Polski Atlas Natężeń Deszczów PANDA

Ogólnopolskie  modele  opadowe  (modele  natężeń,  względnie  wysokości  desz‐ czy miarodajnych), omówione w rozdz. 2, to znaczy formuły Błaszyka, Suligow‐ skiego  oraz  Bogdanowicz  i  Stachýego  zostały  opracowane  na  podstawie  prze‐ starzałych już zbiorów obserwacji opadów i przy użyciu niespójnego wzajemnie warsztatu  statystycznego.  Poza  wzorem  Błaszczyka  dwa  pozostałe  –  nowsze modele nie cieszyły się popularnością wśród inżynierów sanitarnych, co wyni‐ kało głównie z tego, że  informacje o tych modelach pojawiały się tylko w mo‐ nografiach  o  niskich  nakładach.  Model  Bogdanowicz  i  Stachýego  zaistniał w obszarze projektowania kanalizacji dopiero dzięki jego przytoczeniu w  pod‐ ręczniku  Błażejewskiego  (2003).  Niezależnie  do  stosowania  nowszych  modeli opadowych zniechęcała inżynierów również ich bardziej skomplikowana forma zależności  obliczeniowych  i  konieczność  odczytu  zestawu  lokalnych  parame‐ trów modeli z mało czytelnych map.

Barierę  dostępności  do  nowszych,  bardziej  skomplikowanych  ogólnopol‐ skich modeli opadowych usunięto dzięki implementacji elektronicznego kalkula‐ tora  natężeń  deszczy  miarodajnych  na  specjalistycznym  portalu  poświęconym wodom opadowym: www.retencja.pl. Kalkulator oblicza natężenia deszczy mia‐ rodajnych  dla  zdefiniowanych  lokalizacji  (wszystkich  miast  Polski),  czasów trwania i prawdopodobieństw na podstawie trzech modeli: Błaszczyka, Bogda‐ nowicz i Stachýego oraz Suligowskiego (Licznar i in. 2015b). Wzajemne porów‐ nanie  natężeń  deszczy  miarodajnych  według  różnych  formuł  dla  tych  samych czasów trwania i prawdopodobieństw wykazało skrajne zróżnicowanie ich war‐ tości. Na rysunku 5.4 i 5.5 zaprezentowano przykładowe rozkłady różnic w war‐ tościach natężeń deszczy miarodajnych, dla czasu trwania t = 15 min i prawdo‐ podobieństwa  p  =  10%,  obliczanych  według  modeli  Bogdanowicz  i  Stachýego, a  także  Suligowskiego  w  odniesieniu  do  referencyjnych  wartości  obliczonych z wzoru Błaszczyka. Tak diametralne różnice znajdują swoje bezpośrednie prze‐

łożenie  w  niepewności  wymiarowania  systemów  odprowadzania  wód  desz‐ czowych.  Zagadnienie  to  było  przedmiotem  bardziej  szczegółowych  studiów w kontekście wymiarowania zbiorników retencyjnych wód opadowych. W pra‐ cy Licznara i in. (2017b) wykazano, że decyzja o przyjęciu konkretnego modelu opadowego  przez  inżyniera  determinuje  wynik  obliczeń  niezbędnej  objętości zbiornika  retencyjnego,  a  rozbieżność  uzyskiwanych  wyników  wielokrotnie przewyższa  margines  bezpieczeństwa  zapisany  w  samej  metodyce  obliczenio‐ wej.  Otrzymane  wyniki  dowodzą  konieczności  aktualizacji  i  standaryzacji  kra‐ jowych  wytycznych  dotyczących  przyjmowania  natężeń  deszczy  miarodajnych do projektowania. Rys. 5.4. Różnice w wartościach natężeń deszczy miarodajnych o czasie trwania t = 15 min i prawdopodobieństwie p = 10% (C = 10 lat) wyznaczone na podstawie formuły Suligowskiego oraz formuły Błaszczyka dla siatki o rozdzielczości 8,45 km na 8,45 km; różnice wyznaczonych natężeń deszczy wyrażono w dm³(sha)–1 (Licznar i in. 2015b)

Konieczność  opracowania  nowego  ogólnopolskiego  atlasu  natężeń  desz‐ czy miarodajnych wynika także z postępu, jaki miał miejsce w zakresie metody‐ ki opracowywania modeli opadowych w ostatnich latach. Postęp ten zarysował się najwyraźniej w skali kraju na poligonie Wrocławia. W Obserwatorium Agro‐ i Hydrometeorologii Wrocław‐Swojec (ówczesnej  Akademii  Rolniczej  we  Wro‐

cławiu)  w  sposób  systematyczny  prowadzono  obserwacje  pluwiograficzne. Zgromadzony  wieloletni  materiał  obserwacyjny  stał  się  inspiracją  do  opraco‐ wania  i  wdrożenia  przez  Licznara  (2001)  pionierskiej  w  skali  kraju  metody zautomatyzowanej digitalizacji pasków pluwiograficznych do formatu cyfrowego. Metodę  początkowo  wdrożono  jedynie  dla  wybranych  zapisów  opadów,  tzw. deszczy erozyjnych o wysokich wydajnościach (powyżej 12,7 mm)  i  względnie wysokich  natężeniach  chwilowych  (6,35  mm  /  15  min),  w  procesie  obliczania wskaźnika erozyjności deszczy R do modelu prognozowania erozji wodnej USLE dla stacji Wrocław‐Swojec (Licznar 2003; Licznar i Rojek 2001). Dysponowanie cyfrową  formą  zapisu  chwilowych  natężeń  deszczy  było  bardzo  istotne,  gdyż pozwoliło  na  automatyczne  obliczanie  energii  kinetycznej  strumienia  deszczu i szybką identyfikację charakterystycznych maksymalnych natężeń  deszczy  dla czasów trwania 15 i 30 min. Rys. 5.5. Różnice w wartościach natężeń deszczy miarodajnych o czasie trwania t = 15 min i prawdopodobieństwie p = 10% (C = 10 lat) wyznaczone na podstawie formuły Bogdanowicz i Stachýego oraz formuły Błaszczyka dla siatki o rozdzielczości 8,45 km na 8,45 km; różnice wyznaczonych natężeń deszczy wyrażono w dm³(sha)–1 (Licznar i in. 2015b) Później proces digitalizacji został rozszerzony o wszystkie pozostałe mniej‐ sze opady, przez co możliwe było pełne odtworzenie szeregów czasowych opa‐

dów  w  formacie  cyfrowym.  Na  tej  podstawie  Licznar  i  Łomotowski  (2005a; 2005b) opracowali alternatywne  modele natężeń deszczy miarodajnych  bazu‐ jące  na  średnich  natężeniach  opadów  oraz  ich  maksymalnych  natężeniach chwilowych  (fazowych)  wyszukiwanych  po  raz  pierwszy  w  kraju  z  cyfrowych zapisów  z  użyciem  specjalnie  przygotowanego  oprogramowania  komputero‐ wego. W efekcie tego wykazano wyraźne zaniżanie natężeń deszczy miarodaj‐ nych w przypadku uwzględniania jedynie natężeń średnich opadów. Obserwacja ta pozostaje bardzo istotna w  kontekście  nadal  powszechnego  użycia  modelu Błaszczyka (1954). Jak przypuszczali Licznar i Łomotowski (2005a; 2005b), a co potwierdza  Węglarczyk  (2013),  model  Błaszczyka  powstał  na  podstawie  tylko uogólnionej  informacji  o  całkowitych  czasach  trwania  i  wysokościach  opadu (natężeniach średnich), a nie maksymalnych przedziałowych natężeniach desz‐ czy dla różnych czasów trwania. Co za tym idzie, model ten zapewne jest obcią‐ żony tendencją do zaniżania wartości natężeń chwilowych opadów – zwłaszcza o krótkich czasach trwania, a to kolejny argument podważający zasadność sto‐ sowania go w hydrologii miejskiej, nawet na obszarze samej Warszawy. Badania Licznara i Łomotowskiego (2005a; 2005b) dowiodły  konieczności korzystania  w  przyszłości  z  szeregów  opadowych  w  formacie  cyfrowym  i  ich wspomaganego  komputerowo  dalszego  przetwarzania  w  celu  identyfikacji  rze‐ czywistych  maksymalnych  natężeń  deszczy.  Mając  to  na  uwadze,  rozszerzono jeszcze prace nad digitalizacją szeregów opadowych ze stacji Wrocław‐Swojec –  otrzymano  ostatecznie  38‐letni  zbiór  5‐minutowych  pseudoszeregów  czaso‐ wych  z  okresu  1962–2004.  Pierwsza  tak  bogata  cyfrowa  baza  danych  opado‐ wych dla pojedynczego deszczomierza w Polsce pozwoliła na podjęcie pionier‐ skich  w  skali  kraju  analiz  szeregów  opadowych  z  wykorzystaniem  warsztatu teorii  multifraktali  i  tworzenia  modeli  generatorów  syntetycznych  szeregów opadowych  na  bazie  teorii  kaskad  losowych  (Licznar  2009a).  Zagadnienia  te omówiono szczegółowo w rozdz. 6 i 7 monografii.

W tym samym czasie istotnym rozwinięciem idei wprzęgnięcia technologii obliczeń komputerowych do opracowywania modeli opadowych stały się bada‐ nia zrealizowane na Politechnice Wrocławskiej przez Kotowskiego i in. (2010). Na podstawie analizy rejestracji opadów ze stacji Wrocław‐Strachowice (1960–2009) zaproponowali  oni  budowę  probabilistycznych  modeli  wysokości  deszczy  miaro‐ dajnych na drodze dopasowania do rozkładów empirycznych maksymalnych opa‐ dów fazowych, odpowiednich teoretycznych funkcji rozkładów prawdopodobień‐ stwa,  z  przetestowaniem  możliwości  zastosowania  rozkładów:  Fishera–Tippetta

typu III. W ten sposób oprócz modeli fizykalnych natężeń deszczy możliwe stało się stosowanie do wymiarowania kanalizacji modeli opadowych pozwalających na  estymację  wysokości  miarodajnych  opadów  jako  kwantyli  dobranych uprzednio  i  sparametryzowanych  teoretycznych  rozkładów  prawdopodobień‐ stwa (najczęściej klasy rozkładów ekstremalnych).

Zauważone  ryzyka  w  projektowaniu  systemów  odwodnienia  wynikające z  braku  aktualnego  atlasu  natężeń  deszczy  miarodajnych  dla  Polski  (analo‐ gicznego  do  atlasu  KOSTRA  w  Niemczech)  oraz  możliwości  wykorzystania nowego warsztatu przy jego opracowaniu skłoniły firmę Retencjapl Sp. z o.o., właściciela  portalu  www.retencja.pl  w  porozumieniu  z  Instytutem  Meteoro‐ logii i Gospodarki Wodnej – Państwowy Instytut Badawczy do wystąpienia do Narodowego  Centrum  Badań  i  Rozwoju  z  wnioskiem  o  dofinansowanie  pro‐ jektu  pt:  „Opracowanie  i  wdrożenie  Polskiego  Atlasu  Natężeń  Deszczów (PANDa)”. Wniosek został pozytywnie oceniony i zakwalifikowany do finaso‐ wania  w  ramach  osi  priorytetowej:  Wsparcie  prowadzenia  prac  B+R  przez przedsiębiorstwa,  działanie:  Projekty  B+R  przedsiębiorstw,  poddziałanie:  Ba‐ dania  przemysłowe  i  prace  rozwojowe  realizowane  przez  przedsiębiorstwa. Projekt wpisuje się w ramy Krajowej Inteligentnej Specjalizacji KIS 12 – Inno‐ wacyjne  technologie  przetwarzania  i  odzyskiwania  wody  oraz  zmniejszające jej zużycie.

W ramach realizacji projektu PANDa (jego pierwszego etapu) opracowana zo‐ stała już ogólnopolska cyfrowa baza szeregów opadowych (z okresu 1986–2015). Baza  składa  się  ze  zdigitalizowanych  archiwalnych  zapisów  pluwiograficznych oraz późniejszych rejestracji z elektronicznych deszczomierzy (RG‐50 SEBA dzia‐ łających  na  stacjach  synoptycznych  oraz  Met  One  Instruments  60030  i  60030H – na stacjach niższego rzędu IMGW‐PIB). Zgromadzone i przekonwertowane do postaci 1‐minutowych pseudoszeregów czasowych rejestracje opadów pocho‐ dzą  z  sieci  łącznie  100  deszczomierzy  –  ich  rozmieszczenie  na  obszarze  Polski zaprezentowano  na  rys.  5.6.  Przyjęty  zbiór  analizowanych  deszczomierzy  jest kompromisem  między  potrzebą  jak  najlepszego  opisu  zmienności  lokalnych warunków opadowych a dostępnością długoletnich rejestracji opadów z ostat‐ niego  30‐lecia.  Warto  jednak  zauważyć,  że  baza  zapewnia  praktycznie  prze‐ strzenne  pokrycie  całego  kraju,  a  ponadto  na  południu,  w  obszarze  Sudetów i Karpat zwiększono gęstość analizowanych stacji w celu lepszego uchwycenia efektu orograficznego. Atlas PANDa będzie bowiem docelowo obejmował cały obszar  Polski,  w  tym  także  obszary  górskie,  wyłączone  z  opracowania  autor‐ stwa Bogdanowicz i Stachýego (1998).

Rys. 5.6. Stacje opadowe wybrane do opracowania ogólnopolskiej cyfrowej bazy szeregów opadowych projektu PANDa

Realizowany drugi etap PANDa to identyfikacja i weryfikacja maksymalnych fazowych  wysokości  opadów  o  czasach  trwania:  5,  10,  15,  30,  45,  60,  90,  120, 180, 360, 720, 1080 i 1440 min, a następnie opracowanie na ich podstawie lo‐ kalnych  modeli  opadowych.  Maksymalne  wysokości  opadów  są  wyszukiwane w zautomatyzowany sposób z użyciem wcześniej opracowanych aplikacji kompu‐ terowych. Wydzielanie serii niezależnych maksymalnych fazowych intensywności i natężeń deszczy jest realizowane dzięki scharakteryzowanym w rozdz. 2 meto‐ dom maksimów rocznych i serii największych wartości. Stosuje się także metodę przewyższeń (PD – partial duration, POT – peak over threshold), która może być postrzegana jako rozszerzenie metody serii największych wartości, gdyż zakłada wyszukanie  wszystkich  maksymalnych  opadów  (o  maksymalnym  natężeniu  fa‐ zowym) przekraczających pewien ustalony poziom. Metoda POT była stosowa‐ na w najnowszych pracach nad modelami opadowymi realizowanymi przez Ko‐ towskiego i in. (2010).

Szeregi  rozdzielcze  zidentyfikowanych  maksymalnych  fazowych  natężeń deszczy  są  weryfikowane  dodatkowo  z  wykorzystaniem  niezależnych  zapisów synoptycznych  i  konfrontowane  z  rejestracjami  opadów  z  sieci  deszczomierzy Hellmanna (sumy dobowe opadów) oraz z sieci radarowej POLRAD. Po przepro‐ wadzonej weryfikacji szeregi stanowią podstawę do opracowania dla wszystkich 100  wybranych  deszczomierzy  modeli  fizykalnych  i  modeli  probabilistycznych opartych  na  dopasowaniu  teoretycznych  funkcji  rozkładów  prawdopodobień‐ stwa.  Aktualnie  trwają  prace  mające  na  celu  identyfikację  optymalnych  form modeli  fizykalnych  oraz  typów  teoretycznych  funkcji  rozkładów  prawdopodo‐ bieństwa do opisu wydzielanych maksymalnych natężeń opadów miarodajnych.

W  etapie  trzecim  projektu  PANDa  planuje  się  opracowanie  geostatystyczne wyników pochodzących z etapu drugiego, czego efektem ma być oszacowanie maksymalnych wartości natężeń opadów o różnych czasach trwania i prawdo‐ podobieństwach,  a  także  ich  modeli  dla  wszystkich  miast  Polski  i  wszystkich obszarów rastra powstałych po nałożeniu na mapę kraju regularnej siatki kwa‐ dratowej o jednostkowej powierzchni 71,5 km². W końcowym – czwartym eta‐ pie projektu zakłada się jego demonstrację polegającą na udostępnieniu atlasu PANDa w formie elektronicznej w postaci aplikacji komputerowej oraz na por‐ talu www.retencja.pl.