wcześniejszy przepływ 50% określilibyśmy więc jako przepływ 2-letni (ponieważ 100/50 = 2). Stwierdzenie woda 100-letnia oznacza więc prawdopodobieństwo wystąpienia tego przepływu jako 1%. I to liczone każdorazowo – istnieje więc statystycznie taka możliwość, aby woda 100-letnia wystąpiła co roku, na przykład przez 3 kolejne lata.
Drugim błędem jest przekonanie, że w okresie trwania suszy nie wystąpi powódź. Można by się spodziewać, że jeżeli w środowisku obserwujemy brak wody, to jej nadwyżka wyrówna niedobór i powódź nie wystąpi. Niestety, zazwyczaj na skutek intensywnych opadów oraz przesuszenia ziemi woda docierająca do jej powierzchni po prostu zamienia się w spływ powierzchniowy. To prowadzi do zasilania koryt i wystąpienia wezbrania lub powodzi. Zjawisku temu często towarzyszy wymywanie materiału skalnego, co powoduje dodatkowe niebezpieczeństwo. Jednym z przykładów takich sytuacji może być już wcześniej przywołana powódź, która wystąpiła w Polsce w 2010 roku. W okresie ją poprzedzającym (w maju), jak i po powodzi (w lipcu) mieliśmy do czynienia z suszą. Pomimo tego, ze względu na intensywne opady w czerwcu, w środku trwania okresu suchego wystąpiła powódź, która przyczyniła się do zalania około 2% powierzchni kraju oraz zniszczenia około 18 tys. budynków. Straty poniosło wtedy ponad 60 tys. osób w 811 gminach, a remontu wymagało 1160 tys. km dróg. W naszym regionie największe straty odnotowano w gminie Wilków, gdzie zalanych zostało około 90% całkowitej jej powierzchni (fot. 4). W większości przypadków, bezpośrednią przyczyną było przerwanie wałów przeciwpowodziowych na skutek wymycia materiału pod wałem (tzw. przebicie hydrauliczne).
Fot. 4 Wilków (woj. lubelskie) z lotu ptaka w trakcie powodzi w 2010 roku. [źródło: Wody Polskie]
Innym przykładem może być tzw. Kryzys w Oroville, w Kalifornii w 2017 roku, gdzie na skutek przesuszenia zbiornika, a następnie zbyt szybkiego wypełnienia go przez intensywne opady, część korpusu zapory została rozmyta. Przerwaniu uległa niecka wypadowa zbiornika, prowadząc do dalszego rozmywania korpusu (fot. 5), zagrażając w ten sposób stabilności zapory. Gdyby doszło do katastrofy, uwolniona fala miałaby objętość około 559 mln m3 (to więcej niż całkowita pojemność Zbiornika na Solinie – największego zbiornika w Polsce i około 30 razy więcej niż objętość zbiornika w Nieliszu, największego zbiornika w województwie lubelskim), a zagrożonych byłoby ponad 180 tys. osób. Jest to tylko kilka przykładów, potwierdzających, że powódź w czasie suszy nie tylko może wystąpić, ale może mieć również dużo poważniejsze konsekwencje.
Fot. 5 Przerwana na skutek intensywnego zrzutu wód opadowych niecka wypadowa na zbiorniku w Oroville (Kalifornia) w 2017 roku. [źródło: nbcnews.com]
Przyszłość
Wraz ze zmieniającym się klimatem rośnie ryzyko występowania zdarzeń ekstremalnych takich jak susze i powodzie. Te pierwsze powodowane będą głównie przez rosnącą temperaturą i zmiany w rozkładzie opadów. Zamiast długotrwałych opadów o małej i średniej intensywności, występować będzie coraz więcej gwałtownych i ulewnych deszczy. Okresy bezopadowe przyczynią się do wzrostu intensywności susz, a z kolei ulewne deszcze przyczynią się do nasilenia występowania powodzi (zwłaszcza flash floods). Szacuje się, że do 2060 roku europejska strefa wilgotności przesunie się na północ, głównie do krajów skandynawskich, a obszar basenu Morza Śródziemnego ulegnie znaczącemu wysuszeniu (ryc. 1). Około 2030 roku Polska znajdzie się na pograniczu obu tych stref. Doświadczać będziemy więc zarówno wzrostu intensywności susz, jak i powodzi, co potwierdzają już obecnie obserwowane trendy. Nasze działania powinny więc obejmować zarówno zielono-niebieskie rozwiązania z zakresu adaptacji, jak i mitygacji do zmian klimatu, tak aby przeciwdziałać nasilaniu się postępującym zmianom. Nie powinniśmy też zapominać przy tym o odpowiedniej edukacji, by zapewnić bezpieczeństwo sobie i swoim bliskim.
Ryc.1 Prognozowane warunki wilgotnościowe na Ziemi, charakteryzowane wskaźnikiem PDSI w 2030 oraz 2060 roku [źródło: Dai, 2011]
Literatura
Cook, B. I., Smerdon, O. W., Seager, R., Coats, S., 2014. Global warming and 21st century drying. Clim. Dyn. 43/9-10, 2607-2627.
Dai, A., 2011. Drought under global warming: a review. Wiley Interdisciplinary Reviews: Climate Change 2/1, 45-65, DOI: 10.1002/wcc.81.
Dai, A., 2013. Increasing drought under global warming in observations and models. Nature Climate Change 3, 52–58, DOI: 10.1038/nclimate1633.
Hirabayashi, Y., Kanae, S., Emori, S., Oki, T., & Kimoto, M. (2008). Global projections of changing risks of floods and droughts in a changing climate. Hydrological Sciences Journal, 53(4), 754-772.
Kundzewicz, Z. W., Kanae, S., Seneviratne, S. I., Handmer, J., Nicholls, N., Peduzzi, P., et al. (2014). Flood risk and climate change: global and regional perspectives. Hydrological Sciences Journal, 59(1), 1-28.
Kundzewicz, Z. W., Krysanova, V., Dankers, R., Hirabayashi, Y., Kanae, S., Hattermann, F. F., et al. (2017). Differences in flood hazard projections in Europe–their causes and consequences for decision making. Hydrological Sciences Journal, 62(1), 1-14.
Lehner, B., Doll, P., Alcamo, J., Henrichs, T., & Kaspar, F. (2006). Estimating the impact of global change on flood and drought risks in Europe: a continental, integrated analysis. Climatic Change, 75, 273-299.
Pappenberger F., Thielen J., & Del Medico M. 2011 The impact of weather forecast improvements on large scale hydrology: analysing a decade of forecasts of the European Flood Alert System. Hydrological Processes, 25(7), 1091-1113.
Paulo, A., Martins, D., Pereira, L. S., 2016. Influence of Precipitation Changes on the SPI and Related Drought Severity An Analysis Using Long-Term Data Series. Water Resources Management 30, 5737–5757, DOI: 10.1007/s11269-016-1388-5.
Roudier, P., Andersson, J.C.M., Donnelly, C., Feyen, L., Greuell, W., & Ludwig, F. (2016). Projections of future floods and hydrological droughts in Europe under a +2oC global warming. Climatic Change, 135, 341-355
Van Lanen, H. A., Kundzewicz, Z., Tallaksen, L. M., Hisdal, H., Fendeková, M., Prudhomme, C., 2008. Indices for different types of droughts and floods at different scales. Water and Global Change, Technical Report No. 11
Dr inż. Krzysztof Raczyński – hydrolog, hydrotechnik, pasjonat nowych technologii i adiunkt w Katedrze Hydrologii i Klimatologii UMCS w Lublinie. Jego zainteresowania naukowe to hydrologiczne zdarzenia ekstremalne, ich uwarunkowania środowiskowe oraz modelowanie, a także zastosowanie współczesnych technik uczenia maszynowego i GIS w prognozie kierunków postępujących zmian klimatu. Członek Stowarzyszenia Hydrologów Polskich, International Association of Hydrological Sciences oraz International Association of Hydrogeologists, a także ekspert ws. inwestycji w zakresie zielono-niebieskiej infrastruktury w miastach, finansowanych ze środków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego dla Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej (2020-2021).
