Charakterystyka czaszy zbiornika Goczałkowice do celów

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. NACHLIK: (red.): Zbiornik Goczałkowice. Analiza
przyczynowo-skutkowa DPSIR procesów i zjawisk istotnych z punktu widzenia zarządzania
zbiornikiem zaporowym, monografia nr 420,
Politechnika Krakowska, 2012.
2. 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.
2014 nr 8.
3. E. NACHLIK, P. HACHAJ, L. LEWICKI, T. SIUTA: Efektywność modeli hydrodynamicznych
w ocenie dynamiki zbiornika retencyjnego.
Gosp. Wodn. 2014 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.
B
adania 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.
■ Metodyka
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 01.01.02-24-078/09
prowadzenia pomiarów do opracowania charakterystyki
czaszy zbiornika
□ Bezpośrednie pomiary batymetryczne poprzedziła:
282
Gospodarka Wodna nr 8/2014
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 uwzględnieniem 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 odwzoroGospodarka Wodna nr 8/2014
Rys. 1. Plan sytuacyjny zbiornika – etap projektowy z informacją o miejscach poboru materiałów na budowę zapór głównej i bocznej
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, speł-
niający wymagania wykorzystanych
modeli hydraulicznych i jakościowych;
– numeryczny model pierwotnej czaszy zbiornika;
– mapa różnicowa, przedstawiająca
miąższość i rozkład przestrzenny osadów dennych;
głębokość (m)
100 m
powierzchnia dna
10
20
30
powierzchnia starego dna
Rys. 2. Fragment echogramu dna zbiornika wodnego [A. Osadczuk]
283
■ Model czaszy oraz ocena procesów sedymentacyjnych
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.
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.
260
259
258
Max PP 257 [m n.p.m.]
257
Rzędna piętrzenia [m n.p.m.]
256
A = 30,50 [km2] V = 163,14 [hm3]
NPP 255,5 [m n.p.m.]
A = 28,66 [km2] V = 118,26 [hm3]
Aktualny poziom piętrzenia
A = 24,96 [km2] V = 91,83 [hm3]
255
254
NPP rob. 254,5 [m n.p.m.]
253
252
251
250
MinPP dla ZUW 251,5 [m n.p.m.]
A = 14,15 [km2] V = 32,32 [hm3]
Część krzywej
Część krzywej opracowana
opracowana na podstawie
na podstawie danych
danych z echosondy
ze skaningu laserowego
A = 10,45 [km2] V = 20,12 [hm3]
MinPP 250,5 [m n.p.m.]
249
248
247
246
0,00
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 [hm3]
Rys. 4. Krzywa pojemności zbiornika Goczałkowice wg pomiarów z 2012 r.
284
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 laboraGospodarka Wodna nr 8/2014
Zawartość ziarn o średnicy mniejszej niż „d”
Zawartość ziarn o średnicy większej niż „d”
Miąższość
Rodzaj gruntu
Nr Podział
warstwy
– analiza
otworu próbki
[cm]
makroskopowa
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
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; poGospodarka Wodna nr 8/2014
13,5
10,5
3/1
Rodzaj gruntu – analiza
areometryczna
Gęstość
Klasa
Części
Przybliżona
objętośorganiczne
zawartość CaCO3 [%] zawartości
ciowa
wg PN-75/B-04481 węglanów
Iom [%]
ρ [g/cm3]
1-dół
Namuł
Pył piaszczysty – próchniczy
<1
I
1,69
3,61
2-góra
Namuł
Piasek gliniasty - próchniczy
<1
I
1,47
4,83
Rys. 5. Charakterystyka próbki nr 3 wraz z krzywą granulometryczną
wyżej 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 m3, 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 występowa-
nie 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,
2006. Sound velocity determination with
empirical formulas&Bar Check. XXIII FIG
Congress Munich, Germany: 2–12.
2. A. BOJARSKI, S. MAZOŃ, A. WOLAK,
Czasza zbiornika zaporowego Goczałkowice, jej przygotowanie i zmiany w dotychczasowej eksploatacji, konferencja Projektu
ZiZOZap, Katowice 12.2010.
3. G.I. MORRIS, Fan., Reservoir sedimentation hadnbook. McGraw – Hill, New York,
1998.
4. A. OSADCZUK 2007. Geofizyczne metody
badań osadów dennych. Studia Limnologica et Telmatologica 1,1, 25–32: 1–2.
5. U.S. Army Corps of Engineers. 2002. Single Beam Acoustic Depth Measurements
Techniques, Chapter 9. EM 1110-2-1003.:
13–27.
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 01.01.02-24-078/09
285