– To właśnie zderzenie specjalizacji i interdyscyplinarności czyni hydrotechnikę tak ciekawą i inspirującą – mówi dr hab. inż. Paweł Falaciński, prof. Politechniki Warszawskiej oraz przewodniczący Sekcji Konstrukcji Hydrotechnicznych KILiW PAN. W rozmowie z nami opowiada o roli infrastruktury hydrotechnicznej w Polsce, jej znaczeniu dla bezpieczeństwa wodnego kraju oraz wyzwaniach, jakie stawia przed inżynierami współczesna gospodarka wodna.
Na początku chciałbym zaznaczyć kluczową, strategiczną rolę gospodarki wodnej, która jest związana w szczególności z możliwościami pozyskiwania wymaganej ilości wody dla potencjalnych odbiorców indywidualnych, na potrzeby rolnicze oraz dla przemysłu. Drugim zadaniem gospodarki wodnej jest ochrona przed powodzią. W obecnej sytuacji należy bezwzględnie dodać: ochrona przed suszą. Ostatnim zdefiniowanym zadaniem jest ochrona zasobów wodnych przed wyczerpaniem i zanieczyszczeniem.
Ustalając w ten sposób priorytety, definiujemy, przy obecnym rozwoju cywilizacyjnym, wodę jako wyjątkowe dobro, wręcz unikalne i strategiczne w kontekście niezbędnych potrzeb społecznych. Należy dodatkowo uszczegółowić, że dotyczy to wód powierzchniowych, rezerwując pozyskiwanie wody pitnej ze źródeł podziemnych dla mniejszych miast oraz terenów wiejskich.
Aktualne dane obejmujące kraje Unii Europejskiej wskazują, że roczne zasoby słodkiej wody w Polsce są mniejsze niż 1700 m³/os./rok, co klasyfikuje nas w Europie tylko powyżej Czech, Cypru i Malty.
Łatwo więc zauważyć, iż woda jest dobrem strategicznym, a infrastruktura – w tym obiekty hydrotechniczne – służąca pozyskiwaniu i retencjonowaniu wody, staje się infrastrukturą krytyczną.
dr hab. inż. Paweł Falaciński, prof. Politechniki Warszawskiej oraz przewodniczący Sekcji Konstrukcji Hydrotechnicznych KILiW PAN. Fot. D. Szmigiera-Falacińska
Czy Pana zdaniem obiekty hydrotechniczne w Polsce są przygotowane na ekstremalne zjawiska pogodowe związane ze zmianami klimatycznymi? Jeśli nie – co należałoby usprawnić?
Zarówno w mediach, jak i literaturze fachowej ten temat jest szeroko omawiany. Zmiany klimatu przejawiają się w szczególności występowaniem ekstremalnych zjawisk meteorologicznych i hydrologicznych w postaci dwóch, przeciwstawnych żywiołów: intensywnych i długotrwałych opadów powodujących powodzie oraz długich okresów bez opadów prowadzących do suszy z anomaliami temperatur. Przykładem takiego stanu była sytuacja we wrześniu 2024 r., gdy na obszarze południowo-zachodniej części kraju niż genueński wywołał intensywne powodzie, natomiast w części północno-wschodniej odnotowaliśmy stan suszy. Obiekty hydrotechniczne muszą przeciwdziałać obydwu tym zjawiskom. W kontekście ekstremalnych powodzi istniejące obiekty hydrotechniczne mogą wymagać rozwiązań, które poprawią ich bezpieczeństwo, co przełoży się na zwiększenie bezpieczeństwa chronionego obszaru. Głównym kierunkiem tych działań powinna być aktualizacja przepustowości budowli upustowych, dostosowana do zmieniającej się ilości spływu wód. Zwiększenie się objętości wody dopływającej do zbiornika jest konsekwencją wspomnianych zmian klimatu oraz przekształceniem samej zlewni. Zabudowa jej obszaru spowodowana rozwojem cywilizacyjnym – urbanizacją wpływa znacząco na koncentrację i długość występujących obecnie fal powodziowych. Konsekwentne działania związane z przebudową sekcji upustowych budowli hydrotechnicznych obserwujemy w Czechach, gdzie wiele obiektów już zostało dostosowanych do prognozowanych warunków.W tym miejscu należy również wspomnieć o aktualnym stanie zarówno technicznym, jak i bezpieczeństwa istniejących obiektów piętrzących. Zapewnienie odpowiednio wysokiego poziomu technicznego i bezpieczeństwa stanowi podstawę do dalszych analiz. W tej dziedzinie jest jeszcze sporo do zrobienia. Na łamach Inżyniera Budownictwa, w numerze 6/2024, autorzy przeanalizowali te zagadnienia. Wnioski niestety nie skłaniają do dobrego samopoczucia i relaksu…Możliwość rozwiązania problemu przeciwstawnego powodzi, czyli suszy, widzę w budowie zbiorników retencyjnych gromadzących wodę w okresie opadów deszczu, spłaszczających falę wezbraniową i skutecznie zasilających koryto rzeki w okresach suchych. Aspekty lokalizacji, skali tych zbiorników – małe lub duże – oraz ich rozwiązań technicznych, tj. suche lub mokre, powinny być ściśle dostosowane do potencjalnych odbiorców, ich potrzeb, a także możliwości terenowych doliny samego cieku.
>>> Jaka jest recepta na uzdrowienie gospodarki wodnej?
>>> Retencja na terenach zurbanizowanych
Jakie są najważniejsze wyzwania związane z monitorowaniem i utrzymaniem budowli hydrotechnicznych oraz zbiorników w Polsce?
Uważam, że te sprawy należy przedstawić w perspektywie istniejącego potencjału. Pozytywna informacja jest taka, że 88% wody pochodzi z obszaru naszego kraju. Racjonalna gospodarka wodna może więc zwiększyć pojemność retencyjną (zasoby wodne), która w obecnej chwili jest na poziomie ok. 7,5%. Wyzwaniem jest wzrost zasobów gromadzonych w zbiornikach retencyjnych. W ambitnych planach wskaźnik ten ma podnieść się do 15% w 2030 r., co dodatkowo powiększy retencję wody o ok. 5 km³.Realizacja tych celów nie jest możliwa bez zmian w obecnym systemie zarządzania i monitoringu zasobów wodnych. Modernizacja powinna dotyczyć systemu monitoringu w powiązaniu z narzędziami do przetwarzania i agregacji danych, które są niezbędne w realnej ocenie wpływu ścieków na jakość wód, np. do weryfikacji pozwoleń wodnoprawnych. Umożliwią one również szybką identyfikację zagrożeń i pozwolą ocenić potencjalne skutki ich transferu z biegiem rzeki. Wdrożenie nowoczesnego systemu zarządzania pozwoli na kontrolę rodzaju i przestrzennego zasięgu retencji wód. Podejście do kontroli zasobowej i planistycznej dotyczącej retencji wód można znaleźć w Planie Przeciwdziałania Skutkom Suszy. Dokument nie jest jeszcze doskonały i wielu ekspertów wskazuje katalog możliwych rozwiązań ulepszających te zagadnienia.Szczególnie istotnym wyzwaniem jest obecnie poprawa skuteczności badań i monitoringu procesów destrukcyjnych w ziemnych obiektach hydrotechnicznych – zarówno ich korpusów, jak i samego podłoża. Kluczowe stają się zagadnienia dotyczące procesów filtracyjnych, w tym przecieków prowadzących do erozji.Innym wyzwaniem jest realizacja prac utrzymaniowych. Są one wykonywane w celu osiągnięcia wymiernych efektów: zapewnienia możliwości korzystania z wód przez różnych użytkowników, bezpieczeństwa powodziowego, utrzymania szlaków wodnych, zachowania niezawodności technicznej urządzeń wodnych. Państwowe Gospodarstwo Wodne Wody Polskie (PGW WP) ma trudne zadanie w tym zakresie, gdyż musi dołożyć wszelkich starań, by realizować te prace z poszanowaniem obowiązujących przepisów prawa i ze szczególnym uwzględnieniem wymogów środowiskowych, a do tego przy bardzo ograniczonych środkach finansowych.
Fot. Zapora w Goczałkowicach-Zdroju. Fot. A. Siudy
Czy obserwuje Pan przejście na nowe materiały lub technologie w budownictwie wodnym?
Można zaobserwować zdecydowany postęp dotyczący nowych materiałów budowlanych stosowanych przy realizacjach nowych budowli hydrotechnicznych oraz remontach istniejących obiektów. Uważam, że można to zagadnienie rozwinąć w dwóch kategoriach: materiały na bazie nowoczesnych środków chemicznych oraz z dodatkami z recyklingu. Pierwsza z nich opiera się na wykorzystaniu środków chemicznych, które modyfikują właściwości danego materiału. Najlepszym przykładem są mieszanki betonowe z domieszkami chemicznymi, które potrafią zmienić właściwości zarówno samej mieszanki na etapie jej kompozycji oraz czasu wbudowania w obiekt, jak i później stwardniałego betonu. Obserwuję także stały postęp w kategorii materiałów naprawczych i remontowych. Dostępne są na rynku całe systemy, gdzie bazowe spoiwo cementowe jest wspomagane środkami chemicznymi lub całkowicie przez te środki zastępowane. Niewątpliwie zmienia to również technologię i jakość prac budowlanych.Druga wymieniona kategoria to materiały, w których stosowane są dodatki z recyklingu lub uboczne dodatki z różnego rodzaju procesów technologicznych. Może to być np. kruszywo z recyklingu w mieszance betonowej. Obecna norma dopuszcza użycie takiego materiału po spełnieniu odpowiednich warunków. Innym przykładem są dostępne aktualnie cementy, gdzie klinkier portlandzki jest zastępowany tzw. składnikiem głównym w postaci popiołów krzemionkowych, mączki wapiennej i innych dodatków. Nie jest to nowe podejście, ponieważ od wielu lat stosuje się cementy w pięciu rodzajach. Jednak w ostatnim czasie zostaje sukcesywnie wycofywany cement portlandzki CEM I – bez dodatków głównych oraz cement hutniczy CEM III. Niedobór tego pierwszego w hydrotechnice nie jest jeszcze wielkim problemem, ale brak cementu CEM III powoduje spore perturbacje podczas prac kubaturowych o dużych objętościach. Zamykanie produkcji CEM I jest spowodowane przede wszystkim ograniczeniami śladu węglowego. Deficyt w dostępie do CEM III jest konsekwencją braku granulowanego żużla wielkopiecowego, który jest produktem ubocznym otrzymywanym w procesie wytapiania surówki w wielkim piecu hutniczym. Obecnie jedynym szeroko dostępnym w Polsce, tanim dodatkiem jest mączka wapienna, która jest wykorzystywana w cementach CEM II. Innym obszarem, w którym można używać materiałów odpadowych powstających w procesach technologicznych, są zawiesiny twardniejące. Są to materiały stosowane do realizacji przesłon przeciwfiltracyjnych w obiektach hydrotechnicznych.Odpowiednie połączenie spoiwa na bazie cementu, bentonitu (skała ilasta) oraz specjalnego dodatku, w tym materiałów odpadowych, zapewnia zawiesinie odpowiednie właściwości mechaniczne i filtracyjne. Wysoka szczelność korpusu zapory lub wału przeciwpowodziowego jest kluczowa dla trwałości oraz bezpieczeństwa obiektu.Od ponad 20 lat w moim Zakładzie Budownictwa Wodnego i Hydrauliki w Politechnice Warszawskiej do kompozycji zawiesin twardniejących używamy różnego rodzaju uboczne produkty spalania. Mamy doświadczenia z wykorzystaniem jako dodatku do zawiesin: popiołów ze spalania węgla kamiennego i brunatnego w technologii zarówno konwencjonalnej, jak i fluidalnej, popiołów ze spalania osadów ściekowych powstających w procesie oczyszczania ścieków, a obecnie zajmujemy się popiołami z termicznego przekształcania odpadów komunalnych. Zawiesina jako materiał do uszczelnień ewoluował zgodnie ze zmianami cywilizacyjnymi: w energetyce, postępem w technologii oczyszczania ścieków oraz nowoczesnych technologii utylizacji odpadów komunalnych niesegregowanych.Zawiesiny twardniejące są wykorzystywane w różnego rodzaju specjalistycznych technologiach przeznaczonych uszczelnieniom obiektów hydrotechnicznych. Efektem tych prac jest zazwyczaj realizacja przesłony przeciwfiltracyjnej w podłożu lub korpusie obiektu hydrotechnicznego, zwykle ziemnego. Dostępne dotychczas technologie zapewniały szczelność przesłony na poziomie współczynnika przepuszczalności hydraulicznej: k₁₀ = 1 × 10⁻⁹ m/s. W sytuacji stosowania przesłon przeciwfiltracyjnych w obwałowaniu składowisk odpadów, w tym niebezpiecznych, taka szczelność nie była wystarczająca. Obecnie została opracowana nowoczesna technologia HPP – hybrydowa przesłona przeciwfiltracyjna, w której poza przesłoną wykonaną z tradycyjnej zawiesiny twardniejącej używa się dodatkowy element uszczelniający w postaci ścianki szczelnej z grodzic z tworzywa sztucznego, z dodatkowym uszczelnieniem zamków. HPP zapewnia szczelność o co najmniej dwa rzędy wielkości korzystniejsze: k₁₀ = 1 × 10⁻¹¹ m/s. Obserwując proces technologiczny oraz samą realizację przesłony przeciwfiltracyjnej, należy podkreślić, iż jest to niewątpliwie przełom w tym obszarze branży budownictwa hydrotechnicznego.
>>> Bezpieczeństwo budowli hydrotechnicznych piętrzących wodę
>>> Stan budowli piętrzących w Polsce – cz. I
Fot. Zapora wodna Solina. Fot. P. Falaciński
Jak Pan Profesor postrzega rolę klasycznego budownictwa wodno-melioracyjnego w kontekście współczesnych koncepcji zielono-błękitnej infrastruktury? Czy te dwa podejścia się uzupełniają, czy raczej konkurują ze sobą?
Spójrzmy na melioracje w kontekście celu. Należy wtedy przywołać łacińskie pochodzenie tego słowa: melioratio, czyli ulepszenie lub meliorare – ulepszać. Natomiast definicja cytowana wprost z ustawy – Prawo wodne brzmi: „Melioracje wodne polegają na regulacji stosunków wodnych w celu polepszenia zdolności produkcyjnej gleby i ułatwienia jej uprawy”. Przedstawiony cel zarówno w znaczeniu samego słowa, jak i definicji jest tożsamy. Oczywiście, jeżeli rozpatrujemy budownictwo wodno-melioracyjne w kontekście historycznym, cel główny, jakim jest poprawa, będzie się różnił. Kilkadziesiąt lat temu melioracje służyły odwadnianiu terenów uprawnych. Obecnie głównym kryterium będzie najprawdopodobniej ich nawodnienie. Uważam, że przekształcenie istniejących systemów melioracyjnych w nawadniająco-odwadniające wpisuje się wprost w aktualne koncepcje zielono-błękitnej infrastruktury. Retencjonowanie podczas opadów wód w rowach i niewielkich zbiornikach na istniejących polach, a następnie zasilanie dostępną w nich wodą gruntów uprawnych w okresach suchych jest zupełnie naturalne i niewymagające przekonywania o słuszności takiego podejścia. Dzięki bezpośrednim kontaktom z interesariuszami wiem, że nasza idea jest doskonale rozumiana, a chęć do jej wdrożenia – silna. Problemem może być stan techniczny istniejących urządzeń melioracyjnych, tj. progów i zastawek zlokalizowanych w terenie. Wiele z nich jest albo w stanie awaryjnym, albo już zupełnie zniszczonych. Przywrócenie działania takiego urządzenia polega na zapewnieniu odpowiedniego stanu technicznego, co jest zadaniem jego właściciela. Dostępne obecnie technologie i systemy wykonywania nowych, ale także remontu istniejących urządzeń melioracyjnych są w dużej mierze oparte na zasadach zrównoważonego rozwoju. W przypadku realizacji progów piętrzących wykorzystuje się różne materiały, w tym drewno lub kamień polny. Podczas wykonywania takich konstrukcji, jak choćby brzegosłony, stosuje się umocnienia biologiczne, w tym: faszynę leśną i wiklinową, kiszki faszynowe, kołki i paliki drewniane oraz kamień. To materiały naturalne.
W jaki sposób widzi Pan rolę współpracy między nauką, przemysłem i administracją w kontekście infrastruktury hydrotechnicznej?
Uważam, a nie jestem w tym odosobniony, iż sytuacja kadrowa w gospodarce wodnej, zwłaszcza w kontekście infrastruktury hydrotechnicznej, z roku na rok staje się coraz trudniejsza. Nie ma następstwa pokoleń inżynierów hydrotechników. Od ponad 20 lat nie kształci się w Polsce dość licznej i właściwie przygotowanej kadry. Wciąż topniejące nakłady finansowe w zakresie hydrotechniki uniemożliwiają wykonywanie ciekawych, strategicznych oraz ambitnych projektów, pozwalających rozwój branży w kontekście oczekiwań i wyzwań społecznych. Próbując choć w niewielkim stopniu zniwelować te zagrożenia, w moim Zakładzie Budownictwa Wodnego i Hydrauliki zmodyfikowano program kształcenia na studiach magisterskich dla specjalizacji Inżynieria Wodna. Zostały wprowadzone zagadnienia związane z hydrotechniką na terenach miejskich oraz renaturyzacją cieków. Odpowiedzieliśmy również na potrzeby administracji rządowej, organizując studia podyplomowe pt. Utrzymanie obiektów hydrotechnicznych, których jestem kierownikiem. W tym roku prowadzę kolejną, trzecią edycję tych studiów, co potwierdza zapotrzebowanie na podnoszenie kompetencji kadry – w szczególności pracowników PGW WP – odpowiedzialnej za infrastrukturę hydrotechniczną.
Czy dostrzega Pan jeszcze inne role obiektów hydrotechnicznych w poprawie bezpieczeństwa kraju?Do omówionych zagadnień obowiązkowo należy jeszcze dodać potencjał energetyczny obiektów hydrotechnicznych. W obecnym miksie energetycznym, gdzie według założeń w najbliższej przyszłości ok. 30% energii ma powstawać z OZE, kolejne 70% z elektrowni węglowych, energetyka wodna jest niezbędnym stabilizatorem systemu energetycznego Polski. Szczególną rolę odgrywają elektrownie szczytowo-pompowe (ESP), które reagując na zmienne warunki pracy systemu elektroenergetycznego, pobierają nadmiar energii produkowanej przez OZE w trakcie ich pracy pełną mocą, co nie zawsze pokrywa się z zapotrzebowaniem. Należy również podkreślić, iż gotowość do włączenia się do systemu energetycznego przez ESP w ciągu maksymalnie kilku minut pozostawia pod względem szybkości reakcji pozostałe źródła energii daleko w tyle. Warto też zaznaczyć strategiczną rolę elektrowni wodnych, które stanowią tzw. backup na wypadek wystąpienia awarii systemu energetycznego, tzw. blackoutu. Taka dramatyczna sytuacja miała miejsce w kwietniu 2025 r. w Hiszpanii na skutek nadprodukcji energii z OZE i niewystarczającej liczby magazynów do jej przechowywania.Omówione kwestie nie wyczerpują problematyki związanej z budownictwem hydrotechnicznym, a jedynie ją przybliżają. Widać wyraźnie złożoność problemów oraz specyfikę tej branży.
Dziękuję za rozmowę.
Rozmawiała Anna Dębińska, redaktor naczelna Inżyniera Budownictwa
