ZINTEGROWANY SYSTEM WSPOMAGAJĄCY ZARZĄDZANIEM

Transkrypt

1 ZINTEGROWANY SYSTEM WSPOMAGAJĄCY ZARZĄDZANIEM

2 Druk na papierze w 100% z recyklingu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego

3 Realizatorzy Uniwersytet Śląski w Katowicach Koordynator Projektu Biuro Projektu: ul. Bankowa 5, Katowice zizozap@us.edu.pl Politechnika Krakowska im. T. Kościuszki w Krakowie Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska PAN w Zabrzu Partnerzy strategiczni Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA w Katowicach Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Gliwicach Partnerzy naukowi NILU Polska Sp. z o.o. w Częstochowie Instytut Ochrony Przyrody PAN w Krakowie Zakład Ichtiobiologii i Gospodarki Rybackiej PAN w Gołyszu Zakład Doświadczalny Gospodarki Stawowej PAN w Gołyszu Spis treści Zamiast wprowadzenia 4 ZiZOZap w telegraficznym skrócie 5 Od koordynatorów 6 Od partnerów strategicznych 9 Zbiornik zaporowy w Goczałkowicach w liczbach System monitoringu Identyfikacja problemów istotnych w zarządzaniu zbiornikiem Goczałkowice Kompleksowy monitoring zbiornika zaporowego jako podstawa modelowania stanu w celu zarządzania zbiornikiem Metagenomika narzędzie w badaniu ekosystemów wodnych System do szacowania ilości i biomasy ryb praktyczne narzędzia Gromadzenie i wizualizacja danych Baza danych z mechanizmami zasilania i raportowania Informatyczny system gromadzenia danych Geoportal z funkcjonalnością dostępu do bazy danych Informatyczny system prezentowania i wizualizacji danych Modele zbiornika goczałkowickiego Wprowadzenie Model hydrodynamiczny Model hydrogeologiczny zlewni bezpośredniej zbiornika goczałkowickiego Model ekosystemu zbiornika goczałkowickiego System zarządzania zbiornikiem zaporowym Scenariusze pracy zbiornika Projekt systemu zarządzania zbiornikiem wodnym 55 Ecoclima Serwis SJ w Katowicach Termin realizacji Źródło dofinansowania Program Operacyjny Innowacyjna Gospodarka Oś priorytetowa 1. Badania i rozwój nowoczesnych technologii Działanie 1.1. Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy Poddziałanie Strategiczne programy badań naukowych i prac rozwojowych Całkowity budżet ,00 PLN 4 5

4 Zamiast wprowadzenia ZiZOZap w telegraficznym skrócie Tekst autorstwa dr hab. Agnieszki Babczyńskiej, Uniwersytet Śląski, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska, publikowany w materiałach 4. Biennale Fotograficznego Uniwersytetu Śląskiego Nauka wokół nas Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego Cyfrowe ryby uwijają się w cyfrowych toniach wielkiego jeziora. W numerycznych osadach dennych tkwią numeryczne małże i wazonkowce. Wyrażony ciągiem cyfr plankton żywi i ryby, i mięczaki, i wiele innych grup zwierząt, opisanych za pomocą symboli matematycznych. Gdy nad cyfrowym jeziorem zaświeci słońce, natychmiast zmieniają się jego barwy wartościom temperatury odpowiadają kolory, które malują jego powierzchnię, i, wedle potrzeby także i głębsze warstwy wód, a wszystko według zaprogramowanej skali barwnej. A co, jeśli ocieplenie utrzyma się dłużej? Można sprawdzić: wystarczy dopisać kilka nowych cyfr, aby uzyskać obraz nasycenia wody tlenem, zawartości chlorofilu, czy obecności bakterii w przybrzeżnym mule. Czasem, w cyfrowym jeziorze gwałtownie przybiera woda. W realnym byłaby to ekologiczna katastrofa. W komputerowym jest szansa jakoś temu zaradzić. To nie jest opis gry komputerowej Jezioro craft, choć cyfrowy model realnego, wielkiego akwenu Jeziora Goczałkowickiego, sporo może mieć wspólnego z komputerową strategią. Jak w grze, także i tu mogą być potrzebne szybkie decyzje, na przykład podczas zbliżania się fali powodziowej z gór. Jak w grze, mogą zdarzać się zwroty akcji, gdy po długotrwałych upałach następują rzęsiste opady, mieszające wody jeziora aż do jego dna. Nie ma tu jednak zwycięzców i przegranych. Beneficjent może być tylko jeden zbiornik goczałkowicki, dostarczający wody do picia dla Śląska oraz przyjmujący na siebie falę powodziową. Bujny, choć sztucznie stworzony ekosystem, nigdy nie dostanie też nowego życia, w przeciwieństwie do bohatera niejednej gry. Dla zapewnienia równowagi biologicznej i hydrologicznej tego akwenu powstaje więc jego model cyfrowy, uwzględniający wszystkie, znane naukowcom z wielu dziedzin, zjawiska zachodzące w jego wodach i osadach oraz procesy życiowe zamieszkujących go organizmów. Zespoły ekologów, toksykologów, hydrologów, zoologów i wielu innych specjalistów już od wielu miesięcy kompletują potrzebne dane, które pozwolą lepiej interpretować teraźniejszość i szacować przyszłość zbiornika. Jezioro Goczałkowickie tymczasem, zgodnie z porami dni i roku od kilkudziesięciu już lat tętni życiem, którego przejawy już wkrótce znajdą swoje cyfrowe odzwierciedlenie, aby w naszym realnym życiu nie zabrakło wody przy kolejnym odkręceniu kurka kranu. Projekt Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap) jest finansowany ze środków Unii Europejskiej w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka, Oś priorytetowa 1. Badania i rozwój nowoczesnych technologii; Działanie 1.1. Wsparcie badań naukowych dla budowy gospodarki opartej na wiedzy; Poddziałanie Strategiczne programy badań naukowych i prac rozwojowych. Projektodawcą jest Uniwersytet Śląski w Katowicach. Wartość projektu wynosi ,00 PLN. Wysokość dofinansowania z Unii Europejskiej wynosi 16,7 mln PLN. Projekt ZiZOZap realizuje od stycznia 2010 r. Konsorcjum Naukowe w składzie Uniwersytet Śląski w Katowicach koordynator projektu, Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki, Instytut Terenów Uprzemysłowionych w Katowicach oraz Instytut Podstaw Inżynierii Środowiska Polskiej Akademii Nauk w Zabrzu. Przedsięwzięcie ma na celu rozwiązanie problemu obniżania się potencjału ekologicznego i funkcjonalnego zbiorników zaporowych w wyniku ich starzenia się i presji wynikających z zagospodarowania przestrzennego obszaru zlewni przy oczekiwanym jednocześnie wzroście wymagań tego potencjału. Zarządzanie zbiornikiem zaporowym wymaga informacji pozwalających na określenie: bieżącego stanu zbiornika tzw. fotografia stanu zbiornika, zmian stanu zbiornika w czasie oraz relacji statycznych i dynamicznych między poszczególnymi składnikami ekosystemu. Zbiornik zaporowy w Goczałkowicach wybrano jako obszar badawczy Projektu ZiZOZap, na którym interdyscyplinarne zespoły specjalistów prowadzą monitoring badawczy i operacyjny oraz analizy różnych elementów środowiska. Numeryczny model zbiornika zaporowego jest opracowywany przez realizatorów projektu na podstawie wyników badań i scenariuszy gospodarki wodnej. Umożliwi on bieżącą ocenę stanu jakościowego i funkcjonalnego zbiornika oraz symulowanie i prognozowanie jego zmian. Wypracowany system będzie służyć efektywniejszemu planowaniu i zarządzaniu eksploatacją zbiorników zaporowych, podejmowaniu racjonalnych decyzji tak, aby chronić potencjał ekologiczny zbiorników przy jednoczesnym utrzymaniu ich funkcji. Łódź badawcza UŚka, zakupiona w projekcie, jest niezbędna do prowadzenia badań na obszarze całego zbiornika zaporowego w Goczałkowicach, a zwłaszcza do poboru prób wody, osadów dennych, flory i fauny jeziornej oraz do obserwacji zbiornika w trakcie występowania różnych zjawisk meteorologicznych. Automatyczna stacja hydro meteorologiczna zlokalizowana jest w najgłębszym punkcie zbiornika. Działa od czerwca 2010 r. Umożliwia prowadzenie monitoringu: temperatury i wilgotności powietrza, prędkości i kierunku wiatru, temperatury wody i odczynu (co 1 metr od powierzchni do dna) oraz innych parametrów. Stacja posiada zasilanie solarne z transmisją danych GPRS. Monitoring zbiornika goczałkowickiego dostarczył danych, dotyczących 32 kategorii monitoringu, które opisują prawie 2,4 tys. parametrów mierzonych w ponad 190 punktach rozmieszczonych na obszarze badań. Oprócz punktów pomiarowych projektu korzystano również z danych udostępnionych przez Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska w Katowicach, Regionalną Dyrekcję Ochrony Środowiska w Katowicach oraz zarządzającego zbiornikiem goczałkowickim Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA w Katowicach. Model dna zbiornika goczałkowickiego o rozdzielczości 0,5 m opracowano na podstawie ponad 400 tys. pomiarów głębokości przeprowadzonych za pomocą echosondy w trakcie rejsów łodzią badawczą UŚka. Baza danych gromadzi wyniki badań warunków hydrologicznych, hydrogeologicznych i fizykochemicznych wody i osadów dennych oraz sparametryzowane wskaźniki ekologiczne i higieniczne odnoszące się do stanu flory i fauny oraz środowiska przyrodniczego wokół zbiornika. W bazie danych znajduje się obecnie 12 mln rekordów. Oprócz informacji zbieranych w trakcie realizacji projektu w bazie danych zgromadzono dane archiwalne, które zostały udostępnione przez Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA. System Informatyczny Projektu ZiZOZap jest zlokalizowany na Uniwersytecie Śląskim. Obejmuje dwie stacje obliczeniowe, serwer WWW, serwer danych, serwer FTP. Dostęp ogólny za pośrednictwem strony internetowej. Dostęp wymagający autoryzacji za pośrednictwem sieci VPN, FTP, usług sieciowych i innych. Geoportal Projektu ZiZOZap stanowi zorientowane przestrzennie narzędzie wspierające zarządzanie zbiornikiem zaporowym. Umożliwia dostęp do informacji mapowych zgromadzonych w latach przez realizatorów projektu. Dane charakteryzują zbiornik goczałkowicki oraz zlewnię Małej Wisły, w której się znajduje, pod względem fizycznym, chemicznym i biologicznym. Konsorcjum Naukowe ZiZOZap współpracuje z 8 jednostkami naukowymi oraz 11 jednostkami administracji samorządowej i przedsiębiorstwami. W realizacji projektu uczestniczy 101 naukowców, 18 doktorantów oraz 53 studentów. Wartość aparatury naukowo badawczej zakupionej w związku z realizowanym projektem to prawie 3,26 mln PLN. Stronę internetową projektu ZiZOZap odwiedziło prawie 22 tys. indywidualnych użytkowników. 6 7

5 Od koordynatorów Przesłanki do podjęcia badań w projekcie W świetle zapisów Ramowej Dyrektywy Wodnej, w krajach Unii Europejskiej niezbędna jest intensyfikacja działań umożliwiających zrównoważone gospodarowanie zasobami wód w celu uzyskania ich dobrego stanu do 2015 r. Dotyczy to również zbiorników zaporowych podlegających silnej antropopresji. Europejskie standardy zarządzania tymi akwenami wymagają zachowania dobrego potencjału ekologicznego zasobów wodnych i ekosystemów z nimi związanych, a także wykorzystania wód zbiorników zgodnie z ich funkcją gospodarczą oraz zapewnienia bezpieczeństwa budowli piętrzącej w warunkach zagrożeń naturalnych i technologicznych. Obecnie, w świetle rozporządzeń Ministra Środowiska (Dz.U. z 2011: Nr 257 poz. 1545; Nr 258 poz. 1550), biologiczne, hydromorfologiczne i fizykochemiczne elementy jakości w klasyfikacji potencjału ekologicznego dla zbiornika zaporowego ustala się w grupie jednolitych części wód powierzchniowych w kategorii silnie zmienione lub sztuczne jezioro lub inny zbiornik wodny. 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 między efektywnością gospodarczą, ochroną przed zagrożeniami naturalnymi i antropogenicznymi oraz wartościami środowiska przyrodniczego. Dlatego, w badaniach prowadzonych przez zespoły projektu należało uwzględnić zapisy Ramowej Dyrektywy Wodnej wraz ze wskazaniami dotyczącymi zrównoważonego gospodarowania wodami konwencji berneńskiej o ochronie dzikiej fauny i flory oraz siedlisk naturalnych (1979) oraz dyrektyw: Ptasiej 79/409/EEC w sprawie ochrony dzikich ptaków (1979) i Siedliskowej 92/43/ECC w sprawie ochrony siedlisk przyrodniczych oraz dzikiej fauny i flory (1992). Badania naukowe prowadzone w projekcie służą poprawie zintegrowanego i zrównoważonego wykorzystania zasobów wodnych w zakresie takich działań jak: wpływ zagospodarowania i użytkowania terenu na reżim hydrologiczny i jakość wody oraz wykorzystanie retencji glebowej i powierzchniowej w kształtowaniu zasobów wodnych; gospodarowanie wodą na obszarach cennych przyrodniczo; działania dla przywrócenia lub poprawy ich walorów przyrodniczych, a także rozwój systemów informacyjnych w zarządzaniu zasobami wodnymi zbiornika. Cele i zadania projektu Jako cel nadrzędny uznaliśmy opracowanie systemu informacyjnego umożliwiającego bieżącą ocenę stanu jakościowego i funkcjonalnego zbiornika oraz prognozowanie jego krótko i długoterminowych zmian. System ten bazuje na monitoringu, modelu zintegrowanym i modelach szczegółowych oraz scenariuszach gospodarki wodnej. Uznaliśmy, że da on lepsze podstawy do podejmowania racjonalnych decyzji w zakresie ochrony i utrzymania funkcji przy zapewnieniu dobrego potencjału ekologicznego zbiornika. Zrealizowanie celu bezpośredniego wymagało ustalenia celów szczegółowych, które można zbiorczo ująć w czterech grupach: 1. Budowa systemu wspomagania zarządzania zbiornikami zaporowymi, uwzględniającego ich funkcje i wymagania środowiska, przez wypracowanie zasad umożliwiających zachowanie wysokich i uzasadnionych standardów jakości środowiska, oraz opracowanie narzędzi umożliwiających ocenę negatywnych skutków zagrożeń dla zbiorników zaporowych powodowanych ekstremalnymi zjawiskami hydrologicznymi i nadzwyczajnymi zagrożeniami środowiska. 2. Ustalenie warunków referencyjnych dla zbiorników zaporowych w celu wdrożenia wymagań Ramowej Dyrektywy Wodnej, aby utrzymać lub podwyższyć potencjał ekologiczny i utrzymać dobrą jakość chemiczną zbiorników. Paweł Migula Piotr Łaszczyca Andrzej Woźnica 3. Ograniczenie niedookreśloności charakterystyki zjawisk zachodzących w zbiorniku zaporowym przez opracowanie kryteriów i zasad optymalizowania zarządzania zasobami wód i środowiska przyrodniczego. Dotyczy to zjawisk fizykochemicznych i procesów biologicznych decydujących o jakości zasobów wodnych i stanie środowiska przyrodniczego wynikających z eksploatacji zasobów, co przekłada się bezpośrednio na utrzymanie dobrego stanu zasobów wodnych. 4. Implementacja opracowanych w projekcie rozwiązań dla modelowego zbiornika zaporowego w Goczałkowicach oraz określenie warunków ich zastosowania na potrzeby innych zbiorników. Zbiornik Goczałkowice wybrano jako modelowy obiekt do badań, gdyż jest jednym z największych zbiorników w kraju i pełni wiele istotnych funkcji. Jest źródłem wody do picia dla mieszkańców województwa śląskiego, chroni przed powodziami i przeciwdziała suszy poniżej zbiornika. Jest obszarem, na którym konieczna jest czynna ochrona przyrody (Natura 2000), ważnym ze względu na gospodarkę rybacką i atrakcyjnym miejscem dla różnych form rekreacji. Rezultatem naszej pracy badawczej ma być system wspomagający podejmowanie racjonalnych decyzji w zakresie ochrony i utrzymania funkcji zbiornika, przy zapewnieniu dobrego potencjału ekologicznego, oraz podejmowanie decyzji społeczno ekonomicznych w zakresie gospodarowania zasobami wodnymi i ochrony środowiska. Rezultaty badań projektu W styczniu 2010 interdyscyplinarne zespoły naukowe Konsorcjum Projektu ZiZOZap rozpoczęły badania, do których włączyli się w późniejszym okresie specjaliści z jednostek będących partnerami naukowymi. Podstawą do dalszych działań było dokonanie dogłębnej analizy przyczynowo skutkowej oraz identyfikacji głównych problemów, które musiały zostać uwzględnione w przygotowaniu efektywnego programu monitoringu badawczego stanu zbiornika zaporowego. Do tego celu zastosowano metodę DPSIR. W ten sposób można było zidentyfikować, ocenić stan i oddziaływania wszelakich czynników istotnych dla funkcji zbiornika i jakości wód oraz środowiska, i na tej bazie wskazać jakie działania są niezbędne dla poprawy stanu zbiornika. Jednym z produktów Projektu ZiZOZap przygotowywanych do wdrożenia są Zalecenia do analizy przyczynowo skutkowej DPSIR dla budowy pierwszej fazy systemu zarządzania zbiornikiem zaporowym, a jego podstawy znaleźć już można w monografii przygotowanej przez zespół wykonawców z Politechniki Krakowskiej Zbiornik Goczałkowice. Analiza przyczynowo skutkowa DPSIR procesów i zjawisk istotnych z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem zaporowym. Zintegrowane zarządzanie zbiornikiem zaporowym musi być oparte na monitoringu zarówno ilościowym jak i jakościowym (IPIŚ PAN, UŚ). Zmienność warunków klimatycznych oraz hydrologicznych w okresie monitoringu badawczego i operacyjnego od ekstremalnych wezbrań w roku 2010, przez względną normalność roku 2011, do suszy hydrologicznej w 2012 umożliwiły uchwycenie zmian stanu zbiornika w szerokim zakresie zmienności warunków środowiskowych. Mamy więc podstawy do modelowania zjawisk zachodzących w zbiorniku, a także do wyjaśnienia funkcjonowania lokalnego ekosystemu. Ma to istotne znaczenie dla szerszego rozumienia zarządzania na obszarach Natura W projekcie zastosowaliśmy innowacyjne metody monitoringu, adekwatne do postępów w badaniach ekologii środowiska wodnego, jak metody molekularne oparte na genomice organizmów. Przygotowaliśmy nowe narzędzia wspomagające gospodarkę rybacką, w tym nieinwazyjne metody oceny liczebności ryb oparte na komputerowej, automatycznej analizie obrazów sonarowych (UŚ). 8 9

6 Od koordynatorów Podstawą wiedzy o zbiorniku są gromadzone dane, które uporządkowano w bazie, zweryfikowano, przetworzono, zinterpretowano i ustalono system ich udostępniania użytkownikom. Zbudowano system wspomagania podejmowania decyzji: bazę danych, geoportal i system informacyjny (IETU). Wypracowaliśmy narzędzia pozwalające pozyskiwać wiedzę o procesach zachodzących w zbiorniku. Dzięki temu możliwe było, m.in. opracowanie modeli hydrodynamicznych, dokonanie ocen pojemności, stopnia zalądowania i miąższości osadów dennych zbiornika (PK). Monitoring dostarczył danych pozwalających na wykonanie wieloaspektowych modeli pracy zbiornika w celu obrazowania i prognozowania przebiegu zachodzących w nim procesów biologicznych oraz sekwencji stanów hydrologicznych. Przygotowano również trójwymiarowe modele zjawisk przyrodniczych zachodzących w ekosystemie zbiornika, co przekłada się na usprawnienie zarządzania m.in. na poprawę jakości wód (IETU, PK, UŚ). 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. Muszą one bezpośrednio wynikać z instrukcji gospodarowania zbiornikiem lub być z tym dokumentem zbieżne. Muszą pozostawać w zgodzie z obowiązującymi przepisami, odpowiadać sytuacji społeczno gospodarczej, zasadom utrzymania zbiornika, które wynikają z jego stanu oraz występowania nadzwyczajnych zagrożeń dla bezpieczeństwa i niezawodności jego funkcjonowania. System zarządzania wymaga ciągłego ustalania hierarchii ważności funkcji i zakresu możliwych kompromisów, niezbędnych w ich realizacji. Musi bowiem zapewnić pracę zbiornika w zmiennych warunkach środowiskowych, zachowaniu dobrego stanu i dobrego potencjału ekologicznego, a także zapewnić prawidłowe sterowanie odpływem i funkcjonowaniem ujęć wody. Dlatego wśród wielu rezultatów końcowych projektu za najważniejsze uważamy: (1) opracowanie Zintegrowanego Systemu Zarządzania Zbiornikiem; (2) przygotowanie podręcznika użytkowania systemu; (3) przygotowanie projektu zarządzania i ochrony zbiornika Budowa Zintegrowanego Systemu Zarządzania Zbiornikiem; (4) wdrażanie i testowanie systemu oraz (5) opracowanie instrukcji interpretacji wyników pracy systemu oraz scenariuszy zarządzania. Podziękowania Zarządzający projektem składają podziękowania za intelektualny, a często i fizyczny wkład pracy wszystkim Wykonawcom projektu: zespołom badawczym uczestniczącym w badaniach, studentom Uniwersytetu Śląskiego i Politechniki Krakowskiej, którzy wykonywali w projekcie prace licencjackie, magisterskie lub doskonalili się podczas odbywanych staży zawodowych, doktorantom, których znamienita większość pracowała w zespołach badawczych, a niektórzy przygotowywali swoje prace doktorskie oraz licznej grupie pracowników administracji, bez pomocy których nie byłoby możliwe prawidłowe zarządzanie środkami finansowymi projektu i prowadzenie właściwej dokumentacji. Wykonanie zadań projektu byłoby niemożliwe bez zainteresowania i wsparcia partnerów strategicznych projektu Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA w Katowicach oraz Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w Gliwicach, za co bardzo dziękujemy i liczymy na dalszą współpracę, nie tylko w trakcie 5-letniego utrzymania trwałości projektu po jego zakończeniu, ale jeszcze dłużej. Od Partnerów Strategicznych Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego skupił wokół problemów gospodarki wodnej związanej z funkcjami i oddziaływaniem zbiornika Goczałkowice wszystkie środowiska związane z gospodarką wodną od naukowych, przez zarządcze i administracyjne, po samorządowe. Umożliwił zbadanie zjawisk hydrologicznych i przyrodniczych, które mają wpływ na jakość wody i przygotował narzędzia do sterowania procesami zachodzącymi w ekosystemie zbiornika. Pozwolił na wypracowanie propozycji oceny stanu i zmian dla zbiornika Goczałkowice w dłuższej perspektywie czasowej. Zebrane w wyniku pracy naukowców dane pozwoliły na stworzenie systemów gromadzenia, udostępniania i przetwarzania zebranych informacji oraz dostarczyły wiedzy o funkcjonowaniu takich obiektów. Pozwoliły na budowę cyfrowych modeli funkcjonowania zbiornika Goczałkowice, które ułatwią racjonalne wykorzystanie wszystkich jego funkcji, a przede wszystkim administrowanie obiektem w sytuacjach nadzwyczajnych, takich jak susza lub powódź. Dzięki nim administrator zbiornika będzie mógł przewidzieć nie tylko zmiany ilościowe i jakościowe zasobów wodnych, oraz ich wpływ na otaczające go ekosystemy, ale także oceni wpływ tych zmian na proces uzdatniania wody. Wypracowane w ramach Projektu ZiZOZap podejście do zarządzania zbiornikami zaporowymi stanowi nową jakość w zarządzaniu tego typu obiektami. Pozwala na ustalanie nowych proporcji pomiędzy ich efektywnością gospodarczą, zakresem ochrony przed zagrożeniami naturalnymi i antropogenicznymi oraz funkcjonalnością przyrodniczą ekosystemów. O jego znaczeniu najlepiej świadczy duże zainteresowanie wynikami tych prac podmiotów administrujących podobnymi akwenami w kraju. Pora, by zdobyte na zbiorniku goczałkowickim doświadczenia przenieść na inne zbiorniki zaporowe w Polsce. Tomasz Cywiński Zastępca Dyrektora Regionalnego Zarządu Gospodarki Wodnej w Gliwicach Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA jest partnerem strategicznym największego w kraju projektu badawczego, którego rezultaty wspomagają w nowoczesny sposób i zgodny z Ramową Dyrektywą Wodną zarządzać zbiornikiem zaporowym w Goczałkowicach. Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA dostarcza wodę dla prawie 3 mln mieszkańców regionu wykorzystując sieć magistralną o długości około 900 kilometrów na obszarze ponad 4 tys. kilometrów kwadratowych, uzdatnia wodę w 11 stacjach wodociągowych oraz posiada ok. 6 tys. obiektów systemu zaopatrzenia w wodę. Dbamy o to, by woda była traktowana przez nas i przez naszych klientów oraz partnerów jako dobro strategiczne, które wystarczyć ma jeszcze dla kolejnych pokoleń. Z tego powodu ponad 85 procent wody dostarczanej naszym partnerom pochodzi ze źródeł powierzchniowych, które są źródłami łatwiej odnawialnymi niż wody głębinowe. Proces ujmowania wody, jej uzdatniania i kontrolowania odpowiada nowoczesnym europejskim standardom. Od 2010 r. naukowcy z Konsorcjum Projektu ZiZOZap monitorując, analizując i opracowując optymalne modele zarządzania tym obiektem dostarczają rozwiązań, dzięki którym Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA będzie postrzegane w regionie jako gwarant bezpieczeństwa ciągłości dostaw dobrej jakości wody. Jestem przekonany, że wyniki badań prowadzonych na zbiorniku goczałkowickim ułatwią dostosowanie zarządzania zbiornikami zaporowymi do potrzeb i zmian organizacyjnych, środowiskowych oraz ekonomicznych wynikających z Ramowej Dyrektywy Wodnej. Zaangażowanie się Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA w realizację Projektu ZiZOZap pokazało, że zbudowanie trwałej platformy współpracy w trójkącie biznes nauka administracja wspierającej rozwój gospodarki nie tylko jest możliwe, ale podnosi efektywność ekonomiczną i środowiskową prowadzonych przez nas działań. Łukasz Czopik Prezes Zarządu, Dyrektor Generalny Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA Paweł Migula, Piotr Łaszczyca, Andrzej Woźnica 10 11

7 Od partnerów strategicznych Liczący 60 lat zbiornik goczałkowicki jest jednym z największych zbiorników zaporowych w południowej Polsce. Jego budowa wiązała się z dużą ingerencją w środowisko przyrodnicze. Obecnie, ze względu na swoją wielofunkcyjność, jest obiektem trudnym do sterowania. Eksploatacja zbiornika wielofunkcyjnego zmusza do prowadzenia polityki kompromisu i ciągłego poszukiwania rozwiązań problemów pojawiających się w trakcie realizacji sprzecznych celów, jakimi są np. ochrona przed powodzią i suszą przy jednoczesnym zachowaniu wysokiej jakości wody i utrzymaniu dobrego stanu środowiska przyrodniczego oraz umożliwieniu rekreacji. Zarządzający musi analizować zagrożenia i potrzeby, nieustannie balansując między tymi sprzecznymi celami. W Projekcie ZiZOZap uwzględniono i zaproponowano rozwiązania m.in. dla takich problemów zbiorników wielofunkcyjnych jak: poprawa jakości wody, ochrona przeciwpowodziowa obszaru poniżej zapory czy optymalizacja gospodarki rybackiej. Przeprowadzony monitoring, badania i analizy pozwoliły zidentyfikować problemy niedostrzegane wcześniej w zarządzaniu zbiornikiem goczałkowickim, które dzięki zdobytej wiedzy o relacjach przyczynowo skutkowych można rozwiązać w ramach istniejących instrukcji i procedur zarządzania. Na przykład: odpowiednie zarządzanie gromadzeniem wody w zbiorniku w celu zwiększenia powierzchni roślinności szuwarowej i wspomagania naturalnego wylęgu ryb drapieżnych skutkuje poprawą jakości wody w zbiorniku. Ramowa Dyrektywa Wodna stawia przed administratorami zbiorników zaporowych nowe wymagania, obejmujące także cele środowiskowe. Projekt ZiZOZap dowiódł, że podstawę do wdrożenia tych wytycznych stanowi pogłębienie i integracja wiedzy zarówno o zjawiskach hydrologicznych, jak i o biologii zbiorników zaporowych. W praktyce oznacza to oparcie zarzadzania zbiornikami na badaniach ilościowych, jakościowych nie tylko wód, ale i całego ekosystemu zlewni zbiornika z uwzględnieniem prowadzonej w niej gospodarki. Jako praktyk mogę stwierdzić, że zarówno kompleksowość badań przeprowadzonych w Projekcie ZiZOZap, jak i integracja zaproponowanych rozwiązań będą stanowić doskonałą bazę dla ich adaptacji przed zastosowaniem na innych zbiornikach zaporowych, a szczególnie tych podlegających silnym wpływom antropogenicznym. Andrzej Siudy Kierownik zbiornika Goczałkowice Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA Zbiornik zaporowy w Goczałkowicach w liczbach Funkcje zbiornika Goczałkowice Całkowita pojemność zbiornika wynosi 165,6 hm 3 Pojemność wyrównawcza, jako użytkowa dla zaopatrzenia w wodę 105,6 hm 3 Rezerwa powodziowa stała osiąga 45,4 hm 3 Rzędna maksymalnego piętrzenia zbiornika wznosi się na wysokość Max. PP = 257,0 m n.p.m. Normalny poziom piętrzenia (NPP) 255,5 m n.p.m. Minimalny poziom piętrzenia ustalono na rzędnej Min PP = 250,5 m n.p.m. Średnia głębokość 5,5 m przy NPP Maksymalna głębokość przy NPP 11 m Długość zapory czołowej 2,98 km Długość zapory bocznej 10,8 km Długość linii brzegowej w zależności od poziomu piętrzenia od 50 do 60 km Ochrona jakości wód Ochrona przeciwpowodziowa Ochrona w okresie suszy Ochrona siedlisk przyrodniczych Zasoby wody do picia Gospodarka rybacka Rekreacja Wykorzystanie w modelach hydrodynamicznych zbiornika goczałkowickiego, opracowanych w ramach Projektu ZiZOZap, danych z monitoringu jakościowego wód, umożliwia prognozowanie zmian jakości wody wywoływanych przez wezbrania lub stany niżówek. W konsekwencji zarządzający może przewidzieć czy i kiedy wyłączać ujęcia wód ze zbiornika, rozpoczynając równocześnie pobór wody z alternatywnych źródeł, zabezpieczających zaopatrzenie w wodę systemu wodociągowego Górnośląskiego Przedsiębiorstwa Wodociągów SA. Zapora w Goczałkowicach widok od strony południowej Ujęcia brzegowe w Łące dla SUW Strumień i ZUW Goczałkowice Zapora boczna Goczałkowice Wisła powyżej Goczałkowic 12 13

8 1. System monitoringu

9 1. System monitoringu 1.1. Identyfikacja problemów istotnych w zarządzaniu zbiornikiem Goczałkowice 1. System monitoringu Rys Aktualne zagospodarowanie zbiornika Zofia Gręplowska Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej W zbiorniku Goczałkowice wybudowanym w celu zaopatrzenia w wodę i ochrony przed powodzią, oddanym do eksploatacji w 1955 r. podczas wieloletniego użytkowania nastąpiły nie tylko zmiany jego stanu technicznego i przyrodniczego, ale także rozszerzenie pierwotnie przypisanych mu funkcji. Jest to wynik przede wszystkim zmiany kryteriów oceny stanu rzek, jezior i zbiorników wodnych, które dostosowane są do warunków równoważenia rozwoju. Ma to także związek ze zmianami społeczno gospodarczymi otoczenia, skutkującymi m. in. zmianami w zakresie potrzeb wodnych. Zintegrowany system wspomagający zarządzanie i ochronę zbiornika Goczałkowice ma być narzędziem służącym rozwiązywaniu problemów wynikających z wymienionych wyżej uwarunkowań zarówno w zakresie codziennej, normalnej pracy zbiornika jak i w sytuacjach nadzwyczajnych. Problemy istotne z punktu widzenia zarządzania zbiornikiem i wymagające obserwacji oraz kontroli odpowiednich elementów związane są ze specyfiką zarówno samego zbiornika jak i zlewni go zasilającej. Syntetyczna charakterystyka zbiornika Goczałkowice i jego zlewni Aktualne zagospodarowanie zbiornika przedstawiono na rysunku 1.1. Podstawową charakterystykę zbiornika w postaci graficznej pokazano na rysunku 1.2. Sieć rzeczną oraz lokalizację obszarów zurbanizowanych zlewni zasilającej zbiornik zobrazowano na rysunkach 1.3 oraz 1.4. Rys Krzywe pojemności zbiornika: aktualna (2011 r.) i projektowa Funkcje zbiornika i uwarunkowania ich realizacji Zbiornik Goczałkowice pełni trzy podstawowe funkcje: źródła zaopatrzenia w wodę dla aglomeracji Śląska, ochrony przeciwpowodziowej doliny Wisły poniżej zapory oraz poprawy i ochrony jakości ekologicznej akwenu, co wynika z zasad współczesnej polityki wodnej Unii Europejskiej. Podstawowym warunkiem efektywnej realizacji pierwszej z ww. jego funkcji (obok rozwiązania i stanu technicznego urządzeń) jest możliwie najlepsza fizykochemiczna i biologiczna/mikrobiologiczna jakość (czystość) wody pobieranej ze zbiornika. Jakość ta zależy od jakości wód zasilających zbiornik, reżimu hydrologicznego cieków zasilających oraz wymiany wody w zbiorniku, dynamiki przepływu wody w zbiorniku oraz związanego z nią przebiegu procesów fizycznych, biochemicznych (łącznie z oddziaływaniem osadów dennych) oraz biologicznych. Czynniki wpływające na efektywność przeciwpowodziową zbiornika to: charakterystyka wezbraniowa (powodziowa) Wisły zasilającej zbiornik, a także cieków uchodzących do Wisły bezpośrednio poniżej zapory, jakość prognozy dopływu do zbiornika, pojemność powodziowa zbiornika (stała, przypadkowa i przygotowana), instrukcja sterowania (w tym wartość przepływu dozwolonego) oraz stan techniczny i bezpieczeństwo obiektów. Poprawa i ochrona jakości ekologicznej (potencjału ekologicznego) zbiornika jest w dużym zakresie zbieżna z dążeniem do uzyskania wody o odpowiedniej czystości fizykochemicznej ze względu na pobór jej na cele zaopatrzenia Śląska. Ze względu na to jednak, że zbiornik jest objęty obszarem Natura 2000 wymagania z tego wynikające mogą być niezgodne z warunkami wynikającymi z funkcji użytkowej zbiornika, jaką jest zaopatrzenie w wodę. Rys Sieć hydrograficzna zlewni zbiornika Goczałkowice [D. Absalon, materiały Konferencji Projektu ZiZOZap, Sosnowiec 14 grudnia 2010, Rys Obszary zurbanizowane na obszarze zlewni zbiornika Goczałkowice [D. Absalon, materiały konferencji Projektu ZiZOZap, Sosnowiec 14 grudnia 2010,

10 1. System monitoringu 1. System monitoringu Analiza DPSIR jest narzędziem pozwalającym na identyfikację racjonalnych środków mających za zadanie ograniczenie lub likwidację niekorzystnych skutków dowolnego procesu lub zjawiska. Poszczególne elementy tej analizy w przypadku ogólnym należy rozumieć następująco: Driver przyczyny naturalne rozpatrywanego procesu/zjawiska, Pressure presja, czyli oddziaływanie o charakterze antropogenicznym lub naturalnym, zmieniające element Driver, State stan zjawiska/procesu zdeterminowany przez dwa ww. elementy, Impact skutek wyżej określonego stanu, Response odpowiedź, czyli środki mające na celu ograniczenie rozmiaru tychże negatywnych skutków, dostosowane do wniosków z elementów D I. Istotne problemy w zarządzaniu zbiornikiem Goczałkowickim Gospodarka wodna na zbiorniku musi zapewniać efektywną realizację jego funkcji (szczególnie priorytetowej) mimo sprzecznych (przynajmniej okresowo) jego zadań. Zintegrowany system wspomagający zarządzanie zbiornikiem ma zatem w danych warunkach zapewnić możliwie najbardziej efektywną, bezpieczną i o wysokiej niezawodności realizację jego funkcji użytkowych oraz ochronę jego ekosystemu. Identyfikacji problemów, których rozwiązywanie ma być wspomagane przez system zarządzania dokonano z wykorzystaniem analizy DPSIR (Driver Pressure State Impact Response) interpretując poszczególne człony tej analizy odpowiednio do każdej z głównych funkcji zbiornika. Poniżej omówiono pokrótce zidentyfikowane problemy zwracając uwagę na rodzaj i zakres elementów, których obserwacja (monitorowanie), gromadzenie w bazie danych oraz okresowo dokonywana analiza i interpretacja są niezbędne, by sformułować odpowiedzi na postawione pytania a zatem uzyskać możliwość efektywnego rozwiązywania tychże problemów. Problem ilości wody do zaopatrzenia Śląska w wodę do spożycia ze zbiornika Goczałkowice Jednym z ważnych pytań związanych z ww. problemem jest pytanie o wartość maksymalnego możliwego poboru ze zbiornika i czas tego poboru w okresie niżówkowym, przy zachowaniu bezpiecznej pojemności wyrównawczej zbiornika odniesionej do poziomu czasowej i ilościowej gwarancji dostaw wody. Odpowiedź na to pytanie wymaga przeprowadzenia analiz na danych historycznych oraz odpowiedniego spożytkowania danych z monitoringu w okresie niżówkowym. a) Skala problemu aktualnie, w perspektywie bliskiej i dalekiej b) Możliwości technologiczne stacji uzdatniania; Soła jako źródło alternatywne/uzupełniające c) Koszty utrzymania systemu i uzdatniania wody Problem jakości (czystości) wód z punktu widzenia ich przydatności do zaopatrzenia Śląska w wodę Problem ten należy widzieć w trzech kategoriach: Z analiz danych jakościowych z lat i wynika, że o obniżonej klasie wody (A3, a nawet okresowo non) decydują zanieczyszczenia fizykochemiczne. Ważne jest zidentyfikowanie okresów, w których wody zbiornika nie nadają się do zaopatrzenia w wodę przeznaczoną do spożycia, zagrażają albo mogą zagrażać temu zaopatrzeniu oraz sprecyzowanie długości tych okresów. Podkreślić należy, że możliwości technologiczne stacji uzdatniania oraz system umożliwiający wykorzystanie wód Soły, jako alternatywnego lub uzupełniającego źródła zaopatrzenia pozwalają na dostawę wody o odpowiedniej jakości do odbiorcy, w określonych warunkach (rys. 1.5). Rodzi się tu jednak pytanie o efektywność systemu obejmującego Sołę, szczególnie w okresach opadów, kiedy niesie ona znaczną ilość zawiesiny. Zarówno utrzymanie wyżej wspomnianego systemu jak i stosowanie wysokosprawnej technologii uzdatniania wody generują wysokie koszty. Należy więc system ten traktować jako system przygotowany na wyjątkowe, trudne sytuacje i postawić pytanie czy i w jaki sposób można obniżyć koszty uzdatniania wody w zwykłych, codziennych warunkach jego eksploatacji. Najbardziej efektywnym środkiem jest stała poprawa gospodarki wodno ściekowej w zlewni cieków zasilających zbiornik i w jego zlewni bezpośredniej. Bezpieczna dla obiektów gospodarka wodna w okresie wezbrań przy istniejących pojemnościach charakterystycznych i wydajnościach urządzeń upustowych Sterowanie zbiornikiem opiera się na relacji: dopływ retencja (pojemność zbiornika) wydajność urządzeń odpływ. Z tego punktu widzenia zasadnicze znaczenie ma: (1) ustalenie wartości prawdopodobnych przepływów wysokich i objętości prawdopodobnych fal (ustalenie obowiązujących, obliczeniowych wartości tych przepływów na ustalony okres oraz określenie objętości prawdopodobnych wezbrań) (2) prognoza dopływu, obejmująca wartość przepływu kulminacyjnego, objętość fali i czas jej dobiegu. Relacja między celami funkcjonalnymi zbiornika a celem środowiskowym wg RDW i celami oraz wymaganiami warunkowanymi obszarem Natura 2000 a) Relacja z celem środowiskowym RDW b) Relacja z celami obszaru Natura 2000 Ze względu na to, że w ramach procedury implementacyjnej Ramowej Dyrektywy Wodnej nie zostały zdefiniowane warunki referencyjne dla zbiornika Goczałkowice, który stanowi tzw. silnie zmienioną część wód, w ramach analizy DPSIR dokonano tylko szacunkowej oceny jakości ekologicznej zbiornika, wykorzystując kryteria odnoszące się do jezior i to w ograniczonym zakresie, wynikającym z dostępności danych ilościowych. Obecny potencjał ekologiczny zbiornika Goczałkowice oceniono na umiarkowany a nawet słaby, zwracając uwagę, że okresowo jest on jeszcze niższy ze względu na czasowo podwyższone stężenia niektórych substancji. Generalnie problem omawianej relacji sprowadza się do pytania o racjonalny poziom ochrony obszaru Natura 2000, który jednocześnie nie spowoduje zagrożenia dla efektywności i bezpieczeństwa realizacji głównych funkcji użytkowych zbiornika. Rys System zaopatrzenia Śląska w wodę [GPW SA w Katowicach] 18 19

11 1. System monitoringu Rekreacja na zbiorniku a ochrona jego potencjału ekologicznego Skutki powiększenia stałej rezerwy powodziowej Proces starzenia się obiektów zbiornika i jego wpływ na realizację funkcji zbiornika Nadzwyczajne zagrożenia zbiornika Monitoring operacyjny Zbiornik jako źródło konfliktów społecznych c) Relacja koszty korzyści Istnieje potrzeba kompromisu pomiędzy interesem społecznym, z którego wynika presja na dopuszczenie rekreacji na zbiorniku a funkcjami użytkowymi i celami środowiskowymi dla zbiornika. Powiększenie stałej rezerwy powodziowej, mające na celu zwiększenie efektywności realizacji przeciwpowodziowej funkcji zbiornika możliwe jest w zakresie, który nie pogarsza bezpieczeństwa zaopatrzenia w wodę. Powiększenie stałej rezerwy powodziowej poprzez obniżenie normalnego poziomu piętrzenia powoduje także redukcję powierzchni zalewu, co skutkuje m.in. zarastaniem cofki, zmianą przebiegu procesu akumulacji rumowiska w zbiorniku, zwiększeniem wahań zwierciadła wody, możliwością pogorszeni jakości wody. Proces starzenia się obiektów zbiornika skutkuje pogorszeniem się ich stanu technicznego. Zły stan techniczny może wywoływać konieczność okresowego lub nagłego, nieplanowanego, zatem wymuszonego obniżenia poziomu piętrzenia wody, co wiąże się z zagrożeniem realizacji jego funkcji i innymi skutkami, także środowiskowymi. W pobliżu zbiornika i w jego zlewni bezpośredniej (czyli w obszarze spływu powierzchniowego zasilającego zbiornik) przebiegają trasy komunikacyjne drogi kołowe i kolejowe, które przecinają się z drogami zasilania zbiornika. Istnieje więc zagrożenie skażenia wody w wyniku katastrof komunikacyjnych z udziałem ładunków substancji dla zbiornika niebezpiecznych. Zintegrowane zarządzanie zbiornikiem zaporowym musi być oparte na monitoringu zarówno ilościowym jak i jakościowym. Monitoring ten powinien być dostosowany nie tylko do normalnej pracy zbiornika ale także do ekstremalnych przypadków pracy zbiornika, takich jak powódź lub susza oraz potencjalnych, nadzwyczajnych zagrożeń. Konflikty generowane przez zbiornik mogą się ujawnić także w obszarze całej jego zlewni. Związane mogą być bowiem z inwestycjami i regulacjami dotyczącymi użytkowania terenu, wynikającymi z funkcji zbiornika. Wydaje się zasadne wprowadzenie programu informacyjnego dla władz samorządowych i ludności żyjącej w zlewni zbiornika nt. istotnych problemów zbiornika oraz środków zmierzających do poprawy efektywności i bezpieczeństwa realizacji jego funkcji. Realizacja funkcji zbiornika oraz przedsięwzięcia mające na celu rozwiązanie istotnych problemów wiążą się z kosztami: finansowymi, społecznymi i środowiskowymi. Poszukiwanie rozwiązań nie wywołujących konfliktów i strat oraz zmierzających do akceptowalnej równowagi w perspektywie krótko- i długookresowej, oparte na relacji koszty korzyści wymaga oceny zysków i kosztów wszystkich ww. typów. 1. System monitoringu 1.2. Kompleksowy monitoring zbiornika zaporowego jako podstawa modelowania stanu w celu zarządzania zbiornikiem Piotr Łaszczyca Uniwersytet Śląski, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska Zarządzanie zasobami wodnymi wymaga systemów kontroli i narzędzi umożliwiających integrację danych dotyczących wód powierzchniowych, podziemnych i stanu środowiska przyrodniczego. W realizowanym w latach Projekcie ZiZOZap stworzony został rozszerzony system monitoringu dla zbiornika goczałkowickiego jako obiektu modelowego. System ten odwołuje się do celów określonych przez Ramową Dyrektywę Wodną i odpowiada wymogom monitoringu badawczego i operacyjnego zawartym w Rozporządzeniach Ministra Środowiska z 2011 r. (Dz.U. z 2011: Nr 258 poz. 1550; Nr 257 poz. 1545). Zakres prowadzonego monitoringu obejmował badania hydrologiczne, hydrogeologiczne, meteorologiczne, mineralogiczne, hydrochemiczne i hydrobiologiczne. Monitorowano również stan brzegowych zbiorowisk roślinnych, ichtiofauny i ornitofauny. Wyniki monitoringu badawczego i operacyjnego służyły do modelowania pozwalającego na obrazowanie i prognozowanie elementów fizykochemicznych, hydromorfologicznych i biologicznych zbiornika. Z tego powodu monitoring rozszerzono, w stosunku do wymaganego przepisami prawa, pod względem zakresu rzeczowego, metodyki oraz częstotliwości badań. Wykonano również analizy dotyczące gospodarki i zjawisk społecznych związanych z funkcjonowaniem zbiornika i obszaru jego zlewni. Światowym trendem w badaniach zbiorników wodnych jest zastosowanie do opisu i prognozowania stanu wód złożonych modeli cyfrowych (np. sprzężonych modeli Estuary and Lake COmputer Model oraz Computational Aquatic Ecosystem DYnamics Model ELCOM/CAEDYM). Modele te umożliwiają także scharakteryzowanie i prognozowanie stanu środowiska przyrodniczego funkcjonowania ekosystemów wodnych. Założenia monitoringu prowadzonego na potrzeby modelowania zbiornika Czwarty w Polsce w pod względem powierzchni i piąty pod względem pojemności zbiornik goczałkowicki jest przykładem wielofunkcyjnego zbiornika zaporowego. Ze względu na swoje znaczenie hydrologiczne, gospodarcze i przyrodnicze stał się on modelowym obiektem badawczym w projekcie Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego realizowanym w latach Projekt jest kontynuacją badań prowadzonych od 1955 r. przez Stację Hydrobiologiczną Polskiej Akademii Nauk w Goczałkowicach oraz poszerzeniem i uzupełnieniem monitoringu prowadzonego przez powołane do tego instytucje. Głównym celem projektu jest integracja monitoringu wymaganego prawem z potrzebami zarządzania zasobami wodnymi i środowiskiem zbiorników wodnych. Regulowanie poziomu piętrzenia i wielkości przepływu mas wodnych zbiorników zaporowych, daje możliwości zarządzania nimi, komplikując równocześnie zachodzące relacje hydrologiczne i ekologiczne. Duża dynamika zmian warunków w zbiornikach zaporowych, wraz z potrzebą ich prognozowania i cyfrowego modelowania stanu, wymusiła w Projekcie ZiZOZap zwiększenie częstotliwości i gęstości przestrzennej monitoringu w stosunku do wymogów określonych prawem. Zastosowane w Projekcie modele ELCOM/CAEDYM wymagają, na etapie uruchamiania i kalibracji, dużej liczby danych wsadowych, przy czym dane te nie zawsze odpowiadają wskaźnikom hydrochemicznym i ekologicznym objętym monitoringiem badawczym i operacyjnym. Istotnym aspektem monitoringu zbiornika goczałkowickiego, było ograniczenie nakładu pracy i kosztów dzięki optymalizacji liczby stanowisk badawczych i częstotliwości dokonywania pomiarów. Rozwiązaniem tych problemów było prowadzenie monitoringu w dwóch etapach: od kwietnia 2010 do czerwca 2011 jako rozszerzonego monitoringu badawczego, którego wyniki pozwoliły ograniczyć zakres prowadzonych badań w trakcie monitoringu operacyjnego, kontynuowanego do czerwca Zaobserwowanie typowego zakresu zmienności warunków w zbiorniku i tym samym zwiększenie dokładności odwzorowania zachodzących zjawisk przez model cyfrowy wymaga prowadzenia monitoringu przez odpowiednio długi okres. W czasie trzech lat prowadzenia projektu zbiornik goczałkowicki przechwycił ekstremalną falę powodziową w maju 2010 r. oraz dwie kolejne, w czerwcu i wrześniu 2010 r., zaś na przełomie sierpnia i września 2012 r. wystąpiła susza połączona z niskimi stanami piętrzenia. Dało to podstawę do kalibracji modelu dla skrajnych warunków hydrologicznych i meteorologicznych. Wybór stanowisk, na których prowadzono monitoring, podyktowany był potrzebą uwzględnienia punktów pomiarowo kontrolnych wyznaczonych podczas wcześniej prowadzonych badań zbiornika (rys. 1.6). Nowe punkty wyznaczono w miejscach charakterystycznych zbiornika, opierając się na topografii dna i głównych kierunkach ruchu mas wodnych wzdłuż transektów (i zarazem dawnych koryt rzecznych) dwóch głównych dopływów, Wisły i Bajerki. Hydrochemiczny i biologiczny monitoring 20 21

12 1. System monitoringu 1. System monitoringu Rys Lokalizacja punktów monitoringu prowadzonego w Projekcie ZiZOZap [Geoportal ZiZOZap Fot Pława ( żółta boja ) z sondą pomiarową i stacją meteorologiczną Fot Pobór próbek wody do analiz Fot Analizy wody badawczy prowadzono na 7 stanowiskach w toni zbiornika, 7 stanowiskach wzdłuż linii brzegu północnego i południowego oraz na 2 stanowiskach w korycie Wisły i Bajerki. Monitoring operacyjny począwszy od kwietnia 2011 r. prowadzono na 3 skrajnych spośród 7 stanowisk w toni zbiornika, oraz na jednym nowo ustanowionym stanowisku w stagnujących rozlewiskach ujścia Wisły. Rozmieszczenie stanowisk umożliwiało śledzenie procesów zachodzących pomiędzy ujściem dopływów, a spustem zbiornika. Spośród stanowisk brzegowych i stanowisk w korycie dopływów wybrano 5 używanych na etapie monitoringu badawczego. Dodatkowe stanowiska wyznaczano do specjalnych potrzeb badawczych, związanych z testami ekotoksykologicznymi, badaniem wód depresyjnych zrzucanych z przepompowni, oraz z monitoringiem roślinności szuwarowej, zoobentosu, naturowych gatunków zwierząt podlegających ochronie i ornitofauny zasiedlającej zbiornik. Osłonę meteorologiczną zbiornika goczałkowickiego uzupełniono korzystając z nowej stacji meteorologicznej posadowionej na zbiorniku, sond meteorologicznych zlokalizowanych na pławie badawczej projektu (fot. 1.1), oraz danych udostępnianych przez specjalistyczne instytucje krajowe (Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej PIB i firma Ecoclima Serwis SJ) oraz zagraniczne. Regularny monitoring hydrochemiczny i biologiczny prowadzono co miesiąc w okresie wegetacyjnym od kwietnia do listopada. Częstotliwość monitoringu hydrochemicznego została zwiększona dzięki zainstalowaniu w korycie Wisły przed ujściem, w okolicy spustu dennego zapory i w korycie Wisły za tamą, trzech automatycznych wieloparametrowych sond hydrologicznych, które rejestrowały wybrane wskaźniki hydrochemiczne co godzinę. Zebrane dane pomiarowe były teletransmitowane do serwera gromadzącego wyniki z pomiarów. Ten system pomiarowy umożliwił uzyskanie danych hydrochemicznych komplementarnych względem danych pozyskiwanych w drodze okresowego manualnego próbkowania na stanowiskach badawczych (fot. 1.2 oraz 1.3). Duża gęstość pomiarów uzyskiwanych w monitoringu automatycznym miała istotne znaczenie dla uruchomienia, kalibracji i kontrol cyfrowego modelu zbiornika (ELCOM/CAEDYM). Ciągła rejestracja podstawowych wskaźników hydrochemicznych umożliwiała śledzenie zmian okołodobowych, istotnych dla funkcjonowania biocenoz zbiornika. Dane te były niezbędne do uruchomienia modeli zbiornika, a ponadto dają możliwość śledzenia zmian o dużej dynamice jak zakwity i migracje fitoplanktonu. Dostosowanie monitoringu do potrzeb modelowania Znaczna gęstość przestrzenna i czasowa monitoringu pozwoliła uchwycić zjawiska mające charakter losowy i krótkotrwały, jak ogniskowe występowanie rójek owadów wodnych. Ocena wielkości biomasy rójki jest istotnym uzupełnieniem oszacowań biomasy organizmów, zajmujących różne poziomy troficzne ekosystemu zbiornika, a przez to ocenę i modelowanie produktywności i przepływu energii w zbiorniku. Model ELCOM/CAEDYM jest przeznaczony do modelowania różnych cieków i zbiorników wodnych, włączając w to akweny morskie, co powoduje że jego implementacja dla zbiornika zaporowego wymaga wyodrębnienia zmiennych, a w szczególności grup organizmów, spełniających kluczowe role w obiegu materii w badanym obiekcie. Wykorzystanie wyników monitoringu do modelowania wymagało dokonania selekcji badanych wskaźników biotycznych, wdrożenia dodatkowych metod analitycznych i konwersji części danych do postaci wymaganej przez modele. Model wymagał uzupełaniających badań i analiz, które wykraczały poza standardowo wykonywane w ramach przyjętego w prawie monitoringu. W przypadku modelowania istotne jest np. oznaczenie absorbancji wody względem światła, która nie jest identyczna z przeźroczystością wody mierzoną krążkiem Secchiego, ani też z mętnością wody mierzoną nefelometrycznie przy pomocy sond automatycznych na pławie. Wskaźnik ten jest istotny dla określenia wielkości fotosyntezy prowadzonej przez fitoplankton i roślinność zanurzoną, równocześnie będąc zależny od zagęszczenia fitoplanktonu. W ramach wymaganego prawem monitoringu nie jest uwzględniany podział chemicznych form azotu, fosforu i węgla na labilne metabolizowalne, oraz na formy niepodatne na przemiany. Modele zbiornika wymagają natomiast tego rozróżnienia, co wiąże się z modyfikacją procedur badawczych i dokonaniem odpowiedniej transformacji wyników. Konieczne było również dokonanie selekcji grup organizmów wodnych mających udział w przemianach biochemicznych zachodzących w wodach zbiornika, gdyż model przewiduje modelowanie wielu grup nie występujących w słodkowodnych zbiornikach zaporowych, równocześnie ograniczając liczbę danych charakteryzujących grupy występujące, co szczególnie wyraźnie zaznaczyło się w przypadku fitoplanktonu. Metodami analiz hydrobiologicznych wykazano w zbiorniku obecność ponad 180 gatunków organizmów fitoplanktonowych należących do 9 grup taksonomicznych w randze gromady oraz 90 gatunków zooplanktonu należących do 3 grup taksonomicznych w randze typu lub gromady/nadrzędu. Zagęszczenie i biomasa poszczególnych gatunków planktonowych była przy tym silnie zróżnicowana, co wiąże się z ich znaczeniem dla funkcji zbiornika i ich odwzorowania w modelu. W monitoringu wymaganym prawem oznaczenie organizmów do poziomu gatunku niesie dodatkową informację o jakości trofii wód zbiornika, co jest konsekwencją szczególnych wymagań życiowych niektórych organizmów uznawanych za wskaźnikowe. Dane wsadowe charakteryzujące organizmy wodne wyrażane są w modelu w jednostkach masy węgla budującego ich ciała lub w przypadku fitoplanktonu w jednostkach masy chlorofilu a, podczas gdy monitoring hydrobiologiczny charakteryzuje te grupy w kategoriach liczebności/zagęszczania organizmów w jednostce objętości, zaś wyznaczenie biomasy i ewentualnie zawartości węgla dokonuje się przez oszacowanie na podstawie empirycznych współczynników przeliczeniowych. Ekologiczna rola fitoplanktonu jako pierwotnego producenta 22 23

13 1. System monitoringu 1. System monitoringu Rys Cyfrowy model roślinności w rejonie zbiornika goczałkowickiego (opr. Andrzej Pasierbiński) Fot Karmienie organizmów testowych Fot Mezokosmosy przygotowanie do testów ekotoksykologicznych wykonywanych bezpośrednio w wodach zbiornika. Grupa badawcza wyrusza na stanowiska pomiarowe Fot Przygotowanie narządów i tkanek ryb do analiz biomarkerów molekularnych wskazujących na stan zdrowia ryb żyjących w zbiorniku biomasy w toni wodnej zbiorników, oraz wytwarzanie przez niektóre rodzaje fitoplanktonu niezwykle groźnych toksyn powoduje, że grupie tej poświęca się w monitoringu szczególnie dużo uwagi. Dane hydrochemiczne na temat funkcjonowania zbiorowisk fitoplanktonu są podstawą do zapobiegania zakwitom wód oraz do podejmowania prób przeciwdziałania temu zjawisku. Niezależnie od klasycznych, zliczeniowych metod oznaczania zagęszczenia i biomasy fitoplanktonu, w ramach monitoringu prowadzonego w projekcie oznaczano także stężenie chlorofilu w wodzie dwoma niezależnymi metodami: bezpośredniego pomiaru w wodach zbiornika, zainstalowaną na pławie zdalną sondą oraz przez laboratoryjne oznaczenie zawartości chlorofilu w próbach wody okresowo pobieranych ze zbiornika. Tradycyjne zliczeniowe metody monitoringu fitoplanktonu oprócz żmudności i czasochłonności cechują się dodatkowym ograniczeniem podczas filtrowania/zagęszczenia prób do analiz mogą zostać utracone najdrobniejsze formy nanoplanktonu mające istotny udział ilościowy i znaczenie dla jakości wód zbiornika. Nowoczesne sondy zdalne, które stały się dostępne już w trakcie realizacji projektu, umożliwiają obecnie badanie stężeń chlorofilu pochodzącego od kilku odrębnych grup fitoplanktonu. Jest to o tyle istotne, że nowe możliwości analityczne pozwalają uzyskać wyniki dotyczące fitoplanktonu i zagrożenia zakwitem w czasie rzeczywistym i co więcej bezpośredniego odniesienia stanu zbiornika do wyników modelowania. Innowacyjne metody badań testowane w projekcie Niezależnym osiągnięciem Projektu ZiZOZap jest wdrożenie do monitoringu zbiornika zaawansowanych metod mikrobiologicznych: analiz metagenomicznych i analizy zawartości fosfolipidowych kwasów tłuszczowych. Obie te metody, na podstawie zawartych w wodzie śladów kwasów nukleinowych oraz lipidów błonowych bakterii i glonów pozwalają określić jakościowo i ilościowo strukturę zgrupowań mikroorganizmów w wodach zbiornika (patrz rozdział 1.3). Wykonane w ten sposób oszacowania wskazują, że łączna biomasa bakterii, w tym drobnych sinic, w zbiorniku Goczałkowice, jest rzędu kilku ton. Bardzo duże tempo metabolizmu bakterii oraz wielkie zróżnicowanie procesów przemiany materii u tej grupy organizmów powoduje, że stają się one istotnym producentem biomasy dostępnej dla większych organizmów, a ponadto są układem, w którym zachodzą przemiany chemiczne powodujące oczyszczanie wody. Wielostopniowość modelu CAEDYM została odwzorowana w rozszerzeniu monitoringu na badania struktury i biomasy zbiorowisk ryb zasiedlających zbiornik oraz na badania zbiorowisk ptaków i oszacowania ich oddziaływania na zbiornik goczałkowicki. W tym zakresie monitoring prowadzony w ramach projektu wychodzi poza ramy wymagane prawem. Pozwala to jednak oszacować strukturę piramidy biomas i produkcji organizmów z poszczególnych poziomów troficznych w zbiorniku, a także modelować i prognozować te zależności przy pomocy modeli cyfrowych ELCOM/CAEDYM. Objęcie monitoringiem najwyższych poziomów troficznych ryb i ptaków w zbiorniku jest istotne, ze względu na umiejscowiony tu obszar Natura 2000 Dolina Górnej Wisły (PLB240001) i służy rozstrzygnięciu kontrowersji dotyczących roli ryb i ptaków w utrzymaniu dobrej jakości wód i środowiska zbiornika. Istotnymi osiągnięciami projektu w zakresie monitoringu i tworzenia wskazówek dla zarządzania zbiornikiem było wdrożenie metody analiz szaty roślinnej na podstawie satelitarnych obrazowań terenu (rys. 1.7). Zespół realizujący to zadanie dokonał ilościowej oceny wkładu roślinnych zbiorowisk szuwarowych w obrót pierwiastków biogennych (N, P), których dostępność determinuje jakość wody. Szuwarowiska stanowią przy tym miejsce bytowania ptactwa wodnego oraz tarła ryb drapieżnych. Wyniki tej części monitoringu pozwoliły powiązać ekologiczne funkcje i zasięg szuwarowisk z poziomem piętrzenia wody w zbiorniku, dając wytyczne pozwalające na utrzymanie optymalnej powierzchni trzcinowisk. Nowością wśród zastosowanych w projekcie metod monitoringu było użycie mikrobiotestów do oceny ekotoksyczności wody i osadów/nanosów dennych zbiornika (fot. 1.4). Propagowana w analizach środowiskowych metoda mikrobiotestów polega na użyciu jako biowskaźników jakości środowiska drobnych bezkręgowców lub mikrorganizmów, które są eksponowane na działanie prób wody lub osadów. Użycie odpowiednio dobranej baterii mikrobiotestów, w przypadku Projektu ZiZOZap: mikrobiotestów Daphtoxkit F, Ostracodtoxkit, Algaltoxkit F, Phytotoxkit F oraz testu MARA (Microbial Array For Toxic Risc Assessment) jest rozszerzeniem czysto chemicznych analiz dotyczących zawartości substancji toksycznych, w tym substancji priorytetowych, w wodach i w materiale dennym. Zastosowano także ekotoksykologiczną metodę okresowej ekspozycji organizmów wyższych, standardowej linii hodowlanej ryb umieszczonych w klatkach doświadczalnych mezokosmach, na warunki środowiska w wybranych punktach zbiornika oraz w środowisku kontrolnym (fot. 1.5 oraz 1.6). Wyniki monitoringu ekotoksykologicznego prowadzonego w projekcie nie wykazały istotnych zagrożeń, dostarczając jednocześnie danych o skali zmienności jakości wód i materiału dennego w zróżnicowanych warunkach hydrologicznych. W związku z postępującą antropopresją i chemizacją środowiska metody te pełnią rolę szybkich testów przesiewowych pozwalających na ciągły i interwencyjny monitoring zagrożeń toksykologicznych w środowisku, stanowiąc wstęp do szczegółowych analiz i ewentualnych działań remediacyjnych. Powiązanie ze sobą wyników monitoringu hydrologicznego i biologicznego stworzyło unikatową możliwość całościowego ujęcia zjawisk zachodzących w zbiorniku goczałkowickim i na podstawie wykazanych zależności, zaproponowania nowych metod zarządzania zbiornikiem. Dzięki pogłębionej wiedzy możliwe jest podejmowanie działań podnoszących jakość zasobów wodnych oraz sprzyjających zachowaniu walorów środowiska. Znaczna cześć tych działań sprowadzać się będzie do rozszerzania podstaw do regulowania poziomu piętrzenia, tak aby zachowane były przy tym gospodarcze i przeciwpowodziowe funkcje zbiornika. Wyniki monitoringu prowadzonego w ramach Projektu ZiZOZap przekładają się w ten sposób bezpośrednio na wdrażanie Ramowej Dyrektywy Wodnej

14 1. System monitoringu 1.3. Metagenomika narzędzie w badaniu ekosystemów wodnych Mirosław Kwaśniewski, Karolina Chwiałkowska, Andrzej Woźnica Uniwersytet Śląski, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska cecha: Możliwość oszacowania biomasy mikroorganizmów cecha: Ocena struktury populacji drobnoustrojów cecha: Rozdzielczość cecha: Koszt analizy cecha: Czy ocena wyników wymaga konsultacji ze specjalistami cecha: Czy pozwala na ocenę zmian zachodzących w środowisku cecha: Analiza patogenów cecha: Czas wykonania analizy od momentu dostarczenia do laboratorium cecha: Koszt niezbędnej aparatury Podstawą zarządzania zbiornikami zaporowymi jest dostęp do wieloaspektowych informacji dotyczących stanu zbiornika. W konsekwencji istotnym elementem zarządzania zbiornikami zaporowymi jest posiadanie zestawu narzędzi umożliwiających określanie bieżącego stanu zbiornika oraz przewidywanie jego potencjalnych zmian. Przykładem takich narzędzi są biowskaźniki organizmy żywe, reagujące na zmiany jakości wody, na przykład przez zmianę struktury populacji organizmów w badanym akwenie (tabela 1.1). ocena: tak ocena: tak ocena: wysoka ocena: niski ocena: nie ocena: tak ocena: możliwa ocena: do 5 godzin ocena: PLN 1. System monitoringu Analizy metagenomiczne wód zbiornika goczałkowickiego przeprowadzone w toku realizacji Projektu ZiZOZap były jednymi z pierwszych tego typu analiz prowadzonych w Polsce. wartości OTU dla poszczególnych punktów pomiarowych, a tym samym umożliwiały określenie zmienności sezonowej i stanowiskowej mikroorganizmów w zbiorniku (fot. 1.7 oraz 1.8). Najwyższe wartości OTU stwierdzono w punkcie Z05 w listopadzie 2010 i kwietniu 2011, które wynosiły około 7900, zaś najniższe wartości OTU stwierdzono na stanowisku Z08 w listopadzie 2010 oraz na stanowiskach Z01 i Z09 w kwietniu 2011, kiedy wynosiły W toku przeprowadzonych analiz wykazano również obecność w wodach zbiornika charakterystycznych rodzajów mikroorganizmów takich jak Limnohabitans sp. (Commamonadaceae), które dominowały na stanowisklu Z05, sinic z rodzaju Synechococcus (GPIIa), a także rodzaju Pelagibacter sp. (sar11; LD12), związanych z główną, otwartą częścią zbiornika i obserwowanych na stanowiskach Z08 i Z01 rys 1.8. Szczególnie istotne jest to, że przeprowadzone badania miały charakter interdyscyplinarny wyniki analiz metagenomicznych przeprowadzonych na różnych stanowiskach zbiornika, w kilku sezonach wegetacyjnych korelowane były z wynikami prowadzonych równolegle analiz fizykochemicznych wód zbiornika. Dzięki temu możliwa była identyfikacja nowych, ważnych grup mikroorganizmów mogących pełnić rolę biowskaźników stanu środowiska wodnego, a tym samym nowych narzędzi przydatnych do oceny stanu i przewidywania zmian zbiornika zaporowego. Tabela 1.1. Ocena przydatności metody analiz PCR w czasie rzeczywistym (RealTime PCR) do oceny jakości wód powierzchniowych Potencjalnie ważną, z punktu widzenia biomonitoringu środowiska ekosystemów wodnych, grupę organizmów stanowią zespoły mikroorganizmów, które dzięki ogromnej bioróżnorodności i szybkiej reakcji na zmiany środowiskowe mogą zostać wykorzystane jako marker stanu środowiska wodnego. Standardowe metody mikrobiologiczne, w których obecność określonych szczepów drobnoustrojów izolowanych ze środowiska określa się przez hodowlę w warunkach laboratoryjnych, nie są wystarczające do szerokiej oceny zmienności mikrobiologicznej środowiska mikroorganizmy, których hodowla możliwa jest w warunkach laboratoryjnych stanowią zaledwie 1 3% wszystkich drobnoustrojów występujących w badanym środowisku. Przełomem w badaniach bioróżnorodności mikrobiologicznej okazało się wprowadzenie do analiz mikroorganizmów metod molekularnych, umożliwiających jakościową i ilościową analizę makromolekuł występujących w komórkach mikroorganizmów. Szczególną rolę w nowoczesnych analizach mikrobiologicznych odgrywają badania metagenomiczne, w których globalna analiza DNA izolowanego z próby środowiskowej pozwala na identyfikację pełnego spektrum mikroorganizmów występujących w środowisku bez potrzeby ich hodowli w laboratorium. Analizy metagenomiczne, przez identyfikację w próbie środowiskowej konserwatywnych sekwencji 16S rrna, umożliwiają rozróżnienie poszczególnych operacyjnych jednostek taksonomicznych mikroorganizmów (ang. Operational Taxonomic Unit, OTU) czyli identyfikację, kategoryzację i oszacowanie udziałów poszczególnych grup taksonomicznych mikroorganizmów występujących w środowisku. Opracowane w ostatnich latach szybkie i tanie metody sekwencjonowania DNA izolowanego z prób środowiskowych, pozwoliły na uzyskanie niezwykle cennych informacji na temat populacji mikroorganizmów zasiedlających zbiorniki wodne, a powiązanie takich danych z wynikami analiz fizykochemicznych wody pozwala na ocenę roli tych mikroorganizmów w badanych ekosystemach. Badania zmienności mikrobiologicznej wód zbiornika goczałkowickiego wykonywane były z użyciem wysokoprzepustowego sekwenatora DNA firmy 454/ROCHE. Analizami objęto stanowiska Z01, Z05, Z08 i Z09 w sezonie letnim i jesienią 2010 oraz wiosną 2011 r. Przeprowadzone analizy metagenomiczne umożliwiły oznaczenie Fot Obrazy mikroskopowe SEM organizmów planktonowych na powierzchni sączka, odsączonych z wody zbiornika goczałkowickiego Rys Udziały wybranych grup mikroorganizmów w środowisku zbiornika goczałkowickiego analizowane metodą rybotypowania. Próby pobierane w lipcu i listopadzie 2010 r. Fot Analiza pierwiastkowa EDS (Energy-dispersive X-ray spectroscopy) umożliwiająca obrazowanie rozkładu pierwiastków na obserwowanym obiekcie. Obraz sączka z zawiesiną odsączoną z wody zbiornika goczałkowickiego wskazuje na duże udziały krzemianów i glinokrzemianów w analizowanej zawiesinie 26 27

15 1. System monitoringu 1.4. System do szacowania ilości i biomasy ryb praktyczne narzędzia Bartosz Łozowski, Eugeniusz Małkowski, Andrzej Woźnica, Piotr Łaszczyca, Robert Koprowski, Zygmunt Wróbel Uniwersytet Śląski, Wydział Biologii i Ochrony Środowiska Electrofishing metoda łowienia ryb polegająca na ich ogłuszaniu prądem przed wyłowieniem lub zliczeniem i oznaczeniem. Wykonana prawidłowo powoduje, że ryby po kilku minutach wracają do stanu naturalnego. Problematyczna na dużych akwenach ze względu na konieczność użycia prądów o wysokim natężeniu, który może zabijać narybek i mniejsze ryby. Głównym celem zrównoważonego zarządzania środowiskiem wodnym jest dbałość o dobrą jakość wody. Jednym z elementów zapewniających zrealizowanie tego celu jest racjonalna gospodarka rybacka. Ryby odgrywają główną rolę w zapewnieniu równowagi w ekosystemie zbiornika wodnego. Zasadniczym problemem jest jednak brak lub niepełna informacja o liczebności oraz biomasie ryb występujących w danym akwenie. W zbiornikach hodowlanych oszacowanie tych wielkości nie jest szczególnie trudne, gdyż korzysta się z algorytmów umożliwiających szacowanie biomasy, a zarybianie stanowi jedyne źródło ryb w stawie. Znana jest więc struktura wiekowa i gatunkowa takiej populacji. Natomiast w zbiornikach o charakterze naturalnym np. jeziorach, a także w zbiornikach zaporowych, staje się to niezwykle skomplikowane. Istnieje wiele czynników wpływających na liczebność ryb. Wśród najważniejszych i niekontrolowanych przyczyn zmian liczebności ryb możemy wymienić reotaksję powodującą przemieszczanie się ryb z wodami dopływów, wędkarstwo, kłusownictwo, pojawianie się ryb ze stawów hodowlanych, wypływ ryb przez przepusty. Inne przyczyny to: zdarzenia losowe związane z niepowodzeniem lub sukcesem zarybiania, masowe wystąpienia chorób ryb lub ich brak, presja ptaków żywiących się rybami, czy mniej lub bardziej sprzyjające warunki klimatyczne w trakcie tarła. Wielość czynników mających wpływ na liczebność i biomasę ryb w zbiorniku wodnym pokazuje złożoność problemu i wskazuje na potrzebę stworzenia narzędzi umożliwiających szacowanie liczebności ryb. Dotychczas używanymi metodami były m.in. odłowy włokowe, electrofishing lub użycie tzw. zestawów nordyckich (NORDIC Nets). W wyniku stosowania tych metod uzyskuje się dużą biomasę martwych ryb (w tym cennych i chronionych gatunków), które trzeba unieszkodliwiać, co generuje dodatkowe koszty. Wpływa także destrukcyjnie na poszczególne populacje ryb w środowisku zbiornika, co jest szczególnie niewskazane na obszarach cennych przyrodniczo. 1. System monitoringu Reotaksja reakcja ruchowa organizmów reofilnych (prądolubnych), polegająca na ich ustawieniu się naprzeciw kierunku ruchu wody i poruszaniu się (o ile posiadają one zdolność pływania) pod prąd (reotaksja dodatnia) lub z prądem (reotaksja ujemna). Niska efektywność dostępnych narzędzi monitoringu ilości i biomasy ichtiofauny oraz ich czaso i kosztochłonność spowodowała, że w Projekcie ZiZOZap podjęto próbę zaprojektowania metody eliminującej wady metod stosowanych obecnie. Metoda ta wykorzystuje do oceny liczebności ryb zarejestrowane obrazy pochodzące z sonaru. Istotnymi cechami rozwiązania jest nieinwazyjność (ryby nie są odławiane), względnie niski koszt prowadzenia pomiarów oraz możliwość szybkiego uzyskiwania wyników. Obrazy sonarowe opracowuje stworzone w ramach Projektu ZiZOZap oprogramowanie analityczne, automatyzujące procedurę szacowania liczby ryb. Większość dostępnych na rynku sonarów umożliwia rozpoznawanie ryb. Współczesne sonary dają możliwość rejestracji echa pracy głowicy oraz dodatkowo śledzenia trajektorii i odczytu współrzędnych GPS (Global Positioning System) na podstawie danych satelitarnych. Znajdujące się na rynku popularne sonary najczęściej pracują w zakresie 200 khz i zapewniają wykrywanie obecnych w wodzie ryb, jednak nie pozwalają na szacowania ich liczby w objętości zbiornika lub wyznaczonego obszaru akwenu. Dotychczas, w odniesieniu do oceny liczebności ryb swobodnie pływających w zbiornikach o wolnym przepływie wody, nie dysponowano miarodajną, powtarzalną, a także relatywnie tanią metodą pomiaru. Wypełniliśmy tę lukę konstruując tani w eksploatacji i łatwy w obsłudze system analityczny pozwalający na szacowanie liczebności ryb w dowolnym akwenie (rys. 1.9 oraz 1.10). Rozwiązanie wykorzystuje mini łódź wyposażoną w system sonarowy zbierający dane. W przypadku badań prowadzonych na głębszych akwenach możliwe jest rejestrowanie wyników na sonarach zainstalowanych na jednostkach pływających, takich jak kutry rybackie, łodzie pasażerskie lub badawcze. Nowatorskim elementem tego rozwiązania jest zastosowanie oprogramowania analitycznego, które opracowuje wg stosownych algorytmów zebrane dane. Sposób liczenia ryb został opisany w BioMedical Engineering OnLine 2013, 12:60 w artykule Mobile sailing robot for automatic estimation of fish density and monitoring water quality (artykuł dostępny bezpłatnie na stronie czasopisma), natomiast System oraz sposób szacowania liczebności ryb w zbiornikach wodnych jest przedmiotem zgłoszenia patentowego wynalazku P Rys Wykres wyznaczanego automatycznie położenia ryb (kolor niebieski), linii dna (kolor czerwony) oraz powierzchni wody (kolor zielony) Rys Zagęszczenie biomasy ryb w zbiorniku goczałkowickim wykonana na podstawie pomiarów sonarowych z użyciem autorskiego programu do szacowania biomasy ryb 28 29

16 2. Gromadzenie i wizualizacja danych

17 2. Gromadzenie i wizualizacja danych 2.1. Baza danych z mechanizmami zasilania i raportowania Informatyczny system gromadzenia danych Jacek Długosz, Piotr Cofałka, Joachim Bronder, Leszek Grzegorek, Michał Szot, Maciej Rzychoń Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych Eksploatacja wielofunkcyjnych zbiorników zaporowych, przysparza wiele trudności, gdyż sposoby realizacji poszczególnych funkcji zbiornika nawzajem się wykluczają generując obszary konfliktowe (rys. 2.1). Obecnie zarządzanie zbiornikami wielofunkcyjnymi wymaga podejścia uwzględniającego hierarchię ważności funkcji i kompromis, niezbędny w ich realizacji. Skuteczne zarządzanie wymaga od administratora zbiornika szerokiej wiedzy z zakresu hydrologii, ornitologii, fizykochemii, ichtiologii, ekologii, meteorologii, a także zagadnień technicznych i organizacyjnych. Głównym narzędziem Projektu ZiZOZap była baza danych, czyli zbiór danych operacyjnych wykorzystywany przez system aplikacji. Gromadzone w niej dane były wykorzystywane w sposób pośredni lub bezpośredni we wszystkich zadaniach realizowanych w projekcie (rys. 2.2). Opracowana przez zespół IETU baza danych Projektu ZiZOZap została zaprojektowana pod kątem gromadzenia i udostępniania danych pomiarowych, w celu wspomagania zarządzania zbiornikiem zaporowym zgodnie z metodyką opracowaną w projekcie. Model konceptualny bazy opracowano przy użyciu modelu związków encji, przy czym pod pojęciem encji rozumie się reprezentację wyobrażonego lub rzeczywistego obiektu. Model konceptualny stanowi odwzorowanie rzeczywistego procesu monitoringu w systemie informatycznym. Baza danych została oparta na silniku MS SQL Server 2008R2. Rys Konflikty funkcji na zbiorniku goczałkowickim [A. Woźnica, A. Kopaczewska, materiały konferencji Projektu ZiZOZap, Sosnowiec 14 grudnia 2010, Implementacja bazy danych zapewniła możliwość wprowadzania danych o różnym charakterze i od różnych dostawców. Jest to istotne dla projektów o interdyscyplinarnym charakterze, w których w obrębie monitoringu różnie definiuje się pojęcia z nim związane (np. parametr, punkt pomiarowy rozumiany jako punkt lub jako obszar, itp.). W bazie zgromadzono blisko 12 mln wyników pomiarów dotyczących 32 kategorii monitoringu prowadzonego w projekcie, jak i pozyskanych danych archiwalnych tabela 2.1. Łącznie dane te opisują blisko 2400 parametrów mierzonych w ponad 190 punktach rozmieszczonych w zlewni Małej Wisły. Baza danych projektu zasilana jest zasadniczo trzema strumieniami: (1) usługi wstawiające periodycznie dane pochodzące z systemów online lub systemów automatycznych; (2) dane importowane przez użytkowników samodzielnie za pomocą przygotowanych wcześniej szablonów i mechanizmów importu; (3) dane ładowane incydentalnie przez operatora bazy danych za pomocą mechanizmu importu po uprzednim skonwertowaniu do wymaganej postaci. Automatyczny monitoring prowadzony online został wyposażony w mechanizmy kontrolujące poprawność spływających danych. Dzięki wprowadzonej kontroli możliwa jest natychmiastowa reakcja zespołów badawczych mająca na celu zweryfikowanie poprawnośc urządzeń pomiarowych i przesyłowych tak, by jak najszybciej przywrócić pełne funkcjonowanie systemu. W bazie zgromadzono także dane dostarczone przez partnera strategicznego projektu Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA i firmę Ecoclima Serwis SJ, a także pozyskane z Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska w Katowicach. Znaczna część danych archiwalnych została przepisana Rys Przepływ danych w procesie zarządzania zbiornikiem 2. Gromadzenie i wizualizacja danych z papierowych ksiąg udostępnionych przez Zakład Uzdatniania Wody w Łące. Zgromadzone dane dostępne są dla uczestników i partnerów projektu po uwierzytelnieniu. Dane monitoringowe można przeglądać zarówno przez stronę internetową projektu jak i przez stronę geoportalu. Dane zgromadzone w trakcie realizacji Projektu ZiZOZap stanowiły podstawę wieloaspektowego modelowania i predykcji stanów zbiornika, uwzględniającego właściwości hydrodynamiczne, jakość i ilość zasobów wodnych, stan ekosystemu wodnego, w tym fauny i flory. Zarówno monitoring jak i informacje pozyskane z modeli pozwalają na poznanie reguł rządzących procesami, które zachodzą Tabela 2.1. Charakterystyka danych gromadzonych w bazie danych Projektu ZiZOZap Rodzaje danych Częstotliwość w zbiorniku pod wpływem działania czynników zewnętrznych i wewnętrznych i skodyfikowaniu ich w postaci poradników i raportów. Stanowią ważny element ułatwiający podejmowanie decyzji w zarządzaniu jakością zasobów wodnych. Wdrożona baza danych wraz z geoportalem i całym system informacyjnym będzie mogła zostać zaimplementowana jako narzędzie wspomagające zarządzanie innymi zbiornikami zaporowymi. Ma to istotne znaczenie w kontekście zakończenia okresu przejściowego wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej. Typ miejsca pomiarowego Rodzaj pomiaru Grupy danych Monitoring ekofizjologiczny kilka razy w roku punkt okresowy manualny Monitoring ekotoksykologiczny kilka razy w roku punkt okresowy manualny Monitoring ekologiczny kilka razy w roku punkt okresowy manualny Monitoring fitoplanktonu, zooplanktonu kilka razy w roku punkt okresowy manualny i bentosu Monitoring bakterii na zbiorniku kilka razy w roku punkt okresowy manualny Monitoring pokrycia roślinnością raz w roku obszar teledetekcja Monitoring ichtiofauny raz w roku obszar okresowy manualny Monitoring ornitologiczny raz w roku obszar okresowy manualny Monitoring fauny lądowej raz w roku obszar okresowy manualny Monitoring meteorologiczny zlewni zbiornika Monitoring jakości wody na zbiorniku i dopływach monitoring organizmów żywych i toksykologii co 10 minut punkt automatyczny monitoring meteorologiczny co minut / raz w miesiącu punkt automatyczny, ciągły/ okresowy manualny Monitoring jakości osadów raz w miesiącu punkt okresowy manualny Monitoring promieniotwórczości kilka razy w roku punkt okresowy manualny wody i osadów Monitoring stężenia tlenu w profilach raz w miesiącu punkt okresowy manualny Monitoring jakości pobieranej wody (użytkowej) co godzinę / dobowo punkt automatyczny ciągły/ manualny ciągły Badania depozycji mokrej i suchej raz w miesiącu punkt okresowy manualny Monitoring jakości wód raz w miesiącu punkt okresowy manualny podziemnych Monitoring jakości wody raz w miesiącu punkt okresowy manualny z przepompowni Dane o ilości wody na dopływie i odpływie ze zbiornika raz na dobę/co 4 godziny punkt ciągły manualny Dane o ilości przepompowywanej kilka razy w roku punkt pośredni manualny wody do zbiornika Dane hydrologiczne operatora dobowe punkt dane archiwalne zbiornika Monitoring hydrologiczny na co 30 minut punkt automatyczny dopływach Monitoring hydrogeologiczny co godzinę punkt okresowy automatyczny w otoczeniu zbiornika raz w miesiącu / kilka razy w roku okresowy manualny Dane batymetryczne zbiornika kilka razy w roku obszar okresowy Monitoring zużycia wody w zlewni publikowane rocznie dane punkt okresowy statystyczne monitoring jakości wody, osadów i depozycji monitoring hydrometryczny 32 33

18 2. Gromadzenie i wizualizacja danych 2.2. Geoportal z funkcjonalnością dostępu do bazy danych Informatyczny system prezentowania i wizualizacji danych 2. Gromadzenie i wizualizacja danych Rys Geoportal Projektu ZiZOZap schemat przejść Jacek Długosz, Joachim Bronder, Maciej Rzychoń, Piotr Cofałka Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych Jednym z głównych elementów systemu wspomagającego zarządzanie zbiornikiem zaporowym jest aplikacja mapowa (geoportal), umożliwiająca wizualizację i analizę danych monitoringowych zgromadzonych w bazie oraz opracowanych produktów informacyjnych. Geoportal umożliwia dostęp do informacji mapowych zgromadzonych w latach przez realizatorów Projektu ZiZOZap. Dane charakteryzują zbiornik goczałkowicki oraz zlewnię Małej Wisły, w której ten zbiornik się znajduje, pod względem fizycznym, chemicznym i biologicznym (rys. 2.3). Geoportal ZiZOZap integruje dane wytworzone w ramach projektu z danymi pozyskanymi z lokalnych sieci monitoringowych, wolnymi od opłaty danymi pochodzącymi z rejestrów krajowych i europejskich oraz danymi zakupionymi w Wojewódzkim Ośrodku Dokumentacji Geodezyjnej i Kartograficznej w Katowicach. Wszystkie informacje prezentowane są na podkładach mapowych pochodzących z Państwowego Zasobu Geodezyjnego i Kartograficznego, a także wyprodukowanych w Projekcie ZiZOZap. Geoportal opublikowany pod adresem zapewnia dostęp wyłącznie członkom projektu (pełna funkcjonalność). Wkrótce wystartuje wersja ogólnodostępna informacje o jej uruchomieniu można będzie znaleźć na portalu internetowym projektu. Zakres prezentowanych informacji uwzględniać będzie umowy licencyjne i prawa autorskie. Na geoportalu aktualnie wyodrębniono 67 warstw informacyjnych, podzielonych na 15 grup tematycznych. Dzięki integracji narzędzi firmy ESRI z rozwiązaniami informatycznymi zespołu IETU udało się uzyskać unikalną funkcjonalność geoportalu wychodzącą poza rozwiązanie standardowe. Są to: (1) dostęp do danych pomiarowych, tworzonych przez uczestników projektu oraz danych generowanych przez automatyczne przyrządy pomiarowe; (2) wyświetlanie wykresów w postaci liniowej lub słupkowej oraz tablic z możliwością zapisu do pliku; (3) łączenie wybranych lokalizacji na mapie z multimediami (np. zdjęciami); (4) zmiana kolejności wyświetlanych map; (5) dodanie własnych map do systemu; (6) personalizacja wyświetlania danych w zależności od przynależności użytkownika do grupy zadaniowej. Analiza danych może być prowadzona w kontekście zgromadzonych informacji mapowych sieć rzeczna, mapy topograficzne, hydrograficzne, modele terenu i dna zbiornika, mapy historyczne. Możliwe jest również stosowanie geoportalu do tworzenia prostych opracowań mapowych, także na podstawie własnych danych, jako warstwa użytkownika, nałożona na informacje zgromadzone w geoportalu. Przykłady możliwości geoportalu pokazano na rysunkach 2.5 oraz 2.6. Geoportal jest dostępny pod adresami: ZizozapGeoportalPublic (geoportal ogólnodostępny) (geoportal dla użytkowników zarejestrowanych) Rys Przykladowy widok okna mapy na geoportalu Projektu ZiZOZap Rys Prezentacja danych pomiarowych na geoportalu Projektu ZiZOZap Celem głównym utworzenia geoportalu w Projekcie ZiZOZap jest wspomaganie zarządzania zbiornikiem zaporowym w aspekcie ochrony środowiska. Temu celowi towarzyszą cele uzupełniające, którymi są: (1) ułatwienie dostępu do danych pomiarowych oraz danych przestrzennych, ich wyświetlenie na mapie, bez konieczności znajomości narzędzi GIS przez użytkownika; (2) komunikowanie wyników badań, pomiarów oraz analiz pomiędzy uczestnikami projektu; (3) zrozumienie relacji przestrzennych między obserwowanymi zjawiskami; (4) monitorowanie działania przyrządów pomiarowych oraz; (5) przygotowanie map do publikacji lub prezentacji. Podstawowe funkcjonalności przedstawiono na rysunku 2.4. Rys Zakres przestrzenny geoportalu Projektu ZiZOZap 34 35

19 3. Modele zbiornika goczałkowickiego

20 3. Modele zbiornika goczałkowickiego 3.1. Wprowadzenie 3. Modele zbiornika goczałkowickiego 3.2. Model hydrodynamiczny Elżbieta Nachlik Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej Podobnie jak w innych krajach, polskie zbiorniki wodne wymagają obecnie nowego, zintegrowanego zarządzania ich gospodarką wodną i infrastrukturą. Podstawą tego zarządzania jest analiza kosztów i korzyści, w wymiarze wieloczynnikowym z uwzględnieniem także obecnie obowiązujących kryteriów środowiskowych, a dokładnie ukierunkowanych na zachowanie bądź odbudowę dobrego stanu ekologicznego akwenów wodnych. Takie podejście pozwala na ustalanie nowych proporcji między efektywnością gospodarczą zbiorników wodnych, zakresem ochrony przed zagrożeniami naturalnymi i antropogenicznymi jaką one pełnią oraz funkcjonalnością przyrodniczą ich ekosystemów i ekosystemów na które oddziaływają, czyli dolnych biegów rzek, na których zostały zbudowane. Rozwiązywanie problemów związanych z funkcjonowaniem zbiorników zaporowych jest niezwykle trudne i wymaga dużej wiedzy oraz rozwagi ze względu na konsekwencje podejmowanych decyzji, zwłaszcza te negatywne, które mogą prowadzić do nieodwracalnej lub trudnej do odbudowy degradacji zbiornika. Ponieważ dotyczy to systemów naturalnych, w których procesy naprawcze w układach biologicznych zachodzą powoli, a skala oddziaływania jest duża, skutki złych decyzji mogę się utrzymywać przez lata. Elżbieta Nachlik, Paweł Hachaj, Leszek Lewicki, Tomasz Siuta Politechnika Krakowska, Wydział Inżynierii Środowiska, Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej STAN zbiornika Model hydrodynamiczny ma zastosowanie w bieżącej kontroli wielkości dopływu i odpływu oraz stanu zbiornika na potrzeby: a) sterowania tym odpływem w warunkach normalnych i nadzwyczajnych (zagrożenie powodzią lub niedoborem wody), b) oceny dynamiki samego akwenu pod kątem ochrony ujęcia wody przed zanieczyszczeniem. Aby model był efektywnie wykorzystany w zarządzaniu akwenem, powinien zostać użyty do opracowania scenariuszy dynamicznych pracy zbiornika, zarówno w obecnych jak i prognozowanych warunkach jego zasilania. Scenariusz modelowy pracy zbiornika obejmuje: opisany zbiorem zmiennych i parametrami opisującymi dynamikę 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, Generalnie, 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. zaś parametry stanu to: wielkość zasilania zbiornika, pobór wody i zrzut wody, poziom piętrzenia, oraz kierunek i prędkość wiatru. To wieloaspektowe podejście do zarządzania z uwzględnieniem wszystkich funkcji zbiornika wodnego wymaga, aby system zarządzania zbiornikiem zaporowym był wspomagany modelem funkcjonalnym zbiornika. Zintegrowany model funkcjonalny zbiornika wodnego jest wieloczłonowym narzędziem numerycznym, które umożliwia symulację pracy akwenu, w określonym zakresie scenariuszy jego pracy, w odniesieniu do: I dynamiki jego wód przy uwzględnieniu zasilania od strony rzeki, poboru wody, a także sterowania odpływem ze zbiornika model hydrodynamiczny, II zakresu i zasięgu wymiany wody pomiędzy akwenem a zbiornikiem wód podziemnych model hydrogeologiczny, II bilansowania parametrów stanu zbiornika w kontekście uwarunkowań fizykochemicznych i biologicznych model jakościowy. Każdy z powyższych elementów modelu funkcjonalnego zbiornika ma inne zastosowanie w systemie zarządzania zbiornikiem. FUNKCJE STANU ZDARZENIA, PRZEJŚCIE, SEKWENCJA STANÓW które opisują wzajemne wpływy i relacje parametrów stanu oraz jego charakterystyk i wartości parametrów dynamicznych, wraz z charakterystyką statystyczną tych zachowań. Funkcje stanu dotyczą: wpływu wartości zasilania zbiornika, poboru wody oraz wielkości zrzutu wody przez zaporę na pole prędkości i pole przepływu, wpływu sterowania odpływem na kształtowanie się krzywej napełnienia zbiornika w warunkach powodziowych, wpływu poziomu piętrzenia na pole prędkości i pole przepływu, wpływu kierunku i prędkości wiatru na pole prędkości i pole przepływu. to warunki, wielkości progowe oraz prawdopodobieństwo przejścia ze stanu do stanu z określeniem konsekwencji zmian. Model hydrodynamiczny zbiornika goczałkowickiego obejmuje trzy cząstkowe modele numeryczne pozwalające na obrazowanie i prognozowanie warunków hydrologicznych, klimatycznych i w konsekwencji dynamicznych akwenu. Takie właśnie modele składowe zbiornika wodnego Goczałkowice zostały opracowane oraz wdrożone na potrzeby wspomagania zarządzania tym akwenem. Poniżej omówiono każdy z nich oraz określono warunki ich wykorzystania Model podstawowy, o najwyższej dokładności odwzorowania dynamiki zbiornika, to model dwuwymiarowy w planie (2D) z rodziny SMS (Surface Water Modelling System). Uwzględnia on informacje o geometrii akwenu, jego warunkach dynamicznych, rozproszone zasilanie zbiornika oraz oddziaływania wiatrów. Model ten jest dostosowany do wolnozmiennych przepływów w różnych strefach głębokości. Model uzupełniający, dwuwymiarowy w planie (2D), Hydro AS 2D, który nie uwzględnia oddziaływań wiatrów, ale odwzorowuje i prognozuje szybkozmienne, wysokie przepływy nieustalone, w warunkach wezbrań