Monitoring środowiska

niem daty i godziny pomiarów – wykazało, że silnie korelują ze sobą pomiary odczynu wody, stężenia chlorofilu a,
przezroczystości wody (mętności) oraz
przewodnictwa właściwego (rys. 1A, B).
Doświadczenia zebrane podczas
realizacji Projektu ZiZOZap wykazały
komplementarność obu metod badań.
Przy realizacji ciągłego monitoringu za
pomocą automatycznych urządzeń pomiarowych należy zwrócić uwagę na
ścisłe przestrzeganie procedur kalibracji czujników, okresowego czyszczenia
sond i okresowej, zgodnej z instrukcją,
wymiany czujników.
Obie metody powinny być stosowane równolegle – daje to możliwości natychmiastowej reakcji na szybkozmienne procesy, wpływające na jakość wody
(automatyczny monitoring ciągły) oraz
pozwala na analizowanie zmienności
i trendów długookresowych dla znacznie większej liczby wskaźników (monitoring okresowy „klasyczny”).
ANDRZEJ SIUDY
Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA,
Uniwersytet Śląski w Katowicach
Wydział Nauk o Ziemi
JANUSZ OGIEGŁO
Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA
Monitoring środowiska
– narzędzie wspomagające zarządzanie
zbiornikami zaporowymi
Połączenie sił to początek,
pozostanie razem to postęp,
wspólna praca to sukces.
Henry Ford
LITERATURA
1. D. ABSALON, M. MATYSIK, M. RUMAN, 2011,
Location, hydrological conditions and factors influencing water quality of Goczałkowice Reservoir and its catchment [w:] Anthropogenic and
natural transformations of lakes, 5, 7–15.
2. W. GALICKA, A. KRUK, G. ZIĘBA, 2007, Bilans azotu i fosforu w Zbiorniku Jeziorsko, T. 1,
z. 2., Wyd. Akademii Rolniczej im. A. Cieszkowskiego, Poznań, 1–9.
3. H.B. GLASGOW, J.M. BURKHOLDER, R.E.
REED, A.J. LEWITUS, J.E. KLEINMAN, 2004,
Real-time remote monitoring of water quality:
a review of current applications, and advancements in sensor, telemetry, and computing
technologies, Journal of Experimental Marine
Biology and Ecology, 300, 409–448.
4. Z. KAJAK, 1984, Changes In River Water Quality In Reservoirs, Exemplified By Studies In Poland, [W:] A. Lillehamer, S.J. Saltveit (red.), Regulated rivers, Publ. Universitetsforlanget AS,
Oslo, 521–531.
5. M. KOSTECKI, 2013, ZiZOZap, raport z realizacji projektu. IPIŚ-PAN (niepublikowany).
6. T. LEEUW, E.S. BOSSEMAIL, D.L. WRIGHTEMAIL, 2013, In situ Measurements of Phytoplankton Fluorescence Using Low Cost Electronics. Sensors, 13(6), 7872–7883; doi:10.3390/
s130607872
7. T. PENCZAK, W. GALICKA, M. GRZYBKOWSKA, H. KOSZALIŃSKI, M. JANISZEWSKA, A.
TEMECH, A. ZACZYŃSKI, L. GŁOWACKI., L.
MARSZAŁ, 1994, Wpływ Zbiornika Jeziorsko na
jakość wody w Warcie, populacje ryb i ich bazę
pokarmową (1985–1992), Rocz. Nauk. PZW, 6,
79–114.
8. A. SIUDY, A. BILNIK, T. ŚWIERCZ, Z. SZLĘK,
2005, Wielofunkcyjny zbiornik retencyjny Goczałkowice na Małej Wiśle i jego znaczenie dla
gospodarki wodnej Górnego Śląska, Konferencja Naukowo-Techniczna z okazji Jubileuszu 50lecia budowy Zbiornika Wodnego na Małej Wiśle
w Goczałkowicach, GPW, Pszczyna.
9. M.V. STOREY, B. VAN DER GAAG, B.P.
BURNS, 2011, Advances in on-line drinking
water quality monitoring and early warning systems, Water Research 45, 741–747.
10. Submersible Spectrofluorometer with Automatic Algae Class and Chlorophyll Analysis® (bbe
moldaenke, 2013), http://www.ppsystems.com/
Literature/FluoroProbe.pdf
11. J.S. WARD, J.A. STANFORD, 1983, The intermediate – disturbance hypothesis: an explanation for biotic diversity patterns in lotic ecosystems, [w:] T.D. FONTANIE, S.M. BARTELL,
(red.), Dynamic of lotic ecosystems, Publ. Ann.
Arbor Sci., The Butterworth Group. Michigan,
347–356.
12. E. WILK-WOŹNIAK, 2013, ZiZOZap, raport
z monitoringu, IOP-PAN s(niepublikowane).
Gospodarka Wodna nr 8/2014
Zbiornik goczałkowicki powstał w 1955 r.
i od tego czasu stale były prowadzone jego
badania przez wiele ośrodków naukowych
przy współpracy z administracją obiektu.
Prace prowadzono w sposób niezależny,
często bez wymiany wniosków. W 2010 r.
konsorcjum, którego liderem jest Uniwersytet Śląski, rozpoczęło realizację projektu „Zintegrowany system wspomagający
zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego (ZiZOZap)”. W ramach projektu zebrano archiwalne dane o zbiorniku oraz
te pochodzące z bieżącego monitoringu,
i na ich podstawie wykonano numeryczny model obszaru zlewni, modele hydrodynamiczne zbiornika i wód podziemnych oraz numeryczny model ekosystemu zbiornika. Rozwiązania zaproponowane w projekcie wymagają adaptacji przed
ich zastosowaniem na innych obiektach,
ze względu na niepowtarzalny charakter
każdego zbiornika. Natomiast bezpośrednio
należy wprowadzać filozofię – ideę stałej
współpracy świata nauki z administracją
zbiorników zaporowych.
■ Badania zbiornika – ciągłość i in-
tegralność monitoringu w perspektywie Ramowej Dyrektywy Wodnej
W
2010 r. Konsorcjum, którego liderem jest Uniwersytet Śląski, rozpoczęło realizację Projektu „Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego
(ZiZOZap)” wykonywanego w ramach
Programu Operacyjnego Innowacyjna
Gospodarka. Celem projektu jest rozwiązanie problemu obniżania się potencjału ekologicznego i funkcjonalne-
go zbiorników zaporowych w wyniku ich
starzenia się oraz presji wynikających
z zagospodarowania obszaru zlewni.
Dokładnie 10 lat wcześniej przestała istnieć Stacja Hydrobiologiczna Polskiej Akademii Nauk w Goczałkowicach; jej pracownicy prowadzili badania zbiornika od początku jego eksploatacji w 1955 r. Projekt jest kontynuacją wieloletniej współpracy pomiędzy
administratorem zbiornika, Górnośląskim Przedsiębiorstwem Wodociągów
SA, a Instytutem Inżynierii i Gospodarki Wodnej Politechniki Krakowskiej, Instytutem Podstaw Inżynierii Środowiska PAN, Uniwersytetem Śląskim oraz
Instytutem Ekologii Terenów Uprzemysłowionych. Do 2010 r. współpracę prowadzono w sposób niezależny,
często bez wymiany wniosków i doświadczeń pomiędzy wykonawcami
prac badawczych.
Obowiązująca w krajach europejskich Ramowa Dyrektywa Wodna stawia przed zarządcami zbiorników zaporowych nowe wymagania, obejmujące
także cele środowiskowe. Skuteczna
realizacja tych założeń musi opierać
się na pogłębieniu i integracji wiedzy
zarówno o zjawiskach hydrologicznych,
jak i o biologii zbiorników zaporowych.
■ Zbiornik
goczałkowicki w regionie – więcej niż tylko zasoby wody
i ochrona przeciwpowodziowa
W grudniu 1955 r. ukazał się numer
specjalny (nr 12) miesięcznika „Gospo-
299
FOTO ANDRZEJ SIUDY
FOTO ANDRZEJ SIUDY
Fot. 1. Korona zapory w Goczałkowicach w pochmurny dzień
FOTO ANDRZEJ SIUDY
darka Wodna” w całości poświęcony
zbiornikowi goczałkowickiemu. Artykuły
opublikowane przez inżynierów zaangażowanych w budowę zbiornika są do
dzisiaj pomocną lekturą dla pracowników naukowych, studentów oraz służb
obsługi zbiornika.
Po prawie sześćdziesięciu latach
cały numer miesięcznika znów będzie
poświęcony zbiornikowi goczałkowickiemu.
Zbiornik goczałkowicki jest jednym
z największych zbiorników zaporowych
Fot. 3. Port rybacki Goczałkowice
300
w południowej Polsce, a jego budowa
wiązała się z dużą ingerencją w środowisko naturalne. Aby ograniczyć
negatywne skutki zmian w środowisku
w 1954 r. ustanowiono strefę ochrony
sanitarnej ujęć wód, a wraz z nią system zakazów, nakazów i obostrzeń,
które m.in. ograniczały wykorzystywanie zbiornika do celów rekreacyjnych.
Wyjątkiem był sportowy połów ryb
przez wędkarzy mających indywidualne zezwolenia, oraz do 1984 r. – ograniczone ilościowo – żeglarstwo. Pod
Fot. 2. Ujęcia wody na zbiorniku
koniec lat 80., ze względu na pogarszającą się jakość wody w zbiorniku,
zlikwidowano wszystkie ośrodki wczasowe nad brzegiem jeziora. Od początku lat 90. ubiegłego wieku samorządy gmin usytuowanych wokół zbiornika postulowały, aby ponownie umożliwić rekreacyjne wykorzystanie akwenu. Nie było to możliwe ze względu na
groźbę pogorszenia się jakości wody.
Sytuacja zmieniała się wraz z postępującym uporządkowaniem gospodarki ściekami i budową oczyszczalni
w gminach na terenie zlewni zbiornika. Jakość wody w zbiorniku systematycznie się poprawia odkąd wszystkie
miejscowości jego zlewni bezpośredniej mają kanalizację sanitarną i własne oczyszczalnie ścieków.
Pierwszym działaniem na rzecz rozwoju turystyki, podjętym – nie bez
obaw – przez administrację zbiornika
w 2006 r., było udostępnienie do ruchu
pieszego i rowerowego 3 km korony
zapory, całkowicie niedostępnej przez
pół wieku. Zgodnie z wynikami ankiet
przeprowadzonych przez Urząd Gminy
w Goczałkowicach korona zapory jest
obecnie traktowana jako największa
atrakcja turystyczna tej uzdrowiskowej
miejscowości. Przez tę koronę biegnie Wiślana Trasa Rowerowa, a wzdłuż
drogi pod stopą zapory wiodą ścieżki
dydaktyczne związane z obszarem Natura 2000. Koronę zapory licznie odwiedzają mieszkańcy i przyjezdni, w tym
wycieczki szkolne (fot. 1). Obawy zwiąGospodarka Wodna nr 8/2014
■ Zarządzanie
zbiornikiem jako
polityka kompromisu wspieranego
przez naukę
Zbiornik goczałkowicki, administrowany przez Górnośląskie Przedsiębiorstwo Wodociągów SA, ze względu na
swoją wielofunkcyjność jest obiektem
trudnym do sterowania (fot. 2).
Dokumentem, na podstawie którego
prowadzi się gospodarkę wodną, jest
instrukcja eksploatacji i utrzymania
zbiornika. Zawarto w niej sztywne zasady postępowania w warunkach normalnych oraz ekstremalnych (powódź
i susza). Jeśli mają być zachowane
Gospodarka Wodna nr 8/2014
FOTO ANDRZEJ SIUDY
zane z dopuszczeniem ruchu turystycznego rozwiewa fakt, że w ciągu 8 lat od
udostepnienia pasażu tylko raz spotkano się z aktem wandalizmu, powodującym zresztą niewielkie straty materialne. Od lipca 2010 r. obowiązuje nowe
zarządzenie dyrektora RZGW Gliwice
dotyczące stref ochronnych ujęć wód
na zbiorniku goczałkowickim. Zostały
w nim częściowo spełnione postulaty
lokalnych samorządów – na zbiorniku
dopuszczono, z pewnymi ograniczeniami, uprawianie żeglarstwa. Z uwagi na strategiczne znaczenie zbiornika w zaopatrzeniu w wodę aglomeracji śląskiej, oraz fakt, że zbiornik i jego
zlewnia obejmują obszar Natura 2000,
ustanowiony na podstawie Dyrektyw
Ptasiej i Siedliskowej, była to odważna decyzja. Do uprawiania żeglarstwa
udostępniono tylko północną część
zbiornika. Obszary ujścia Wisły i zatokę
Bajerki, jako cenne przyrodniczo, objęto zakazem poruszania się jednostek
pływających, a ich granice oznakowano bojami. Rozpoczęcie badań Projektu ZiZOZap zbiegło się w czasie z otwarciem akwenu dla żaglówek. Dzięki
temu żeglarze mogą wykorzystywać
stworzone w ramach projektu mapy batymetryczne i pływać bezpiecznie, a naukowcy mogą stale monitorować jakość
wody i m.in. badać jej związek z wykorzystaniem turystycznym zbiornika. Po
4 latach obserwacji nie zauważono ani
presji uprawiania żeglarstwa na środowisko, ani w szczególności – pogorszenia się jakości wody. Powierzchnia
prawie 3200 ha, którą zajmuje zbiornik
goczałkowicki przy maksymalnym poziomie piętrzenia, to ogromny obszar,
w którym jest miejsce dla chronionych
ptaków, wędkarzy, żeglarzy i zwykłych
turystów.
Fot. 4. Południowe brzegi zbiornika – szuwarowiska
funkcje zbiornika, nie można wychodzić poza zawarte w tym dokumencie
wskazówki i warunki brzegowe. Próby
jednoczesnego zachowania wszystkich funkcji prowadzą do sprzeczności. W najprostszym nawet przypadku ochrona przeciwpowodziowa wymaga obniżania poziomu piętrzenia,
natomiast w interesie zaopatrzenia
w wodę konieczne jest utrzymywanie
wysokiego poziomu piętrzenia. W tych
warunkach administrowanie zbiornikiem zmusza do prowadzenia polityki
kompromisu – ciągłego poszukiwania
rozwiązań problemów zagrożenia powodzią i suszą, przy jednoczesnym
zachowaniu wysokiej jakości wody
i utrzymaniu dobrego stanu środowiska przyrodniczego.
Akwen jest płytki, a jego wody podatne na eutrofizację. Zlewnia zbiornika
ma charakter typowo górski, z wszystkimi tego konsekwencjami, zwłaszcza
w postaci nagłych przyborów wody, niosących wiele zawiesin. Dlatego istotną
sprawą jest zachowanie w ciągu całego
roku dużej rezerwy przeciwpowodziowej zbiornika, co wiąże się z dokonywaniem zrzutów wody już na początku
każdego wezbrania. Poważny problem
dla ochrony przeciwpowodziowej stanowi fakt, że w niewielkiej odległości
poniżej zbiornika do Małej Wisły dopływają dwie duże rzeki: Iłownica i Biała,
podwajając wielkość zlewni Małej Wisły
w tym rejonie. W warunkach powodziowych niekontrolowany w żaden sposób
dopływ z tych rzek wyprzedza o kilka
godzin dopływ do zbiornika Goczałkowice. W analizach odwołujących się do
monitoringu prowadzonego w projekcie uwzględniono ten problem i zaproponowano rozwiązanie poprawiające
ochronę przeciwpowodziową obszaru
poniżej zapory.
Prognozowanie stanu zbiornika ułatwiają stacje meteorologiczne zainstalowane w ostatnich latach w zlewni
zbiornika. W znaczący sposób uzupełniają one sieć posterunków Instytutu
Meteorologii i Gospodarki Wodnej PIB,
z których od 60 lat korzysta zarządca
zbiornika.
Zebrane wyniki monitoringu jakościowego wód zbiornika, dzięki wykorzystaniu ich w modelach hydrodynamicznych opracowanych w ramach Projektu
ZiZOZap, powodują, że administrator
zbiornika może prognozować zmiany jakości wody wywołane przez wezbrania i stany niżówek. W konsekwencji może więc przewidzieć czy i kiedy
wyłączać ujęcia wód ze zbiornika, rozpoczynając jednocześnie pobór wody
z alternatywnych źródeł, zabezpieczających zaopatrzenie w wodę systemu
wodociągowego GPW SA.
Monitoring i analizy prowadzone
w Projekcie ZiZOZap pozwoliły zidentyfikować problemy niedostrzegane
wcześniej w zarządzaniu zbiornikiem;
dzięki zdobytej wiedzy o relacjach przyczynowo-skutkowych można je rozwiązać w ramach istniejących instrukcji
i procedur zarządzania.
301
Przykładem jest wpływ na jakość
wód zbiornika odpowiednio prowadzonej gospodarki rybackiej (fot. 3), gdzie
istotnym czynnikiem – obok planowych
zarybień – jest wspomaganie naturalnego wylęgu ryb drapieżnych. Podjęta
we właściwym czasie regulacja piętrzenia pozwala zachować obszar tarlisk,
co skutkuje zwiększeniem populacji ryb
drapieżnych, które ograniczają liczebność konsumentów zooplanktonu i rozkopujących dno ryb spokojnego żeru.
W konsekwencji zooplankton zapobiega namnażaniu i zakwitom fitoplanktonu, co wraz z ograniczeniem zmętnienia poprawia jakość wody w zbiorniku.
Scharakteryzowane w Projekcie ZiZOZap relacje między piętrzeniem
a zasięgiem roślinności szuwarowej są
podstawą utrzymania pasa tej roślinności (fot. 4). W poprzednich latach, przy
większych wiosennych roztopach, lód
na powierzchni zbiornika skutecznie
niszczył system korzeniowy roślinności
szuwarowej. Proste zabiegi techniczne pozwalają zachować na obrzeżach
zbiornika roślinność szuwarową, która
spełnia rolę biofiltru dla substancji biogennych pochodzących ze spływu powierzchniowego. Zachowany pas szuwarów wspomaga w sposób znaczący naturalny wylęg szczupaka. Jest
też siedliskiem dla licznych gatunków
zwierząt, szczególnie ptaków wodnych,
co stanowi o wartości obszaru Natura
2000.
Wiedza o znaczeniu i funkcjonowaniu zbiorowisk roślinnych i zwierzęcych
oraz oparte na niej nieznaczne korekty w prowadzeniu gospodarki wodnej
przynoszą duże wymierne korzyści
w postaci polepszenia się jakości wody
w zbiorniku i poprawy warunków siedliskowych ryb i ptaków.
■ Monitoring
dla praktyki zarządzania – syntetyczne podejście do
badań
W ramach Projektu ZiZOZap scalono i zgromadzono we wspólnej bazie
danych i zbiorach opracowań szczegó-
łowe informacje o zbiorniku goczałkowickim, zarówno wcześniejsze – archiwalne, jak i najnowsze – pochodzące
z bieżącego monitoringu. Na tej podstawie wykonano numeryczny model
obszaru zlewni, modele hydrodynamiczne zbiornika i wód podziemnych
oraz numeryczny model ekosystemu
zbiornika. Całość informacji jest łatwo
dostępna dzięki możliwości wizualizacji wyników monitoringu i modelowania
w geoportalu.
Wyniki i modele pozwoliły m.in. na
identyfikację terenów narażonych na zalanie podczas ekstremalnych wezbrań.
Znaczenie zebranych danych i opracowań nie wymaga uzasadnienia. Zgromadzony materiał badawczy będzie
wykorzystywany nie tylko przez administratora zbiornika, ale również przez
samorządy miejscowości usytuowanych wokół niego.
Można pokusić się o stwierdzenie,
że dzięki realizacji Projektu ZiZOZap
na zbiorniku goczałkowickim wdrożono już – przed 2015 r. – Ramową Dyrektywę Wodną, do czego zobowiązuje
członkostwo w Unii Europejskiej.
Każdy zbiornik wodny jest niepowtarzalny i rozwiązania powstałe w wyniku
Projektu ZiZOZap przed wprowadzeniem na inne obiekty muszą podlegać
akceptacji. Natomiast od zaraz można,
a nawet należy, wprowadzić filozofię
przyjętą przez twórców Projektu ZiZOZap, to jest zasadę stałej współpracy
świata nauki z administratorami zbiorników zaporowych, w ramach podobnych projektów. W praktyce oznacza
to oparcie zarządzania zbiornikami na
badaniach ilościowych, jakościowych
nie tylko wód, ale i całego ekosystemu zlewni zbiornika, z uwzględnieniem
prowadzonej w niej gospodarki.
Współdziałanie przyrodników – w tym
ekologów, ornitologów i rybaków, specjalistów od hydrologii i gospodarki
wodnej oraz wymiana informacji pomiędzy nimi pozwala na opracowanie
scenariuszy pracy zbiornika w różnych,
skrajnych sytuacjach hydrologicznych
i środowiskowych.
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
302
W projekcie ZiZOZap wypracowano narzędzia pozwalające pozyskiwać wiedzę
o procesach zachodzących w zbiorniku goczałkowickim i przełożenie jej na sprawne
zarządzanie. Ma to szczególne znaczenie
tam, gdzie sposoby realizacji poszczególnych funkcji zbiornika wykluczają się, generując obszary konfliktowe. Podstawą
pozyskiwania wiedzy są zbiory danych i informacji o zbiorniku, które zgromadzono,
uporządkowano, zweryfikowano, zmagazynowano w bazie danych, przetworzono
i poddano interpretacji. Zbudowano system
wspomagający podejmowanie decyzji (DSS)
obejmujący dedykowaną bazę danych, geoportal i system informacyjny. System może
zostać zaimplementowany jako narzędzie
wspomagające zarządzanie innymi akwenami i pozwala na uzyskanie celów środowiskowych, co ma istotne znaczenie w kontekście zakończenia okresu przejściowego
wdrażania Ramowej Dyrektywy Wodnej.
D
ynamiczne procesy fizyczne, chemiczne i biologiczne zachodzące w zbiornikach zaporowych, zmieniające się przepisy i wymagania w stosunku do jakości
wód i środowiska, a co za tym idzie – nowe
obowiązki zarządzających sprawiają, że
zarządzanie zbiornikami zaporowymi staje
się „swego rodzaju wędrówką przez chaos,
której istotą jest zapanowanie nad różnorodnością i przekształcanie potencjalnych
konfliktów we współpracę” [3]. Szczególnie widoczne jest to w zarządzaniu wielofunkcyjnymi zbiornikami zaporowymi,
gdzie sposoby realizacji poszczególnych
funkcji zbiornika nawzajem się wykluczają, generując obszary konfliktowe (rys. 1).
Konieczne jest podejście uwzględniające
hierarchię ważności funkcji i kompromis.
Skuteczne zarządzanie wymaga od operatora zbiornika szerokiej wiedzy obejmującej
swym zakresem hydrologię, ornitologię, fizykochemię, ichtiologię, ekologię, meteorologię, a także zagadnienia techniczne i organizacyjne.
Interdyscyplinarny zespół naukowców
zaproponował pomoc administratorowi
zbiornika goczałkowickiego w osiągnięciu
wiedzy kompletnej o zbiorniku, czyli o tym,
jakie procesy zachodzą w zbiorniku, dlaczego zachodzą w taki, a nie inny sposób,
oraz co je powoduje, a także jak pewne
procesy stymulować i jak zapobiegać powstawaniu niekorzystnych zjawisk. Propozycja współpracy zaowocowała realizacją
Projektu ZiZOZap i wypracowaniem narzędzi pozwalających na pozyskanie wiedzy o procesach zachodzących w akwenie
i wykorzystanie jej w procesach zarządczych opartych na wiedzy.
Zbiornik goczałkowicki jest jednym z największych zbiorników zaporowych w Polsce. Zbiornik pełni dwa podstawowe zadania: zaopatruje ludność oraz przemysł Górnego Śląska w wodę, jednocześnie pełniąc
funkcję przeciwpowodziową.
Podstawą pozyskiwania wiedzy są zbiory danych i informacji o obiekcie badań.
Aby dane mogły być użyte, trzeba je uporządkować, zweryfikować i zmagazynować.
Gospodarka Wodna nr 8/2014