Europejskie standardy zarządzania zbiornikami retencyjnymi wymagają: zachowania dobrego potencjału ekologicznego zasobów

Transkrypt

1 Od Koordynatorów Strategiczny projekt badawczy Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap) wypracowane rozwiązania Europejskie standardy zarządzania zbiornikami retencyjnymi wymagają: zachowania dobrego potencjału ekologicznego zasobów wodnych i związanych z nimi ekosystemów, wykorzystania wód zbiorników zgodnie z ich funkcją gospodarczą, a także zapewnienia bezpieczeństwa budowli piętrzących w warunkach zagrożeń naturalnych i technologicznych. Podczas wieloletniego użytkowania zbiorników zaporowych ich stan techniczny uległ zmianom. Zmieniły się również, wskutek naturalnych procesów biologicznych, warunki przyrodnicze w ich środowisku. Przemiany gospodarcze i społeczne powodują, że obecnie zbiorniki pełnią więcej funkcji niż zakładano podczas ich budowy. Wieloaspektowe podejście do zarządzania zasobami wodnymi i zbiornikami zaporowymi wymusza uwzględnienie relacji pomiędzy efektywnością gospodarczą, ochroną przed zagrożeniami naturalnymi i antropogenicznymi oraz wartościami środowiska przyrodniczego. Rozwiązywanie problemów związanych z użytkowaniem i zarządzaniem wielofunkcyjnymi zbiornikami zaporowymi wymaga wiedzy i rozwagi. Konsekwencje nietrafnych decyzji mogą prowadzić do degradacji środowiska przyrodniczego, a odwrócenie ich skutków może być trudne i czasochłonne. Jak zatem nauka może wspomóc zarządzanie zbiornikami zaporowymi? Interdyscyplinarny zespół badawczy Uniwersytetu Śląskiego w Katowicach (koordynator), Politechniki Krakowskiej, Instytutu Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach i Instytutu Podstaw Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu podjął próbę stworzenia naukowych podstaw zarządzania zbiornikami w ramach Projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap). Wykonanie zadań projektu byłoby niemożliwe bez zainteresowania i wsparcia partnerów strategicznych Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA w Katowicach oraz Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w Gliwicach. W pracach projektu uczestniczyli także: Instytut Ochrony Przyrody PAN w Krakowie, NILU Polska sp. z o.o., Zakłady Ichtiobiologii i Gospodarki Rybackiej oraz Gospodarki Stawowej PAN w Gołyszu, a także Ecoclima Serwis SJ z Katowic. Współczesne zarządzanie takimi obiektami jak zbiorniki zaporowe musi bazować na informacjach oraz scenariuszach działania. Scenariusze muszą wynikać bezpośrednio z instrukcji gospodarowania zbiornikiem lub być z tym dokumentem zbieżne. Zarządzanie wymaga ciągłego ustalania hierarchii ważności funkcji i zakresu możliwych kompromisów, niezbędnych w ich realizacji. W projekcie Zi- ZOZap problem ten rozwiązaliśmy kompleksowo, odpowiadając na pytania, o których piszą w kolejnych artykułach wykonawcy projektu. Jak gromadzić niezbędne dane? Jak je weryfikować i archiwizować? Jakich narzędzi użyć do wspomagania przetwarzania i interpretacji uzyskiwanych wyników? Jakich modeli cyfrowych użyć do efektywnego przewidywania zdarzeń? Jak dostosowywać system zarządzania do bieżących lub przewidywanych w dalszym okresie zmian? Modelem w naszych badaniach był czwarty pod względem powierzchni i piąty pod względem pojemności zbiornik w Polsce wielofunkcyjny zbiornik goczałkowicki. W ramach projektu naukowcy testowali innowacyjne metody monitoringu wód, pozwalające śledzić online w 15- minutowych przedziałach jak zmieniają się właściwości wody. Elementami automatycznego monitoringu hydrologicznego, hydrochemicznego i meteorologicznego są na przykład użyte przez nas zdalne, wieloparametrowe sondy hydrologiczne, analizujące 11 podstawowych wskaźników hydrochemicznych w wodach zbiornika oraz po 7 wskaźników na dopływie i wypływie. Monitoring w ramach projektu to również monitoring zlewni, jako uzupełnienie istniejącego systemu prowadzonego przez IMGW PIB oraz Ecoclima Serwis SJ (Siudy i wsp.). Stosowano także nowoczesne metody molekularne pozwalające na ocenę zagrożeń toksykologicznych w wodzie i osadach, jak również monitorowania mikroorganizmów w wodzie prowadzące do oceny jakości środowiska (Łaszczyca i wsp.). Gromadzenie niezbędnych informacji o stanie szeroko rozumianego środowiska wymusiło opracowanie narzędzi weryfikacji, gromadzenia, przetwarzania i udostępniania danych, potrzebnych do uzyskania niezbędnej wiedzy do zarządzania zbiornikiem (Długosz i wsp.). Dzięki tym informacjom możliwe było m.in. opracowanie modeli hydrodynamicznych (Hachaj i wsp.), a także ocena pojemności, stopnia zalądowania i miąższości osadów dennych zbiornika (Bojarski i wsp.). Na bazie tych informacji były również tworzone unikatowe, nie tylko w skali kraju, wieloaspektowe modele pracy zbiornika, obrazujące i prognozujące przebieg zachodzących w nim procesów oraz sekwencje stanów hydrologicznych i ekologicznych. Modele umożliwiają określenie konsekwencji zmian i pozwalają na tworzenie, a także wybór scenariuszy zarządzania (Bojarski, Nachlik i wsp.). Zaawansowane trójwymiarowe modelowanie obejmuje również zjawiska przyrodnicze zachodzące w ekosystemie zbiornika, mające wpływ na jakość wód i jakość środowiska przyrodniczego (Kliś i wsp.). Przygotowaliśmy także nowe narzędzia wspomagające gospodarkę rybacką, w tym nieinwazyjne metody oceny liczebności ryb oparte na komputerowej automatycznej analizie obrazów sonarowych (Łozowski i wsp.). Nowatorskie metody badawcze i kompleksowe analizy wdrożone w projekcie zaowocowały wypracowaniem narzędzi oraz dobrych praktyk, które pomagają zracjonalizować zarządzanie zbiornikiem. Narzędzia te służą do ustalenia zasad pracy, oceny planów operacyjnych, opracowania strategii zarządzania, opartych na systemie scenariuszy. Hierarchia scenariuszy odpowiada gradacji problemów według zasady: co musi być zrobione, co może być zrobione i co jest rekomendowane do realizacji w określonej sytuacji, np. podczas wezbrań, suszy i w normalnych warunkach eksploatacji zbiornika. Treści tego zeszytu Gospodarki Wodnej wypełniają, z konieczności zwięzłe, artykuły dotyczące zasygnalizowanych wyżej zagadnień autorzy starali się w nich przybliżyć niektóre z wypracowanych w Projekcie ZiZOZap narzędzi wspomagających zarządzanie zbiornikiem. Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG /09 Nadal śledzimy zmiany zachodzące w zbiorniku i uzupełniamy bazy danych. Jednocześnie przygotowywane są wdrożenia i prowadzone konsultacje z potencjalnymi partnerami zainteresowanymi wynikami naszych badań i proponowanymi rozwiązaniami zarządczymi. Zdobyte na zbiorniku goczałkowickim doświadczenia pozwolą nam zaadaptować wypracowane narzędzia do wspomagania zarządzania innymi zbiornikami zaporowymi w Polsce. Paweł Migula, Piotr Łaszczyca, Andrzej Woźnica Gospodarka Wodna nr 8/

2 ANTONI BOJARSKI, ZOFIA GRĘPLOWSKA Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Zalety i uwarunkowania analizy DPSIR w identyfikacji problemów zbiornika retencyjnego W artykule przedstawiono wybrane, podstawowe zagadnienia dotyczące zastosowania analizy DPSIR do identyfikacji problemów istotnych dla zarządzania wielozadaniowym zbiornikiem retencyjnym Goczałkowice. Omówiono uwarunkowania interpretacji i powiązania członów tej analizy, prowadzonej dla każdej z głównych funkcji zbiornika, a także uwarunkowania samego procesu, wynikające przede wszystkim z zakresu i niejednolitego poziomu szczegółowości dostępnych danych. Wskazano również korzyści i możliwe zastosowania wyników tej analizy, pozwalające na stwierdzenie, że stanowią one dobrą bazę wspomagającą formułowanie efektywnych i racjonalnych rozwiązań zapewniających realizację funkcji zbiornika retencyjnego. Podstawą sprawnego systemu zarządzania zbiornikiem retencyjnym jest dobra znajomość charakterystycznych dla niego problemów. System zarządzania zbiornikiem retencyjnym można bowiem uznać za efektywny, jeśli jest przygotowany na wspomaganie realizacji podstawowych funkcji zbiornika nie tylko w okresach normalnej pracy, ale również w sytuacjach nadzwyczajnych, i to z uwzględnieniem uwarunkowań charakterystycznych dla danego obiektu. Punktem wyjścia zatem do budowy takiego systemu jest identyfikacja problemów wynikających zarówno z funkcji zbiornika, jak i jego uwarunkowań. Doświadczone osoby kierujące zbiornikiem eksploatowanym tak długo, jak goczałkowicki i wykonujące prace na nim, są w stanie te istotne problemy zdefiniować. Aby je usystematyzować oraz bardziej szczegółowo rozpoznać ich przyczyny, wzajemne powiązania i wagi, przeprowadzono analizę DP- SIR. Analiza DPSIR (Driver Pressure State Impact Response) jest narzędziem pozwalającym na identyfikację problemów i racjonalnych działań (środków) mających za zadanie ograniczenie lub likwidację niekorzystnych skutków dowolnego procesu lub zjawiska. Poszczególne elementy tej analizy należy rozumieć następująco: Driver przyczyna naturalna rozpatrywanego procesu/zjawiska. Pressure presja, czyli oddziaływanie o charakterze antropogenicznym lub naturalnym zmieniające element D. State stan zjawiska/procesu zdeterminowany przez dwa ww. elementy. Impact skutek wyżej określonego stanu. Response odpowiedź, czyli działania (środki) mające na celu ograniczenie rozmiaru tychże negatywnych skutków, dostosowane do wniosków z elementów DPSI. Identyfikacja elementów od D do I pozwala odpowiedzieć na pytanie dlaczego określone negatywne skutki wystąpiły w danym miejscu w danym momencie, co jest podstawą do sformułowania elementu R. W tym artykule skupiono się więc na komentarzu do tych właśnie elementów D-I analizy, przeprowadzonej dla zbiornika Goczałkowice, celem zidentyfikowania istotnych dla tego zbiornika problemów. Uwarunkowania interpretacji członów D- I Zbiornik Goczałkowice został oddany do eksploatacji w 1955 r. Zlokalizowany jest w km Małej Wisły i zamyka zlewnię o powierzchni ok. 522 km 2. Obecnie gospodarka wodna na zbiorniku jest zdominowana przez trzy podstawowe funkcje: zaopatrzenie w wodę Śląska, ochrona przeciwpowodziowa, poprawa i ochrona jakości ekologicznej akwenu. Pojemność całkowita zbiornika, przy MaxPP = 257,00 m n.p.m., wynosi 163,14 hm 3, pojemność przy NPP = 255,50 m n.p.m to 118,26 hm 3, zaś pojemność powodziowa letnia (wyznaczona przez rzędne: od NPP do Max PP) 45,86 m 3. Na rys. pokazano lokalizację wszystkich głównych obiektów związanych z gospodarką wodną na zbiorniku. Z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem podstawowym warunkiem efektywnej realizacji pierwszej z jego funkcji, tzn. zaopatrzenia w wodę Śląska, jest obok zastosowanych rozwiązań i stanu technicznego urządzeń możliwość pobierania ze zbiornika wody odpowiedniej jakości, czyli cechującej się właściwymi wskaźnikami fizykochemicznymi i biologiczno-mikrobiologicznymi. Należy więc odpowiedzieć na pytanie jaka jest jakość wód zbiornika, jak odbiega ona od stanu pożądanego, jakie czynniki mają decydujące znaczenie dla tej jakości i jak będzie się ona zmieniać w czasie. Celem bezpośrednim analizy DPSIR dotyczącej tej funkcji zbiornika jest sformułowanie założeń do merytorycznej bazy wsparcia decyzji o środkach prowadzących do osiągnięcia pożądanych parametrów wody w zbiorniku oraz na ujęciach. Biorąc pod uwagę fakt, że zgodnie z wymaganiami sformułowanymi w Ramowej Dyrektywie Wodnej system wspomagający zarządzanie zbiornikiem musi uwzględniać także ochronę jakości ekologicznej zbiornika (na poziomie racjonalnym z punktu widzenia jego funkcji użytkowych), należało odpowiedzieć na pytania: jaki jest aktualny stan potencjału ekologicznego zbiornika, jakie są kierunki jego zmian, a także jaki jest wpływ biocenozy zbiornika na efektywność realizacji przezeń jego podstawowych funkcji użytkowych, szczególnie zaopatrzenia w wodę, zważywszy że okresowo może wystąpić konflikt w tym zakresie. 280 Gospodarka Wodna nr 8/2014

3 Teren depresyjny Lokalizacja głównych obiektów zbiornika Goczałkowice Pod uwagę należało także wziąć m.in. uwarunkowania i wymagania dotyczące obszarów specjalnej ochrony (Natura 2000), którymi objęto część zbiornika i jego zlewni. W przypadku drugiej z użytkowych funkcji zbiornika oczekiwana jest odpowiedź na pytanie jaka była dotychczasowa efektywność przeciwpowodziowa zbiornika oraz czy i w jakim zakresie należałoby zmodyfikować instrukcję sterowania zbiornikiem, a także ewentualnie, konstrukcję urządzeń upustowych, by osiągnąć oczekiwaną efektywność zbiornika w sytuacji prognozowanych zmian charakterystyk wezbrań na ciekach go zasilających i planowanych zmian poborów wody. Należy też pamiętać, że dodatkowymi czynnikami wpływającymi na realizację ww. trzech funkcji zbiornika jest techniczny stan obiektów zbiornika. Jak widać interpretacja poszczególnych elementów analizy D I pod kątem systemu zarządzania zbiornikiem wymaga dokonania dekompozycji istotnych procesów i zjawisk, odpowiednio do elementów analizy, co nie jest zadaniem banalnym, szczególnie że poszczególne elementy się zazębiają. Ponadto chodzi o to, by interpretacja ww. członów miała charakter szczegółowy, pozwalający w maksymalnym zakresie na ich definicję na poziomie ilościowym, a nie tylko jakościowym opisowym. Wnioskowanie przydatne do celów budowy systemu zarządzania to bowiem wnioskowanie w kategoriach ile, a nie tylko jak. Stąd starano się określone zjawiska, procesy i ich zmiany charakteryzować odpowiednimi wskaźnikami: standardowymi lub definiowanymi na potrzeby tej analizy. Uwarunkowania procesu analizy i wnioskowania W trakcie prowadzenia analiz i ocen ilościowych napotykano na trudności związane m.in. z brakiem odpowiednich danych lub różną jakością danych pochodzących z różnych okresów eksploatacji zbiornika, co skutkuje tym, że są one trudno porównywalne. Ilustrują to następujące przykłady: Czynnikiem mającym wpływ na jakość ujmowanej wody oraz jakość ekologiczną zbiornika jest dynamika przepływu wody przez zbiornik. W momencie rozpoczęcia analizy DPSIR stan wiedzy na ten temat był niewielki. Wstępnego rozpoznania dynamiki przepływu wody przez zbiornik Goczałkowice w określonych warunkach piętrzenia, zasilania i wiatrowych, przeprowadzono z użyciem odpowiedniego modelu [3]. Podstawą tego modelu jest odwzorowanie czaszy zbiornika. Do dyspozycji były dane batymetryczne pochodzące z pomiarów wykonanych w różnych okresach, charakteryzujące się różnym poziomem szczegółowości i dokładności. Ze względu na to, że poprawność odwzorowania dynamiki zbiornika zależy w znacznym stopniu od dokładności odwzorowania szczególnie obszarów wrażliwych (obszar cofki zbiornika, dawna trasa rzeki i zachowane jej obwałowania) konieczne było dokonanie dodatkowych pomiarów i zintegrowanie ich z pomiarami wcześniejszymi [2]. Jednym z elementów stanu zbiornika (S) jest jego stan biologiczny. Powinien on być oceniony w relacji do warunków referencyjnych wg RDW. Warunki takie dla zbiornika Goczałkowice (silnie zmieniona część wód) w trakcie procedury implementacji RDW nie zostały zdefiniowane. Ponadto do momentu rozpoczęcia prac nad analizą DPSIR nie obserwowano elementów jakości biologicznej, wymienionych w RDW. W związku z powyższym dokonano tylko wstępnej oceny stanu środowiska biotycznego w zbiorniku Goczałkowice w ujęciu jakościowym (opisowym) na podstawie dostępnych dokumentów oraz w ujęciu ilościowym, biorąc pod uwagę dane z monitoringu PIOŚ, obejmujące chlorofil-a (wskaźnik eutrofizacji wód) oraz liczbę bakterii grupy coli typu fekalnego w 100 ml wody (wskaźnik zanieczyszczenia mikrobiologicznego wód) [1]. Powyższe przykłady pokazują, że niezbędna jest wnikliwa selekcja i interpretacja dostępnych danych, na których opiera się analizę elementów D I. Ta faza prac jest bardzo istotna, bo Gospodarka Wodna nr 8/

4 w zasadniczy sposób zależy od niej to czy wynik tej analizy będzie wiarygodny i umożliwiający wnioskowanie prowadzące do zdefiniowania elementu R, czyli środków mających za zadanie poprawę efektywności realizacji funkcji zbiornika, w tym podstaw budowy systemu zarządzania nim. Trzeba zaznaczyć, że prowadząc analizę DPSIR należy mieć na względzie obowiązujące przepisy zawarte w ustawie Prawo wodne, Ramowej Dyrektywie Wodnej, rozporządzeniach dotyczących jakości wód oraz dokumentach dotyczących obszarów specjalnej ochrony (Natura 2000). Zalety analizy DPSIR jako narzędzia identyfikacji problemów zbiornika retencyjnego Analiza DPSIR jest logiczną metodą identyfikacji problemów i wskazywania kierunków ich rozwiązania. Przeprowadzana na poziomie opisowym (jakościowym) może wskazać rozwiązania intuicyjne wynikające z uproszczonego podejścia. Jej właściwe zalety ujawniają się jednak przede wszystkim przy podejściu szczegółowym, polegającym na ilościowym określeniu poszczególnych elementów ułożonych w logicznym ciągu, który narzuca wymóg łączenia tych elementów poprzez odpowiednie wnioskowanie. Doświadczenie z zastosowaniem analizy DPSIR do zbiornika Goczałkowice wykazało, że: wymusza ona inwentaryzację danych historycznych i pozwala na ich podstawie zbudować wstępne zależności i oceny, wskazuje obszary dostępności danych o różnej szczegółowości i dokładności oraz związane z tym problemy, wskazuje istotę monitoringu, jego rodzaj, zakres i częstotliwość niezbędne do uzyskania wiarygodnych danych do modeli numerycznych, umożliwiających ocenę stanu dynamicznego i jakościowego zbiornika, umożliwia ocenę elementów cząstkowych (D, P, S, I) w różnych horyzontach czasowych i przestrzennych, umożliwia szczegółową ocenę aktualnego stanu zbiornika oraz identyfikację problemów, których rozwiązywanie jest konieczne, by funkcje zbiornika były realizowane na oczekiwanym poziomie, w uporządkowany sposób pokazuje złożoność funkcjonowania zbiornika w warunkach zmienności wielu parametrów i wynikające stąd trudności na drodze do wypracowania reguł zarządzania, uwypukla istotę interdyscyplinarnego podejścia umożliwiającego wypracowanie efektywnych rozwiązań do zarządzania zbiornikiem, wskazuje na racjonalność oparcia zarządzania zbiornikiem na wybranych scenariuszach jego pracy. Wykorzystanie wyników analizy DPSIR prowadzi ponadto do określenia rodzaju oraz zakresu racjonalnego i ekonomicznego monitoringu operacyjnego, który pozwala na pozyskiwanie właściwych danych przy najniższych kosztach. W dalszej perspektywie służy to obniżeniu kosztów eksploatacji, bo identyfikacja źródeł i kierunków zagrożeń dla zbiornika przyczynia się do wyboru trafnych działań ochronnych. Analiza DPSIR stymuluje ponadto rozwój narzędzi takich, jak: modelowanie, monitoring itp. Wyniki tej analizy stanowią dobrą bazę wspomagającą formułowanie efektywnych i racjonalnych rozwiązań zapewniających realizację funkcji zbiornika retencyjnego. LITERATURA 1. A. BOJARSKI, Z. GRĘPLOWSKA, E. NA- CHLIK: (red.): Zbiornik Goczałkowice. Analiza przyczynowo-skutkowa DPSIR procesów i zjawisk istotnych z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem zaporowym, monografia nr 420, Politechnika Krakowska, A. BOJARSKI, S. MAZOŃ, P. OPALIŃSKI, P. PRZECHERSKI, A. WOLAK.: Metodyka opracowania modelu czaszy zbiornika Goczałkowice dla celów modelowania i oceny procesów sedymentacyjnych osadów. Gosp. Wodn nr E. NACHLIK, P. HACHAJ, L. LEWICKI, T. SIU- TA: Efektywność modeli hydrodynamicznych w ocenie dynamiki zbiornika retencyjnego. Gosp. Wodn nr 8. W artykule przedstawiono zakres pomiarów i badań oraz sposób opracowania charakterystyki czaszy zbiornika, na podstawie której można ocenić procesy sedymentacyjne dopływającego do niego rumowiska. Odpowiednio opracowane dane i charakterystyka zbiornika jest podstawą stosowania zaawansowanego modelowania numerycznego, wykorzystywanego w ocenie i prognozie stanów dynamicznych i jakościowych zbiornika. Badania batymetryczne obejmujące pomiar głębokości zbiornika i miąższości osadów dennych stanowiły jedno z zadań projektu badawczego o nazwie Zintegrowany System Wspomagający Zarządzaniem i Ochroną Zbiornika Zaporowego (ZiZOZap), prowadzonego na zbiorniku goczałkowickim. Ze względu na wielofunkcyjny charakter zbiornika Goczałkowice i cele postawione w projekcie niezbędna była dokładna wiedza na temat jego pojemności, stopnia zalądowania i miąższości osadów dennych. Ponadto zaistniała konieczność przeprowadzenia dokładnych, miarodajnych i wszechstronnych pomiarów umożliwiających właściwe wykorzystanie modeli obliczeniowych określających stan dynamiczny i jakościowy zbiornika. Z wykorzystaniem systemu GPS (Global Positioning System) sprzężonego z echosondą obszar zbiornika pokryto gęstą siecią punktów pomiarowych. Pozwoliło to zwiększyć liczbę dokonanych pomiarów w stosunku do poprzednich o rząd wielkości, a przez to zwiększyć dokładność odwzorowania czaszy zbiornika. Jednocześnie z pomiarem batymetrycznym zmierzono miąższość osadów dennych w zbiorniku. Aby zweryfikować miąższość osadów i ich przestrzenny rozkład, pobrano z czaszy zbiornika odpowiednie próbki osadów oraz określono ich ogólną charakterystykę. Pomiary batymetryczne prowadzono w latach 2011 i 2012, tj. po 2010 r., który charakteryzował się czterema wezbraniami, w tym dwoma bardzo dużymi. W trakcie prowadzenia badań nie udało się jednak udokumentować warstwy osadów z tego okresu. Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG /09 Metodyka prowadzenia pomiarów do opracowania charakterystyki czaszy zbiornika Bezpośrednie pomiary batymetryczne poprzedziła: 282 Gospodarka Wodna nr 8/2014

5 ANTONI BOJARSKI, STANISŁAW MAZOŃ, PAWEŁ OPALIŃSKI, PIOTR PRZECHERSKI, ANDRZEJ WOLAK Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Charakterystyka czaszy zbiornika Goczałkowice do celów modelowania i oceny procesów sedymentacyjnych osadów analiza materiałów archiwalnych w celu oceny: przygotowania czaszy zbiornika przed pierwszym napełnieniem, zagospodarowania oraz przekształceń związanych z eksploatacją materiałów do budowy zapór, a także oceny stanu obwałowań Wisły, znajdujących się obecnie w terenie zalewowym i kształtujących dynamikę zbiornika (rys. 1); analiza gospodarki wodnej w dotychczasowej eksploatacji zbiornika; analiza dotychczasowych pomiarów batymetrycznych obejmujących tylko pojedyncze krzywe pojemności i powierzchni zalewu. Plan pomiarów opracowano z u- względnieniem uwarunkowań echosondy, zainstalowanej na stosunkowo dużej jednostce pływającej, ze względu na znaczne falowanie na zbiorniku oraz utrudnienia i płycizny w cofce i na południowym brzegu zbiornika. Zbiór danych do utworzenia numerycznego modelu terenu miały stanowić pomiary głębokościowe wraz z punktami linii przecięcia zwierciadła wody z terenem, a powyżej aktualnego poziomu piętrzenia dane otrzymano za pomocą lotniczego skanningu laserowego. Do pomiaru miąższości i rozkładu przestrzennego osadów wykorzystano echosondę dwuczęstotliwościową oraz zaplanowano dodatkowo bezpośredni pobór próbek osadów z całej czaszy zbiornika (rys. 3). Ultradźwięki o niskiej częstotliwości emitowane przez echosondę są słabo tłumione przez miękkie osady, przenikają je, docierając do warstwy podłoża o wyższej gęstości. Na granicy osadów twardych i miękkich powstaje wyraźne echo pozwalające na odróżnienie stropu pierwotnego dna. Na echogramie zostają odwzoro- Rys. 1. Plan sytuacyjny zbiornika etap projektowy z informacją o miejscach poboru materiałów na budowę zapór głównej i bocznej 100 m powierzchnia dna powierzchnia starego dna Rys. 2. Fragment echogramu dna zbiornika wodnego [A. Osadczuk] wane warstwy utworów stanowiących podłoże aktualnego dna (rys. 2). Oczekiwanym efektem pomiarów do opracowania charakterystyki czaszy zbiornika Goczałkowice miały być: numeryczny model aktualnej czaszy zbiornika do rzędnej MaxPP, spełniający wymagania wykorzystanych modeli hydraulicznych i jakościowych; numeryczny model pierwotnej czaszy zbiornika; mapa różnicowa, przedstawiająca miąższość i rozkład przestrzenny osadów dennych; głębokość (m) Gospodarka Wodna nr 8/

6 Rys. 3. Warstwicowy model czaszy zbiornika oraz lokalizacja poboru próbek osadów z dna zbiornika Goczałkowice aktualna krzywa pojemności i powierzchni zalewu zbiornika; ogólna charakterystyka osadów określająca ich podatność na przemieszczanie. Do pomiarów parametrów czaszy zbiornika Goczałkowice zastosowano system GPS Garmin 18x, połączony interfejsem szeregowym z dwuczęstotliwościową echosondą Reson Navisound 215. Umożliwiło to odczyt głębokości zbiornika i miąższości osadów z jednoczesnym określeniem ich pozycji. Przetwornik echosondy przymocowany do burty łodzi był zanurzony w wodzie na stałą głębokość 10 cm. Antenę systemu GPS zamontowano nad przetwornikiem echosondy. Dokładność pomiaru głębokości od 0,5 m określono na ok. 1 cm. Rzędna piętrzenia [m n.p.m.] Pomiar batymetryczny prowadzono w dwóch wariantach: podstawowym i rozszerzonym. Wariant podstawowy zastosowano w strefie przybrzeżnej zbiornika, a odczyt głębokości wykonywano co 1 sekundę. Wariant rozszerzony zastosowano w miejscach, gdzie zagęszczenie punktów pomiarowych było wskazane ze względu na istniejące zróżnicowanie dna. Dotyczyło to zwłaszcza obszarów niezniwelowanych podczas przygotowania czaszy zbiornika. Odczyt głębokości wykonywano cztery razy w ciągu sekundy co stanowiło niewątpliwą zaletę, a współrzędne punktu były interpolowane liniowo Max PP 257 [m n.p.m.] A = 30,50 [km 2 ] V = 163,14 [hm 3 ] 256 NPP 255,5 [m n.p.m.] A = 28,66 [km 2 ] V = 118,26 [hm 3 ] Aktualny poziom piętrzenia A = 24,96 [km 2 ] V = 91,83 [hm 3 ] NPP rob. 254,5 [m n.p.m.] 253 Część krzywej Część krzywej opracowana MinPP dla ZUW 251,5 [m n.p.m.] 252 opracowana na podstawie na podstawie danych A = 14,15 [km 2 ] V = 32,32 [hm 3 ] danych z echosondy ze skaningu laserowego A = 10,45 [km 2 ] V = 20,12 [hm 3 ] MinPP 250,5 [m n.p.m.] ,00 10,00 20,00 30,00 40,00 50,00 60,00 70,00 80,00 90,00 100,00 110,00 120,00 130,00 140,00 150,00 160,00 170,00 Objętość zbiornika [hm 3 ] Rys. 4. Krzywa pojemności zbiornika Goczałkowice wg pomiarów z 2012 r. Model czaszy oraz ocena procesów sedymentacyjnych W celu opracowania modelu czaszy oprócz danych uzyskanych z bezpośrednich pomiarów echosondą wprowadzono liczne dane uzupełniające, tj.: punkty linii przecięcia zwierciadła wody z terenem, dane powyżej aktualnego poziomu piętrzenia uzyskane ze skanningu lotniczego, a także dla dokładniejszego odwzorowania modelu czaszy zbiornika naniesiono przebieg wałów przeciwpowodziowych Wisły. Punkty z pomiarów batymetrycznych poddano procesowi tworzenia siatki. Interpolację punktów pomiarowych wykonano metodą Krigingu, z uwzględnieniem linii szkieletowych wałów Wisły, miejsca kontaktu zapory z podłożem oraz brzegów zbiornika. Uzyskano regularną siatkę o rozmiarze oczka wynoszącego 5 metrów z interpolowanymi wartościami głębokości zbiornika w węzłach siatki, co stanowiło dokładność oczekiwaną do modelowania hydraulicznego i jakościowego zbiornika. W kolejnym etapie generowania mapy batymetrycznej zbiornika zweryfikowano lokalnie złe wyniki pomiarów spowodowane m.in. falowaniem, pojawieniem się ławic ryb lub zakłóceniami atmosferycznymi wpływającymi na zanikanie sygnału GPS. Końcowym etapem prac było utworzenie numerycznych modeli czaszy zbiornika oraz mapy różnicowej przedstawiającej przestrzenny rozkład osadów w zbiorniku. Warstwicowy model czaszy przedstawiono na rys. 3. Model ten posłużył do aktualizacji krzywej powierzchni zalewu i krzywej pojemności zbiornika (rys. 4). Zgromadzone i przetworzone dane posłużyły do wygenerowania w programie SURFER mapy miąższości osadów dennych w zbiorniku Goczałkowice. Jednocześnie, aby zweryfikować wyniki pomiarów, pobrano 21 próbek (rys. 3) osadów z różnych miejsc dna zbiornika, uwzględniając obszar: czaszy zbiornika, cofki i ujścia rzeczki Bajerki. Materiał pod wodą pobierano odpowiednio przygotowanymi sondami o średnicy 110 mm i 65 mm oraz długości 1,3 metra. W osady wbijano rurę osłonową o średnicy 125 mm, a do jej wnętrza wkręcano sondę. Po wydobyciu sondy na pokład urobek wprowadzano do pojemnika (fot.), wykonywano opis próbki i przewożono do labora- 284 Gospodarka Wodna nr 8/2014

7 Zawartość ziarn o średnicy mniejszej niż d Zawartość ziarn o średnicy większej niż d Miąższość warstwy [cm] Nr otworu Podział próbki Rodzaj gruntu analiza makroskopowa Rodzaj gruntu analiza areometryczna Przybliżona zawartość CaCO 3 [%] wg PN-75/B Klasa zawartości węglanów Gęstość objętościowa ρ [g/cm 3 ] Części organiczne I om [%] Pojemnik z próbą osadów z otworu nr 3 torium. Przykładowe wyniki badań osadów przedstawione na rys. 5. Przy tym sposobie pobierania próbek osadów następowała ich kompremacja w sondzie, stąd mierzono wysokość pobranej próbki oraz głębokość otworu po próbce. Różnica długości rdzenia i otworu, a także badania laboratoryjne próbek, potwierdzają, że osady gromadzące się na dnie zbiornika Goczałkowice charakteryzują się małą gęstością, przez co zdolnością do przemieszczania w czaszy zbiornika pod wpływem zjawisk wiatrowych (falowanie i prądy) oraz zwiększonych dopływach wody do zbiornika. Podsumowanie 13,5 1-dół Namuł Pył piaszczysty próchniczy <1 I 1,69 3,61 3/1 10,5 2-góra Namuł Piasek gliniasty - próchniczy <1 I 1,47 4,83 Rys. 5. Charakterystyka próbki nr 3 wraz z krzywą granulometryczną Na podstawie uzyskanych doświadczeń w trakcie prowadzenia badań można sformułować następujące wnioski: Dane uzyskane z wyników pomiarów z różnych okresów były trudne do porównania ze względu na różny sposób prowadzenia i dokumentowania badań. Użycie nowoczesnego sprzętu i technologii z wykorzystaniem systemu GPS i echosondy umożliwiło uzyskanie dużej liczby punktów pomiarowych rozłożonych wg potrzeb na badanym obszarze, co znacząco wpłynęło na dokładność opracowanych wyników. Zbiór danych do opracowania NMT (numeryczny model terenu) powinny stanowić wyniki pomiarów głębokościowych wraz z punktami linii przecięcia zwierciadła wody z terenem; powyżej poziomu piętrzenia dane otrzymano za pomocą skaningu laserowego. Po pierwszej fazie analizy danych najczęściej zachodzi potrzeba wykonania pomiarów uzupełniających. Numeryczny model odwzorowania kształtu czaszy zbiornika do wykorzystania go w modelowaniu należy wykonać przy zastosowaniu siatki o rozmiarze oczka 5 m. Zalądowanie zbiornika określono na 5,3 mln m 3, co stanowi 3,2% jego pojemności za cały okres eksploatacji. Jest to wskaźnik niski i świadczy o długowieczności zbiornika Goczałkowice. Pomiary batymetryczne potwierdziły istotne zalądowanie w cofce zbiornika sięgające 3 4 km. Natomiast w rejonie ujścia Bajerki i południowego brzegu zbiornika utrata pojemności następuje raczej przez zarastanie. Reasumując, pomiary batymetryczne wykazały, że ilość osadów w czaszy zbiornika Goczałkowice nie jest zagrożeniem dla istotnej utraty jego pojemności. Natomiast występowanie osadów o drobnej frakcji, kumulujących zanieczyszczenia i podatnych na przemieszczanie się podczas falowania, może stanowić w całej czaszy zbiornika istotny problem dla utrzymania odpowiedniej jakości wody w zbiorniku. LITERATURA 1. R.M. ALKAN, Y. KALKAN, N.O. AYKUT, Sound velocity determination with empirical formulas&bar Check. XXIII FIG Congress Munich, Germany: A. BOJARSKI, S. MAZOŃ, A. WOLAK, Czasza zbiornika zaporowego Goczałkowice, jej przygotowanie i zmiany w dotychczasowej eksploatacji, konferencja Projektu ZiZOZap, Katowice G.I. MORRIS, Fan., Reservoir sedimentation hadnbook. McGraw Hill, New York, A. OSADCZUK Geofizyczne metody badań osadów dennych. Studia Limnologica et Telmatologica 1,1, 25 32: U.S. Army Corps of Engineers Single Beam Acoustic Depth Measurements Techniques, Chapter 9. EM : Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG /09 Gospodarka Wodna nr 8/

8 PAWEŁ HACHAJ, LESZEK LEWICKI, ELŻBIETA NACHLIK, TOMASZ SIUTA Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Efektywność modeli hydrodynamicznych w ocenie dynamiki zbiornika zaporowego Przedmiotem publikacji jest wieloaspektowe, ale zintegrowane podejście do modelowania dynamiki zbiornika zaporowego; celem jest aplikacja i wykorzystanie złożonego hydrodynamicznego modelu akwenu w budowie scenariuszy zarządzania wielozadaniowym zbiornikiem retencyjnym z uwzględnieniem wymagań środowiskowych. Podejście uwzględnia złożoną strukturę czaszy zbiornika oraz zróżnicowaną dokładność odwzorowania w czasie i przestrzeni parametrów dynamicznych akwenu, dostosowanych do realnych warunków akwenu. Miarą efektywności modelu jest możliwość jego wykorzystania w ocenie i prognozie procesów transportu oraz wymiany masy na potrzeby oceny alokacji osadów i zanieczyszczeń, a także w sterowaniu falą powodziową do ochrony terenów niżej położonych. Obszarem aplikacji modelu jest zbiornik wodny Goczałkowice na Małej Wiśle. System zarządzania zbiornikiem musi gwarantować: realizację podstawowych aktualnych funkcji zbiornika, spełnienie wymagań środowiskowych w zakresie ochrony potencjału ekologicznego akwenu, zapewnienie skutecznego sterowania odpływem i funkcjonowaniem ujęć wody w warunkach nadzwyczajnych zagrożeń naturalnych i antropogenicznych. To wieloaspektowe podejście do zarządzania z uwzględnieniem wszystkich funkcji zbiornika wymaga, aby system zarządzania zbiornikiem zaporowym był wspomagany modelem funkcjonalnym zbiornika, w którym istotną rolę odgrywa model hydrodynamiczny. Model hydrodynamiczny zbiornika jest narzędziem numerycznym, umożliwiającym symulację pracy akwenu w odniesieniu do dynamiki jego wód, przy uwzględnieniu zasilania od strony rzeki, poboru wody, a także sterowania odpływem ze zbiornika. Model hydrodynamiczny zbiornika Goczałkowice Model hydrodynamiczny zbiornika goczałkowickiego obejmuje trzy cząstkowe modele numeryczne pozwala- Rys. 1. Odwzorowanie struktury przepływu zbiornika na tle jego układu topograficznego; kolorem czerwonym oznaczono przegłębienia (w tym związane z dawnym korytem Wisły), zaś ciemnoniebieskim wypłycenia, na których w strefie cofkowej zbiornika pokazano zachowaną formę dawnych obwałowań jące na obrazowanie i prognozowanie warunków hydrologicznych i klimatycznych. Są to następujące modele: Model podstawowy, o najwyższej dokładności odwzorowania dynamiki zbiornika, dwuwymiarowy w planie (2D) z rodziny SMS (Surface Water Modelling System). Uwzględnia informacje o geometrii akwenu, jego warunkach dynamicznych, rozproszone zasilanie zbiornika oraz oddziaływania wiatrów. Model ten jest dostosowany do wolno- Rys. 2. Symulacja przejścia fali powodziowej z maja 2010 r. przez zbiornik Goczałkowice 286 Gospodarka Wodna nr 8/2014

9 zmiennych przepływów w różnych strefach głębokości. Na rys. 1 przedstawiono strukturę przepływu w zbiorniku Goczałkowice na tle jego topografii dla średnich warunków zasilania, przy zerowej prędkości wiatru oraz przy przeciętnym poborze wody z ujęcia. Model uzupełniający, dwuwymiarowy w planie (2D), Hydro AS 2D, który nie uwzględnia oddziaływania wiatru, ale odwzorowuje i prognozuje szybkozmienne, wysokie przepływy nieustalone, w warunkach wezbrań powodziowych. Dodatkowo na potrzeby analizy i oceny transportu rumowiska na podstawie dennych naprężeń ścinających oraz w konsekwencji depozycji przestrzennej materiału dennego współpracuje on z modelem dwuwymiarowym CCHE2D. Model do wspomagania sterowania odpływem na potrzeby zarządzania zbiornikiem w warunkach powodziowych MIKE11. Jest to jednowymiarowy (1D) model kontroli oraz sterowania retencją powodziową zbiornika wodnego. Zakres i sposób wykorzystania składowych modelu hydrodynamicznego do tych celów został dostosowany do rodzaju i zakresu informacji. Podstawowe informacje obejmują: wartości dopływu, poboru wody i odpływu ze zbiornika, wartość piętrzenia wody w zbiorniku w pewnym zakresie może ona być niezależna od dopływu i odpływu, warunki klimatyczne, reprezentowane przez temperaturę powietrza oraz kierunek i prędkość wiatru, źródła dopływu i rodzaj zanieczyszczeń, charakterystykę granulometryczną materiału osadowego w zbiorniku. Ten podstawowy zakres informacji i danych uzupełniają dane prognostyczne, takie jak: prognoza dopływu wezbrań, prognoza zmian w zaopatrzeniu w wodę, prognoza zmian warunków zasilania związana ze zmianami klimatycznymi, inne, które będą formułowane, a są istotne dla gospodarowania wodą w zbiorniku Goczałkowice. Funkcjonalność modelu hydrodynamicznego w ocenie dynamiki zbiornika Podstawą funkcjonalności modelu hydrodynamicznego jest zakres rodzajowy odwzorowania parametrów dynamicznych, uzyskiwany przy wykorzystaniu jego składowych, na potrzeby: Sterowania odpływem ze zbiornika w warunkach normalnych i nadzwyczajnych (zagrożenie powodzią lub niedoborem wody). Na rys. 2 przedstawiono odwzorowanie, przy użyciu modelu Rys. 3. Przykład torów transportu i zasięgu zanieczyszczeń stałych w zbiorniku po 5 godzinach od ich zrzutu z części cofkowej akwenu, w warunkach bezwietrznych Rys. 4. Rozkład koncentracji rumowiska unoszonego, przy przepływie chwilowym 7 m 3 /s, po przejściu hipotetycznej fali powodziowej o kulminacji odpowiadającej Q1% Rys. 5. Przebieg nurtu głównego w warunkach bezwietrznych w zależności od wartości zasilania: od 7 m 3 /s (ciemny zielony) do 120 m 3 /s (pomarańczowy) Gospodarka Wodna nr 8/

10 Zestawienie liczbowych efektów sterowania falą powodziową przez zbiornik Goczałkowice Fala Q max [m 3 /s] Fale historyczne Objętość fali V [mln m 3 ] Q max zreduk. [m 3 /s] Stopień redukcji [%]/[m 3 /s] Czas odtworzenia [doby] NPP = 255,5 m n.p.m , /324 min , /232 min , /315 2 Fala hipotetyczna o kulminacji Q1% oryginalna i o objętości wyższej o 50% dla NPP = 255,5 m n.p.m. (obecny) Q1% , /276 6,5 Q1% , /168 6,5 Fala hipotetyczna o kulminacji Q1% oryginalna i o objętości wyższej o 50% dla NPP = 254, 5 m n.p.m. (możliwy) Q1% , /461 3,5 Q1% , / D zbiornika Goczałkowice w środowisku MIKE11, symulacji przejścia fali powodziowej z maja 2010 r. Oceny dynamiki samego akwenu pod kątem ochrony ujęcia wody przed zanieczyszczeniem; jest ona uzależniona od dynamiki zbiornika w zróżnicowanych warunkach jego zasilania, z uwzględnieniem przestrzenno-czasowej struktury transportu zanieczyszczeń, którą można symulować liniami prądu i śledzeniem torów cząstek wody dla ustalenia dróg napływu i czasu dopływu zanieczyszczeń do ujęcia wody (rys. 3). Oceny depozycji materiału unoszonego i dennego w obrębie akwenu, zwłaszcza w okresie przejściowym pomiędzy średnimi stanami quasiustalonymi oraz wezbraniami i odwrotnie (rys. 4). Efektywność modelu w ocenie dynamiki zbiornika Aby model był efektywnie wykorzystany w zarządzaniu akwenem na bazie oceny jego dynamiki w dłuższym horyzoncie czasowym, powinien zostać użyty do opracowania scenariuszy dynamicznych pracy zbiornika zarówno w obecnych, jak i prognozowanych warunkach jego zasilania. Pełny scenariusz modelowy pracy zbiornika obejmuje: Stan zbiornika opisany zbiorem zmiennych i parametrami dotyczącymi dynamiki pracy zbiornika. Zmienne to: topografia czaszy zbiornika, lokalizacja źródeł zasilania i odprowadzania wód, układ zwierciadła wody oraz pole prędkości przepływu i/lub pole jednostkowego natężenia przepływu. Parametry stanu obejmują zaś: wielkość zasilania zbiornika, pobór wody i zrzut wody, poziom piętrzenia oraz kierunek i prędkość wiatru. Funkcje stanu które opisują wzajemne wpływy i relacje parametrów stanu zbiornika oraz jego charakterystyk i wartości parametrów dynamicznych, wraz z charakterystyką statystyczną tych zachowań, przy zróżnicowanym zasilaniu i parametrach klimatycznych. Zdarzenia, przejście, sekwencja stanów to warunki, wielkości progowe oraz prawdopodobieństwo przejścia ze stanu do stanu, z określeniem konsekwencji zmian. Zbudowano trzy rodzaje scenariuszy dynamicznych, które wykorzystują podane wyżej elementy do ich budowy. Pierwszy pakiet scenariuszy oparto na symulacjach dynamiki zbiornika w ujęciu dwuwymiarowym w planie, przy wykorzystaniu wpływu warunków klimatycznych na strukturę dynamiki zbiornika w zróżnicowanych warunkach jego zasilania. W efekcie otrzymano obszerny zbiór danych przestrzenno-czasowych, których generalizacja umożliwiła sformułowanie pakietów scenariuszy zarządczych. Opisują one syntetycznie dynamikę zbiornika w warunkach zmiany zasilania i piętrzenia wody oraz zmian parametrów klimatycznych, w zakresie: przestrzennej struktury głównej linii i towarzyszących nurtów bocznych, struktury basenów dynamicznych zbiornika, stref aktywnych oraz zastoisk i wypłyceń. Typowym przykładem takiego scenariusza pakietowego jest ten pokazany na rys. 5 przebieg głównego nurtu zbiornika, w warunkach bezwietrznych, w zakresie zasilania odpowiadającego przepływom niskim, średnim i średnio wysokim. Drugi pakiet scenariuszy w ujęciu dwuwymiarowym odpowiada warunkom, lokalizacji i zakresowi transportu rumowiska oraz depozycji materiału dennego i osadowego z unosin. Trzeci pakiet scenariuszy dotyczy analiz i ocen w zakresie efektywności sterowania odpływem powodziowym, z uwzględnieniem prognozowanych wezbrań o określonym prawdopodobieństwie wystąpienia oraz prognozowanych i zalecanych warunków pracy zbiornika w okresie powodzi, w tym ukierunkowanych na kształtowanie wielkości stałej i sezonowej retencji powodziowej. W tabeli pokazano przykładowe efekty budowy scenariuszy w tym zakresie, związane z analizą wpływu wysokości normalnego piętrzenia NPP na efektywność sterowania powodzią. Jak widać, obniżenie nawet sezonowe normalnego poziomu piętrzenia NPP o 1 m, daje zdecydowanie lepszy i bardziej niezawodny efekt w redukcji hipotetycznej fali powodziowej, której kulminacja odpowiada Q1%. Dotyczy to całego zakresu wezbrań i historycznych, i powodziowych, ale fala stuletnia jest poziomem odniesienia oceny funkcjonalności dla wezbrań katastrofalnych. Niezawodność efektu redukcji dotyczy bezwzględnej wartości tej redukcji (m 3 /s), która trwa wiele godzin, a nie jest chwilowa (jak w warunkach NPP = 255,5 m n.p.m.), ale także dodatkowo w sytuacji nieprzewidywanej często drugiej kulminacji, która wymaga zwiększonej rezerwy powodziowej dla wyższej objętości dopływu (na przykład w 2010 r.) oraz szybkiego przygotowania tej rezerwy przez odtworzenie jej (patrz ostatnia kolumna tab. czas odtworzenia NPP). Warto także podkreślić, że sterowanie powodzią w 2010 r. odbyło się już po wprowadzeniu nowej instrukcji tego sterowania i znacznie przewyższyło efektywnością poprzednie (1972, 1997). LITERATURA 1. A. BOJARSKI, Z. GRĘPLOWSKA, E. NA- CHLIK (red.): Zbiornik Goczałkowice. Analiza przyczynowo-skutkowa DPSIR procesów i zjawisk istotnych z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem zaporowym, monografia nr 420, Politechnika Krakowska, P.S. HACHAJ: The River Memory effect: an attempt to understand and model it ; in Experimental and computational Solutions of Hydraulic Problems; GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences; Springer-Verlag Berlin Heidelberg Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG / Gospodarka Wodna nr 8/2014

11 ANTONI BOJARSKI, ZOFIA GRĘPLOWSKA, ELŻBIETA NACHLIK Politechnika Krakowska Wydział Inżynierii Środowiska Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Scenariusze pracy zbiornika jako podstawa zarządzania nim Zarządzanie wielozadaniowym zbiornikiem zaporowym, jakim jest zbiornik Goczałkowice, wymaga reagowania na zmieniającą się sytuację w samym zbiorniku, a także w jego otoczeniu, zależną od czynników, których znaczna część ma charakter losowy. Po to, by reagowanie na określoną sytuację miało racjonalny charakter, rekomenduje się, by oprzeć je na procedurach określonych w zintegrowanych scenariuszach pracy zbiornika. W artykule bliżej uzasadniono takie stanowisko, zdefiniowano pojęcie scenariusza pracy zbiornika, przedstawiono jego elementy oraz wskazano drogę dojścia do scenariusza zintegrowanego. Przedstawiono także pokrótce grupy scenariuszy dla zbiornika Goczałkowice związane ze zmianami zasadniczych uwarunkowań jego pracy. Docelowym zamierzeniem praktycznym Projektu ZiZOZap była budowa propozycji systemu wspomagającego zarządzanie zbiornikiem Goczałkowice, umożliwiającego najefektywniejszą w danych warunkach, bezpieczną i o wysokiej niezawodności realizację funkcji użytkowych zbiornika (zaopatrzenie w wodę i ochrona przeciwpowodziowa) oraz ochronę jego ekosystemu. Gospodarowanie wodami zbiornika (sterowanie zbiornikiem) opiera się na, z pozoru prostej, relacji: dopływ pobór retencja (pojemność zbiornika) zrzut. Deklarowanie wartości zrzutu jest jednak decyzją odpowiedzialną, mogącą mieć poważne skutki natury ekonomicznej, społecznej i środowiskowej (również/zwłaszcza w obszarze poniżej zbiornika), a także trudną, bo za każdym elementem przytoczonej relacji kryją się problemy opisane szczegółowo w wyniku analizy DPSIR [1]. Kilka wybranych przykładów dla po- Rys. 1. Zmiany poziomów piętrzenia w zbiorniku Goczałkowice w okresie od stycznia 2000 r. do stycznia 2010 r. szczególnych elementów przytoczonej relacji podano poniżej. Dopływ do zbiornika Problem polega na tym, że jest to wielkość o losowej zmienności, a zasadnicze znaczenie ma prognoza dopływu wysokiego, obejmująca wartość przepływu kulminacyjnego, objętość fali i czas jej dobiegu (należy zaznaczyć, że nie rozporządzamy obecnie takimi prognozami, by z wysoką gwarancją i odpowiednim wyprzedzeniem czasowym uzyskać dane dla najwyższych wezbrań). Równie trudne do prognozowania są przypadki przepływów najniższych. Pobór wody na zaopatrzenie Śląska Należy pamiętać, że jest to priorytetowa funkcja zbiornika Goczałkowice, co generuje określone uwarunkowania dla innych typów użytkowania zbiornika; ponadto trzeba zauważyć, że choć nie losowo i nie z taką częstotliwością jak zasilanie, ale wartość jego co pewien czas może się zmieniać w zależności od zapotrzebowania oraz innych czynników (w tym jakości wody ze względu na to, że zbiornik należy do systemu, w którym alternatywnym, uzupełniającym źródłem zaopatrzenia w wodę jest Soła); dodatkowo należy też postawić pytanie jaka jest wartość maksymalnego możliwego poboru ze zbiornika i jak długi jest możliwy czas tego poboru w okresie niżówkowym, przy zachowaniu bezpiecznej realizacji pozostałych funkcji zbiornika, a także jakie są szczególne przypadki realizacji zaopatrzenia w wodę aglomeracji śląskiej. Pojemność zbiornika Wynika ona z poziomu piętrzenia kształtowanego przez gospodarkę wodną zbiornika. Poziom ten, jak poka- Gospodarka Wodna nr 8/

12 Rys. 2. Płycizny i odsłonięcia w cofce zbiornika Goczałkowice przy poziomie piętrzenia 252 m n.p.m. zują dane historyczne, podlega znacznym wahaniom na skutek losowych zmian wartości zasilania, zmian w wielkości poborów wody oraz celowych działań związanych np. z przygotowaniem zbiornika na przyjęcie wezbrania lub umożliwieniem przeprowadzenia prac remontowych obiektów zbiornika (rys. 1); obniżenie poziomu zwierciadła wody w zbiorniku poniżej NPP generuje zaś liczne konsekwencjie, niekorzystne z punktu widzenia środowiskowego, w tym związane z odsłonięciami dna w jego obszarze (rys. 2). Budując system wspomagający zarządzanie zbiornikiem należy też pamiętać o możliwych sytuacjach nadzwyczajnych (np. susza) oraz nadzwyczajnych zagrożeniach (np. skażenie wody w wyniku katastrofy komunikacyjnej na trasach krzyżujących się z drogami zasilania zbiornika). Jak widać zarządzanie zbiornikiem wymaga reagowania na zmieniającą się sytuację w zbiorniku i jego otoczeniu, zależną od czynników, których znaczna część ma charakter losowy. Pojawiają się więc m.in. pytania: Które elementy, z bardzo dużej ich liczby, mogą stanowić podstawę do opracowania prognozy zmian stanów jakościowych w długiej perspektywie czasowej? Jaką bazą do stawiania takich prognoz dysponujemy i co można zrobić, by zapobiec urzeczywistnieniu się prognozy negatywnej? Kiedy, gdzie i jakie działania należy podjąć aby osiągnąć oczekiwane efekty oraz jak te efekty monitorować? Reagowanie na poszczególne sytuacje, oparte na bieżącej prognozie skutków określonych działań, byłoby spóźnione i zapewne obarczone błędami, nawet jeśli rozporządza się sprawdzonymi narzędziami, takimi jak modelowanie hydrodynamiczne i biologiczne. Przeprowadzenie modelowania, analiza i ocena wyników oraz sformułowanie wniosków pozwalających na podjęcie decyzji i działań wymaga czasu i spokoju. Zatem po to, by reagowanie na określoną sytuację miało racjonalny charakter, tzn. by prawdopodobieństwo osiągnięcia oczekiwanego skutku było większe, a reakcja i moment jej podjęcia wynikały z udokumentowanej prognozy ich efektów, założono, że zarządzanie będzie się opierać na procedurach określonych w zintegrowanych scenariuszach pracy zbiornika. Definicja zintegrowanego scenariusza pracy zbiornika Zintegrowany scenariusz pracy zbiornika to jego reprezentatywny stan przy określonych zadaniach wraz z wykazem procedur i działań niezbędnych w zarządzaniu zbiornikiem. Zintegrowane scenariusze pracy zbiornika to wynik: analiz roboczych scenariuszy historycznych oraz ekstremalnych, ale możliwych roboczych scenariuszy hipotetycznych; wyboru spośród scenariuszy roboczych scenariuszy istotnych i budowy zintegrowanych scenariuszy pracy zbiornika. Elementy pojedynczego scenariusza roboczego to: założenia i dane do niego, wyniki modelowania hydrodynamicznego, fizykochemicznego i biologicznego (opcjonalnie), ich analizy i oceny oraz wnioski. Podstawą scenariuszy zintegrowanych są scenariusze istotne miarodajne, wybrane spośród scenariuszy roboczych w drodze interpretacji i oceny eksperckiej, odniesionej do bliskiej i dalszej perspektywy czasowej. Zasadniczym elementem, zdefiniowanym w scenariuszu zintegrowanym są procedury i racjonalne działania, stosowne do sytuacji w nim opisanej. Elementy pojedynczego scenariusza oraz relację między scenariuszami roboczymi i zintegrowanymi pokazano w tabeli. Grupy scenariuszy pracy zbiornika Goczałkowice Biorąc pod uwagę problemy istotne z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem Goczałkowice wyróżniono pięć grup scenariuszy, obejmujących następujące zagadnienia: I pobór wody na zaopatrzenie w wodę Śląska, II ochronę przeciwpowodziową terenów poniżej zapory, III suszę, IV zmiany klimatu, V inne. Pobór wody na zaopatrzenie w wodę Śląska Ta grupa scenariuszy odpowiada na pytanie o wpływ określonych poborów wody na dynamikę jej przepływu przez zbiornik, wynikający z niej sposób rozprzestrzeniania się zanieczyszczeń i przebieg procesów biologicznych w zbiorniku, a w konsekwencji zarówno na jakość fizykochemiczną wody na ujęciach, jak i na jakość ekologiczną zbiornika w różnych warunkach zasilania i wiatrowych oraz stanu napełnienia zbiornika przy stałej rezerwie powodziowej aktualnej (przy NPP = 255,50 m n.p.m.) i projektowanej (przy NPP = 254,50 m n.p.m.). W tej grupie wyróżnić można trzy podgrupy scenariuszy: stagnacyjny, zakładający w przyszłości pobór wody na poziomie obecnym, rozwojowy, zakładający wzrost poboru wody do określonego poziomu, regresyjny, zakładający spadek poboru wody do określonego poziomu. 290 Gospodarka Wodna nr 8/2014