Głównym zadaniem hydrologii operacyjnej jest bieżący monitoring sytuacji hydrologicznej oraz opracowanie prognoz i ostrzeżeń na potrzeby osłony hydrologicznej ludności i mienia przed niebezpiecznymi zjawiskami w hydrosferze, zwłaszcza przed powodzią i suszą. W ostatnich latach obserwuje się coraz większą ekspansję numerycznych metod prognostycznych, szczególnie modeli hydrologicznych typu opad-odpływ oraz modeli hydrodynamicznych, w pracy operacyjnej, między innymi za sprawą intensywnego rozwoju fizyki atmosfery, a w konsekwencji meteorologii synoptycznej. W sytuacji prognozowania "znaczących" opadów deszczu, hydrologia operacyjna musi odpowiedzieć na podstawowe pytanie - czy przewidywane opady deszczu wywołają (wygenerują) wezbranie z maksymalnym stanem wody powyżej stanu ostrzegawczego lub alarmowego. Stan ostrzegawczy i alarmowy stanowią poziom odniesienia dla oceny stopnia zagrożenia ludności i mienia przez zwiększony odpływ rzeczny ze zlewni kontrolowanej. Obie charakterystyki ustalane są dla każdego profilu wodowskazowego zależnie od lokalnych warunków hipsometrycznych, pokrycia terenu obiektami urbanistycznymi itd. Stan ostrzegawczy i alarmowy zmieniają się w czasie, na przykład wskutek prac regulacyjnych w korycie rzecznym. Narzędziem, które może pomóc w ocenie ryzyka osiągnięcia lub przekroczenia stanu alarmowego jako następstwa opadów deszczu jest opad niebezpieczny.
W zasadzie nie funkcjonuje żadna oficjalna definicja opadu niebezpiecznego, więc pozwolę sobie na podejście autorskie w tym zakresie. Wydaje się, że można go ująć w kategoriach narzędzia decyzyjnego w hydrologii operacyjnej służącego do klasyfikacji sumy opadu deszczu prognozowanego przez synoptyka-meteorologa z punktu widzenia ryzyka wywołania odpływu rzecznego osiągającego lub przewyższającego przyjęty poziom bezpieczeństwa - np. stan alarmowy określony w danym profilu kontrolowanym (wodowskazowym), w określonym warunkach początkowych (hydrometeorologicznych) oraz brzegowych (właściwości fizycznogeograficzne zlewni - kontekst środowiskowy). Nieodłączną cechą opadu niebezpiecznego jako wartości progowej wezbrania osiągającego lub przekraczającego zadany stan wody jest jego zmienność w przestrzeni i czasie. Opad niebezpieczny zmienia się zależnie od kontekstu środowiskowego, a więc właściwości fizycznogeograficznych zlewni (m.in. warunki hipsometryczne, litologiczne), a także wykazuje zmienność sezonową (zima hydrologiczna - lato hydrologiczne). Wspomniane uwarunkowania mają jednak jedynie charakter modyfikujący skutki oddziaływania dwóch najważniejszych przyczyn zmienności sumy opadu niebezpiecznego - natężenia opadu (deszczu) oraz warunków początkowych w zlewni.
Reakcja (odpowiedź) zlewni na opad deszczu, choćby o tej samej lub zbliżonej sumie, może być bardzo zróżnicowana. Inny skutek przynosi bowiem deszcz o sumie 40 mm trwający 60 minut, a inny w przypadku jego wydłużenia do kilku, a tym bardziej kilkunastu godzin. Iloraz sumy opadu i jego czasu to właśnie natężenie. Im intensywniejszy deszcz, tym większa jego część transformowana jest w odpływ, szczególnie w dopływ bezpośredni i spływ powierzchniowy, które łącznie stwarzają największe zagrożenie hydrologiczne, oraz tym mniejsze są straty na intercepcję, infiltrację i ewaporację, w tym ewapotranspirację. Taka sytuacja dotyczy głównie opadów przelotnych. Z kolei w przypadku opadów rozlewnych, których natężenie jest niekoniecznie duże, większego znaczenia nabiera nie tylko czas (kilkadziesiąt godzin), ale zdolność retencyjna zlewni. Ważnym czynnikiem współdecydującym o transformacji opadu w odpływ są warunki początkowe w zlewni. Można je zdefiniować jako aktualny stan retencji zlewniowej i opisać zarówno jakościowo, jak i ilościowo, m.in. poprzez tzw. opad poprzedzający (ang. antecedent rainfall), czy też wskaźnik opadów uprzednich wg formuły Lambora, średni przepływ w okresie poprzedzającym wystąpienie opadu potencjalnie niebezpiecznego, szczególnie odpływ podziemny, uwilgotnienie gruntu wg propozycji amerykańskiej służby hydrologicznej itp.
W jaki sposób można obliczyć/ oszacować sumę opadu niebezpiecznego? Myślę, że warte uwagi są dwa podejścia - ogólne i szczegółowe. Pierwsze odnosi się do dobowych wartości sumy opadów atmosferycznych i poszukiwania ich związku ze stanem/ przepływem maksymalnym wywołanego wezbrania, a drugie do godzinowych wartości sumy opadów atmosferycznych. Z praktycznego punktu widzenia słuszniejsze wydaje się podejście szczegółowe, ponieważ umożliwia uchwycenie zależności sumy opadu niebezpiecznego od jego natężenia oraz warunków początkowych w zlewni. Natomiast za błędne i nieuzasadnione uważam próby szacowania, czy obliczania opadu niebezpiecznego w oparciu o sumy miesięczne opadów deszczu, sumy sezonowe, roczne itp., ponieważ ani bezpośrednio, ani nawet pośrednio nie determinują wezbrań. Skoro więc nie można wyznaczyć zależności fizycznej, nie ma sensu i powodu, aby je tworzyć. Dość powiedzieć, że sumy miesięczne opadów atmosferycznych z traktowane jako wartości dobowe odpowiadają MSDO (maksymalna suma dobowa opadów) o prawdopodobieństwie przewyższenia około 1%, a czasami i mniej. Takich opadów nie można traktować jako niebezpiecznych (progowych) - to są już opady często katastrofalne.
Jakie wartości przyjmuje opad niebezpieczny? Zależnie od natężenia deszczu można mówić o przedziale od 20-30 mm przy opadach przelotnych, bardzo krótkich (przeważnie do 3 godzin) do 80-100 mm przy opadach trwających kilkadziesiąt godzin. Z kolei różnice w sumie opadu niebezpiecznego w zależności od warunków początkowych w zlewni są najmniejsze przy największym natężeniu deszczu i wynoszą około 10 mm, a największe przy najmniejszym natężeniu opadu, poniżej 2 mm i wynoszą 20--40 mm. Obliczenia przeprowadzone na dobowych wartościach sumy opadów deszczu wskazują węższy przedział - 40-50 mm, ale w tym przypadku trudniej znaleźć związek z natężeniem deszczu i warunkami początkowymi w zlewni z powodu zbyt dużego kroku czasowego (doba). Poniżej przykłady krzywych do szacowania wartości opadu niebezpiecznego nawiązujące do podejścia ogólnego (rys. 1) i szczegółowego (rys. 2).
W zasadzie nie funkcjonuje żadna oficjalna definicja opadu niebezpiecznego, więc pozwolę sobie na podejście autorskie w tym zakresie. Wydaje się, że można go ująć w kategoriach narzędzia decyzyjnego w hydrologii operacyjnej służącego do klasyfikacji sumy opadu deszczu prognozowanego przez synoptyka-meteorologa z punktu widzenia ryzyka wywołania odpływu rzecznego osiągającego lub przewyższającego przyjęty poziom bezpieczeństwa - np. stan alarmowy określony w danym profilu kontrolowanym (wodowskazowym), w określonym warunkach początkowych (hydrometeorologicznych) oraz brzegowych (właściwości fizycznogeograficzne zlewni - kontekst środowiskowy). Nieodłączną cechą opadu niebezpiecznego jako wartości progowej wezbrania osiągającego lub przekraczającego zadany stan wody jest jego zmienność w przestrzeni i czasie. Opad niebezpieczny zmienia się zależnie od kontekstu środowiskowego, a więc właściwości fizycznogeograficznych zlewni (m.in. warunki hipsometryczne, litologiczne), a także wykazuje zmienność sezonową (zima hydrologiczna - lato hydrologiczne). Wspomniane uwarunkowania mają jednak jedynie charakter modyfikujący skutki oddziaływania dwóch najważniejszych przyczyn zmienności sumy opadu niebezpiecznego - natężenia opadu (deszczu) oraz warunków początkowych w zlewni.
Reakcja (odpowiedź) zlewni na opad deszczu, choćby o tej samej lub zbliżonej sumie, może być bardzo zróżnicowana. Inny skutek przynosi bowiem deszcz o sumie 40 mm trwający 60 minut, a inny w przypadku jego wydłużenia do kilku, a tym bardziej kilkunastu godzin. Iloraz sumy opadu i jego czasu to właśnie natężenie. Im intensywniejszy deszcz, tym większa jego część transformowana jest w odpływ, szczególnie w dopływ bezpośredni i spływ powierzchniowy, które łącznie stwarzają największe zagrożenie hydrologiczne, oraz tym mniejsze są straty na intercepcję, infiltrację i ewaporację, w tym ewapotranspirację. Taka sytuacja dotyczy głównie opadów przelotnych. Z kolei w przypadku opadów rozlewnych, których natężenie jest niekoniecznie duże, większego znaczenia nabiera nie tylko czas (kilkadziesiąt godzin), ale zdolność retencyjna zlewni. Ważnym czynnikiem współdecydującym o transformacji opadu w odpływ są warunki początkowe w zlewni. Można je zdefiniować jako aktualny stan retencji zlewniowej i opisać zarówno jakościowo, jak i ilościowo, m.in. poprzez tzw. opad poprzedzający (ang. antecedent rainfall), czy też wskaźnik opadów uprzednich wg formuły Lambora, średni przepływ w okresie poprzedzającym wystąpienie opadu potencjalnie niebezpiecznego, szczególnie odpływ podziemny, uwilgotnienie gruntu wg propozycji amerykańskiej służby hydrologicznej itp.
W jaki sposób można obliczyć/ oszacować sumę opadu niebezpiecznego? Myślę, że warte uwagi są dwa podejścia - ogólne i szczegółowe. Pierwsze odnosi się do dobowych wartości sumy opadów atmosferycznych i poszukiwania ich związku ze stanem/ przepływem maksymalnym wywołanego wezbrania, a drugie do godzinowych wartości sumy opadów atmosferycznych. Z praktycznego punktu widzenia słuszniejsze wydaje się podejście szczegółowe, ponieważ umożliwia uchwycenie zależności sumy opadu niebezpiecznego od jego natężenia oraz warunków początkowych w zlewni. Natomiast za błędne i nieuzasadnione uważam próby szacowania, czy obliczania opadu niebezpiecznego w oparciu o sumy miesięczne opadów deszczu, sumy sezonowe, roczne itp., ponieważ ani bezpośrednio, ani nawet pośrednio nie determinują wezbrań. Skoro więc nie można wyznaczyć zależności fizycznej, nie ma sensu i powodu, aby je tworzyć. Dość powiedzieć, że sumy miesięczne opadów atmosferycznych z traktowane jako wartości dobowe odpowiadają MSDO (maksymalna suma dobowa opadów) o prawdopodobieństwie przewyższenia około 1%, a czasami i mniej. Takich opadów nie można traktować jako niebezpiecznych (progowych) - to są już opady często katastrofalne.
Jakie wartości przyjmuje opad niebezpieczny? Zależnie od natężenia deszczu można mówić o przedziale od 20-30 mm przy opadach przelotnych, bardzo krótkich (przeważnie do 3 godzin) do 80-100 mm przy opadach trwających kilkadziesiąt godzin. Z kolei różnice w sumie opadu niebezpiecznego w zależności od warunków początkowych w zlewni są najmniejsze przy największym natężeniu deszczu i wynoszą około 10 mm, a największe przy najmniejszym natężeniu opadu, poniżej 2 mm i wynoszą 20--40 mm. Obliczenia przeprowadzone na dobowych wartościach sumy opadów deszczu wskazują węższy przedział - 40-50 mm, ale w tym przypadku trudniej znaleźć związek z natężeniem deszczu i warunkami początkowymi w zlewni z powodu zbyt dużego kroku czasowego (doba). Poniżej przykłady krzywych do szacowania wartości opadu niebezpiecznego nawiązujące do podejścia ogólnego (rys. 1) i szczegółowego (rys. 2).
Rys. 1. Wyznaczenie wartości sumy opadu niebezpiecznego (Pnbzp) w ujęciu ogólnym
Strzałki wskazują na rozrzut Pnbzp zależnie od czynników innych niż suma opadu deszczu.
Strzałki wskazują na rozrzut Pnbzp zależnie od czynników innych niż suma opadu deszczu.
Rys. 2. Przykładowa krzywa zależności wartości sumy opadu niebezpiecznego (Pnbzp) od natężenia deszczu - ujęcie szczegółowe
Opad niebezpieczny może się okazać całkiem dobrym, skutecznym narzędziem hydrologicznym pod warunkiem ustalenia miarodajnego rozkładu przestrzennego opadów deszczu w zlewni, ich czasu oraz warunków początkowych i brzegowych. Wydaje się, że najlepsze rezultaty można osiągnąć dla opadów z krokiem godzinnym, ponieważ w tym przypadku, między zlewniami, zachodzą widoczne różnice. Opad niebezpieczny przeliczony na dobę jest tylko jednym z wielu wariantów, który nie uwzględnia czynników innych niż suma dobowa opadów, a jednocześnie wykazuje najmniejsze różnice między zlewniami różnych pięter hipsometrycznych i niekoniecznie jest najlepszym wykładnikiem w przedmiotowej analizie.
Jednocześnie warto mieć na uwadze dwa zasadnicze, praktyczne, ograniczenia stosowania tzw. opadu niebezpiecznego - powierzchnia zlewnia (małe zlewni, najlepiej do około 100 km2, na nizinach ewentualnie do 300 km2) oraz okres roku (w zasadzie sens ma ustalanie opadu niebezpiecznego dla wezbrań o genezie opadowej, a więc dla hydrologicznego lata).
