Ochrona alpejskiej doliny Renu przed powodzią

Autor: Renata Barradas Gutiérrez

Ren, jedna z głównych rzek w Europie, ma swoje źródło w Alpach Szwajcarskich, w kantonie Gryzonia. Alpejska dolina Renu rozciąga się na ponad 90 km wzdłuż Renu od źródła w Szwajcarii przez Liechtenstein do Austrii. Dolina pamięta niszczycielskie powodzie, które sięgają XI wieku. Obecnie w dolinie dolnego Renu mieszka około 300 000 osób, a liczne firmy, w tym Leica Geosystems, rozkwitają na tym obszarze. Ze względu na dużą liczbę ludności i dużą aktywność gospodarczą w dolinie Renu, potencjalne szkody spowodowane przez powodzie szacuje się na 10 mld EUR.

Aby chronić ludzi, osiedla i aktywność gospodarczą w dolinie, alpejskiemu odcinkowi Renu należy zapewnić więcej miejsca na spływy powodziowe i retencję wody. Dlatego projekt ochrony przeciwpowodziowej „Rhein - Erholung und Sicherheit” („Ren - Rekreacja i bezpieczeństwo”) - lub w skrócie Rhesi - ma na celu zwiększenie przepustowości alpejskiego Renu z 3100 m³/s do co najmniej 4300 m³/s na międzynarodowym odcinku między 65 kilometrem u zbiegu dopływu III do 91 km, gdzie alpejski Ren uchodzi do Jeziora Bodeńskiego. Koszty projektu, finansowane w równych częściach przez Austrię i Szwajcarię, szacuje się obecnie na 1 miliard euro.

„Aby osiągnąć wymagany poziom ochrony przeciwpowodziowej, należy zmienić geometrię kanału alpejskiego Renu w celu wzmocnienia ochrony przeciwpowodziowej na obwodzie projektu. W projekcie Rhesi wybrano bardzo nowoczesne podejście: zamiast podnoszenia wałów przeciwpowodziowych rzeki w celu uwzględnienia podwyższonego przepływu 4300 m³/s, wymagany odcinek zostanie utworzony poprzez zwiększenie szerokość rzeki od obecnie 60 - 70 m do kilkuset metrów w przyszłości. Koryto rzeki, które ma obecnie bardzo techniczny kształt ze względu na różnorodne środki renaturyzacji w ciągu ostatnich 150 lat, w ten sposób odzyska stan zbliżony do naturalnego z warunkami naśladującymi stan systemu rzecznego przed interwencją człowieka," wyjaśnia Florian Hinkelammert-Zens, inżynier środowiska w Laboratorium Hydrauliki, Hydrologii i Glacjologii (VAW) w Szwajcarskim Federalnym Instytucie Technologii w Zurychu (ETH).

Aby ocenić efekty planowanych środków oraz sprawdzić obliczenia hydrauliczne i założenia projektu Rhesi, firmie VAW z ETH Zurich zlecono przeprowadzenie eksperymentów z modelami hybrydowymi dla organizacji Międzynarodowej Regulacji Renu (IRR). Badania te składają się z dwóch głównych części: 1) eksperymenty na fizycznym modelu hydraulicznym i 2) symulacje numeryczne.

„Dwie kluczowe sekcje projektu są powtarzane kolejno w skali 1:50 w obszernych modelach hydraulicznych. Dla każdego odcinka odwzorowywana jest długość przepływu około 5 km (około 110 m w skali modelu) z szerokością cieku wodnego od 250 m do 350 m (około 8 m w skali modelu)," mówi Hinkelammert-Zens. W tym samym czasie opracowanie numeryczne modele komputerowe projektu, aby zapewnić i ocenić warunki brzegowe modeli hydraulicznych, zweryfikować wyniki i przeprowadzić analizy wrażliwości."

W rezultacie te dwa modele hydrauliczne należą do największych modeli rzek alpejskich, jakie kiedykolwiek zbudowano, o średnich wymiarach 110 x 9 m. Oba znajdują się w starym budynku fabrycznym w Dornbirn w Austrii, gdzie ETH Zurich zaprojektował obieg wody o przepływie 400 l/s. System składa się ze zbiornika wysokiego poziomu, wanny wlotowej i wylotowej, przewodu powrotnego wody w piwnicy oraz głębokiego zbiornika, z którego woda jest pompowana z powrotem do zbiornika wysokiego poziomu (maks. 400 l/s).

Modelowanie terenu w 3D na potrzeby modelowania powodzi

„Podczas powodzi koryto podlega znacznym zmianom z powodu wysokich zrzutów wody i prędkości przepływu. W związku z tym osad może odkładać się w kilku miejscach, co prowadzi do podnoszenia się poziomu wody lub może ulec erozji, np. wokół pylonów mostowych lub wzdłuż brzegów rzeki. Oba scenariusze mogą być niebezpieczne i mieć negatywny wpływ na ochronę przeciwpowodziową. Aby odtworzyć te zmiany morfologiczne, modele hydrauliczne są wyposażone w ruchome koryta rzek." mówi Hinkelammert-Zens.

Aby obserwować wpływ różnych obciążeń osadów i różnych scenariuszy, przeprowadza się wiele eksperymentów naukowych o różnych parametrach (np. zrzut wody i ładunek osadu). Za pomocą skanera laserowego, topografia modelu jest mierzona przed i po każdym eksperymencie. Uzyskane dane są następnie wykorzystywane do tworzenia modeli terenu, które służą jako podstawa do określenia obszarów, w których w korycie rzeki występuje sedymentacja i erozja.

Od pozyskania danych po dane umożliwiające podjęcie działań

Po prawej: Model terenu 3D odcinka alpejskiego Renu (patrząc w kierunku przepływu) /po lewej: Ruchome koryto rzeki w modelu hydraulicznym po zakończeniu eksperymentu

Aby uchwycić dane topograficzne przed i po każdym eksperymencie, zespół badawczy z ETH Zurich korzysta z Leica ScanStation P20, tarcz Leica Geosystems i tachimetru Leica TS02 do georeferencji skanów laserowych na 15 punktów odniesienia. ScanStation P20 jest zamontowany na ruchomym statywie i rozmieszczony w czterech pozycjach skanowania, aby uchwycić cały model. Przy wysokości skanowania ok. 2,7 m - aby zminimalizować efekty zacienienia, jeśli kąty widzenia są zbyt strome i aby uniknąć martwych kątów - i rozdzielczość 3 x 3 mm w promieniu 10 m od urządzenia, można uzyskać wysokiej jakości dane o bardzo niskim poziomie szumów.

Po każdym eksperymencie dane są importowane do oprogramowania służącego do przetwarzania chmur punktów 3D Leica Cyclone w celu połączenia danych i połączenia chmur punktów. W tym miejscu obszar 4000 m² jest odwzorowany przez około 250 milionów punktów. Chmura punktów jest następnie „przycinana” przy użyciu wielokątów, aby odciąć punkty znajdujące się poza granicami modelu. Pozostałe punkty są następnie transformowane na siatki o rozmiarze komórki odpowiadającym 50 cm x 50 cm w rzeczywistości. Na koniec dane topograficzne są konwertowane do szwajcarskiego krajowego układu współrzędnych.

Po prawej: wizualizacja zaobserwowanych zmian w korycie rzeki w modelu hydraulicznym po ocenie skanu laserowego (kolor czerwony: erozja po zewnętrznej stronie krzywej, niebieski: sedymentacja po wewnętrznej stronie krzywej, patrząc w kierunku przepływu) / Po lewej: skan laserowy w sali doświadczalnej (patrząc w kierunku przepływu)

„Chmury punktów 3D są używane do tworzenia siatki z około 15 milionami komórek siatki o rozdzielczości 0,5 x 0,5 m, z których każda reprezentuje jeden odrębny punkt w czasie eksperymentów. Dane te są następnie dalej przetwarzane w systemach geoinformacyjnych w celu tworzenia widoków powierzchni oraz profili podłużnych i poprzecznych ruchomego koryta rzeki. Dzięki temu możemy porównać ze sobą różne punkty w czasie trwania eksperymentu," wyjaśnia Hinkelammert-Zens.

Zestaw danych siatki odniesienia może być używany w aplikacjach GIS do różnych ocen, w tym:

• Widoki powierzchni: Wartości siatki skanu wykonanego na początku eksperymentu są odejmowane od tych wykonanych na końcu eksperymentu. W ten sposób zespół ETH tworzy model, na którym widoczne są względne różnice w wysokości modelowego koryta rzeki.

• Profile poprzeczne: Zespół tworzy profile poprzeczne w określonych pozycjach, wyodrębniając wartości siatki, aby utworzyć profile poprzeczne. Korzystając ze skanów wykonanych przed i po testach, eksperci mogą wizualizować zaobserwowane zmiany i porównać je z celami projektu.

• Profile podłużne: Wyodrębnione profile poprzeczne są uśredniane dla profilu podłużnego. Porównując uśrednione wzniesienia koryta rzeki przed i po eksperymentach oraz obserwując zmiany w przyrodzie, zespół może zweryfikować model hydrauliczny.

Wyniki pośrednie i przyszłe kroki

Badania przeprowadzone przez VAW z ETH w Zurychu dostarczyły już znaczących danych do dalszego rozwoju projektu Rhesi. Początkowo model został skalibrowany poprzez odtworzenie przeszłych powodzi. Podczas tego procesu, poziomy wody i topografia koryta rzeki otrzymane w modelu hydraulicznym zostały porównane z danymi uzyskanymi podczas tych zdarzeń w pełnej skali. Po pomyślnym zakończeniu tego etapu, model hydrauliczny został dostosowany do przyszłego kształtu rzeki, zgodnie z przewidywaniami w Rhesi. Od tego czasu przeprowadzono symulacje różnych długoterminowych scenariuszy i dużych powodzi, aby zbadać wpływ projektu Rhesi na morfologię rzeki i poziomy wody.

Ponieważ badania nadal trwają, można przytoczyć tylko wyniki pośrednie. Dotychczasowe wyniki pokazują, że założenia i prognozy projektu Rhesi były poprawne i stanowią solidną podstawę do bardziej szczegółowego opracowania kolejnych etapów projektu. Eksperymenty z modelem hybrydowym potrwają do lata 2022 r., co pozwoli udzielić odpowiedzi na następujące pytania techniczne:

• Gdzie będą ustawione nasypy żwirowe?
• Gdzie będą depresje względne i jaka będzie ich maksymalna głębokość?
• Jak głęboko należy chronić brzegi rzek przed erozją i szorowaniem?
• Jak zabezpieczyć filary mostów przed erozją i szorowaniem?
• Jaka jest ilość drewna wyrzucanego przez fale na mosty podczas powodzi? Jaki będzie wpływ na poziomy wody?

Wyniki tych eksperymentów naukowych, wspierane przez technologię skaningu laserowego firmy Leica Geosystems, stanowią podstawę do zapewnienia zrównoważonego planowania rzek i sprawiają, że projekt ochrony przeciwpowodziowej Rhesi jest technicznie i ekonomicznie wykonalny. To zintegrowane podejście do zarządzania ryzykiem powodziowym znacznie zmniejszy ryzyko powodzi i poprawi ekologiczną i rekreacyjną wartość alpejskiego Renu na międzynarodowym odcinku.