Technologie informacyjne do monitorowania powodzi i prognozowania krótkoterminowego

OPIS WYZWANIA

Tworzenie i szerokie wykorzystanie systemów monitoringu i prognozowania powodzi jest bardzo ważną kwestią przy podejmowaniu decyzji o działaniach zapobiegających stratom
czy planowaniu rozwoju obszarów rolniczych. Częstotliwość i dotkliwość skutków takich sytuacji kryzysowych są nadal wysokie. Na przykład w Rosji co roku dochodzi do 40–70 dużych powodzi.
Z danych Roshydromet (http://www.meteorf.ru/) wynika, że ten rodzaj klęski żywiołowej dotyczy terenów o powierzchni około 500000 km², a ze skutkami katastrofalnymi – 150000 km². Obszary
te obejmują około 300 gęsto zaludnionych miast, dziesiątki tysięcy zamieszkanych miejscowości, wiele obiektów gospodarczych i ponad 7 mln ha pól uprawnych. Systemy monitorowania
i prognozowania powodzi opierają się na modelach i metodach, które można warunkowo łączyć w kilka dużych grup. Po pierwsze, monitoring satelitarny jest do tej pory jedną z najważniejszych metod. Chociaż korzyści płynące z tego podejścia są powszechnie znane, nie jest ono doskonałe z punktu widzenia podejmowania decyzji podczas planowania rozwoju terytorium lub działań zapobiegających stratom. Przede wszystkim zapewnia ono mapowanie po zdarzeniu i definiowanie granic obszarów zalewowych, a także tylko analizę zniszczeń po zdarzeniu.

Druga grupa znanych metod to prognozowanie średnio- i długoterminowe na okres od kilku tygodni do kilku miesięcy. Metody te opierają się na modelowaniu hydrologicznym i wymagają dużej ilości danych początkowych, takich jak charakterystyka pokrywy śnieżnej, właściwości gleby, parametry meteorologiczne itp. Naturalnie prognozowanie średnio- i długoterminowe dostarcza cennych informacji, które pozwalają analizować możliwe scenariusze prawdopodobnego zalania na kolejne kilka tygodni lub miesięcy. Niemniej jednak niska wiarygodność danych początkowych i duży przedział czasowy prognozowania nie pozwalają na dokładną prognozę czasu powodzi w każdym konkretnym punkcie doliny rzeki.

W celu zapewnienia wysokiej dokładności prognozowania powodzi należy opracować i wykorzystać specjalny rodzaj systemów informatycznych – systemy prognozowania krótkoterminowego.
W ostatnim czasie powstało wiele nowych, takich systemów i usług, a mianowicie:

• Copernicus Emergency Management Service, który obejmuje usługę mapowania (usługa Copernicus Emergency Management Service, Mapping) oraz Globalny System Ostrzegania o Powodziach (GloFAS);
• Tematyczna Platforma Eksploatacyjna – Hydrologia (TEP Hydrology) (Europejska Agencja Kosmiczna), w skład której wchodzi Usługa Monitoringu Powodzi.

Jednak istniejące usługi często nie przewidują zastosowania modeli matematycznych, które najdokładniej opisują cechy rzek z rzadką siecią stacji wodowskazowych i są przeznaczone głównie do zadań monitorowania i prognozowania przepływów, a nie do krótkoterminowego prognozowania powodzi rzecznych.

Systemy informacyjne wykorzystujące modele matematyczne obejmują: Systemy Wczesnego Ostrzegania przed Powodzią (FEWS) (Deltares), Północnoamerykański Narodowy Model Wody (NWM) (Narodowe Centrum Wodne NOAA), Europejski System Świadomości Powodziowej (EFAS). Systemy te skoncentrowane są na terenach o dobrze rozwiniętej sieci stacji wodowskazowych
i posterunków obserwacyjnych – źródeł danych hydrologicznych i meteorologicznych. Do prognozowania sytuacji na odległych od miast rzekach na terenach wiejskich konieczne jest uwzględnienie takich warunków jak rzadkość sieci obserwacji hydrometeorologicznych, występowanie zatorów lodowych, brak szczegółowych cyfrowych modeli wysokościowych itp.

Poza tym brakuje systemów informatycznych dostosowanych do użytkownika, który nie posiada specjalnych umiejętności w zakresie technologii informatycznych, hydrologii i przetwarzania danych.

OPIS ROZWIĄZANIA Proponowane podejście obejmuje wykorzystanie zestawu technologii informatycznych i modułów oprogramowania, które umożliwiają tworzenie w pełni automatycznych i przyjaznych w obsłudze systemów do krótkoterminowego prognozowania powodzi rzecznych. Główne cechy tego podejścia są następujące:

• wykorzystanie kompleksu modeli hydrologicznych i hydrodynamicznych z dostosowaniem parametrów modeli w celu zapewnienia wysokiej dokładności prognozowania (można zastosować różne modele: LISFLOOD, MIKE, STREAM-2D, ECOMAG itp. – najbardziej odpowiednie dla danej rzeki i zlewni);
• gromadzenie i łączenie różnorodnych danych z teledetekcji i innych danych (zarówno przestrzennych, jak i nieprzestrzennych), w tym danych o parametrach strumienia i odpływu wody ze stacji pomiarowych i informacji meteorologicznych; dane dotyczące terytorium
  i infrastruktury, dane crowdsourcingowe, zdjęcia satelitarne itp.;
• maksymalna automatyzacja, aż do w pełni automatycznej obsługi systemu – począwszy od zebrania danych wstępnych, poprzez modelowanie, interpretację wyników, wizualizację, ocenę zniszczeń, na przygotowaniu raportów i alarmowaniu zainteresowanych kończąc;
• ułatwienia dla każdego użytkownika, także nieposiadającego specjalistycznej wiedzy i umiejętności z zakresu technologii informatycznych, hydrologii i przetwarzania danych.

System informacyjny realizujący proponowane podejście zawiera następujące główne elementy:

• Komponenty gromadzenia i wstępnego przetwarzania danych wejściowych w celu zapewnienia ich gromadzenia (np. obrazów satelitarnych, danych hydrologicznych on-line ze stacji meteorologicznych; cyfrowego modelu terenu) i wstępnego przetwarzania (tj. przede wszystkim przetwarzania obrazów, filtrowania i łączenia informacji).
• Automatyczne elementy modelujące do prognozowania poziomów wody, obliczania i prognozowania przepływu wody, głębokości powodziowych, a także automatycznego modelowania odpływu wody za pomocą modeli hydrodynamicznych.
• Elementy przetwarzania końcowego, publikowania i wizualizacji zapewniające przetwarzanie końcowych wyników modelowania, przechowywanie danych wyjściowych w bazie danych, wektoryzację mapy powodziowej i wizualizację obszarów zalewowych.
• Komponenty dystrybucji zapewniające rozpowszechnianie wyników modelowania przez przekazanie ich do systemów zewnętrznych, publikowanie prognoz krótkoterminowych
  w publicznym GeoPortalu oraz automatyczne powiadamianie miejscowych obywateli i organizacji korzystających z usług internetowych i mobilnych urządzeń osobistych;
• Przyjazny interfejs użytkownika zapewniający korzystanie z systemu nie tylko specjalistom o wysokim poziomie wiedzy z zakresu GIS i informatyki, ale także wszystkim innym użytkownikom zainteresowanym wynikami prognozowania powodzi (służby ratownicze, organy wykonawcze, organizacje komercyjne i obywatele).

System działa automatycznie i dostarcza prognozy powodzi na następne 12–48 godzin z godzinowymi zarysami potencjalnych stref i obiektów zalania, oraz mapą głębokości wody. Ekran interfejsu wyświetla również aktualną sytuację hydrologiczną, dane ze stacji pomiarowych oraz zdjęcia satelitarne. Wyniki prognozowania powodzi są dostarczane jako zdalna usługa sieciowa. Ponadto od użytkowników nie wymaga się specjalistycznej wiedzy z zakresu modelowania i symulacji ani umiejętności programowania.

W systemie zaimplementowano dwie dodatkowe przydatne funkcje. Po pierwsze, każdy użytkownik może przesunąć suwak osi czasu i zobaczyć obszar zagrożony zalaniem z 12-godzinnym wyprzedzeniem, a cała złożoność prognozowania jest ukryta przed nim. Druga dodatkowa funkcja pozwala użytkownikowi również zobaczyć obszar zalewowy dla każdego możliwego poziomu wody. Wreszcie, automatyczne generowanie i analiza scenariuszy powodzi pozwala na badanie dynamiki powodzi rzecznych i ocenę ich potencjalnych skutków w najbliższej przyszłości w celu wsparcia działań zapobiegawczych zmierzających do złagodzenia skutków powodzi.

Oprogramowanie systemu oparte jest na architekturze zorientowanej na usługi. Wszystkie komponenty systemu są zaimplementowane jako usługi sieciowe i mogą być rozproszone geograficznie i zlokalizowane w różnych organizacjach, miastach i krajach.
Rozważany system, zbudowany z wykorzystaniem proponowanych technologii informatycznych, może pracować w trzech głównych trybach: ciągły monitoring hydrologiczny, krótkoterminowe prognozowanie powodzi w okresach niebezpiecznych oraz tryb scenariuszowy do modelowania z wyprzedzeniem możliwych sytuacji niebezpiecznych.

MOŻLIWOŚĆ DOPASOWANIA ROZWIĄZANIA Zaproponowany zestaw technologii informatycznych i oprogramowania został wykorzystany i przystosowany do stworzenia operacyjnych systemów prognozowania powodzi na rzekach Dźwina (Łotwa) w 2013 r. i Dźwina Północna (Rosja) w 2016 r. w okresie intensywnych powodzi. Systemy były również wykorzystywane do monitoringu hydrologicznego i modelowania scenariuszy.

Systemy działały w trybie automatycznym i w obu przypadkach rozbieżność między danymi prognozowanymi o terenach zalanych a danymi bieżącymi uzyskanymi ze zdjęć satelitarnych nie przekraczała 7%. Dokładność prognozy, oceniana na podstawie składu infrastruktury w strefie zalewowej, wyniosła co najmniej 90%.

Wyniki tych studiów były aktywnie wykorzystywane przez samorządy, służby hydrometeorologiczne
i ratownicze w modelowaniu scenariuszy i operacyjnym prognozowaniu powodzi, a także do bieżącej analizy sytuacji hydrologicznej.

Ogólnie mówiąc, zestaw proponowanych technologii informatycznych można uznać za dość wszechstronne narzędzie konstrukcyjne do tworzenia i stosowania systemów informatycznych monitorowania i krótkoterminowego prognozowania powodzi rzecznych, ze szczegółowym uwzględnieniem cech określonej zlewni i koryta rzeki.

Aby zaproponowane rozwiązanie zostało pomyślnie zaadaptowane, wskazane jest zaangażowanie hydrologów w dobór i ustawienie modeli dla analizowanej zlewni.