Połączenie GIS, modelowania hydraulicznego i bezpieczeństwa publicznego: system wczesnego ostrzegania w zakresie zarządzania ryzykiem powodziowym w regionie Zemgale (Łotwa)

Region Zemgale jest obszarem nizinnym, wysoce narażonym na powodzie ze względu na płaski teren, gęstą sieć rzeczną i nieefektywność odwadniania Rzeka Lielupe, jedna z głównych rzek w tym obszarze, ma powolny bieg ze względu na niski gradient koryta rzeki. Wysokość równiny zalewowej nie przekracza jednego metra nad poziomem wody. W dół rzeki od Jelgavy spada tylko 5–10 cm na kilometr, podczas gdy koryto rzeki jest znacznie niższe niż średni poziom Morza Bałtyckiego. Warunki te sprawiają, że obszar ten jest naturalnie podatny na akumulację wody, wysoki poziom wód gruntowych i trudności z odwadnianiem, zwłaszcza na obszarach miejskich, takich jak Jelgava, oraz w płaskich krajobrazach wiejskich.

Oczekuje się, że zmiana klimatu jeszcze bardziej pogłębi te istniejące podatności na zagrożenia związane z powodziami. Według Łotewskiego Centrum Środowiska, Geologii i Meteorologii (Ministerstwo Ochrony Środowiska i Rozwoju Regionalnego, 2019 r.) do końca XXI wieku (2071–2100) przewiduje się, że roczne opady na Łotwie wzrosną o około 13 % w ramach RCP4.5 (scenariusz pośredniej emisji gazów cieplarnianych) i o 16 % w ramach RCP8.5 (najgorszy scenariusz emisji) w porównaniu z okresem odniesienia 1961–1990. Największy sezonowy wzrost spodziewany jest w zimie, przy czym przewiduje się, że opady wzrosną o 24–37 % w ramach RCP4.5 i o 35–51 % w ramach scenariusza RCP8.5 (LVģMC, 2017). Usługa programu Copernicus w zakresie zmiany klimatu (prognozy C3S, wdrożone przez ECMWF i dostępne na stronie Climate-ADAPT) również wskazują na rosnące ekstremalne opady zarówno w ramach RCP4.5, jak i RCP8.5 (zob. na przykład maksymalne opady nagromadzone w ciągu pięciu kolejnych dni oraz ekstremalne roczne całkowite opady). W niedawnych badaniach nad Zemgale stwierdzono ponadto, że poważne opady deszczu przekraczające 30 mm w ciągu 24 godzin stanowią poważne zagrożenie powodziowe, i podkreślono, że zmieniające się wzorce topnienia śniegu i lodu, wraz z bardziej intensywnymi opadami deszczu, mogą zwiększyć ryzyko powodzi zarówno rzecznych, jak i opadowych w regionie (Veidemane i in., 2026).

Lipiec 2024 r. był trzecim najbardziej mokrym lipcem w łotewskim rekordzie obserwacyjnym, z 132,1 mm opadów, 75 % powyżej normy miesięcznej (LVģMC– przegląd łotewskiego systemu rzecznego z lipca 2024 r.). W Jelgavie długotrwałe opady deszczu mogą powodować powodzie i uszkodzenia infrastruktury, podczas gdy niska topografia i wysokie zwierciadła wody utrudniają funkcjonowanie systemów odwadniania i wód opadowych. Na obszarach wiejskich wydarzenia te mogą mieć wpływ na osiedla, wsie i żyzne grunty rolne, które odgrywają ważną rolę w gospodarce regionalnej.

Wyzwaniem jest nie tylko zmniejszenie narażenia na powodzie, ale także zwiększenie gotowości, dokładności prognozowania i zdolności reagowania instytucjonalnego. Ekstremalne opady deszczu są często krótkotrwałe i zlokalizowane przestrzennie, co utrudnia prognozowanie i skraca czas ostrzegania. Jednocześnie modelowanie powodzi w płaskim basenie o złożonej sieci hydrograficznej jest wymagające pod względem technicznym. Dokładność prognoz zależy od dostępności i jakości danych meteorologicznych i hydrologicznych, modelowania terenu i koryta rzeki oraz zdolności do szybkiego przetwarzania informacji.

Kolejnym wyzwaniem jest konieczność przejścia od lokalnego i częściowo ręcznego podejścia do wczesnego ostrzegania do regionalnego, zautomatyzowanego i skoordynowanego systemu. Doświadczenie miasta Jelgava stanowi praktyczny punkt wyjścia. Zwiększenie skali regionalnej wymaga jednak lepszej integracji danych, współpracy między gminami i krajowymi organami monitorującymi, wiedzy technicznej i zaufania publicznego. Fałszywe alarmy lub nieudane wydarzenia mogą podważyć zaufanie obywateli do systemu. Z tego powodu działanie dostosowawcze koncentruje się na poprawie przewidywania powodzi, automatyzacji przepływu danych i dostarczaniu terminowych informacji na poziomie nieruchomości zarówno organom publicznym, jak i mieszkańcom.

Sprawa wpisuje się w ramy europejskiej i łotewskiej polityki w zakresie zarządzania ryzykiem powodziowym, przystosowania się do zmiany klimatu i ochrony ludności. Na szczeblu UE dyrektywa powodziowa ustanawia wspólne ramy oceny ryzyka powodziowego i zarządzania nim, zobowiązując państwa członkowskie do przygotowania map zagrożenia powodziowego, map ryzyka powodziowego i planów zarządzania ryzykiem powodziowym. Plany te muszą dotyczyć zapobiegania, ochrony i gotowości, w tym prognozowania powodzi i systemów wczesnego ostrzegania.

Na Łotwie zarządzanie ryzykiem powodziowym jest realizowane za pomocą planów gospodarowania wodami w dorzeczu i planów zarządzania ryzykiem powodziowym. Na okres planowania 2022–2027 Łotwa przygotowała zintegrowane plany gospodarowania wodami w dorzeczu i zarządzania ryzykiem powodziowym dla obszarów dorzeczy Daugava, Gauja, Lielupe i Venta. Plany te określają obszary zagrożenia powodziowego, potencjalne szkody i straty powodziowe oraz obejmują programy środków zapobiegania powodziom i ograniczania ryzyka powodziowego. Ma to bezpośrednie znaczenie dla rzeki Zemgale, przez którą przebiegają systemy rzeczne Lielupe i Daugava.

Łotewski krajowy plan przystosowania się do zmiany klimatu do 2030 r. zapewnia krajowe ramy przystosowania się do zmiany klimatu. W planie określono związane z klimatem zagrożenia dla ochrony ludności i zarządzania klęskami żywiołowymi, w tym ekstremalne opady, zmiany odpływu rzek i zagrożenia powodziowe. Zawiera również szczegółowe wskazówki dotyczące systemów wczesnego ostrzegania. Stwierdza się w nim, że wczesne ostrzeganie powinno być elastyczne, regularnie aktualizowane i zdolne do zapewnienia modelowania o wysokiej rozdzielczości w celu prognozowania skutków ekstremalnych warunków pogodowych.

Środek jest również zgodny z łotewskimi ramami ochrony ludności. Zgodnie z ustawą o ochronie ludności i zarządzaniu klęskami żywiołowymi ocena ryzyka związanego z klęskami żywiołowymi obejmuje identyfikację, analizę i ocenę ryzyka. Ustawa uznaje prawo ludzi do otrzymywania wczesnych ostrzeżeń i zaleceń dotyczących sposobu działania w przypadku katastrofy lub zagrożenia. W tym kontekście system wczesnego ostrzegania przed powodziami wspiera zarówno gotowość instytucjonalną, jak i informowanie o ryzyku publicznym.

Na szczeblu regionalnym program rozwoju regionu planowania zemgalskiego na lata 2021–2027 oraz plan przystosowania się do zmiany klimatu dla regionu planowania zemgalskiego do 2030 r. zapewniają kontekst planowania dla regionalnego przystosowania się do zmiany klimatu.

Głównym celem środka jest zwiększenie gotowości do zarządzania ryzykiem powodziowym w regionie Zemgale poprzez zwiększenie skali lokalnego systemu wczesnego ostrzegania przed powodziami w mieście Jelgava do poziomu regionalnego oraz wprowadzenie predykcyjnego modelowania powodzi. Środek wspiera wczesne ostrzeżenia przeciwpowodziowe, podejmowanie decyzji i ochronę ludności za pośrednictwem regionalnego systemu wymiany i analizy informacji w czasie rzeczywistym.

Celem szczegółowym jest umożliwienie oceny ryzyka powodziowego przed wystąpieniem zdarzenia oraz dostarczenie instytucjom publicznym i obywatelom informacji niezbędnych do wyboru odpowiednich środków w celu skutecznej ochrony ludzi, zdrowia, środowiska i działalności gospodarczej.

System usprawnia również współpracę między gminami a krajowymi organami monitorującymi, rozszerza system wczesnego ostrzegania o zagrożeniu powodziowym na cały region oraz usprawnia komunikację z decydentami i obywatelami.

Rozwiązanie adaptacyjne składa się z systemu wczesnego ostrzegania w zakresie zarządzania ryzykiem powodziowym. Łączy on modelowanie powodziowe (model hydrauliczny HEC-RAS) z informacjami opartymi na systemie informacji geograficznej (GIS), w tym danymi dotyczącymi ukształtowania terenu i geometrii rzek, prognozami hydrologicznymi, danymi katastralnymi i adresowymi oraz mapami powodziowymi, a także funkcjami wspomagania decyzji i ostrzegania (IMPETUS, rezultat D4.3 – Umożliwienie szybkich i daleko idących zmian dzięki innowacyjnym technologiom).

System został zaprojektowany w celu sprostania wyzwaniom związanym z przewidywaniem ryzyka powodziowego i gotowością na wypadek powodzi w regionie charakteryzującym się płaskim terenem i złożoną dynamiką hydrologiczną. System wykorzystuje model hydrauliczny HEC-RAS 2D do symulacji przepływu wody w dwóch wymiarach. Model ten służy do modelowania i prognozowania powodzi i może być zintegrowany z GIS, wspierając przetwarzanie danych i wizualizację. System automatycznie odczytuje dane prognozy hydrologicznej z systemu prognoz Łotewskiego Centrum Środowiska, Geologii i Meteorologii.

Wyniki modelowania wykorzystuje się do identyfikacji potencjalnych obszarów zalewowych. System nie tylko wspiera instytucjonalny proces decyzyjny, ale także bezpośrednio informuje ludność, przyczyniając się do poprawy gotowości i zdolności reagowania. Obecnie obejmuje około 93 000 gospodarstw domowych (około 225 000 mieszkańców) w regionie Zemgale.

Aplikacja internetowa ma duże znaczenie społeczne, ponieważ umożliwia mieszkańcom rejestrację i wybór maksymalnie trzech lokalizacji, takich jak dom, miejsce pracy lub szkoła dla dzieci, w celu otrzymywania ukierunkowanych ostrzeżeń o potencjalnych powodziach.

System może obecnie przewidywać powodzie na jeden do dwóch dni przed ich wystąpieniem. Po zidentyfikowaniu ryzyka ostrzegani są wyszkoleni eksperci. Monitorują sytuację, wykorzystując drony, gdy są potrzebne do robienia zdjęć zagrożonych obszarów w czasie rzeczywistym. Obrazy te są udostępniane Komisji Ochrony Ludności na obszarze objętym współpracą, która jest również odpowiedzialna za przygotowanie lokalnych planów ochrony ludności. Komisja ta ocenia ryzyko i decyduje, czy przygotować punkty i procedury ewakuacji, czy kontynuować monitorowanie, jeśli zagrożenie jest ograniczone.

Oprócz reagowania na sytuacje awaryjne, system przechowuje dane dotyczące powodzi, które są istotne dla analizy długoterminowej. W niedalekiej przyszłości pozwoli to władzom ocenić, jak często występują powodzie, które obszary są najbardziej dotknięte powodzią i jak ryzyko zmienia się w czasie. Spostrzeżenia te stanowią wkład w plan przystosowania się do zmiany klimatu Jelgavy, który opracowano równolegle i w koordynacji z systemem wczesnego ostrzegania. Plan ma ukierunkować przyszłe wybory w zakresie zarządzania powodziami. Takie warianty obejmują rozwiązania oparte na zasobach przyrody, takie jak rekultywacja terenów podmokłych.

Przewiduje się rozbudowę systemu wczesnego ostrzegania w przyszłości. Można tego dokonać za pomocą algorytmów opartych na sztucznej inteligencji połączonych z krajowym systemem monitorowania i innymi bazami danych. Sztuczna inteligencja może integrować wiele źródeł danych i procesów modelowania w spójny system zdolny do symulacji zdarzeń powodziowych w dłuższych okresach i przy wysokiej rozdzielczości przestrzennej.

Jednocześnie system jest elastyczny. Na podstawie wcześniejszych doświadczeń w Jelgava, został zaprojektowany do dalszego ulepszania i potencjalnie zwiększenia skali. Potencjalne przyszłe zmiany obejmują rozszerzenie systemu na poziom krajowy i zwiększenie zdolności modelowania w celu przeciwdziałania powodziom spowodowanym opadami deszczu wykraczającym poza kontekst rzeczny. Inną możliwą przyszłą zmianą może być udostępnienie zmodernizowanych zbiorów danych jako otwartych danych ekspertom i społeczeństwu.

Na solidność systemu mają jednak obecnie wpływ ograniczenia dokładności prognoz. Zależą one od jakości danych meteorologicznych, reprezentacji terenu i założeń hydrologicznych.

Od czasu uruchomienia systemu w 2025 r. nie są jeszcze dostępne dane z monitorowania jego faktycznego wykorzystania pochodzące od mieszkańców i instytucji wraz z jego wynikami. Będą one jednak dostępne na późniejszym etapie, gdy system zostanie przetestowany przez wystarczająco długi okres eksploatacji. Do tej pory system walidowano za pomocą symulacji, oceniając jego funkcjonalność i wydajność w modelowanych scenariuszach powodziowych.

System wczesnego ostrzegania wymaga ciągłego doskonalenia i konserwacji, w szczególności w odniesieniu do:

• poprawa jakości i gęstości danych wejściowych (np. badania koryta rzek, czujniki),
• kalibracja modeli hydrologicznych i hydraulicznych,
• Optymalizacja ustawień numerycznych w celu zrównoważenia dokładności i kosztów obliczeniowych.

Aspekty te wskazują, że jakość rozwiązania nie jest statyczna. Wymaga ciągłych aktualizacji technicznych w celu utrzymania i poprawy wydajności w czasie.

System wczesnego ostrzegania jest wynikiem współpracy między kilkoma podmiotami. Centrum Cyfrowe Jelgava jest miejską instytucją cyfrową, która koordynuje procesy ochrony ludności i opracowała aplikację internetową, która działa jako system wczesnego ostrzegania społeczeństwa. Region Planowania Zemgale jest instytucją, która obejmuje sześć gmin i koordynuje rozwój regionalny i planowanie przystosowania się do zmiany klimatu pod nadzorem Ministerstwa Ochrony Środowiska i Rozwoju Regionalnego. Odpowiadał za opracowanie modelu hydraulicznego HEC-RAS 2D. Łotewskie Centrum Środowiska, Geologii i Meteorologii gromadzi, przechowuje i dostarcza informacje o środowisku, w tym dane meteorologiczne i hydrologiczne wykorzystywane przez model do przewidywania obszarów powodziowych. Bałtyckie Forum Środowiskowe działa na styku nauki, społeczeństwa obywatelskiego, polityki i administracji. Skoordynowała zaangażowanie zainteresowanych stron w opracowanie systemu wczesnego ostrzegania i planu adaptacji.

Udział zainteresowanych stron miał kluczowe znaczenie dla rozwoju systemu wczesnego ostrzegania przed powodziami. Strategia zaangażowania zainteresowanych stron obejmowała grupy reprezentujące kategorie „poczwórnej helisy” (środowisko akademickie, rząd, przemysł i społeczność) oraz przedstawicieli instytucji i organizacji lokalnych, regionalnych i krajowych. Proces obejmował informowanie, współpracę, wymianę informacji, doradztwo i współtworzenie rozwiązania. Przeprowadzono również konsultacje z ekspertami z różnych dziedzin, którzy uczestniczyli w wymianie informacji na temat przewidywania ryzyka powodziowego.

Czynniki sukcesu

Szereg czynników przyczyniło się do opracowania i wdrożenia systemu wczesnego ostrzegania. Obejmują one duże zainteresowanie lokalnych i regionalnych zainteresowanych stron poprawą zarządzania ryzykiem powodziowym, rosnącą świadomość zagrożeń powodziowych związanych z klimatem oraz dostępność przykładów dobrych praktyk, takich jak cyfrowe bliźniaki.

Kluczowym czynnikiem sprzyjającym jest współpraca między Centrum Cyfrowym Jelgava, Regionem Planowania Zemgale, Łotewskim Centrum Środowiska, Geologii i Meteorologii oraz Bałtyckim Forum Środowiskowym. System opiera się również na aplikacji opartej na czujnikach, która już działa w Jelgava City. Ten wstępny system ostrzegania opierał się przede wszystkim na czujnikach rzecznych do pomiaru poziomu wody i prostym mechanizmie powiadamiania o alarmowaniu mieszkańców. Chociaż podejście to okazało się cenne na szczeblu lokalnym, jego funkcjonalność była ograniczona pod względem zakresu i brakowało mu zdolności prognostycznych. To wcześniejsze doświadczenie dostarczyło skonsolidowanej bazy technicznej i wiedzy do rozszerzenia systemu na szerszy region Zemgale.

Rozwiązanie ma wyraźny potencjał zwiększenia skali. Ma on zostać rozszerzony z miasta Jelgava na szczebel regionalny Zemgale i być połączony z krajową siecią monitorowania. Doświadczenia zdobyte w ramach projektu, w tym podręcznik , mogą również pomóc innym gminom w tworzeniu i obsłudze systemów wczesnego ostrzegania o powodziach.

Czynniki ograniczające

Jednocześnie nadal istnieją pewne czynniki ograniczające. Dotyczą one głównie dostępności danych, współpracy z gminami, zdolności technicznych i zaufania publicznego. Potencjalne bariery obejmują niekompletne zbiory danych i trudności w osiągnięciu porozumienia z lokalnymi gminami w sprawie przechowywania danych i powiązanych usług.

Ograniczona dostępność wysoko wykwalifikowanych ekspertów do obsługi systemów prognozowania opartych na HEC-RAS na szczeblu gminnym może również warunkować jej funkcjonowanie, wraz z zależnością od zewnętrznych źródeł danych opartych na GIS. Możliwa jest również nieufność mieszkańców wobec ostrzeżeń otrzymywanych za pośrednictwem systemu wczesnego ostrzegania, zwłaszcza w przypadku generowania fałszywych alarmów.

Działanie otrzymało finansowanie z unijnego programu w zakresie badań naukowych i innowacji „Horyzont 2020” (projekt IMPETUS). Brak dostępnych informacji na temat konkretnych kosztów środka

Główną korzyścią jest rozszerzenie informacji wczesnego ostrzegania na dużą liczbę mieszkańców i gospodarstw domowych. System obejmuje około 93 000 gospodarstw domowych, co odpowiada około 225 000 mieszkańców regionu Zemgale. W związku z tym środek nie ogranicza się do użytkowników instytucjonalnych, ale bezpośrednio wspiera gotowość publiczną, pomagając mieszkańcom i organom otrzymywać ukierunkowane informacje przed powodziami. Umożliwienie obywatelom wyboru konkretnych miejsc na potrzeby ukierunkowanych ostrzeżeń, takich jak szkoły, domy lub miejsca pracy, zapewnia wyraźną wartość społeczną poprzez bezpośrednie zaspokojenie potrzeb społeczności.

Z ekonomicznego punktu widzenia znaczenie środka jest związane z rolą Zemgale w łotewskiej gospodarce oraz z narażeniem obszarów miejskich i wiejskich na powodzie. W 2023 r. przedsiębiorstwo Zemgale wygenerowało 3,1 mld EUR PKB, co odpowiada 7,8 % PKB Łotwy, przy czym PKB na mieszkańca wyniósł 13 626 EUR. Ze względu na wysoką żyzność gleby region ten charakteryzuje się silnym profilem rolniczym i biogospodarki. Lepsze ostrzeganie o powodziach może zatem nie tylko wspierać ochronę gospodarstw domowych, infrastruktury i usług publicznych. Przynosi również korzyści działalności gospodarczej, w tym rolnictwu i łańcuchom wartości związanym z żywnością.

Środek zapewnia korzyści w zakresie planowania publicznego i decyzji inwestycyjnych. Dzięki poprawie dostępności informacji o ryzyku powodziowym może pomóc gminom i władzom regionalnym w priorytetowym traktowaniu działań w zakresie gotowości, reagowania kryzysowego i przyszłych środków przystosowawczych. Z czasem gromadzenie i wykorzystywanie danych dotyczących powodzi może pomóc w lepszym zrozumieniu częstotliwości powodzi, obszarów narażonych i zmieniających się wzorców ryzyka. Pomogłoby to ukierunkować planowanie przystosowania się do zmiany klimatu i wybór odpowiednich środków strukturalnych lub opartych na zasobach przyrody.

System wczesnego ostrzegania został opracowany w ciągu czterech lat realizacji projektu IMPETUS, finansowanego w ramach unijnego programu „Horyzont 2020” (2022–2025), i zakończył się odpowiednio wraz z planowanym czasem realizacji projektu.

Ponieważ środek jest usługą cyfrową i operacyjną, jego okres obowiązywania należy rozumieć jako ciągły, a nie ograniczony do wcześniej określonego okresu.

Oczekuje się, że system będzie działał tak długo, jak długo będzie utrzymywany, aktualizowany i wykorzystywany przez odpowiedzialne organy. Jego ciągłość zależy od regularnej konserwacji technicznej, aktualizacji danych wejściowych i modeli oraz koordynacji między zaangażowanymi instytucjami. Z czasem system może zostać udoskonalony w celu zwiększenia dokładności prognoz lub dostosowania jego funkcji do zmieniających się potrzeb.

Marija Stocka
Manager at Project Management Division
Information Technology Development Department, Jelgava City Municipality Institution “Jelgava Digital Centre”

Mārīte Ieviņa
Head of Project Management Division
Information Technology Development Department, Jelgava City Municipality Institution “Jelgava Digital Centre”

jdc@jelgava.lv

Podręcznik dla zainteresowanych stron dotyczący wiedzy fachowej na temat wczesnego ostrzegania w przypadku powodzi

Ścieżki adaptacji w celu przeciwdziałania ryzyku powodziowemu spowodowanemu zmianą klimatu w regionie Zemgale na Łotwie

Plan przystosowania się do zmiany klimatu w regionie Zemgale