ČESKÉ VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V PRAZE Fakulta stavební Způsoby kvantifikace povodňových a souvisejících infrastrukturních rizik Předmět: Říční inženýrství a morfologie Vypracovala: Alena Šarmanová Praha 2017
Obsah 1 Úvod... 3 2 Povodňové riziko a způsoby jeho stanovení... 4 2.1 Definice povodňového rizika... 4 2.2 Metody hodnocení povodňového rizika... 4 2.2.1 Kvalitativní a semikvantitativní hodnocení... 4 2.2.2 Kvantitativní hodnocení... 4 3 Vstupní údaje pro hodnocení povodňového rizika... 5 3.1 Mapové podklady... 5 3.2 Geodetické podklady... 5 3.3 Hydrologická data... 5 3.4 Kalibrační podklady... 6 3.5 Výsledky hydraulických výpočtů... 6 3.6 Územně plánovací dokumentace... 6 4 Metody stanovování povodňového rizika... 6 4.1 Semikvantitativní riziková analýza metodou matice rizika... 6 4.1.1 Stanovení míry povodňového ohrožení... 7 4.1.2 Interpretace výsledků... 7 4.2 Kvantitativní riziková analýza založená na stanovení potenciálních škod... 8 4.2.1 Principy stanovení přímých potenciálních škod... 8 4.2.2 Odhad rizika pomocí potenciálních povodňových škod... 9 5 Plány pro zvládání povodňových rizik... 9 6 Dopady povodní na infrastrukturu... 10 6.1 Přímé hmatatelné škody... 10 6.2 Nepřímé povodňové škody... 10 7 Závěr... 11 8 Použitá literatura... 12 2
1 Úvod Povodně představují v dnešní době vysoké riziko a mohou mít neblahý dopad na lidi, ekonomiku a přírodu. Tyto dopady mohou být dále umocňovány klimatickými a sociálněekonomickými změnami. Cílem správců vodních toků je stanovování povodňového rizika pomocí vhodných metod, na základě nichž jsou vyhodnocovány povodňové plány, od kterých se dále odvíjí rozvoj infrastruktury. Důvodem kvantifikace povodňového rizika je snížení nebo úplná eliminace hmotných i nehmotných škod způsobených povodňovou událostí. Část práce je věnována samotnému povodňovému riziku, jeho definici, metodám stanovování rizika spolu s uvedením vstupních podkladů nutných k identifikaci povodňového rizika. Ve zbylé části práce jsou krátce klasifikovány dopady povodní na infrastrukturu a popsán rozdíl mezi hmotnými a nehmotnými škodami. 3
2 Povodňové riziko a způsoby jeho stanovení 2.1 Definice povodňového rizika Povodňové riziko se dá charakterizovat jako pravděpodobnost výskytu jevu, které nepříznivě působí na životy, majetek, zdraví a životní prostřední. Při kvantifikaci povodňového rizika se postupuje podle následujících kroků: nejprve se zhodnotí výskyt nežádoucího jevu, odhadne se jeho pravděpodobnost, vyhodnotí se možné dopady na okolí a následně se kvantifikuje riziko. [1] 2.2 Metody hodnocení povodňového rizika Hodnocení povodňového rizika lze obecně rozdělit do tří skupin, jimiž jsou kvalitativní hodnocení, kvantitativní a semikvantitativní hodnocení. Vyhodnocené riziko s vyhodnocením potenciálních škod tvoří základní vstupy pro analýzu nákladů a užitků. [1] 2.2.1 Kvalitativní a semikvantitativní hodnocení Kvalitativní hodnocení je zaměřeno především na možnou posloupnost událostí, tzv. scénářů nebezpečí, které zapříčiňují následné škody. Každý scénář se zhodnotí zvlášť a následně se vyhodnotí typ nebezpečí. Semikvantitativní analýza se dá vyjádřit jako mezistupeň mezi kvalitativní analýzou, která nepodává informace o míře povodňového rizika, a kvantitativní analýzou, která vyžaduje rozsáhlé údaje pro vyhodnocení rizika. Výsledkem semikvantitativního hodnocení je relativní výše rizika zastoupena barevnou škálou nebo číselnou stupnicí. [1] Volba, zda-li bude při vyjadřování rizika využito semikvantitativního nebo kvantitativního hodnocení, závisí na způsobu využití konečných výstupů, spolehlivosti a možné dostupnosti vstupních údajů a především nákladech na rizikovou analýzu. 2.2.2 Kvantitativní hodnocení Kvantitativní hodnocení zastupuje stanovení pravděpodobnosti konečného stavu celého systému, vyjádření jeho spolehlivosti na základě vyhodnocení pravděpodobnosti výskytu jednotlivých scénářů. Při hodnocení jednotlivých rizik se jako operátor používá pravděpodobnost výskytu možné škody. Hodnotí se přímá i nepřímá poškození a škody, ekonomické a sociální analýzy a dopad jednotlivých rizik na životní prostřední, okolní krajinu a přírodu. [1] 4
3 Vstupní údaje pro hodnocení povodňového rizika Mezi základní vstupní údaje pro rizikovou analýzu patří mapové a geodetické podklady, hydrologická data a výstupy z hydraulických výpočtů proudění vody v záplavovém území, a územně plánovací dokumentace zasažených obcí. [1] Dále zde patří hodnocení území v terénu, hydrotechnické a kalibrační podklady. [2] 3.1 Mapové podklady Mapové podklady slouží zejména k zorientování se v zájmovém území. Mezi nejvyužívanější mapové podklady patří ZABAGED (Základní báze geografických dat) dodané Českým úřadem zeměměřickým a kartografickým. Jedná se o podrobný digitální geografický model České republiky, velmi se podobající Základní mapě České republiky v měřítku 1:10 000. Při vyhodnocování povodňového rizika slouží ZABAGED ke kategorizaci využití záplavového území. [1] RZM 10 (Rastrová základní mapa 1:10 000), poskytnuto ČÚZK, je digitální rastrový kartografický model využívaná jako podklad pro zobrazení výstupů jednotlivých rizikových analýz. [1] Ortofotomapy slouží jako podklad pro zjištění aktuálního stavu zájmového území. Vektorové katastrální mapy poskytnuté ČÚKZ jsou využívány pro podrobný výpočet povodňových škod a pro zobrazení výstupů rizikové analýzy. Geologické mapy poskytované Českou geologickou službou jsou využívány pro vymezení zbytkového rizika na základě rozsahu nivních půd. [1] 3.2 Geodetické podklady Geodetické podklady slouží jako základní geometrická data pro hydraulické výpočty za pomoci numerického modelování. Veškeré geodetické podklady se pořizují v polohopisném systému S- JTSK a výškopisném systému Balt po vyrovnání. Při konstrukci matematických modelů je vždy důležité důkladně popsat geometrii vodního toku, objektů nacházejících se na vodním toce a geometrii inundačního území. [2] 3.3 Hydrologická data Hydrologické údaje poskytované Českým hydrometeorologickým ústavem zajišťují údaje o N- letých průtocích ve zkoumaných úsecích vodního toku. [1] 5
3.4 Kalibrační podklady Kalibrací modelu se zohledňují informace poskytnuté z předchozích povodní. Ke kalibraci je zapotřebí znát velikost kulminačního průtoku a k němu příslušející maximální úroveň hladiny, popřípadě informace o rozsahu záplavy a tvaru záplavové čáry, hodnoty naměřené na limnigrafické a vodočetné stanici a záznamy o provedených manipulacích na vodních dílech během povodně. [2] 3.5 Výsledky hydraulických výpočtů Výsledky jsou podávány na základě výpočtů 1D nebo 2D hydrodynamických modelů. Výpočty se zpravidla zpracovávají pro průtoky s dobou opakování pět, dvacet a sto let a zkoumá se rozsah rozlivů vybraných povodňových průtoků, hloubky a celkové rychlosti vody v záplavových územích. [1] 3.6 Územně plánovací dokumentace Územně plánovací dokumentace (ÚPD) se využívá v digitální podobě ve formě rastrových nebo vektorových dat. V případě, že ÚPD není k dispozici, odvozují se způsoby využití zájmového území z vrstev ZABAGED. [1] 4 Metody stanovování povodňového rizika Mezi nejčastěji využívané metody stanovování povodňového rizika patří analýza metodou matice rizika a kvantitativní riziková analýza založená na stanovení potenciálních škod. 4.1 Semikvantitativní riziková analýza metodou matice rizika Metoda založená na matici rizika je jedním z nejjednodušších a nejpoužívanějších metod hodnocení povodňového rizika v záplavových územích. Pro využit této metody není nutné kvantitativně odhadovat škody zapříčinění vylitím vody z koryta, ale povodňové riziko je vhodným způsobem vyjádřeno škálováním. Nezbytným údajem pro stanovení rizika je zranitelnost záplavových území, která je do samotné analýzy zahrnuta až v konečné fázi vyhodnocování. [1] Postup metody spočívá ve třech následujících krocích: kvantifikace povodňového nebezpečí, pomocí výpočtu intenzity povodně a definování funkce hloubky vody a rychlosti proudění vody, dále stanovení povodňového ohrožení pomocí matice rizika a následně vyhodnocení území se zvýšeným rizikem, stanovené na základě informací o využití území. [1] 6
4.1.1 Stanovení míry povodňového ohrožení Povodňové ohrožení v zájmovém území je vyjádřeno jako pravděpodobnost výskytu daného scénáře a intenzity povodně. Graficky se stanovuje na základě matice rizika (Obrázek 1). Při stanovování míry ohrožení jsou vstupními údaji rastrová data, která obsahují údaje o intenzitách povodně pro dané povodňové průtoky. U každé buňky rastru se posuzuje, ve které oblasti ohrožení se nachází a následně je stanoveno ohrožení podle hodnoty 1 (zbytkové) až 4 (vysoké). Následně se vyhodnotí maximální hodnoty ohrožení pro jednotlivá dílčí ohrožení odpovídající scénářům nebezpečí. [1] Obrázek 1 Matice rizika [1] 4.1.2 Interpretace výsledků Výsledky jsou prezentovány v podobě map ohrožení a map rizika. Mapy ohrožení jsou interpretovány pomocí barevné škály vyjadřující kategorii ohrožení ploch v záplavovém území. Na základně těchto vyhodnocení se dále posuzuje vhodnost nynějšího nebo budoucího využití ploch a odvíjí se od něj případné omezení aktivit provozovaných v zájmovém území. [1] Mapy rizika zahrnují jak údaje o ohrožení objektů nacházejících se v zájmové oblasti, tak informace o zranitelnosti těchto objektů. Zvýrazňují se zde plochy, u kterých je překročené maximální přijatelné riziko a které jsou následně podrobněji zkoumány. [1] 7
Obrázek 2 Příklad mapy rizika [1] 4.2 Kvantitativní riziková analýza založená na stanovení potenciálních škod Potenciální škody se týkají jak movitého a nemovitého majetku, tak přírodních a krajinných útvarů nacházejících se v inundačním území. Využití metody stanovení potenciálních škod závisí na dvou potřebných podrobnostech (I - územní celky, sídla a jejich části, II - jednotlivé objekty) a na materiálních a nemateriálních škodách v záplavovém území (objekty jsou buďto poškozeny, deformovány nebo znehodnoceny). [1] 4.2.1 Principy stanovení přímých potenciálních škod Přímé povodňové škody se stanoví za pomoci aplikace ztrátových křivek, které vychází z pořizovacích cen jednotlivých ohrožených objektů a z rozborů působení záplavy na tyto objekty. Každá ztrátová křivka je vyjádřena v intervalu hodnot a omezena zdola i shora z důvodů různé aplikace poruch jednotlivých částí konstrukce na konečné škodě. [1] Potenciální škody způsobené povodněmi se stanovují například na stavebních objektech, pozemních komunikacích, inženýrských sítích, na mostech, v zemědělství aj. Pro každou z kategorií jsou vytvořeny jednotkové a ztrátové ceny. [1] 8
Obrázek 3 Ztrátová křivka [7] 4.2.2 Odhad rizika pomocí potenciálních povodňových škod Výpočet povodňového rizika vychází z rozdělení pravděpodobnosti ročních kulminačních průtoků, odvíjí se od škod vycházejících z daného průtoku a dále od průtoku, při kterém začne docházet ke škodám. [1] 5 Plány pro zvládání povodňových rizik Směrnice Evropského parlamentu a rady ukládá za povinnost všem členským státům vypracovat plány pro zvládání povodňových rizik koordinované na úrovni území povodí. Státy jsou povinné navrhnout vhodné způsoby zvládání povodňových rizik pro vymezené oblasti a navrhnout způsoby na zmírnění možných nepříznivých účinků povodní. Plány se soustředí převážně na prevenci, ochranu, připravenost a zohledňují charakteristiky konkrétního povodí nebo jeho části. [4] Součástí plánů pro zvládání povodňových rizik jsou mapy povodňového nebezpečí a mapy povodňových rizik, dokumentace s oblastí s významným povodňovým rizikem a listy opatření, které jsou umístěny online na serverech. [5] 9
6 Dopady povodní na infrastrukturu Dopady povodní na infrastrukturu mohou být rozděleny na škody přímé a nepřímé. Přímé škody si lze představit například jako poruchu zařízení dodávajících elektřinu, v důsledku povodňové události, a selhání těchto zařízení vede k nepřímým dopadům na další prvky infrastruktury, například dopravu nebo dodávku pitné vody. [7] 6.1 Přímé hmatatelné škody Za přímé škody se dají považovat škody způsobené v obytných i neobytných sektorech spolu s infrastrukturou, která přijde do kontaktu s povodňovou vlnou. Přímé škody jsou nejčastějším a zároveň nejsnadněji sledovaným povodňovým důsledkem. [7] Stanovení přímých škod bylo podrobněji popsáno v kapitole 4.2.1 Principy stanovení přímých potenciálních škod. 6.2 Nepřímé povodňové škody Nepřímé povodňové škody se stanoví pomocí různých metod. Jedna z nich, ta nejjednodušší je aplikovat danou procentuální hodnotu přímé škody. Například z výzkumů prováděných ve Velké Británii bylo zjištěno, že nepřímé škody vychází přibližně v mezích od 21 do 91 % z hodnoty škod přímých. Nevýhodou této metody je široká škála rozmezí mezi procentuálními hodnotami lišícími se pro různé lokality a různé povodňové události. Další nedostatek je že metoda neuvažuje s dobou trvání události způsobující škody, jenž významně ovlivňuje kalkulaci celkových dopadů. [7] Jedním z nejzávažnějších důsledků způsobených povodněmi je dopad na zdraví a přírodu. Kvůli nedostatku dat, potřebných k rozvoji předpovědních modelů, je velmi obtížné stanovit riziko ohrožení zdraví lidí při a po povodních. Ze studiích provedených na základě historických povodní vyplynulo, že ohrožení lidských životů narůstá, vyskytne-li se povodňová událost neočekávaně bez dostatečného varování, kde voda proudí s vysokou rychlostí ve velkých hloubkách a kde jsou zranitelné skupiny, jako jsou staří lidé, vystavené povodňovému riziku. [7] 10
7 Závěr S narůstající čestností výskytu povodňových událostí a s tím úzce souvisejícím nárůstem škod způsobených povodněmi, jsou správci vodních toků nuceni stanovovat možná povodňová rizika za různých povodňových událostí a vyhodnocovat povodňové plány. V práci byly shrnuty jak metody stanovování povodňových rizik, tak dopady povodňových událostí na infrastrukturu. Kvůli nedostatku informací týkajících se některých škod způsobených povodněmi, je dnes stále obtížné spočítat možné dopady na okolní infrastrukturu, ačkoliv byl udělán pokrok v chápání, jak selhání jednoho systému ovlivní funkčnost dalších systémů s ním spjatých. Velká pozornost je také věnována dopadům povodní na zdraví lidí a způsoby možného snížení těchto dopadů jsou nadále zkoumány a rozvíjeny. 11
8 Použitá literatura [1] DRBAL, K., a kol., Metodika stanovování povodňových rizik a škod v záplavovém území. Brno, prosinec 2008, 72 s. [2] VÝZKUMNÝ ÚSTAV VODOHOSPODÁŘSKÝ T. G. MASARYKA, Metodika tvorby map povodňového nebezpečí a povodňových rizik. Praha, prosinec 2009, 86 s. [3] Vyhláška Ministerstva životního prostředí č. 236/2002 Sb., o způsobu a rozsahu zpracování návrhu a stanovování záplavových území. [4] SMĚRNICE EVROPSKÉHO PARLAMENTU A RADY 2007/60/ES, o vyhodnocování a zvládání povodňových rizik. Praha., říjen 2007. [5] POVIS - POVODŇOVÝ INFORMAČNÍ SYSTÉM, Plány pro zvládání povodňových rizik [online]. 2015 [cit. 2017-05-02] Dostupné z WWW: http://www.povis.cz/html/ [6] MINISTERSTVO ZEMĚDĚLSTVÍ ČESKÉ REPUBLIKY, Posílení rizikové analýzy a stanovení aktivních zón v českém vodním hospodářství [online]. 2004 [cit. 2017-05-02] Dostupné z WWW: http://hydraulika.fsv.cvut.cz/toky/nabidka_praci/odkazy/posileni_rizikove_analyzy.pdf [7] HAMMOND, M. J., a kol., Urban flood impacts assessment: A state-of-the-art review. Center for Water Systems, University of Exeter, Exeter, UK. [online]. [cit. 2017-05-07] Dostupné z WWW: https://ore.exeter.ac.uk/repository/bitstream/handle/10871/14066/hammond%20et%20al.pdf?se quence=2 [8] NEAL, G., The physical and economical impacts of urban flooding on critical infrastructure and surrounding communities. [online]. 2014 [cit. 2017-05-02] Dostupné z WWW: http://scholar.utc.edu/cgi/viewcontent.cgi?article=1110&context=theses 12