Wprowadzenie do gospodarki
wodnej
Sylwester Tyszewski
Instytut Systemów Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska
Wprowadzenie do gospodarki
wodnej
Sylwester Tyszewski
Instytut Systemów Inżynierii Środowiska
Politechnika Warszawska
Hydrologia
Całkowite zasoby wodne Kuli Ziemskiej wynoszą ok. 1.35*10
9
km
3
oceany i morza
- 97.200%
lodowce kontynentalne i górskie
- 2.150%
wody podziemne
- 0.625%
wody powierzchniowe
- 0.017%
para wodna w atmosferze
- 0.001%
cieki wodne
– 0.0001%
W ciągu roku dzięki energii Słońca następuje 40-krotna wymiana wody
pomiędzy atmosferą
i powierzchnią Ziemi.
Typy oddziaływania człowieka na środowisko
wodne
ingerencję celową, realizowaną w celu
dostosowania stosunków wodnych do potrzeb
człowieka ramach tzw. racjonalnej gospodarki
wodnej (zbiornik retencyjne, kanały przerzutowe,
regulacja rzek, mała retencja, ujęcia wód,
melioracje wodne itp.);
ingerencję uboczną, będącą niezamierzonym
skutkiem realizacji określonej działalności
gospodarczej człowieka (np. ścieki komunalne i
przemysłowe, zanieczyszczenia obszarowe
związane z produkcją rolną, zmiana reżimu
hydrologicznego rzek poprzez: zabudowę terenów,
wycinanie lasów, odwodnienia kopalń itp.);
Historia gospodarki wodnej (1)
Gospodarowanie zasobami wodnymi jest tak dawne
jak kultura ludzka
Mitycznym ojcem gospodarki wodnej jest
Herakles, syn Zeusa (Stajnie Augiasza, Hydra
Lernejska, Słupy Herakleska)
Starożytne budowle wodne (akwedukty, zbiorniki
wód powierzchniowych, systemy wodociągowe)
W czasach nowożytnych w Europie pierwsze
działania związane z gospodarką wodną
skierowane były na:
ochronę przed powodzią (regulacja rzek i budowa
obwałowań)
wykorzystywanie wody do celów żeglugi oraz
napędzania młynów i tartaków
Historia gospodarki wodnej (2)
Od początku XX wieku zaczęto wykorzystywać wodę do
produkcji energii elektrycznej
Przed II wojną światową na całym świecie powstało wiele
dużych zbiorników retencyjnych, głównie dla potrzeb
produkcji energii elektrycznej i ochrony przed powodzią
Po II wojnie światowej intensywny rozwój przemysłu,
aglomeracji miejsko-przemysłowych oraz intensyfikacja
produkcji rolniczej, w wielu regionach doprowadziły do
takiego wzrostu zapotrzebowania na wodę i jej
zanieczyszczenia, że niedobory nadającej się do
użytkowania wody stały się barierą dalszego rozwoju
gospodarczego
Od połowy lat siedemdziesiątych w Europie obserwuje się
coraz bardziej intensywną działalność na rzecz poprawy
jakości wód oraz ochrony ekosystemów wodnych i od wód
zależnych
Gospodarka wodna - definicja
Gospodarka wodna jest zarówno działem gospodarki
narodowej, jak również dyscypliną naukową zajmującą
się metodami i środkami kształtowania zasobów wodnych
w celu spełnienia uzasadnionych potrzeb użytkowników
wody, ochrony przed powodzią, ochrony zasobów
wodnych przed wyczerpaniem i zanieczyszczeniem oraz
ochrony ekosystemów wodnych i związanych z wodą.
Współczesna gospodarka wodna oparta jest na zasadach
zrównoważonego rozwoju (ekorozwoju), zakładających
osiąganie kompromisu pomiędzy zaspokajaniem
bieżących potrzeb społeczeństwa, a zachowaniem w
sposób trwały walorów i zasobów środowiska
naturalnego.
Gospodarowanie zasobami wodnymi odbywa się w
ramach zlewni rzecznych.
Gospodarka wodna - definicja
Wybitny polski hydrolog i ojciec polskiej
gospodarki wodnej Prof. Julian Lambor w
wydanej w 1965 roku książce pt.“Podstawy
gospodarki wodnej” zamieścił następujące
zakończenie:
JEDENASTE PRZYKAZANIE
„Odziedziczysz ziemię świętą jako wierny sługa i będziesz dbał
o utrzymanie jej zasobów i wydajności z pokolenia na
pokolenie. Będziesz strzegł twych pól przed erozją, obfitych
wód przed wyschnięciem, lasów przed zniszczeniem, będziesz
chronił swe wzgórza przed nadmiernym wypasem przez stada,
aby potomkowie twoi wiecznie cieszyli się obfitością.
Jeśli ktoś z was nie podoła tym obowiązkom wobec ziemi,
urodzajne wasze grunty staną się bezpłodnem polem kamieni
pokrytym jałowymi rozpadlinami, a coraz mniej liczni
potomkowie wasi będą żyli w ubóstwie lub znikną z
powierzchni ziemi.”
System wodnogospodarczy
System wodno-gospodarczy można zdefiniować jako układ
funkcjonalno-przestrzenny, obejmujący naturalne zasoby wód
powierzchniowych i podziemnych, środowisko przyrodnicze, w
którym one występują, obiekty hydrotechniczne
umożliwiające kształtowanie tych zasobów, obiekty
użytkowników wody oraz powiązania występujące pomiędzy
tymi elementami.
Celem działania tak rozumianego systemu wodno-
gospodarczego jest:
zaspokojenie zapotrzebowania na wodę jej odbiorców
realizacja określonych wymagań środowiska przyrodniczego
zabezpieczenie przed powodzią określonych obszarów
Sterowanie obiegiem wody w systemie wodno-gospodarczym
umożliwiają
obiekty hydrotechniczne
(zbiorniki retencyjne,
kanały przerzutowe, oczyszczalnie ścieków)
realizujące takie
funkcje, jak transformacja zasobów wodnych w czasie i
przestrzeni oraz kształtowanie jakości tych zasobów.
System wodnogospodarczy - Górna
Narew
gospodarka komunalna
przemysł
nawodnienia użytków zielonych
oczyszczalnia ścieków
ujęcie wód podziemnych
stawy rybne
Narwiański Park Narodowy
chroniona dolina rzeczna
kanał przerzutowy
Ogólny schemat postępowania przy
rozwiązywaniu problemów dotyczących
gospodarowania zasobami wodnymi
Zasoby wodne
Zadania i potrzeby wodne
Środki działania
Sposoby tworzenia wariantów
rozwiązania
problemu
z
wykorzystaniem
badań
symulacyjnych
Kryteria wyboru rozwiązań
Zasoby wodne
Człowiek wykorzystuje zasoby wodne występujące w postaci wód:
powierzchniowych (jeziora słodkowodne, rzeki, potoki)
podziemnych
opadowych
poprodukcyjnych (np. wód kopalnianych)
Ta sama woda może być wykorzystana wielokrotnie
Zasoby wód powierzchniowych, podziemnych i opadowych
najczęściej charakteryzują się nierównomiernym rozkładem na
większych obszarach (np. terytorium kraju). Przyczyną tego
zróżnicowania są: różne warunki topograficzne, geologiczne i
meteorologiczne oraz różne formy zagospodarowania terenu
(obszary urbanizowane, lasy, bagna, itp.).
Wody powierzchniowe i opadowe oprócz zmienności przestrzennej
charakteryzują się dużą losową zmiennością czasową,
uwarunkowaną przebiegiem procesów meteorologicznych.
Zmienność ta dotyczy zarówno wartości średnich rocznych dla
różnych lat, jak i rozkładu wielkości zasobów w poszczególnych
latach, który wynika z rocznego cyklu zjawisk meteorologicznych.
Typy informacji hydrologicznej wykorzystywane
w analizach gospodarki wodnej
Przystępując do rozwiązywania jakiegokolwiek problemu
gospodarki wodnej należy w pierwszej kolejności rozpoznać i
opisać stan zasobów wodnych zarówno pod względem ich ilości jak
i jakości
Rodzaj hydrologicznej informacji o zasobach wodnych zależy od
charakteru rozwiązywanego problemu gospodarki (planowanie,
projektowanie, eksploatacja), typu zadania lub zadań stawianych
przed analizowanym systemem wodno-gospodarczym (np.
zaopatrzenie w wodę, ochrona przeciwpowodziowa) oraz
wymaganego poziomu dokładności prowadzonych analiz.
W planowaniu i projektowaniu bez względu na rodzaj zadania
wykorzystywane są różnego rodzaju dane historyczne:
historyczne ciągi przepływów, historyczne hydrogramy fal
powodziowych, statystyczne charakterystyki przepływów. W
analizach tych wykorzystuje się również tzw. ciągi generowane.
W eksploatacji systemów wodno-gospodarczych
wykorzystywane są bieżące obserwacje oraz prognozy przepływu
w najbliższym przedziale czasowym (lub kilku przedziałach).
Zadania gospodarki wodnej (1)
zaspokojenie potrzeb wodnych różnego typu użytkowników wód
obejmujące:
zaopatrzenie w wodę ludności i gospodarki (przemysł, rolnictwo i
leśnictwo)
energetykę wodną
żeglugę śródlądową
turystykę i rekreację wodną
ochronę przed żywiołem wodnym w postaci różnego typu powodzi
ochronę zasobów wodnych przed: zanieczyszczeniem i nadmiernym
wykorzystaniem oraz utratą walorów przyrodniczych – samych wód
jak i obszarów z nimi związanych
Opis zadania gospodarki wodnej oprócz wielkości zapotrzebowania
wody obejmuje również wymagania dotyczące gwarancji dostaw
wody oraz jej parametrów jakościowych
Zadania gospodarki wodnej (2)
Ze względu na sposób wykorzystania wody w trakcie realizacji zadania
zaspokojenia potrzeb, można wydzielić dwa podstawowe typy
użytkowników zasobów wodnych:
użytkowników konsumpcyjnych (gospodarka komunalna, rolnictwa i
przemysł),
użytkowników niekonsumpcyjnych (ochrona ekosystemów wodnych,
ochrona jakości wód, żegluga śródlądowa, hydroenergetyka, turystyka,
rekreacja).
Potrzeby wodne ze względu na ich charakter można podzielić na:
Potrzeby bezwzględne (niezastępowalne), w których zaspokajaniu woda nie
może być zastąpiona żadnym substytutem
(potrzeby związane z
zaopatrzeniem w wodę ludności, potrzeby związane z zapewnieniem
przepływu nienaruszalnego, potrzeby wodne niektórych rodzajów
przemysłu, potrzeby związane z hodowlą zwierząt)
Potrzeby względne (zastępowalne), które mogą być zaspokojone za pomocą
rozwiązań substytucyjnych.
Przykładowo substytutem energetycznego
wykorzystania zasobów wodnych może być produkcja energii elektrycznej
w elektrowniach cieplnych i atomowych. Substytutem drogi wodnej mogą
być inne – lądowe środki transportu. W przemyśle substytutem wody mogą
być inne tzw. wodooszczędne technologie produkcji.
Schemat użytkownika wody
P
Zrzu
t
Strat
a
Pobó
r
Ujęcie
wody
Stacja
uzdatnia
nia wody
Potrzeb
y wodne
Woda krążąca w
obiegu
Oczyszczal
nia
ścieków
Schemat użytkownika wody
P
Zrzut
(1-φ)
X
φ
X
Pobór
X
Strat
a
φ – współczynnik strat bezzwrotnych
wody [0; 1]
Środki działania
Narzędzia gospodarowania wodą można podzielić na trzy
podstawowe grupy
:
Techniczne środki działania (budowle hydrotechniczne) umożliwiające
kształtowanie czasowo-przestrzennego rozkładu zasobów
dyspozycyjnych i ich jakości.
Wśród obiektów tych najważniejszymi są: zbiorniki retencyjne, kanały przerzutowe,
oczyszczalnie ścieków
.
Prawne i administracyjne środki działania:
standardy związane z ochroną wód (systemy klasyfikacji wód, przepływy nienaruszalne)
ustalenia związane ochroną przed skutkami powodzi (strefy zagrożenia powodziowego,
zakazy i ograniczenia związane z zagospodarowaniem terenów zalewowych, wielkości
rezerw powodziowych w zbiornikach retencyjnych, przepływy dozwolone)
zasady eksploatacji obiektów hydrotechnicznych (np. instrukcje gospodarowania wodą
dla zbiorników retencyjnych)
Ekonomiczne środki działania:
opłaty za pobór wody i odprowadzanie ścieków
kary za naruszanie warunków, jakim powinny odpowiadać odprowadzane ścieki
dotacje przyznawane na realizację przedsięwzięć w dziedzinie gospodarki wodnej i
ochrony wód
zróżnicowanie stawek ubezpieczeniowych w zależności od stopnia zagrożenia
powodziowego
opłaty za korzystanie z urządzeń wodnych
zróżnicowanie stawek ubezpieczeniowych w zależności od stopnia zagrożenia
powodziowego
Kryteria oceny podejmowanych
działań
Kryteria stosowane w gospodarce wodnej można podzielić
na:
Kryteria ekonomiczne, określające w jednostkach monetarnych efekty
(lub skutki) danego wariantu gospodarowania zasobami wodnymi
(np
.
koszty inwestycyjne i eksploatacyjne obiektów hydrotechnicznych,
wielkość unikniętych strat powodziowych, straty wywołane deficytami
wody u użytkownika, średnia roczna wartość wyprodukowanej energii
elektrycznej itp.)
Kryteria opisujące stopień realizacji zadań stawianych przed
rozpatrywanym systemem wodno-gospodarczym
(np. gwarancja
czasowa i objętościowa spełnienia potrzeb wodnych użytkowników,
maksymalna głębokość deficytu wody, jakość wód w wybranym
przekroju kontrolnym rzeki,
itp.)
Kryteria społeczne
(np. liczba dodatkowych miejsc pracy, stworzenie
terenów rekreacyjnych itp.)
Kryteria ekologiczne
(np. zmiana reżimu hydrologicznego rzeki,
częstości występowania zalewów doliny, drożność cieków)
Kryteria oceny podejmowanych
działań Przykład
Przykład.
Zbiornik retencyjny spełnia następujące
zadania: zapewnienie przepływu nienaruszalnego
w rzece poniżej zbiornika, zaopatrzenie w wodę
zakładu przemysłowego, ochrona
przeciwpowodziowa obszarów zlokalizowanych
poniżej zbiornika, produkcja energii elektrycznej
w elektrowni wodnej oraz rekreacja i sporty wodne
Kryteria oceny podejmowanych
działań Przykład
Do oceny sposobu gospodarowania wodą na zbiorniku
można zaproponować następujący zbiór kryteriów:
częstość występowania przepływów nie mniejszych niż przepływ
nienaruszalny
częstość występowania deficytów (niedoborów) wody w zakładzie
przemysłowym
stopień (wielkość) redukcji przepływu kulminacyjnego fali powodziowej o
określonym prawdopodobieństwie wystąpienia
średnia roczna wielkość produkcji energii elektrycznej w hydroelektrowni
średnioroczne koszty eksploatacyjne zbiornika retencyjnego
amplituda wahań zwierciadła wody w zbiorniku w sezonie turystycznym
Różnorodność efektów i skutków przedsięwzięć
dotyczących gospodarowania zasobami wodnymi
powoduje, że ocena poszczególnych wariantów
rozwiązania problemu ma na ogół charakter
wielokryterialny