Czy stare zapory wytrzymają klimat XXI wieku? Światowi eksperci spotkają się w Bydgoszczy

Na pierwszy rzut oka zapora wodna wydaje się jedną z najbardziej solidnych konstrukcji stworzonych przez człowieka. Setki tysięcy albo miliony ton betonu i ziemi, szeroka podstawa, potężne przelewy, zamknięcia i upusty. Trudno wyobrazić sobie coś trwalszego.

Tyle że zapora nie jest zwykłą ścianą ustawioną w poprzek rzeki. Jest skomplikowanym systemem obejmującym korpus budowli, podłoże, drenaż, urządzenia upustowe, aparaturę kontrolną, zbiornik i procedury sterowania. Na wszystkie te elementy oddziałują czas, woda, temperatura, osiadanie gruntu oraz zmienne obciążenia. Do tego dochodzą zjawiska, których intensywność nie zawsze dało się przewidzieć kilkadziesiąt lat temu.

Właśnie tym problemom poświęcone będzie 13. Sympozjum Europejskiego Klubu ICOLD pod hasłem „Facing Current Challenges for Dams”. Spotkanie potrwa od 21 do 25 września. Uroczyste otwarcie zaplanowano na wtorek 22 września o godz. 9 w Collegium Copernicanum Uniwersytetu Kazimierza Wielkiego przy ul. Kopernika 1.

Organizatorem jest Polski Komitet Wielkich Zapór, a gospodarzem obrad — Uniwersytet Kazimierza Wielkiego. Do Bydgoszczy przyjadą naukowcy, projektanci i specjaliści zajmujący się bezpieczeństwem budowli hydrotechnicznych z kilkunastu państw Europy, a także z Azji i Australii. Międzynarodowa Komisja Wielkich Zapór zapowiada, że spotkanie będzie dotyczyć przede wszystkim eksploatacji, utrzymania i awarii zapór oraz konsekwencji ekstremalnych zjawisk pogodowych.

Raz za dużo, raz za mało

Znaczenie bydgoskiego spotkania dobrze pokazuje opublikowany 17 września raport Światowej Organizacji Meteorologicznej. Wynika z niego, że rok 2025 należał do najsuchszych pod względem przepływów rzecznych od 35 lat, a przez ostatnich siedem lat wyjątkowo mało rzek utrzymywało przepływy zbliżone do wieloletniej normy. WMO zwraca uwagę, że obieg wody staje się coraz bardziej nieregularny: okresy niedoboru wody przeplatają się z gwałtownymi opadami i powodziami. 

Zapora musi sobie radzić z obiema skrajnościami. Podczas suszy ma zatrzymać możliwie dużo wody. Przed nadejściem fali powodziowej powinna jednak dysponować wolną pojemnością, aby część tej fali przejąć. Pogodzenie tych zadań wymaga nie tylko mocnej konstrukcji, lecz także dobrych prognoz i właściwych decyzji operatorów.

Dlatego jeden z najważniejszych referatów bydgoskiego sympozjum będzie dotyczył przebiegu powodzi z 2024 roku w Polsce oraz wniosków płynących z niej dla bezpieczeństwa i eksploatacji zapór. Omawiane będą również zabezpieczenia przeciwpowodziowe, systemy ostrzegania oraz procedury działania w sytuacjach awaryjnych.

W programie znalazła się nawet analiza wpływu fal wywoływanych przez wiatr na bezpieczeństwo alpejskich zbiorników. Wysoka fala może bowiem zmniejszyć bezpieczną odległość pomiędzy poziomem wody a koroną zapory. A przelanie się wody przez koronę jest szczególnie niebezpieczne dla zapór ziemnych, ponieważ może doprowadzić do szybkiego rozmywania konstrukcji.

Zapory także się starzeją

Duża część europejskich zapór powstała w połowie XX wieku. Z analizy Instytutu Wody, Środowiska i Zdrowia Uniwersytetu Narodów Zjednoczonych wynika, że większość spośród blisko 59 tys. wielkich zapór na świecie zbudowano w latach 1930–1970. Projektowany okres ich użytkowania wynosił przeważnie od 50 do 100 lat.

Nie oznacza to oczywiście, że po przekroczeniu określonego wieku zapora automatycznie staje się niebezpieczna. Dobrze zaprojektowana, utrzymywana i modernizowana budowla może służyć przez ponad sto lat. Jej dalsza eksploatacja wymaga jednak coraz dokładniejszej kontroli. Starzenie może objawiać się pęknięciami, przeciekami, deformacjami, zużyciem urządzeń oraz rosnącymi kosztami napraw. 

Jednym z procesów omawianych w Bydgoszczy będzie reakcja alkaliczno-krzemionkowa zachodząca w niektórych betonach. W uproszczeniu: składniki cementu reagują z określonymi minerałami zawartymi w kruszywie. Powstający żel chłonie wodę i zwiększa objętość, wywołując naprężenia oraz pękanie betonu. Proces bywa nazywany „rakiem betonu”, ponieważ może rozwijać się powoli i przez długi czas pozostawać mało widoczny. Jeden z referatów będzie poświęcony ograniczaniu pęcznienia betonu poprzez jego chłodzenie.

Inny problem stanowi erozja wewnętrzna zapór ziemnych. Przesączająca się woda może wypłukiwać najdrobniejsze ziarna gruntu i tworzyć wewnątrz konstrukcji coraz większe kanały. Z zewnątrz zapora może jeszcze wyglądać poprawnie, podczas gdy w jej wnętrzu postępuje proces osłabiający budowlę. Stąd referaty dotyczące filtrów i barier z geosyntetyków, kontroli przecieków oraz francuskich metod oceny ryzyka erozji wewnętrznej.

Dron znajdzie rysę, której nie zauważy człowiek

Coraz większą rolę w kontroli zapór odgrywają roboty, drony, fotogrametria i sztuczna inteligencja. W Bydgoszczy zostanie przedstawiona metoda wysokorozdzielczego mapowania wnętrza konstrukcji w miejscach, w których nie działa nawigacja satelitarna.

Dron wyposażony w silne oświetlenie może wlecieć do galerii kontrolnych, szybów albo trudno dostępnych przestrzeni wewnątrz budowli. Z tysięcy częściowo nakładających się fotografii powstaje trójwymiarowy model powierzchni. Algorytmy wyszukują na nim rysy, ubytki betonu i odsłonięte zbrojenie. Rozwiązanie prezentowane przez szwedzką firmę Spotscale ma wykrywać pęknięcia o szerokości od 0,2 milimetra. Kolejne serie zdjęć pozwalają sprawdzić nie tylko, czy rysa istnieje, ale również czy się powiększa. 

Nie chodzi przy tym o zastąpienie inżyniera komputerem. To specjalista musi ocenić, czy zmiana jest powierzchowna, czy może świadczyć o poważniejszym procesie. Technologia pozwala natomiast dokładniej obejrzeć ogromne powierzchnie i porównać ich stan w kolejnych latach.

Zbiornik, który powoli znika

Zapora może pozostać sprawna, a mimo to zbiornik stopniowo tracić użyteczność. Każda rzeka niesie piasek, muł i drobne fragmenty skał. Po wpłynięciu do spokojnego zbiornika materiał opada na dno. Po kilkudziesięciu latach osady mogą zajmować znaczną część pojemności, utrudniać pracę urządzeń upustowych i ograniczać zdolność zbiornika do przejmowania fali powodziowej.

Nie da się więc oceniać zbiornika jedynie na podstawie map sporządzonych w chwili jego budowy. Trzeba regularnie mierzyć ukształtowanie dna i obliczać, ile rzeczywistej pojemności jeszcze pozostało. Na bydgoskim sympozjum naukowcy z ETH w Zurychu przedstawią szwajcarską metodę oceny zamulania i utraty pojemności zbiorników w skali całego regionu.

Największa bateria świata jest pełna wody

Osobna część spotkania zostanie poświęcona energetyce. Elektrownia szczytowo-pompowa działa jak olbrzymi magazyn energii. Kiedy w systemie znajduje się nadmiar prądu, pompuje wodę do wyżej położonego zbiornika. Gdy zapotrzebowanie rośnie, woda spływa przez turbiny i ponownie produkuje energię elektryczną.

To rozwiązanie znane od dziesięcioleci, ale zyskujące nowe znaczenie wraz z rozwojem energetyki wiatrowej i słonecznej. Zapora nie jest tu jedynie budowlą hydrotechniczną, ale elementem stabilizującym cały system elektroenergetyczny. Uczestnicy sympozjum będą rozmawiać o polskich elektrowniach szczytowo-pompowych, zmęczeniu stalowych rurociągów, drganiach konstrukcji oraz bezpiecznym łączeniu produkcji energii z ochroną ryb.

Nie każda zapora zatrzymuje czystą wodę

W programie znalazło się również bezpieczeństwo zapór składowisk odpadów wydobywczych. Za takimi konstrukcjami nie znajduje się zwykła woda, lecz mieszanina wody, rozdrobnionych skał i pozostałości procesów przemysłowych. Ich awaria może doprowadzić jednocześnie do katastrofy budowlanej i skażenia środowiska.

Po katastrofie w brazylijskim Brumadinho w 2019 roku, w której zginęło 270 osób, opracowano pierwszy globalny standard zarządzania takimi obiektami. Obejmuje on cały okres istnienia składowiska: od wyboru miejsca, przez projektowanie i monitoring, aż po zamknięcie i rekultywację. 

W Bydgoszczy przedstawione zostaną doświadczenia z oceny bezpieczeństwa i odtwarzania środowiska wokół zapór odpadów poflotacyjnych w Rumunii.

Bydgoszcz jako właściwe miejsce

Wybór Bydgoszczy na miejsce sympozjum nie jest przypadkowy. Miasto rozwijało się dzięki Brdzie, Wiśle i Kanałowi Bydgoskiemu, a budowle hydrotechniczne pozostają ważną częścią jego krajobrazu. W programie przewidziano wizytę na Śluzie Miejskiej oraz wyjazd techniczny do zapory w Pieczyskach i elektrowni wodnej w Żurze.

Ta ostatnia część dobrze przypomina, że nowoczesna gospodarka wodna nie zaczęła się wraz z komputerami i dronami. Uczestnicy zobaczą także obiekty budowane w latach 30. XX wieku, w okresie wielkiego programu modernizacyjnego II Rzeczypospolitej.

Dawne konstrukcje mają dziś współpracować z czujnikami, modelami komputerowymi i systemami wczesnego ostrzegania. W inżynierii wodnej przeszłość nie daje się po prostu wyburzyć i zastąpić nową. Trzeba ją dobrze poznać, nieustannie kontrolować i roztropnie modernizować. Od tego zależy bezpieczeństwo ludzi mieszkających nieraz wiele kilometrów poniżej zapory.