Как използването на спътникови и наземни системи за ранно предупреждение може да намали риска и щетите при наводнения?

Как използването на спътникови и наземни системи за ранно предупреждение може да намали риска и щетите при наводнения, прави обширен анализ в статия за climateka.bg Атанас Кръстанов. Той е завършил теоретична физика – специалност “Физика на твърдото тяло” в Софийския университет „Св. Климент Охридски“. През последните години е консултант към Столична община по въпроси, свързани със защита от бедствия и разработване на редица документи като планове за защита от природни и индустриални бедствия. 

Освен ефективна борба с последиците от наводненията и другите природни бедствия, не по-малко важно е осъществяването на мониторинг и превенция, както и изграждането на надеждни системи за ранно предупреждение. За разлика от системите за прогнозиране на наводнения, които оценяват риска от наводнения, основната цел на системите за ранно предупреждение е да известяват населението, когато предстои наводнение или то вече се случва. 

Анализите, които се правят след големи наводнения, показват, че въпреки предупрежденията на метеоролозите за възможни интензивни валежи, обикновено липсва предупреждение за динамиката на покачването на нивото на водата в реките и язовирите, както и предупреждение за опасност от заливане на урбанизирани територии. Нещо повече, гражданите не са имали или не са били запознати с плановете и маршрутите за евакуация. Впрочем при липса на навременно предупреждение за наближаващото бедствие, такъв план за евакуация би бил напълно излишен.

Системата за ранно предупреждение за над 48 млн. лева по програма околна среда все още не работи

При всяко наводнение, като това в село Бисер, град Мизия, в района на Карлово, както и последните наводнения по Южното Черноморие, ако съществуваха системи за ранно предупреждение, които да информират гражданите и службите за защита на населението за предстоящи интензивни валежи и повишаване нивото на реките, биха могли да спасят човешки животи. В община Царево се задействаха сирените за предупреждение и евакуация. През март 2023 г. бившият служебен министър на околната среда и водите г-жа Росица Карамфилова обяви, че по Оперативна програма “Околна среда” са осигурени 48,5 млн. лв. за разширение и модернизация на системата за ранно оповестяване на населението, която ще осигурява изпращане на съобщения към мобилните телефони на засегнатите в случаи на природни бедстия в съответен географски район. Системата трябваше да заработи в средата на 2023 г. От изказването на главен комисар Александър Джартов се разбира, че има отлагане на сроковете, като до края на годината ще се проведат тестове на системата преди да бъде въведена. За тази сума, очевидно системата трябва да разполага с много повече функции от заявените. Всяко отлагане поражда съмнение, че системата ще заработи в срок.

Каква е ролята на системите за ранно предупреждение?

Наземните и сателитните наблюдения в съвременните системи за ранно предупреждение играят важна роля в превенцията на бедствията. Системите за предупреждение могат да намалят нараняванията и загубите на живот и имущество от съществуващи опасности. Този потенциал се увеличава максимално, ако предупредителните съобщения се издават с осъзнаване на потенциалните последици и може да се гарантира, че гражданите, изложени на риск, действително получават, забелязват и разбират предупредителното съобщение.

Обединението и използването на технологии и комуникационни канали от сателитни и наземни наблюдения от състава на гражданска защита (за България това е главна дирекция “Пожарна безопасност и защита на населението”, за Столична община – дирекция “Аварийна помощ и превенция”), улеснява бързото и масово разпространение на важна информация в реално време, което допринася за по-голяма безопасност и спасяване на човешки животи в случай на бедствия. За съжаление, подобни системи не са разработени за България. Въпреки финансирането и реализирането на подобни проекти и системи, скоро след тяхното въвеждане те спират да функционират поради липса на финансиране за поддръжка, администриране и обновяване. 

Способността на сателитите да предоставят широк обхват и висока резолюция на наблюдаваната територия позволява бързо и точно откриване на наводнения, свлачища, компрометирани язовирни стени и оценка на възможните последствия. Чрез интегрирането на различни типове данни и използването на съвременни аналитични методи, системите за ранно предупреждение се превръщат в мощни инструменти за опазване на обществото и околната среда от опасностите на наводненията.

За да се излъчи предупреждение за възможно наводнение, трябва да се комбинират всички възможни технологии – наземни станции за наблюдение нивата на реките, сателитно наблюдение, проследяване информацията от различни интернет източници (напр. метеорологични станции, радар за бури и градушки), обходи на място в случай на влошаване метеорологичните условия.

Основната цел на системите за ранно предупреждение и оповестяване е разпространяване на навременна и значима информация, която позволява на застрашените от опасност хора, общности и организации да се подготвят и да действат по подходящ начин, с цел намаляване на възможните вреди или загуби.

Националната система за ранно предупреждение и оповестяване за

предстоящо или настъпило бедствие се състои от два основни модула:

Система за ранно предупреждение и оповестяване на органите на изпълнителната власт и съставните части на единната спасителна система. Тя е предназначена за индивидуално предупреждение и включва предварително дефинирани групи за оповестяване (напр. на национално ниво това са президент, министър-председател, областни щабове и др.). Самото оповестяване се изпълнява чрез изпращане на съобщения по телефона.
Система за ранно предупреждение и оповестяване на населението при бедствия и за оповестяване при въздушна опасност

(Фиг. 1). С помощта на системата се изпълнява едновременно предупреждение и оповестяване на застрашени хора на определена територия за предстоящо или настъпило бедствие. Излъчва се указание за необходимите мерки и действия чрез акустични сигнали (електронни сирени) и гласова информация.

Фигура 1: Съвременна система за ранно предупреждение и оповестяване върху покрив на училище. Източник: Столична община.

Националната система за оповестяване работи в съчетание и с общоизвестните системи за известяване на обществеността: средства за масова информация – радио, телевизия, социални медии, които предоставят информация за наводненията на голям брой хора в засегнатите области.

Системи за мониторинг на нивото на реки и водоеми

Тези системи са едни от най-често срещаните. Системите и сензорите се инсталират обикновено над реки, потоци и водоеми и непрекъснато измерват нивото на водата. Ако нивото на водата нарасне над определена опасна стойност, системата може автоматично да генерира предупреждения, които се изпращат като SMS на застрашените групи от населението.

Такива системи има изградени на няколко места в България по поречията на реки и язовири. В Столична община от няколко години функционира системата Станции за автоматичен контрол на водни аномалии – АКВА, като в рамките на общината са изградени 30 станции на основните реки.

Фигура 2: Някои от точките за наблюдение. Източник: Аварийна помощ и превенция СО.

Фигура 3: АКВА станция, кв. Орландовци. Източник: автора.

Някои от основните показатели на станциите са:

Измерват абсолютното ниво и скоростта на покачване нивото на водата на реки и водоеми с 2 независими датчика;

Измерват интензитета и количеството на падналите дъждове;

Анализират в реално време измерените резултати; 

Имат собствено захранване от възобновяем източник, което позволява целогодишна автономна работа без достъп до електрическа мрежа, независимо от метеорологичните условия;

Имат дистанционно задаване на граници за абсолютна стойност и за скорост на изменение на нивото на водата и на падналия дъжд, при достигането на които станцията сама преминава последователно в три нива на “аномалия”: 

Изпращане на SMS до предварително зададени телефонни номера с различно съдържание при установяване на всяко следващо ниво на “аномалия”;

Датчик валежи: максимална интензивност – 200 мм/м2/час, чувствителност – 0,5 мм/м2;

Фигура 5. Принципна схема за задействане на процедура в зависимост от нивото на реката. Източник: Атанас Кръстанов

От графиката се вижда как нивото на водата се повишава с времето (синята линия). Когато нивото на реката достигне зададената стойност за тази станция (червената линия), трябва да се предприеме евакуация по предварително разработен план.

В България съществуват изградени подобни системи за наблюдение на нивата на водите в реките и язовирите. 

Космически системи за наблюдение и ранно предупреждение от природни бедствия, вкл. и наводнения 
Съществуват 3 основни вида космически технологии, които играят важна роля в ранното предупреждение различни за начало и проследяване на бури и урагани, наводнения и свлачища. Те наблюдават както обширни територии от земната повърхност, така и милиметрови отклонения от движението на земни маси и анализират растителни покривки. 

• Сателитни телекомуникации сe използват по 2 начина – да предават данни от сензори, разположени в отдалечени райони, до обсерватории, където се анализират и използват за разработване на прогнози относно потенциално катастрофални събития, и да се предават предупреждения от един географски регион в друг. 
• Наблюдение на Земята; някои примери за приложения включват: следене развитието на наводненията в много големи басейни; проследяване пътя на циклоните, тайфуните и ураганите в морето, преди да достигнат сушата; оценяване сериозността на засушаванията; определяне наличието на горещи точки в активните вулкани; проследяване на активни движения на инфраструктурни обекти (напр. мостове и виадукти), включително свлачища; и др. 
• Сателитна навигация или сателитна навигационна система за автономно геопозициониране. Сателитна навигационна система с глобално покритие се нарича глобална навигационна спътникова система (GNSS).
  Понастоящем сателитните телекомуникации и наблюдението на Земята се използват по-често в няколко вида системи за ранно предупреждение.

Независимо, какви технологии се използват, добрата научно приложна практика е да се съчетават наземни и космически технологии за генериране на модели и предупреждения от наводнения. Една опростена примерна схема е изобразената по-долу:

Фигура 6. От алармиране за опасност до крайния потребител. Източник: Атанас Кръстанов

Често се счита, че достъпът до сателитни данни е труден и ограничен. За щастие, вече имаме достъп до все повече данни с отворен достъп от правителствени сателити като Landsat и Sentinel, както и безплатните ресурси за облачни изчисления като Amazon Web Services, Google Earth Engine и Microsoft Planetary Computer. За съжаление обаче, тези ресурси не се използват пълноценно от държавните и общински служби за наблюдение на земята и своевременно оповестяване за предстоящи наводнения и други бедствия.

Наблюдението на исторически данни, могат да покажат как реките са се изместили от своите обичайни корита, къде има презастрояване в рискови от наводнение области или как бреговата линия е ерозирала.

Най-продължителната сателитна мисия на Земята е на сателита Landsat. Генерираната база от изображения на Земята при него е от 1972 г. насам. Най-новият спътник от серията, Landsat 9, беше изстрелян от НАСА през септември 2021 г. На изображението голата земя изглежда кафява или червеникава, растителността е зелена, а натоварената със седименти вода и наситената почва са нюанси на синьото.

Едно от ограниченията на тези сателити, които предоставят общодостъпна информация е тяхната пространствена и времева резолюция. Landsat има времева резолюция от 16 дни, което означава, че едно и също място на Земята се заснема приблизително веднъж на всеки 16 дни. С Landsat 8 и 9 в орбита можем да получим глобално покритие на Земята веднъж на всеки 8 дни. За бърза оперативна работа тези данни няма да вършат качествена работа, но при изучаване на тенденции, сравненията с минали и сегашни данни са по-лесни.

Глобална система за информиране за наводненията (Global Flood Awareness System GloFAS). 

Предложен е нов глобален компонент за мониторинг на наводненията, който се основава на автоматизираната обработка на спътникови данни от радара от “Сентинел-1” (SAR) по програма “Коперник”, използване на ансамблов подход, базиран на 3 отделни най-съвременни алгоритми за откриване на наводнения от сателити.

Изследователите от целия свят разработват нови системи за изкуствен интелект, които ще помогнат за прогнозиране и предупреждение за наводнения чрез обработка на изображения и други данни, заснети от сателити. За Европа се използва сателитната програма Sentinel на Европейската космическа агенция.

Космическите системи играят важна роля в ранното предупреждение за наводнения, като предоставят информация от високотехнологични сателити и сензори, които могат да следят и анализират условията на земната повърхност и атмосферата. 

Сателитни данни и изкуствен интелект

Чрез сателитно наблюдение на водни структури може:

Да се засече милиметрово движение на структури и развитие на растителност;
Да се изведе ежемесечно отдалечени наблюдения и статистика на промяната на растителността, вегетационна влага; 
Да се направи годишен ретроспективен анализ на данни за определяне на движението на земята и тенденциите на просмукване;
Да се направи анализ на промените надолу по веригата за картографиране на риска от наводнения и актуализации на класификацията на опасностите.
Движението на земната кора от различни природни и антропогенни дейности (пропадане на пътища при строителство, подземни работи и др.) особено при интензивни и продължителни валежи е много важно да се наблюдава. Спътниковото наблюдение обхваща голям период от време от 2016 г. досега и с точност до милиметър анализира движението на структури на земята във вертикално направление. Без да се впускаме в подробности, ще покажем крайния резултат от спътникови измервания на вертикално движение на земна структура, която е наблюдавана и има статистически данни в периода 2016 – 2021 г..

Чрез геопространствен изкуствен интелект се постига ретроспективен анализ, който точно определя тенденциите и аномалии – необичайни промени в движението на земята, растителността и нива на влага, което помага за разполагане на ресурси на правилното място на правилното време. Тази сравнително нова за България технология ще бъде използвана за анализ на свлачища, пропадане на инфраструктура (пътища, мостове, тунели, сгради и др.).

Предимствата са очевидни – ясна непрекъсната картина на цялата база активи и намаляване на оперативни разходи чрез намаляване на случайни проверки и поддръжка. Не на последно място е и намаленият риск за безопасността. Събраните данни от различни космически сензори се обработват и анализират чрез технологии като изкуствен интелект и машинно обучение, което може да помогне за по-точни прогнози и предупреждения.

Тези космически системи са важни инструменти за предварителното определяне на засегнатите области, което може да помогне за подготовката и предприемането на необходимите действия преди наводнението да стане сериозна заплаха.

Сигнали за всички опасности на всички места или Alert For All (A4A) 

Въвеждането на комплексни системи за ранно оповестяване в един град представлява важна стъпка към повишаване на сигурността и готовността на населението предвид разнообразни заплахи и бедствия. Системите обединяват различни технологии и комуникационни мрежи с цел ефективно предоставяне на информация и инструкции към гражданите, когато се налага. Въведените информационни табла на стратегически места, като автобусни спирки, метро, МОЛ, хотели, улици и офиси, играят ролята на важни визуални и комуникационни точки за разпространение на предупреждения и насоки.

Тази интегрирана система позволява на гражданите и посетителите на града да получат навременна и актуална информация като текстови съобщения относно евентуални бедствия като наводнения, горски пожари, замърсявания с опасни газове и фини прахови частици и др. Тези предупреждения могат да дойдат от различни източници като метеорологични служби, сензори за наблюдение, сателитни системи и други. С информацията, предоставена на информационните табла, гражданите могат да се подготвят и предприемат необходимите стъпки за сигурността си. Тази информация може да се комбинира със система за оповестяване посредством мобилните оператори.

В интернет съществуват множество платформи за предупреждения от различни видове бедствия. Повечето от тях са със свободен достъп, но не всички предават данни от последната минута. 

Фигура 7. Карта на сигналите за бедствия през последните 4 дни. 
Такива системи също така дават възможност на органите за управление на бедствията да поддържат свързаност и взаимодействие с обществото по време на кризи. Трябва да се има предвид, че повечето подобни системи генерират своята информация автоматично и услугите, примерно на GDACS, не са предназначени да заменят официалните източници на информация или местните и националните органи за гражданска защита, които имат отговорността да издават евакуационни или други мерки за защита на гражданите. Предупрежденията и автоматичните оценки на въздействието изискват допълнителна проверка от алтернативни източници на данни. Те не следва да се използват за вземане на решения без алтернативни източници на информация, които да потвърдят или опровергаят тяхната валидност.

Унгарската национална асоциация за радиосигнализация за бедствие и инфокомуникации (RSOE)
RSOE управлява Информационната служба за извънредни ситуации и бедствия (EDIS) с цел наблюдение, документира и анализира всички видове извънредни или бедствени събития по целия свят. RSOE обработва данни на няколко организации, органи и доверени медии, за да получат надеждна информация, като използва високата скорост и огромна база данни в интернет. Предоставените услуги включват показване на събраната информация за различни потребителски интерфейси и уведомяване на клиентите за избрани събития.

Фигура 8. Основни стъпки за работата на EDIS.

Системите за ранно предупреждение са ключови инструменти за адаптация към климатичните промени и намаляването на риска от бедствия и имат за цел да избегнат или намалят опасността и щетите, както за хората така и за околната среда. Когато се комбинират данните събрани от спътници, наземни сензори и визуално наблюдение, ще може по-лесно и надеждно да се прогнозират наводнения и свлачищни процеси. Службите на гражданска защита могат да издават ранни предупреждения, на база на количеството валежи, които могат да предизвикат наводнения, и свързаните с тях опасности от свлачища за определен наклон или определен тип почва.