Raport roczny 2009-strona www - Projekt KLIMAT
advertisement
Projekt : KLIMAT „Wpływ zmian klimatu na środowisko, gospodarkę i społeczeństwo” (zmiany, skutki i sposoby ich ograniczenia, wnioski dla nauki, praktyki inŜynierskiej i planowania gospodarczego) Zadanie 8: Przeciwdziałanie degradacji polskich zbiorników retencyjnych RAPORT SYNTETYCZNY Z PRAC WYKONANYCH w 2009 r. [Etapy I ÷ III] Koordynator Zadania: mgr inŜ. Edmund Sieinski Warszawa, styczeń 2010 r. PROJEKT WSPÓŁFINANSOWANY PRZEZ UNIĘ EUROPEJSKĄ Z EUROPEJSKIEGO FUNDUSZU ROZWOJU REGIONALNEGO SPIS TREŚCI 1. Wstęp. 2. Cel badań. 3. Zakres prac. 4. Przyjęta metodyka badań i ich opis. 5. Osiągnięte wyniki i ich wykorzystanie. 6. Publikacje. 7. Literatura. 8. Wykaz wykonawców. 2 1. WSTĘP Z eksploatacją sztucznych zbiorników wodnych związany jest cały szereg zmian zachodzących w otaczającym je środowisku. Jedną z najwaŜniejszych grup tych zmian stanowią procesy zamulania zbiorników wynikające z denudacji ich zlewni i osadzania się w nich rumowiska zarówno unoszonego jak i wleczonego. Istnieje cały szereg czynników wpływających na transport materiału erodowanego ze zlewni. Dwa z nich a mianowicie: suma i natęŜenie opadów oraz wielkość powierzchniowego spływu wody, są w sposób bezpośredni zaleŜne od panujących warunków klimatycznych a więc i ich zmian „prowadzących do ustalenia się nowego stanu równowagi całego systemu klimatycznego względem stanu wyjściowego”. Istnienie duŜych wielozadaniowych zbiorników wodnych w Polsce jest niezbędne. Zbiorniki istniejące mają niewielką łączną pojemność. Wynosi ona niewiele ponad 4% średniego rocznego odpływu rzek polskich. Szacuje się, Ŝe pojemność ta powinna wynosić ponad 10%. Zbiorniki retencyjne słuŜące głównie zaopatrzeniu w wodę zapewniają równieŜ uregulowanie odpływu poniŜej nich (w tym niezbędnego przepływu biologicznego) oraz chronią tereny przyległe do rzeki przed powodziami. UmoŜliwiają produkcję taniej, ekologicznie czystej energii elektrycznej oraz hodowlę ryb, jak równieŜ tworzą nowe walory krajobrazowe i zwiększają atrakcyjność terenów przyległych do zbiornika. Dla prowadzenia racjonalnej gospodarki wodnej w regionie, niezbędna jest znajomość faktycznych dyspozycyjnych zasobów wody co jest szczególnie waŜne w okresach występowania suszy a takŜe informacji o będących do wykorzystania w przypadku zagroŜenia powodziowego wolnych pojemności (rezerwa powodziowa) umoŜliwiających przechwycenie przynajmniej części fali wezbraniowej. Wielkości te zaleŜą od pojemności zlokalizowanych na danym obszarze zbiorników retencyjnych. Pojemność ta w miarę upływu czasu ich eksploatacji maleje a przyczyną jest zjawisko zamulania powodowane denudacją powierzchniową zlewni oraz w znacznie mniejszym stopniu erozją i abrazją brzegów samych zbiorników. Budowa zapory tworzącej zbiornik wywołuje zakłócenie w procesie transportu rumowiska. Ciągła akumulacja cząstek sedymentujących prowadzi do zmian w rozkładzie osadów, który w duŜym stopniu zaleŜy od warunków eksploatacyjnych zbiornika oraz rytmu wezbrań powodziowych. Z tego powodu podczas eksploatacji zbiornika ulegającego zamuleniu, zmiany zasad eksploatacji bądź inne działania korygujące okazują się często niezbędne. Proces zamulania zbiorników jest złoŜony i nie ma charakteru liniowego. Dla kaŜdego takiego obiektu szczegółowego rozpoznania wymagają takie zagadnienia jak: intensywność i zmienność w czasie akumulacji rumowiska w zbiorniku, miejsca osadzania się materiału 3 akumulowanego ze szczególnym uwzględnieniem obszarów cofkowych, struktura, rodzaj i pochodzenie rumowiska. Istotną konsekwencją odkładania się rumowiska w cofce jest wzrost zagroŜenia terenów przyległych do zbiornika w okresach wezbrań. Spłycanie się rejonu cofki i intensywne jej zarastanie roślinnością jest powodem powstawania zatorów lodowych, których efektem moŜe być podnoszenie się zwierciadła wody powyŜej projektowanych krzywych cofkowych a więc teŜ powyŜej korony zapór bocznych bądź obwałowań. Zjawiska takie wystąpiły na kilku polskich zbiornikach powodując przerwanie wałów i w konsekwencji znaczne straty materialne. Sedymentacja i utrata w jej konsekwencji znacznych czynnych objętości zbiorników wodnych jest waŜnym problemem w światowej gospodarce wodnej. Według oceny ICOLD całkowita pojemność sztucznych zbiorników wodnych na świecie (w tym tworzonych równieŜ przez zapory o wysokości <15 m) wynosi ok. 7 miliardów m3 z czego 3 miliardy m3 stanowi objętość martwa tych zbiorników. Roczny cięŜar osadów niesionych przez rzeki (rumowisko wleczone i unoszone) ocenia się na ok. 24 ÷ 30 miliardów ton przy objętościach przepływów rzędu 40 000 km3. Uwzględniając zmienną zawartość osadów przy róŜnych przepływach i przyjmując średnią ich ilość na ok. 0,6 ÷ 0,7 t/1000 m3 szacuje się, Ŝe tylko w zbiornikach utworzonych przez zapory eksploatowane przez 30 ÷ 40 lat osadza się rocznie ok. 1400 mln m3 rumowiska. W Polsce oszacowano orientacyjnie, w oparciu o fragmentaryczne i niesystematycznie prowadzone pomiary na 26 z ponad 50-ciu istniejących polskich duŜych zbiornikach retencyjnych, Ŝe straciły one w czasie dotychczasowej eksploatacji (średni jej czas wynosił wówczas około 55 lat) około 250 mln m3. W tej sytuacji oraz przy trudnościach z budową kolejnych zbiorników koniecznym stało się dokładne rozpoznanie problemów związanych z procesem zamulania i jego kontrolą w eksploatowanych zbiornikach oraz ustalenie moŜliwości technicznych jak i ekonomicznych odzyskiwania utraconej pojemności retencyjnej. Było to powodem podjęcia realizacji zadania 8 dotyczącego badań degradacji polskich zbiorników retencyjnych równieŜ w aspekcie ewentualnych zmian klimatu. 2. CEL BADAŃ Podejmując realizację zadania 8 sprecyzowano główne jego cele którymi są: - aktualizacja moŜliwości retencyjnych polskich zbiorników zaporowych, - ustalenie sposobów odzyskiwania utraconej pojemności zbiorników oraz moŜliwości technicznych i ekonomicznych zagospodarowania osadów w nich akumulowanych, 4 - opracowanie zasad i programu systematycznej kontroli batymetrycznej zbiorników. Cele poszczególnych etapów zakończonych bądź rozpoczętych w 2009 r. parametrów technicznych przedstawiono poniŜej. Etap I • Inwentaryzacja wyjściowych i aktualnych wyselekcjonowanej grupy zbiorników retencyjnych. • Rejestracja wykonanych w trakcie eksploatacji zbiorników, pomiarów batymetrycznych ich czasz. • Wstępna ocena aktualnych moŜliwości retencyjnych zbiorników zaporowych. • Wybór zbiorników na których zostaną wykonane w ramach projektu pomiary batymetryczne. Etap II • Wykonanie pomiarów testowych na wybranym zbiorniku retencyjnym. • Wykonanie pomiarów batymetrycznych na trzech wybranych zbiornikach charakterystycznych z racji swojego usytuowania (zbiornik nizinny, sudecki, karpacki). • Opracowanie modeli numerycznych czasz zmierzonych zbiorników. Etap III • Analiza zmian wskaźnika intensywności zamulania przykładowych zbiorników w funkcji czasu ich eksploatacji. • Ustalenie zmiany pojemności poszczególnych warstw przykładowych zbiorników w czasie ich eksploatacji. • Wyznaczenie stref intensywnego odkładania się rumowiska w wybranych zbiornikach. 3. ZAKRES WYKONANYCH PRAC Zakres wykonanych w 2009 roku w zadaniu 8 prac z ich podziałem na etapy przedstawiono poniŜej. W etapie I zinwentaryzowano zbiorniki zaporowe o objętości początkowej (przy normalnym poziomie piętrzenia – NPP) większej lub równej 5 mln m3. Ze zbioru tego wyodrębniono zbiorniki retencyjne usytuowane na naturalnych ciekach oraz zebrano 5 i zweryfikowano ich parametry takie jak: data rozpoczęcia eksploatacji, lokalizacja, powierzchnia zlewni, przeznaczenie, charakterystyczne rzędne piętrzenia i odpowiadające im pojemności oraz powierzchnie zalewu. Następnie dokonano rejestracji wszystkich dotychczas wykonywanych pomiarów batymetrycznych na zbiornikach wchodzących w skład rozpatrywanego zbioru. Zebrany materiał poddano analizie pod kątem częstotliwości wykonywania pomiarów, a takŜe wiarygodności osiąganych wyników. Przeprowadzono takŜe wstępną ogólną ocenę moŜliwości retencyjnych rozpatrywanych zbiorników a takŜe wytypowano z pośród nich trzy charakterystyczne z racji połoŜenia zbiorniki, na których zostaną wykonane pomiary batymetryczne wraz z opracowaniem krzywych pojemności i powierzchni zalewu oraz modeli numerycznych ich czasz. Wytypowano takŜe do pomiarów testowych zbiornik Brody IłŜeckie mający, z powodu swego usytuowania, cechy zbiornika nizinnego i górskiego. W rozpoczętym etapie II zgromadzono materiały archiwalne dotyczące batymetrii zbiornika Brody IłŜeckie, przygotowano plan pomiarów uwzględniający charakter kształtu linii brzegowej zbiornika, przeszkody nawigacyjne i sposób sondowania zapewniający wymaganą gęstość pokrycia pikietami akwenu. Wykonano pomiar batymetryczny całego zbiornika wraz z opracowaniem kameralnym uzyskanych wyników. Na zbiorniku Brody IłŜeckie przeprowadzono takŜe z uŜyciem sonaru Edge-Tech. 4125-D pomiar testowy, którego celem była próba odwzorowania kształtu fragmentu dna. Dokonano analizy uzyskanych wyników. Rozpoczęto takŜe prace przygotowawcze do pomiarów batymetrycznych trzech wytypowanych zbiorników. Etap III dotyczący badań dynamiki zamulania zbiorników objął w pierwszej kolejności zgromadzenie archiwalnych danych pomiarowych związanych z badaniami zamulania retencyjnych zbiorników zaporowych. Wykorzystując te materiały wykonano obliczenia wraz z analizą zmian wskaźnika intensywności zamulania poszczególnych zbiorników w funkcji czasu ich eksploatacji. Wyniki te odniesiono takŜe do powierzchni zlewni zamykanej przez zapory zbiorników, uzyskując na tej drodze wskaźniki denudacji powierzchniowej. Wykonano obliczenia oraz zilustrowano graficznie w postaci krzywych, zmiany pojemności poszczególnych warstw wybranych zbiorników w czasie ich eksploatacji. Dla kilku zbiorników sporządzono ich profile podłuŜne ilustrując zmiany zachodzące w wyniku zamulania a w szczególności pokazujące strefy intensywnego osadzania się rumowiska. Na dwóch zbiornikach (testowym i porównawczym) pobrano z róŜnych stref dna próbki osadów oraz wykonano badania ich składu granulometrycznego. 6 4. PRZYJĘTA METODYKA BADAŃ I ICH OPIS W wyniku przeprowadzonej analizy publikacji na temat polskich zbiorników wodnych oraz dotychczas zgromadzonych danych, postanowiono pracami w zadaniu 8 objąć sztuczne zbiorniki wodne, które w chwili oddawania ich do eksploatacji posiadały pojemność całkowitą wynoszącą co najmniej 5 mln m3. Ustalono, Ŝe zbiorników takich jest w Polsce eksploatowanych 66. Dla realizacji celów wynikających ze sformułowania zadania 8 postanowiono przyjąć kolejne kryteria, które ograniczyły podany wyŜej zbiór do zbiorników: - utworzonych przez zapory (tzw. zbiorniki zaporowe), - zlokalizowanych na naturalnych ciekach, - retencyjnych. Tak więc w dalszych pracach zrezygnowano z pozyskiwania i szczegółowej weryfikacji danych dotyczących zbiorników: - zlokalizowanych w wyrobiskach (jest ich 7 o łącznej pojemności wyjściowej 354,2 mln m3), - przepływowych (nie posiadających moŜliwości retencyjnych – są takie 3 o łącznej pojemności wyjściowej 519,3 mln m3), - zlokalizowanych na kanałach (są takie 2 o łącznej pojemności wyjściowej 13,8 mln m3), - osiągających pojemność powyŜej 5 mln m3 tylko wraz z objętością podpiętrzonych jezior, - przeciwpowodziowych suchych, - górnych zbiorników elektrowni pompowych. Ostatecznie dalszymi pracami w zadaniu 8 objęto 51 zbiorników spełniających załoŜone kryteria a łączna projektowana wyjściowa całkowita pojemność zbiorników z analizy których zrezygnowano wynosiła 917,1 mln m3. Opracowano wzór karty inwentaryzacyjnej zawierającej oprócz informacji o lokalizacji zbiornika, powierzchni jego zlewni, właścicielu, przeznaczeniu, terminie rozpoczęcia eksploatacji oraz jego parametrach technicznych, równieŜ niezbędne do dalszych prac informacje o przeprowadzonych dotychczas kontrolnych pracach pomiarowych (pomiarach batymetrycznych) i ustalonych na ich podstawie ostatnich zarejestrowanych parametrach obiektu. Karty inwentaryzacyjne wypełniono na podstawie: - informacji otrzymanych od eksploatatorów zbiorników (m.in. danych zawartych w instrukcjach eksploatacji), - własnych materiałów archiwalnych (w tym opracowań wykonanych przez IGW, PIHM i IMGW pomiarów batymetrycznych), - publikacji naukowych, - monografii budowli piętrzących, 7 - innych źródeł do których udało się dotrzeć. Podlegające analizie obiekty przyporządkowano wstępnie, w zaleŜności od ich lokalizacji do trzech grup zbiorników: karpackich, sudeckich i nizinnych. Zgromadzone na kartach dane poddano szczegółowej weryfikacji. Było to konieczne między innymi dlatego Ŝe: - wyjściowe (projektowane) krzywe objętości zbiorników i powierzchni ich zalewu w zaleŜności od rzędnych piętrzenia budzą często uzasadnione wątpliwości; były one przewaŜnie konstruowane na podstawie, nie weryfikowanych bezpośrednimi pomiarami, podkładów mapowych, - często w czasie budowy zapory na obszarze czaszy zbiornika wykonywano znaczące roboty ziemne, które miały istotny wpływ na pojemność zbiornika, - z dna niektórych zbiorników wydobywane jest kruszywo w ilościach mających wpływ na pojemność poszczególnych jego warstw. PoniŜej przykładowo przedstawiono kartę inwentaryzacyjną zbiornika Turawa. ZBIORNIK – TURAWA Rzeka Kilometr rzeki (lokalizacja zapory) Lokalizacja zbiornika Mała Panew 18+500 [km] geograficzna Nizina Śląska [km2] Powierzchnia zlewni Rok oddania zbiornika do eksploatacji Właściciel zbiornika 1422 (1421) 1938/1948* Skarb Państwa w administracji RZGW Wrocław przeciwpowodziowa, energetyczne, rekreacja, zaopatrzenie w wodę elektrowni „Opole”, retencja wód dla potrzeb Ŝeglugi Zadania zbiornika Rzędna maksymalnego piętrzenia** Rzędna normalnego piętrzenia Rzędna minimalnego piętrzenia [m n.p.m.] [m n.p.m.] [m n.p.m.] Pojemności zbiornika [mln m3] [mln m3] [mln m3] Przy maksymalnym piętrzeniu Przy normalnym piętrzeniu Martwa Powierzchnia zbiornika przy maksymalnym piętrzeniu [ha] Powierzchnia zbiornika przy normalnym piętrzeniu [ha] 176,90 176,10 168,20 Wyjściowa Aktualna (1948r) (1980r.) 108,00 103,58 92,00 87,67 2,90 1,69 2067 2051 1966 1927 Uwagi: Obiekt składa się ze zbiornika głównego i tzw. zbiornika wstępnego. Podane dane dotyczą obu zbiorników łącznie. * Rok pierwszego napełnienia zbiornika. ** Rzędne podano w układzie Amsterdam – dotyczą sytuacji przed podwyŜszeniem przelewów. Po podwyŜszeniu wynoszą one: maks. p.p. 177,03, normalny p.p. 176,35, minimalny 169,00. 8 Pomiary batymetryczne Data pomiaru Zakres i metoda pomiarów Wykonawca pomiarów i badań 1947 Krzywa pojemności Przekroje całego zbiornika, mapa batymetryczna, krzywa pojemności, krzywa powierzchni zalewu, przekroje poprzeczne Badania miąŜszości namułów, skład rumowiska Przekroje całego zbiornika, mapa batymetryczna, krzywa pojemności, krzywa powierzchni zalewu, przekroje poprzeczne Według projektu 1961 1980 1980 2004 IGW Oddział Dolnośląski Polskiego Towarzystwa Przyjaciół Nauk o Ziemi Zespół Rzeczoznawców SITWM Warszawa ITC Holandia na zlecenie Pełnomocnika Rządu d.s. Programu Odra 2006 Pomiar całego zbiornika Uwagi: Wyniki pomiaru z 2004 r. budzą wątpliwości (przyrosty objętości). Kierownictwo zbiornika uŜywa krzywych z 1980 r. Ze zgromadzonego materiału, jednoznacznie wynika, Ŝe nie posiadamy pełnej, wiarygodnej informacji o aktualnej pojemności polskich zaporowych zbiorników retencyjnych. Jest to spowodowane brakiem funkcjonowania systemu kontrolowania poprzez pomiary batymetryczne, zmian zachodzących w pojemności zbiorników spowodowanych procesem zamulania. Analizowane zbiorniki moŜna podzielić na kilka grup: - zbiorniki kontrolowane dosyć systematycznie – przykładem moŜe być tu zbiornik RoŜnów, - zbiorniki kontrolowane dosyć systematycznie ale tylko do chwili wybudowania bezpośrednio powyŜej nich nowego zbiornika – np. zbiornik Myczkowce, - zbiorniki kontrolowane sporadycznie – przykładem moŜe tu być zbiornik Goczałkowice, - zbiorniki nigdy nie kontrolowane – jest ich aŜ 23 czyli 45% analizowanego zbioru. Z powodu braku pełnej informacji o aktualnym stanie zamulenia poszczególnych zbiorników a zarazem oceny ich moŜliwości retencyjnych trzeba się uciec do metod uproszczonych w postaci obliczeń teoretycznych. Oprócz umoŜliwienia oszacowania objętości rumowiska odłoŜonego w czasie eksploatacji w zbiornikach kontrolowanych sporadycznie lub w ogóle nie kontrolowanych, obliczenia te dostarczają materiału porównawczego dla tych zbiorników na których wykonywano wiarygodne pomiary batymetryczne. 9 Obliczenia akumulacji rumowiska w zbiorniku wykonuje się metodami: analogii, intensywności denudacji, pomiarów unoszenia. Metody te słuŜą do określenia średniego rocznego zamulenia zbiornika. Na podstawie średniego rocznego zamulenia oblicza się Ŝywotność zbiornika oraz przebieg zamulenia wraz z upływem czasu. Ze względu na trudności związane z wykorzystaniem materiałów z bezpośrednich pomiarów unoszenia i wleczenia, moŜna w obliczeniach oprzeć się na danych charakteryzujących intensywność denudacji w poszczególnych regionach i podregionach hydrograficznych. SłuŜy do tego opracowana przez Reniger 9-cio stopniowa skala zmywalności gruntu, natomiast dla określenia ilościowego denudacji, odpowiadającej poszczególnym klasom, słuŜą wskaźniki opracowane przez Dębskiego lub wskaźniki denudacji odpływowej opracowane w IMGW. Obliczając średnie roczne zamulenie na podstawie intensywności denudacji zlewni naleŜy teŜ brać pod uwagę jaka część tej zlewni wyłączona jest przez zabudowę zbiornikową z udziału w transporcie rumowiska unoszonego lub teŜ w jaki sposób zabudowa ta ogranicza transport unosin. Omawiana metoda polega na obliczaniu łącznej ilości materiału wleczonego i unoszonego ze wzoru: m ΣD = ΣAi ⋅ Di 1 gdzie: ΣD - łączna ilość materiału unoszonego i wleczonego docierająca do zbiornika w t/rok, Ai - część powierzchni zlewni odpowiadająca danej klasie denudacji w km2, Di - intensywność denudacji odpowiadająca danej klasie w t/km2/rok lub wskaźnik denudacji odpływowej. Obserwacje procesów zamulania wykazują, Ŝe zaleŜność między okresem eksploatacji zbiornika a objętością osadów nagromadzonych w nim w dłuŜszym okresie czasu nie jest liniowa. Wraz z upływem czasu rośnie bowiem ilość drobnego rumowiska (unosin) przepływającego przez zbiornik i dostającego się do dolnego stanowiska. Rzeczywisty przebieg zamulania moŜe odwzorować krzywa dąŜąca asymptotycznie do granicy, która stanowi wartość róŜnicy między początkową (V0) a końcową (Vk) pojemnością zbiornika. Równanie tej krzywej wyprowadzili Orth i Szamow na podstawie danych empirycznych. W praktyce w Polsce stosuje się teoretyczny wzór Gonczarowa dający wyniki zbliŜone do otrzymanych metodą Ortha-Szamowa. Wzór ten ma postać: 10 Z t Z t = V0 ⋅ 1 − 1 − 1 V0 gdzie; Zt – objętość osadów w zbiorniku po upływie t lat w m3, V0 – początkowa pojemność zbiornika w m3, Z1 – średnie roczne zamulenie w początkowym okresie eksploatacji zbiornika w m3, t – ilość lat (dowolnie załoŜona). Celem ocenienia moŜliwości retencyjnych rozpatrywanych zbiorników wykonano obliczenia ilości zakumulowanego w nich rumowiska. W obliczeniach tych występują trzy warianty: a) Na zbiorniku wykonano w roku 2008 pomiary batymetryczne – w tym przypadku (było ich 10) aktualną pojemność zbiornika oraz objętość rumowiska w nim zakumulowanego ustalono na podstawie aktualnej krzywej pojemności. b) Na zbiorniku wykonano pomiary batymetryczne kilka lub kilkanaście lat temu – w tym przypadku wartość rocznego zamulenia (Z1) ustalono w oparciu o ich wyniki z przekształconego do postaci: Z 1 = V0 − e c wzoru Gonczarowa gdzie: c= ( ln Vt ⋅ V0t −1 t ) Oznacza to, Ŝe wartość Z1 jest tak dobrana, Ŝe obliczone zamulenie zbiornika po „t” latach eksploatacji (czyli po liczbie lat jaka upłynęła od oddania zbiornika do eksploatacji do roku wykonania ostatnich wiarygodnych pomiarów batymetrycznych) jest identyczne z zamuleniem ustalonym w wyniku pomiarów. Mając tak dobraną wartość Z1 moŜna było obliczyć zamulanie tego zbiornika na koniec roku 2008 a w konsekwencji jego aktualną pojemność. c) Na zbiorniku nigdy nie wykonywano pomiarów batymetrycznych – w tym przypadku wartość rocznego zamulenia Z1 ustalono metodami: Reiniger-Dębskiego oraz wskaźnika denudacji odpływowej. Obliczając średnie roczne zamulenie zbiornika metodą Reiniger-Dębskiego oraz wskaźnika denudacji odpływowej nanoszono na odpowiednią mapę intensywności denudacji zarys zlewni połoŜonej powyŜej tego zbiornika i przyporządkowywano poszczególnym klasom lub 11 wskaźnikom denudacji powierzchnie cząstkowe zlewni. Iloczyny części powierzchni zlewni odpowiadające danej klasie denudacji i wskaźnika intensywności denudacji sumowano. PoniewaŜ wskaźniki denudacji w obydwu metodach są wyraŜone w t/km2rok, to przeliczając uzyskane wyniki na objętość osadzonego rumowiska przyjęto jego cięŜar objętościowy równy 0,7 t/m3. Pamiętano równieŜ, Ŝe część zlewni zbiornika moŜe być wyłączone z transportu rumowiska poprzez zbudowany powyŜej inny zbiornik. Wykonując w ramach etapu II pomiar zbiornika Brody IłŜeckie zastosowano opisany dalej tok postępowania. Jako granicę zalewu przy maksymalnym poziomie piętrzenia przyjęto linię zcyfrowaną z aktualnej mapy topograficznej w skali 1 : 10 000. We fragmentach gdzie uŜycie skanowanej mapy topograficznej było mało dokładne wykonano pomiary techniką geodezyjną wykorzystującą system geodezji satelitarnej GPS. PoniewaŜ poziom wody w zbiorniku podczas pomiarów echosondą był o 108 cm niŜszy od rzędnej maksymalnego piętrzenia to odsłonięte fragmenty terenu oraz linię zwierciadła wody zmierzono metodami geodezyjnymi i włączono do zbioru wyników sondowania jako dodatkowe pikiety. Przestrzenie podwodne znajdujące się pomiędzy liniami przekrojowymi były penetrowane sonarem w poszukiwaniu ewentualnych pominiętych płycizn lub głębin. Pomiary geodezyjne wykonano w maju 2009 r. a sondowanie czaszy zbiornika przeprowadzono przy uŜyciu ultradźwiękowej cyfrowej echosondy w dniach od 15 do 17 czerwca 2009 r. UŜyta do pomiarów echosonda RESON PC-100 współpracująca, z odbiornikiem systemu GPS umoŜliwiała sternikowi bieŜącą obserwację na ekranie pozycji i przesuwania się wizerunku łodzi pomiarowej na tle mapy z zaplanowaną trasą pływania i śladem przebytej drogi. System ten umoŜliwia kontrolę i realizację wcześniej załoŜonej gęstości punktów pomiaru głębokości. W pomiarach zbiornika Brody IłŜeckie wniosła ona 40 pikiet/ha. Echosonda przed pomiarami była kalibrowana w programie "„echo- control"”poprzez wprowadzenie poprawki prędkości dźwięku ze względu na temperaturę wody. Wyniki pomiarów zostały zapisane w pamięci urządzenia. Do wykonania pomiarów został uŜyty następujący sprzęt. ▪ Odbiornik GPS Trimble 5700. ▪ Echosonda cyfrowa RESON PC-100. ▪ Łódź pomiarowa z silnikiem. Ze sprzętem tym współdziałał sonar Edge-Tech 4125-D pracujący z częstotliwością 400 kHz zawieszony na burcie łodzi pomiarowej 1 metr poniŜej zwierciadła wody – fot. 1. Zapewniał 12 on zobrazowanie dna zbiornika na szerokości 50 m w obie strony od poruszającej się łodzi – fot. 2. Uzyskane w ten sposób informacje okazały się istotne jedynie przy odwzorowywaniu dna w okolicy zapory bocznej Stryków, którą zbudowano z materiału wydobytego ze zbiornika. W okolicy zapory czołowej zlokalizowano 3 zatopione łodzie. Dane pomiarowe gromadzone były w pamięci echosondy w postaci zbiorów dla poszczególnych dni sondowań z zapisem pozycji, głębokości i czasu w zbiorach RAW i PRD konwertowanych następnie na ASCII/DAT. Po weryfikacji i transformacji do układu współrzędnych „1992” wprowadzono je do programu SURFER 8. Obliczenia wykonano stosując algorytm Minimalnej Krzywizny w modelu terenu „GRID”. W przeprowadzonych badaniach dynamiki zamulania zbiorników zaporowych oraz rozkładu osadzonego w nich materiału dostarczonego ze zlewni, przyjęto metodykę opartą na analizie transformacji krzywych pojemności. RóŜnice objętości odpowiadające określonym rzędnym piętrzenia odczytane z kolejnych krzywych są miarą zamulenia tej części zbiornika, w czasie jaki upłynął między rozpatrywanymi pomiarami batymetrycznymi. Na rysunku 1 przedstawiono przykładowo krzywe pojemności oraz krzywą jej strat, sporządzone dla zbiornika roŜnowskiego dla lat 1942 ÷ 2003. 13 14 Fot. 1. Sonar Edge – Tech 4125-D w czasie pomiarów testowych na zbiorniku Brody IłŜeckie Fot. 2. Sonogram obszaru przy zaporze czołowej zbiornika Brody IłŜeckie 15 maksymalny pp. piętrzenie [mnp m.] 270,0 strata pojemnośc 1942-2003 265,0 pojemność wg. pomiarów z 2003 pojemnośc pierwotna - 1942 260,0 minimalny pp. 255,0 250,0 245,0 pojemność [m ln. m 3 ] 240,0 -80 -60 -40 -20 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 200 220 240 Rys. 1. Krzywe pojemności zbiornika roŜnowskiego w latach 1942 – 2003 Straty pojemności moŜna teŜ określić poprzez pomiar bezpośredni, metodą opartą na siatce stałych przekrojów poprzecznych rozmieszczonych na całej długości zbiornika. Wielkość osadów wyliczana jest ze zmiany powierzchni przekroju poprzecznego mnoŜonej przez odległość między przekrojami a następnie sumowana. Otrzymane wyniki dają nam pogląd jak rozkładają się osady na całej długości zbiornika i jaka jest intensywność ich akumulacji na poszczególnych odcinkach. Przykład takiego postępowania ilustruje rysunek 2. 16 80,000 V [m ln m 3] profil 70 profil 60 profil 50 profil 40 profil 30 90,000 V = 76,6 mlnm3 70,000 profil 20 60,000 50,000 profil 1 40,000 30,000 profil 10 dV suma dV 20,000 10,000 kilometraŜ WISŁY 680,000 670,000 660,000 650,000 640,000 630,000 620,000 0,000 610,000 Rys. 2. Bilans osadów w zbiorniku wodnym wykonany metodą przekrojową Metoda przekrojowa pozwala równieŜ na konstruowanie krzywych pojemności. W przekrojach poprzecznych przy róŜnych poziomach napełnienia określane jest pole ograniczone obwodem zwilŜonym a następnie jest ono mnoŜone przez odległość między przekrojami. Zsumowane objętości cząstkowe na całej długości zbiornika na róŜnych poziomach pozwalają na konstrukcję krzywej pojemności, która porównana z krzywą wyjściową daje wynik zmian. Przy metodzie tej nie uwzględnia się kształtów zbiornika. Inną formą przedstawienia przebiegu procesu akumulacji osadów w zbiorniku jest jego profil podłuŜny, na którym pokazane są zmiany dna w czasie eksploatacji obiektu. Taki profil dla zbiornika roŜnowskiego pokazano na rysunku 3. 17 Max. PP - 270,0 mnpm 270 268 266 próg przezlewu 264 piętrzenie [mnpm] korona przezlewu 262 1960 2003 Min. PP - 258,5 mnpm 260 1994 1941 258 256 254 252 250 248 246 244 oś spustu 242 240 238 236 234 km biegu Dunajca 100 98 96 232 94 92 90 88 86 84 82 80 78 Rys. 3. Zbiornik RoŜnów. Profil wzdłuŜ nurtu Dunajca w okresie 1941 – 2003. Cechą charakterystyczną tego profilu jest podniesienie się poziomu dna w cofce zbiornika do rzędnej 262÷264 m npm i stopniowe przesuwanie się obszaru depozytu osadów w kierunku zapory. W etapie III przeprowadzono równieŜ na dwóch zbiornikach pobór i badania próbek osadu na zawartość procentową masy organicznej i składu granulometrycznego części nieorganicznych. Próbki osadu w ilości 17 szt. pobrano równomiernie na całej długości, przyjmowanego jako porównawczy, zbiornika włocławskiego i w ilości 14 ze zbiornika Brody IłŜeckie. Miejsce poboru określano z pomiaru GPS. Badania laboratoryjne realizowano zgodnie z metodyką opisaną w normie PN-88/B-04481: „Grunty budowlane. Badania próbek gruntów”. Na podstawie składu granulometrycznego wykreślono krzywe uziarnienia, z których wyznaczono średnicę charakterystyczną d50 dla kaŜdej próby w postaci naturalnej oraz po usunięciu części organicznych. Zawartość części organicznych w osadzie oznaczano jako stratę jego masy podczas praŜenia. Wyniki przedstawiono na rysunku 4. 18 N 14 0,45 0,4 0,35 Badania osadów dennych zbiornika wodnego Brody IłŜeckie 12 13 Most w Dziurowie 0,5 Most w Stykowie 0,55 średnica charakterystyczna cząstek -d 50 0,6 [mm] 0,65 10 7 ZAPORA BRODY IŁśECKIE 6 0,3 0,25 0,2 0,15 11 9 5 y = 0,0827x - 6,3647 8 0,1 2 0,05 1 3 4 0 76,0 77,0 78,0 kilomatraŜ rzeki Kamienna [km] 79,0 80,0 81,0 82,0 83,0 84,0 N Rys. 4. Wykres rozkładu średnic charakterystycznych cząstek - d 50 części nieorganicznych na długości zbiornika Określenie procentowego rozkładu osadów organicznych na długości całego zbiornika ma istotne znaczenie przy ewentualnym ich zagospodarowywaniu a rozkładu średnic d50 z uwagi na moŜliwość wykorzystania osadów nieorganicznych przy eksploatacji kruszywa do celów budowlanych oraz podwyŜszania wałów cofkowych. 19 5. OSIĄGNIĘTE WYNIKI I ICH WYKORZYSTANIE Najistotniejsze wyniki prac wykonanych w etapie I przedstawiono poniŜej: ▪ Zinwentaryzowanie zbiorników wodnych spełniających określone kryteria oraz ich parametrów eksploatacyjnych i technicznych. Zrobiono to w formie zweryfikowanych kart inwentaryzacyjnych. Stanowią one materiał wyjściowy do prac w etapach II, III, IV i V. ▪ Rejestracja i analiza wszystkich dotychczasowych pomiarów batymetrycznych wykonanych na objętych projektem zbiornikach. Materiał zostanie wykorzystany do opracowania zasad i harmonogramu monitoringu polskich zbiorników retencyjnych. ▪ Ustalenie bądź obliczenie aktualnych pojemności wszystkich rozpatrywanych zbiorników. Znajomość tych wielkości jest niezbędna do prowadzenia racjonalnej gospodarki wodnej na zbiornikach. Karty inwentaryzacyjne obiektów oraz szczegółowe wyniki obliczeń ich pojemności, a tym samym ich zdolności retencyjnych, zostaną zawarte w Raporcie merytorycznym z prac wykonanych w etapie I. Główne wyniki prac w etapie III przedstawiają się następująco: • Obliczenie wskaźników intensywności zamulania tych zbiorników, na których wykonano w trakcie ich eksploatacji pomiary batymetryczne oraz ustalenie dla nich wskaźników denudacji powierzchniowej ich zlewni. • Obliczenie i zilustrowanie graficzne – rysunek 5, zmian pojemności poszczególnych warstw przykładowych zbiorników w czasie ich eksploatacji. • Wyznaczenie na profilach podłuŜnych i planach zbiorników, stref o róŜnej intensywności odkładania się rumowiska. WyŜej wymienione efekty prac zostaną szczegółowo przedstawione w Raporcie merytorycznym i wykorzystane w pracach przewidzianych do wykonania w etapach IV, V, VI i VIII. Głównymi wynikami rozpoczętych w II etapie prac było przetestowanie na zbiorniku Brody IłŜeckie sonaru we współpracy z dotychczas uŜywanym do pomiarów batymetrycznych sprzętem oraz sporządzenie dla tego zbiornika: planu batymetrycznego pokazanego poglądowo na rysunku 6, oraz krzywych pojemności i powierzchni zalewu – rysunek 7 i 8. 20 1 9 5 ,0 0 [mnpm] 1 9 6 ,0 0 1 9 4 ,0 0 1 9 3 ,0 0 1 9 2 ,0 0 Z B IO R N IK W O D N Y " B R O D Y IŁ ś E C K IE k r z y w a z m i a n p o j e m n o ś c i w l a ta c h 1 9 9 4 - 2 0 0 9 21 1 9 1 ,0 0 1 9 0 ,0 0 1 8 9 ,0 0 1 8 8 ,0 0 p r z yr o s t p o j e m n o ś c i - 1 0 0 ,0 0 0 - 5 0 ,0 0 0 1 8 7 ,0 0 0 ,0 0 0 5 0 ,0 0 0 1 0 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 Rys. 5. Krzywa zmian pojemności zbiornika Brody IłŜeckie V [ty s . m 2 0 0 ,0 0 0 3 ] 2 5 0 ,0 0 0 649400 649600 649800 650000 650200 650400 650600 650800 651000 651200 651400 651600 651800 652000 652200 652400 652600 652800 653000 653200 653400 653600 653800 654000 352400 352400 352600 352600 352800 352800 353000 353000 649200 352000 352000 352200 352200 351200 194 193.5 351000 192.5 192 351000 193 351200 194.5 351400 351400 351600 351600 351800 351800 191 190.5 350800 350800 191.5 189.5 189 350600 350600 190 188.5 188 187.5 649200 649400 649600 649800 650000 650200 650400 650600 650800 651000 651200 651400 651600 651800 652000 652200 652400 652600 652800 Rys. 6. Poglądowy plan batymetryczny w roku 2009 zbiornika Brody IłŜeckie 22 653000 653200 653400 653600 653800 654000 350400 350400 22 195 1 9 5 ,0 0 [mnpm] 1 9 6 ,0 0 1994 2009 1 9 4 ,0 0 1 9 3 ,0 0 1 9 2 ,0 0 23 Z B IO R N IK W O D N Y " B R O D Y IŁ ś E C K IE k r z ywe p o j e m n o ś c i z r o k u 1 9 9 4 i 2 0 0 9 1 9 1 ,0 0 1 9 0 ,0 0 1 8 9 ,0 0 1 8 8 ,0 0 V [tys . m 1 8 7 ,0 0 0 ,0 0 0 1 0 0 0 ,0 0 0 2 0 0 0 ,0 0 0 3 0 0 0 ,0 0 0 4 0 0 0 ,0 0 0 5 0 0 0 ,0 0 0 6 0 0 0 ,0 0 0 Rys. 7. Krzywe pojemności zbiornika Brody IłŜeckie 23 7 0 0 0 ,0 0 0 3 ] 8 0 0 0 ,0 0 0 1 9 5 ,0 0 [mnpm] 1 9 6 ,0 0 1994 2009 1 9 4 ,0 0 1 9 3 ,0 0 24 1 9 2 ,0 0 1 9 1 ,0 0 Z B IO R N IK W O D N Y " B R O D Y IŁ ś E C K IE " k r z y w e p o w ie r z c h n i z a le w u z r o k u 1 9 9 4 i 2 0 0 9 1 9 0 ,0 0 1 8 9 ,0 0 1 8 8 ,0 0 F [h a ] 1 8 7 ,0 0 0 ,0 0 0 5 0 ,0 0 0 1 0 0 ,0 0 0 1 5 0 ,0 0 0 Rys. 8. Krzywe powierzchni zalewu zbiornika Brody IłŜeckie 24 2 0 0 ,0 0 0 2 5 0 ,0 0 0 6. PUBLIKACJE Wyniki pomiarów wykonanych przez Ośrodek Technicznej Kontroli Zapór IMGW w roku 2008 a finansowanych ze środków centralnych, przeanalizowano pod kątem tematyki zadania 8 projektu „Klimat” i przygotowano dwie publikacje. 1. Jerzy Kloze, Anna Kosik, Wojciech Leszczyński, Jerzy Mroziński. „Problemy związane z akumulacją rumowiska na przykładzie dziewięciu zbiorników retencyjnych”– Bezpieczeństwo zapór – bezpieczeństwo ludności i środowiska. IMiGW, Warszawa 2009r., str. 219 ÷ 224. 2. Anna Kosik, Jerzy Kloze, Wojciech Leszczyński, Jerzy Mroziński. „Procesy abrazyjne na zbiornikach retencyjnych na przykładzie zbiornika Dobczyce”. – Bezpieczeństwo zapór – bezpieczeństwo ludności i środowiska. IMiGW, Warszawa 2009 r., str. 225 ÷ 234. 7. LITERATURA 1. D. Adamek i inni. Zbiornik wodny Klimkówka. Monografia. ODGW Kraków. IMiGW, Warszawa 2000. 1. Z. AmbroŜewski i inni. Monografia zbiornika wodnego Sulejów. WKŁ. Warszawa, 1980. 2. L. Bajorek i inni. Zespół zbiorników wodnych Czorsztyn-Niedzica i Sromowce WyŜne im. Gabriela Narutowicza. Monografia. RZGW Kraków, Hydroprojekt Warszawa sp. z o.o., IMiGW Warszawa, 2003. 3. T. Basiński, W. Robakiewicz, Pomiar głębokości zbiornika wodnego w RoŜnowie przy zastosowaniu echosondy. Gospodarka Wodna, 1/1961. 4. K. Białobłocki, T. Kostecki, M. Moruń, J. Wyzga. Monografia zbiornika wodnego Nysa. WKŁ. Warszawa, 1988. 5. A. Bojarski z zespołem. Badania i ocena zalądowania zbiornika Dobczyce. IMiGW, Politechnika Krakowska, VI. 1998. 6. M. Gucma, J. Montewka, A. Zieziula. Urządzenia Nawigacji Technicznej. Fundacja Rozwoju Akademii Morskiej w Szczecinie. Szczecin 2005. 7. B. Hac, Z. Krygier, M. Szatan. Sztuka interpretacji obrazów sonarowych. Instytut Morski Gdańsk. Wydawnictwo wewnętrzne, 2001. 8. J. Kloze. Przebieg i wyniki badań zamulania zbiornika wodnego w Turawie. Gospodarka Wodna nr 9-10/1981. 25 9. J. Kloze, W. Leszczyński, J. Mroziński. Proces zamulania zbiornika RoŜnowskiego w czasie jego 60-letniej eksploatacji. Gospodarka Wodna nr 10/2001. 10. W. Kłopociński. Geodezja w projektowaniu elektrowni wodnych. PPWK. Warszawa 1962. 11. W. Kozłowski, M. Karaś, K. Fiedler. Monografia zbiornika wodnego Rybnik. Wydawnictwo Komunikacji i Łączności. Warszawa, 1981. 12. D. Król. Procesy sedymentacyjne w zbiorniku wodnym Włocławek w latach 1984 – 1987. Hydroprojekt – oddział we Włocławku. 13. J. Lamparski i inni. GPS w Geodezji. Akademia Rolniczo-Techniczna Olsztyn. Katowice 2003. 14. J. Mroziński, P. Stenzel. Porównanie metod pomiarowych i obliczeniowych pojemności na przykładzie eksperymentalnego zbiornika wodnego. VIII Konferencja Technicznej Kontroli Zapór, Zakopane 20-23.06.1999. 15. Z. Olszamowski, L. RoŜnowska.Monografia zbiornika wodnego Wisła-Czarne. Wydawnictwa Geologiczne. Warszawa,1988. 16. J. Onoszko. Zamulanie zbiornika roŜnowskiego. IBW-PAN. Gdańsk. Rozprawy hydrotechniczne. Zeszyt 12. PWN. Warszawa 1962. 17. L. Osuch-Chacińska i inni. Kaskada rzeki Soły. Zbiorniki: Tresna, Porąbka, Czaniec. Monografia. RZGW Kraków, IMiGW, Warszawa 2007. 18. J. Ratomski, J. Stonawski. Metodyka pomiarów i dokładność metod pomiarowych kubatury czasz duŜych zbiorników retencyjnych. Gospodarka Wodna, 3/1991. 19. J. Ratomski, J. Stonawski. Zalądowanie zbiornika Poraj na Warcie po 11 latach eksploatacji. Gospodarka Wodna, 3/1992. 20. J.B. Rogowski, M. Figurski. Ziemskie systemy i układy odniesienia oraz ich realizacje. Instytut Geodezji i Kartografii Seria monograficzna nr 10. Warszawa 2004. 21. J. Skibiński. Zarys krajowej tematyki badawczej nad erozją i sedymentacją cząstek stałych oraz ich transport w korytach potoków i rzek. Gospodarka Wodna, 5/1992. 22. W. Śliwiński. Stopień wodny Włocławek. Procesy sedymentacji w zbiorniku. Informator Projektanta. III. 1979. 23. J. Wierzbicki, K. Ujda. Pomiary hydrometryczne z ruchomej łodzi. Gospodarka Wodna, 4/5/1981. 24. B. Wiśniewski. Zamulenie zbiorników wodnych w Polsce oraz próba jego prognozy na podstawie intensywności denudacji. Archiwum hydrotechniki. Tom XVI, 1969, zeszyt 4. 26 25. B. Wiśniewski. Dokładność pomiarów zamulania zbiorników wodnych. Gospodarka Wodna, 3/1975. 26. B. Wiśniewski, S. Ihnatowicz z zespołem. Monografia zbiornika wodnego Otmuchów. WKŁ. Warszawa, 1980. 8. WYKAZ WYKONAWCÓW 1. mgr inŜ. Edmund Sieinski 2. doc. dr inŜ. Jerzy Kloze - koordynator zadania - kierownik etapu I 3. mgr inŜ. Wojciech Leszczyński- kierownik etapu II 4. mgr inŜ. Jerzy Mroziński 5. mgr Iwona Chmielewska 6. mgr inŜ. Witold GiŜyński 7. mgr inŜ. Władysław Jankowski 8. mgr inŜ. Anna Kosik 9. mgr inŜ. Kamil Mańk 10. mgr inŜ. Krzysztof Roguski 11. mgr inŜ. Sławomir Selerski 12. dr inŜ. Andrzej Wita 13. tech. Danuta Dudek 14. tech. Marzena Murawska 15. tech. Krzysztof Stachurski 16. tech. Kinga Wiewiórka 17. tech. Tamara Wilk 18. tech. Małgorzata Zarychta - kierownik etapu III współautorzy badań i raportów z etapu I ÷ III wykonawcy prac pomocniczych 27
