Niedawno opublikowałem na twitterze/X krótką nitkę na temat zbiorników retencyjnych w kontekście ich wpływu na ochronę przed powodzią. Nie da się tam zawrzeć wszystkich ważnych informacji, więc pomyślałem, że dobrze by było uzupełnić ją wpisem na moim blogu.

Czym jest powódź?

Z powodzią mamy do czynienia wtedy, gdy pod wodą znajdują się tereny, które normalnie nie są nią pokryte. Najczęściej łączy się to ze znacznymi stratami społecznymi i materialnymi, spowodowanymi zniszczeniem domów, dróg i innej infrastruktury.

Powodzie, czy też wezbrania, można podzielić na 5 podstawowych typów:

1. Powodzie opadowe powstają w wyniku opadów nawalnych lub rozlewnych. Najczęściej występują w miesiącach letnich i są szczególnie niebezpieczne w terenach górskich, gdzie układ orograficzny sprzyja powstawaniu silnych opadów deszczu. Najbardziej znanym przykładem tego typu powodzi jest ta z lipca 1997 roku w dorzeczu Odry oraz Górnej Wisły.
2. Powozie roztopowe są związane z gwałtownym topnieniem pokrywy śnieżnej wskutek nagłego i silnego wzrostu temperatury, któremu mogą towarzyszyć opady deszczu. Istotnym czynnikiem jest również fakt, że grunt może być wciąż zamarznięty, co istotnie zwiększa współczynnik spływu powierzchniowego. Ten typ jest charakterystyczny dla rzek nizinnych i najczęściej występuje na przedwiośniu.
3. Powodzie sztormowe dotyczą wyłącznie pasa wybrzeża i są najdotkliwsze dla obszarów nisko położonych, takich jak Żuławy Wiślane. W Polsce są one wywoływane długotrwałymi sztormami z kierunku północnego.
4. Powodzie zatorowe dzielą się na dwa typy powodzi zimowych, różniących się mechanizmem tworzenia:
   1. Powodzie zatorowo-śryżowe powstają na skutek tworzenia się lodu i śryżu na długich odcinkach rzek, dochodzących do kilkudziesięciu kilometrów. Gromadzący się lód i śryż powoduje zmniejszenie przepustowości koryta w wyniku ograniczenia czynnej powierzchni przepływu oraz wzrostu oporów hydraulicznych, co powoduje spiętrzenie wód. Powstawaniu tego typu wezbrań sprzyjają nagłe i silne spadki temperatury.
   2. Powodzie zatorowo-lodowe w przeciwieństwie do wcześniej opisywanego typu, mają przeważnie charakter lokalny, a czynnikiem je wywołującym jest pochód lodów w okresie wiosennym.

Ochrona przeciwpowodziowa

Ochrona czynna

Są to wszystkie działania, które można stosować w celu ograniczenia konsekwencji powodzi. W tym celu wykorzystywane są zbiorniki retencyjne, posiadające pojemność powodziową, zbiorniki suche i poldery z zamknięciami, umożliwiające kontrolę nad przepływem, oraz jeziora z urządzeniami pozwalającymi na nadpiętrzanie. Ponadto można wymienić również sterowane kanały ulgi, lodołamacze, worki z piaskiem itp.

Ochrona bierna

W jej skład wchodzą pozostałe obiekty, które nie mają możliwości aktywnego sterowania przepływem, czyli wały przeciwpowodziowe, zbiorniki suche, poldery oraz kanały ulgi, które nie posiadają zamknięć. Warto też pamiętać o tym, że częścią ochrony biernej są również jeziora, bagna i rozlewiska, które zwiększają retencję terenową.

Zbiorniki retencyjne

Parametry charakterystyczne

Wchodzenie w komentarze pod wpisami w dowolnych social mediach to proszenie się o utratę wiary w ludzkość, bo rzadko kiedy można znaleźć tam coś wartościowego, a dominującym typem komentarzy są te, delikatnie mówiąc, wątpiące w instytucje związane z ochroną przed powodzią. Podejrzewam, że wynika to w dużej mierze z braku wiedzy o tym jak projektowane są obiekty piętrzące, jak się je klasyfikuje i jak prowadzi się na nich gospodarkę wodną.

Pojemności zbiorników

Bez wchodzenia w zbędne szczegóły, jednymi z parametrów są rodzaje pojemności:

1. Pojemność martwą (Vm), która jest nieużyteczna z punktu widzenia normalnego gospodarowania wodą.
2. Pojemność użytkową (Vu), która przeznaczona jest do zadań gospodarczych.
3. Pojemność powodziową (Vp), której celem jest przechwycenie szczytów fal powodziowych.

Sumując te 3 składniki, otrzymujemy całkowitą pojemność zbiornika (Vc).

Vc = Vm + Vu + Vp

W ich ramach, możemy dodatkowo wyróżnić kilka innych pojemności charakterystycznych, które są szczególnie istotne w przypadku wystąpienia zdarzeń ekstremalnych:

1. Pojemność rezerwy awaryjnej (Va) jest częścią pojemności martwej, która wykorzystywana jest w razie potrzeby w okresie suszy
2. Pojemność powodziowa, jest tożsama z rezerwą stałą (Vp = Rs), którą dzielimy na:
   1. Rezerwę przypadkową (Rp), która powstaje wskutek wykorzystania części pojemności użytkowej.
   2. Rezerwa wymuszona lub planowana (Rw) może być utworzona przez obsługę zbiornika przed zbliżającym się wezbraniem.
   3. Rezerwa forsowana (Rf) jest konsekwencją napiętrzenia wody ponad poziom maksymalny.

Maksymalną możliwą do zretencjonowania obojętnością wezbrania jest całkowita rezerwa powodziowa (Rc):

Rc = Rs(Vp) + Rp + Rw + Rf

Poziomy piętrzenia

O tym ile wody zostało zgromadzonej w zbiorniku możemy dowiedzieć się analizując krzywą objętości i powierzchni zalewu. Z tego powodu, poza pojemnościami charakterystycznymi, wyróżnia się również charakterystyczne poziomy piętrzenia.

1. Najniższy, zwany również absolutnie minimalnym poziomem piętrzenia (abs. Min PP), jest to najniższy poziom, z które możliwe jest jeszcze odprowadzenie wody przez upusty denne.
2. Minimalny poziom piętrzenia (Min PP), rozgraniczający od dołu pojemność użytkową (Vu) od martwej (Vm).
3. Normalny poziom piętrzenia (NPP), analogicznie do Min PP, ale ogranicza on pojemność użytkową (Vu) od góry, powyżej którego zaczyna się pojemność powodziowa (Vp).
4. Maksymalny poziom piętrzenia (Max PP) jest najwyższym położeniem zwierciadła wody, który woda może osiągnąć podczas przechwytywania fali wezbraniowej.
5. Nadzwyczajny poziom piętrzenia (NPP), jest to skrajny dopuszczalny poziom nadpiętrzenia, które może zaistnieć w czasie największych wezbrań.

Zbiorniki suche i poldery przeciwpowodziowe

Z punktu widzenia ochrony przeciwpowodziowej najefektywniejsze są zbiorniki suche, ponieważ cała ich pojemność jest przeznaczona do ochrony terenów położonych poniżej. W przeciwieństwie do zbiorników stale piętrzących wodę, w okresach niewystępowania fal wezbraniowych, ich czasze nie są wykorzystywane do magazynowania wody i wykorzystywane są w inny sposób, np. jako pastwiska.

Poldery można traktować jako swoistą odmianę zbiorników suchych. Są one lokalizowane w dolinach rzek obwałowanych. Ich napełnianie rozpoczyna się dopiero po przekroczeniu pewnego poziomu wody w rzece i polega na przelaniu się części wód przez koronę przelewu, a ich napełnianie jest zależne od objętości fali wezbraniowej.

Hydrologia

Obliczenia hydrologiczne są niezbędne, żeby móc oszacować niezbędną do prawidłowego działania objętość zbiornika. W tym celu należy wyznaczyć wielkości maksymalnych przepływów prawdopodobnych. To, dla jakiego prawdopodobieństwa dokonuje się obliczeń, zależy od parametrów technicznych konstrukcji oraz od jej wpływu na obszary i ludność, która znajduje się poniżej. Wytyczne dotyczące klasyfikowania budowli znajdują się w rozporządzeniu Ministra Środowiska z dnia 20 kwietnia 2007 r. w sprawie warunków technicznych, jakim powinny odpowiadać budowle hydrotechniczne i ich usytuowanie.

Obliczenia przepływów maksymalnych

Metod obliczeniowych prawdopodobnych przepływów maksymalnych jest bardzo dużo, a jednym z najważniejszych czynników wpływających na wybór odpowiedniej metody jest lokalizacja zlewni. Ma ona istotny wpływ na kształtowanie reżimu rzecznego, gdyż związana jest z klimatem, ukształtowaniem terenu oraz budową geologiczną, a co za tym idzie, dominujących typem wezbrań. Ważna jest również lokalizacja przekroju obliczeniowego względem sieci obserwacyjno-pomiarowej, czyli wodowskazów.

Najkorzystniejsza sytuacja występuje, gdy przekrój obliczeniowy, czyli miejsce planowanej zapory, znajduje się w tym samym miejscu co wodowskaz. Jeśli ciąg pomiarowy takiego wodowskazu obejmuje co najmniej 30 lat, mamy komplet informacji niezbędnych do obliczeń statystycznych. Taki przekrój nazywamy przekrojem kontrolowanym.

Częściej jednak przekroje obliczeniowe znajdują się w miejscach, gdzie nie ma wodowskazu. Tę sytuację można podzielić na kilka wariantów: przekrój w zlewni niekontrolowanej lub przekrój niekontrolowany w zlewni kontrolowanej. Kontrola oznacza, czy w danej zlewni znajduje się jakikolwiek wodowskaz, do którego można się odnosić w obliczeniach. W przekrojach niekontrolowanych w zlewniach kontrolowanych możemy mieć do czynienia z trzema sytuacjami: przekrój powyżej wodowskazu, poniżej lub pomiędzy dwoma wodowskazami. W tym momencie można by dalej rozbijać scenariusze na szczegóły, ale nie o to chodzi w tym wpisie.

Najbardziej niepewną sytuacją jest obliczanie przepływów w zlewniach niekontrolowanych, dla których nie mamy żadnych informacji o przepływach. Stosowane są wówczas metody empiryczne, których wybór zależy od wielkości zlewni oraz, podobnie jak w metodach statystycznych, od jej lokalizacji. W tym przypadku istotniejszy wpływ ma stopień przekształcenia zlewni przez człowieka. Inne formuły będą stosowane w małych (≤ 50 km²) zlewniach zurbanizowanych, gdzie udział powierzchni nieprzepuszczalnych przekracza 5% (model opad-odpływ), a inne w zlewniach niezurbanizowanych (formuła opadowa). W przypadku większych zlewni, niezależnie od sposobu ich zagospodarowania, zalecane jest stosowanie obszarowego równania regresji. Warto również wspomnieć o wzorach regionalnych, tj. wzorach Punzeta i wzorach Wołoszyna, które były (wciąż są?) stosowane odpowiednio w zlewniach górnej Wisły oraz środkowej i górnej Odry.

Hydrogram hipotetyczny

Znając wielkości przepływów miarodajnego i kontrolnego (opisane we wcześniej linkowanym rozporządzeniu), należy obliczyć również hydrogram hipotetyczny. Hydrogram to wykres pokazujący zmienność przepływu w czasie. Konstruowany jest przede wszystkim na podstawie opisanych wyżej przepływów maksymalnych, ale różne metody mogą wymagać różnych danych wejściowych.

Na przykład, metoda Rietza-Krepsa wymaga podania wielkości przepływu (Qmax p%), całkowitego czasu wezbrania oraz czasu kulminacji (faza wznoszenia), który obliczany jest na podstawie maksymalnej długości zlewni (Lzm = Lc + Ls). Inne podejście zastosowano w metodzie Strupczewskiego, która opiera się na powierzchni zlewni zamykanej przez przekrój obliczeniowy. Obie metody wymagają dodatkowo podania bezwymiarowych parametrów wpływających na kształt fali. Dlatego, w miarę możliwości, należy bazować na wybranych hydrogramach historycznych oraz utworzonej na ich podstawie standaryzowanej średniej fali historycznej.

Stała rezerwa powodziowa

Stałą rezerwę powodziową oblicza się na podstawie hydrogramu hipotetycznego dla przepływu miarodajnego oraz przepływu dozwolonego. Przepływ dozwolony to taka ilość płynącej wody, która nie powoduje strat na terenach poniżej budowli. Cała objętość fali, dla której przepływ jest większy, powinna zostać zretencjonowana.

Rezerwa forsowana

W celu zapewnienia bezpieczeństwa dla konstrukcji zapory, należy obliczyć również rezerwę forsowaną, która jest niezbędna do określenia nadzwyczajnego poziomu piętrzenia (Nad PP). Do tego wykorzystuje się opisany wcześniej przepływ kontrolny.

Wnioski

Obliczenia hydrologiczne do projektu zbiornika przeciwpowodziowego są żmudnym i skomplikowanym procesem. Wymagają zebrania wielu informacji dotyczących przepływów, opadów, sieci rzecznej, geologii zlewni oraz sposobów jej użytkowania. Pomimo tego, nigdy nie będziemy mieć stuprocentowej pewności, że nasze obliczenia w starciu z rzeczywistością zostaną pozytywnie zweryfikowane. Zbyt konserwatywne założenia mogą przewymiarować zbiornik, zwiększając koszty inwestycji, natomiast niedoszacowanie może sprawić, że zbiornik nie będzie prawidłowo pełnić swojej funkcji. Obliczenia wykonujemy dla przepływów o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia, ale ich losowy charakter oznacza, że nie mamy pewności, czy w okresie eksploatacji zbiornik nie będzie musiał zmierzyć się z bardziej ekstremalnymi sytuacjami. Nasilające się zmiany klimatyczne, wpływające na siłę oraz częstość występowania zjawisk ekstremalnych, również są istotnym czynnikiem, który należy brać pod uwagę.

Rola zbiorników w systemie ochrony przed powodzią

W debacie na temat bezpieczeństwa przeciwpowodziowego musimy pamiętać, że zbiorniki to tylko część większego systemu. Ich wpływ jest najbardziej widoczny, gdyż ilość wody, którą mogą zretencjonować, jest naprawdę imponująca. Ale nie można lekceważyć innych metod, w tym tych związanych  na przykład z renaturyzacją. Wylesianie, uszczelnianie terenu, zmiany w kształcie koryt rzecznych – wszystko to ma znaczący wpływ na ostateczny efekt, ponieważ nawet małe działania, kiedy są przeprowadzane na dużą skalę, mogą być kluczowe dla naszego bezpieczeństwa. W mediach często pojawia się dyskusja na temat rodzaju zbiorników, które powinniśmy budować. Suche czy stale piętrzące wodę? Nie ma prostej odpowiedzi, ponieważ wybór zależy od wielu czynników i od tego, co jest dla nas najważniejsze. Suche zbiorniki i poldery świetnie radzą sobie ze ścinaniem fal powodziowych, ale nie mają możliwości przechowywania wody na czas suszy. Zbiorniki stale piętrzące wodę mogą pełnić wiele funkcji, np. energetyczną, zaopatrzenia ludności wodę czy wspomagania żeglugi rzecznej przez alimentację.

Być może mielibyśmy mniej dylematów, gdyby planowanie przestrzenne w Polsce było na wyższym poziomie. Ile z polderów zbudowanych w przeszłości jest dziś nieprzydatnych z powodu nowej zabudowy mieszkaniowej? Ile budynków powstało na terenach zalewowych, bo ziemia była tańsza? Od dawna wiadomo, że złe planowanie przestrzenne kosztuje nas miliardy złotych rocznie, wpływając nie tylko na bezpieczeństwo przeciwpowodziowe, ale i na transport, zdrowie, środowisko oraz inne aspekty życia.

—

Przygotowując wpis bazowałem przede wszystkim na dwóch publikach, tj. “Budowle i zbiorniki wodne” autorstwa Wisława Depczyńskiego i Andrzeja Szamowskiego oraz “Metodyce obliczania przepływów i opadów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla zlewni kontrolowanych i niekontrolowanych oraz identyfikacji modeli transformacji opadu w odpływ” przygotowanej przez Stowarzyszenie Hydrologów Polskich dla KZGW przez zespół autorski w składzie: prof. dr hab. inż. Kazimierz Banasik, dr hab. inż. Andrzej Wałęga, prof. dr hab. Stanisław Węglarczyk oraz prof. nzw. dr hab. inż. Beniamin Więzik.