Kanały obiegowe na pomoc rzekom i rybom

Zapory i zbiorniki wodne są obiektami przyczyniającymi się do utraty ciągłości ekologicznej rzek. Na 12 mln kilometrów rzek analizowanych przez Grill i in., tylko 37% cieków o długości powyżej 1000 km charakteryzował swobodny przepływ na całej długości. Urządzeniami przywracającymi drożność cieku są przepławki. Generalną zasadą ich pracy jest rozłożenie spadku wody na dłuższym odcinku cieku. Powoduje to zmniejszenie prędkości przepływu wody do wartości wynikających ze zdolności pływackich ryb i umożliwia organizmom wodnym wędrówkę pod prąd.

Biologiczne podstawy projektowania urządzeń do migracji ryb

Biologiczne podstawy projektowania urządzeń do migracji ryb wynikają z szybkości ich pływania, a ta zależy od rozmiarów (długości całkowitej) osobników, predyspozycji poszczególnych gatunków oraz temperatury wody. Wyróżnia się trzy podstawowe szybkości pływania ryb, z którymi wiążą się trzy różne poziomy aktywności:

• szybkość fizjologiczna – może być utrzymywana przez rybę przez wiele godzin bez zmęczenia i fizjologicznych zmian w organizmie;
• szybkość maksymalna (szybkość zrywu) – występuje przy jednorazowym wysiłku ryby wywołanym przestrachem, atakiem na zdobycz bądź pokonywaniem przeszkody. Szybkość maksymalna, wynosząca 8 do 10 długości ryby na sekundę, może być utrzymywana maksymalnie przez ok. 6 sekund, po czym ryba potrzebuje odpoczynku niezbędnego do regeneracji;
• szybkość użyteczna – obejmuje okresy, w których ryba pływa raz wolniej, raz szybciej, a zdolność do utrzymywania prędkości zawsze ograniczona jest czasowo (występuje np. podczas pokonywania urządzenia migracji ryb).

Przykładowo, dla łososia szybkość użyteczna wynosi 1,30 – 3,20 ms^-1, a szybkość maksymalna 6,00 ms^-1. W przypadku pstrąga potokowego te wartości to odpowiednio 0,80 – 1,80 ms^-1 oraz 4,00 ms^-1. Prędkość pływania ryb zmienia się wraz ze zmianą temperatury wody. Pstrąg o długości 20 cm w temperaturze 18⁰C może płynąć z prędkością maksymalną 3 ms^-1, a w temperaturze 5⁰C jedynie 1,5 ms^-1.

Rozwiązania konstrukcyjne przepławek

Kryteria biologiczne przekładają się na hydrauliczne warunki pracy przepławek, m. in. na napełnienie w komorach i szczelinach przepławki, prędkości wody na całej jej długości i rozproszenie energii. Dodatkowo na wejściu do przepławki musi zostać wytworzony prąd wabiący. Kolejnym wymogiem jest zapewnienie całorocznego przepływu nienaruszalnego przez budowlę hydrotechniczną. Z hydraulicznego punktu widzenia największym wyzwaniem dla uzyskania skutecznie działającej przepławki jest zapewnienie jej funkcjonowania w zakresie obejmującym przepływy od stanów niskich do średnich.

Wśród stosowanych rozwiązań wyróżnić można przepławki techniczne, takie jak komorowa, szczelinowa, o prądzie wstecznym (Denil’a), ryglowa czy dwufunkcyjna (szczotkowa); przepławki seminaturalne (bliskie naturze), takie jak rampy denne i pochylnie denne (konstrukcje o szorstkiej powierzchni i niewielkim spadku obejmujące całą szerokość koryta), rampy przy stopniach wodnych (stanowią integralna część budowli i zajmują tylko część szerokości koryta), kanały obiegowe w formie obejścia (ukształtowane na wzór naturalnego strumienia omijającego przeszkodę) oraz konstrukcje specjalne, jak windy i śluzy dla ryb, przepławki dla węgorzy.

Przepławki seminaturalne wykonuje się z nieregularnie rozmieszczonych kamieni lub rygli albo jako formy basenowe. Dostępnych jest szereg rozwiązań konstrukcyjnych, wśród których wyróżnić można bystrze kamienne typu „plaster miodu”, rampy i pochylnie denne – bystrotoki kaskadowe (bystrza) z warstwą kamieni przymocowaną do podłoża, z narzutu kamiennego lub o konstrukcji ryglowej, tworzącymi niewielkie przegłębienia.

Ze względu na indywidualny charakter obiektów, czynnikami, które wpływają na wybór optymalnego rozwiązania, są lokalne uwarunkowania związane z występującymi na badanym obszarze gatunkami ryb, wielkością piętrzenia, wzajemnym rozmieszczeniem elementów budowli hydrotechnicznej, wydanymi pozwoleniami wodno-prawnymi, a także tym, co nie zawsze jest oczywiste, dostępnością terenu pod inwestycje.

Projektowanie kanałów obiegowych dla ryb

Jednym z seminaturalnych typów przepławek dla ryb są kanały obiegowe. Są to przepławki, które omijają przeszkodę, oferując rybom alternatywną trasę migracji, poza korytem głównym. Swoją konstrukcją i warunkami przepływu powinny przypominać naturalny ciek. Konsekwencją takiego rozwiązania jest ich znaczna długość, która jednak jest konieczna, aby przywrócić ciągłość ekologiczną przy istniejących budowlach hydrotechnicznych bez konieczności ingerencji w ich konstrukcję. Stąd też przy wyborze ich lokalizacji niezbędne jest uwzględnienie znacznej przestrzeni niezbędnej do budowy. Przepławki w formie kanałów obiegowych naśladują naturalny strumień, w którym występuje mozaika siedlisk. Zatem konstrukcja kanału obiegowego nie tylko zapewnia możliwość migracji rybom, ale także pozwala na stworzenie dogodnych warunków siedliskowych dla różnych grup organizmów wodnych. Aby przepławki spełniały swoją rolę, konstruuje się przestrzenie, których zadaniem jest umożliwienie realizacji wszystkich etapów życia organizmów wodnych.

Parametry urządzeń służących migracji ryb powinny korelować z rozmiarami tych organizmów. Minimalne wartości podstawowych parametrów są takie same zarówno dla urządzeń bliskich naturze, jak i dla tych typowo technicznych. Wymagania te obejmują minimalną głębokość korytarza migracji, głębokość i szerokość szczeliny lub przelewu oraz minimalną długość, szerokość i głębokość basenu lub komory. Przykładowo, dla łososia minimalne wymiary basenu wynoszą 3,3×2,2×0,9 m, a dla pstrąga potokowego 2,1×1,40×0,6 m. W przypadku jesiotra, którego długość może dochodzić do 3 m, minimalne wymiary basenu powinny wynosić 6,0×4,0×1,8 m.

Kryteria projektowe dla kanału obiegowego dla ryb zawierają wytyczne Niemieckiego Stowarzyszenia Gospodarki Wodnej i Budownictwa Rolniczego z 1996 r. [Deutscher Verband für Wasserwirtschaft und Kulturbau, DVWK 1996; wydanie polskojęzyczne: WWF-Poland, FAO i DVWK, 2016]. Obejmują one parametry takie jak: nachylenie dna (1:100 do maks. 1:20), minimalną szerokość dna 0,8 m, średnią głębokość wody >0,2 m, średnią prędkość wody 0,4–0,6 ms^-1 i maksymalną prędkość przepływu 1,6–2,0 ms^-1. Dno powinno być wykonane z naturalnego, dostępnego lokalnie materiału, ułożonego w sposób naturalny oraz charakteryzującego się dużą szorstkością. Kanały obiegowe w układzie poziomym powinny mieć kształt sinusoidalny, meandrujący lub płynący zakolami. Przekrój poprzeczny powinien być zróżnicowany, a brzegi umocnione metodami bioinżynieryjnymi.

Formą kanału obiegowego dla ryb jest tzw. przepławka basenowa, ukształtowana w kaskadę basenów połączonych progami kamiennymi. Zmiana spadku poszczególnych odcinków kanału obiegowego pozwala na stworzenie stref łagodniejszego przepływu, elementów habitatowych, stanowiących miejsce odpoczynku lub kryjówki albo też, gdy to wymagane, wytworzenie prądu wabiącego.

Na odcinkach o znacznych spadkach dna lub brzegów konieczne jest zastosowanie umocnień. W takich sytuacjach należy wdrożyć zasady obowiązujące przy renaturyzacji rzek, tj. zastosować naturalne materiały jak geowłókninę, drewno, gałęzie, kamienie, żwir, nasadzenia roślinne. W kanałach obiegowych dopuszcza się zachodzenie naturalnych procesów kształtujących morfologię koryt rzecznych i rezygnację ze sztucznych umocnień dna pod warunkiem, że dno jest stabilne i nie istnieje zagrożenie dla terenów przyległych. Jest to istotne w przypadku stosowania głazów ponadwymiarowych, umieszczanych na dnie w celu redukcji dopuszczalnej prędkości przepływu wody. Głazy tego typu umieszcza się w sposób nieregularny, w formie rygli lub zanurzonych progów kamiennych. Odległości pomiędzy nimi powinny wynosić dwu-, trzykrotność ich średnicy (nie mniej niż 0,3–0,4 m).

Rygle powstają z dużych głazów, ułożonych tak, że tworzą baseny. Najczęściej wykorzystuje się przylegające luźno do siebie bloki kamienne. W przypadku zanurzonych progów (przegród, szykan), pojedyncze głazy tworzą baseny, które „opierając się o siebie”, formują kaskadę. Różnica poziomów zwierciadła wody przy kolejnych progach nie powinna przekraczać 0,20 m na odcinkach wyżynnych i 0,10–0,15 m na odcinkach nizinnych, a dyssypacja (rozproszenie) energii nie może przekraczać 200 Wm^-3 na odcinkach wyżynnych i 150 Wm^-3 na odcinkach nizinnych.

Wejście do przepławki powinno zapewnić przepływ wody, szczególnie przy jej niskich poziomach. W celu kontroli wyjścia, wyposaża się je w rozwiązania, umożliwiające zastosowanie pułapek i/lub elektronicznych urządzeń do monitoringu pracy przepławki. Na koniec nie należy zapominać o zacienieniu kanału roślinnością średnią i wysoką (krzewy i drzewa), co ma korzystny wpływ na funkcjonowanie całości.

Efektywność funkcjonowania przepławek

Ocena efektywności funkcjonowania urządzenia służącego migracji ryb jest przeprowadzana po jego wybudowaniu na drodze dwuetapowego monitoringu. Pierwszy etap obejmuje ocenę lokalizacji przepławki względem przegrody, rozdziału strug wody, kierunku i siły prądu wabiącego od wody dolnej oraz od wody górnej itp. Ten etap ma dać odpowiedzi na pytania, czy ryby trafią do przepławki zarówno od górnej, jak i od dolnej wody, przy różnych stanach wody oraz różnych wariantach gospodarowania nią. W kolejnym kroku dokonuje się oceny samego urządzenia służącego migracji ryb, wielkości komór i spadków pomiędzy nimi (jeżeli występują), prędkości wody na przelewach, turbulencji w przepławce (dyssypacji objętościowej energii) pod kątem migrujących ryb z określeniem gatunków priorytetowych. Drugi etap to ocena biologiczna, czyli rzeczywista ocena migracji na podstawie obserwacji pokonujących przegrodę ryb. Może być prowadzona poprzez bezpośrednie połowy przechodzących przez przepławkę ryb lub metodami telemetrycznymi.

Skuteczność działania urządzeń służących do migracji ryb wyrażana jest dwoma parametrami: udziałem liczby ryb danego gatunku, które pokonały przeszkodę w całkowitej liczbie ryb usiłujących ją pokonać (wyrażonym udziałem procentowym) lub opóźnieniem w migracji, czyli czasem, jakiego ryba potrzebuje na pokonanie przeszkody (mierzonym w godzinach lub dobach).

Skala oceny funkcjonowania urządzeń służących migracji ryb mieści się w zakresie od bardzo dobrej przy 100% ryb pokonujących przeszkodę z opóźnieniem w wędrówce nieprzekraczającym kilku godzin do złej, kiedy mniej niż 70% ryb pokonuje przeszkodę, a opóźnienie przekracza kilka dni.

Ocenę zalecaną, czyli bardzo dobrą i dobrą, otrzymują urządzenia, które 95% ryb gatunków priorytetowych pokonuje w czasie krótszym niż kilka dni. Urządzenia ocenione jako słabe można często usprawnić poprzez niewielką przebudowę lub wykonanie dodatkowych urządzeń naprowadzających (np. dodatkowy prąd wabiący). Natomiast jeśli urządzenia oceniane są jako złe, zwykle wymagają wyburzenia, a następnie zaprojektowania i wybudowania od nowa.

Przepławka bliska naturze na rzece Jasiołce

Przykładem przepławki bliskiej naturze w formie obejścia jest przepławka w Szczepańcowej na rzece Jasiołka (km 27+960) w dorzeczu Górnej Wisły. Jaz został wykonany w latach 30. XX wieku. Obecnie jest wykorzystywany w celu ujęcia wody dla celów komunalnych. Piętrzenie budowli wynosi 5,5 m, a szerokość progu 45 m. Jaz stanowił barierę dla migracji organizmów wodnych, a zbudowana tam przepławka nie spełniała warunków migracji. Jej udrożnienie było konieczne dla odtworzenia historycznych szlaków migracji ryb dwuśrodowiskowych, co było jednym z głównych celów projektu „Przywrócenie drożności korytarza ekologicznego rzeki Wisłoki i jej dopływów”. Jako optymalne rozwiązanie przyjęto przepławkę bliską naturze w formie obejścia (bypass) naśladującego naturalny odcinek rzeki, poprowadzonego krętą trasą na lewym brzegu rzeki. Przepławka ma długość 165 m i składa się z 40 basenów o wymiarach 3.3×4.5×0.9 m, a jej spadek wynosi 3,3%. Szerokość szczeliny głównej to minimum 0,3 m. Aby sprostać wymaganiom stawianym przepławkom bliskim naturze, konieczne było przeprowadzenie dodatkowych badań, ponieważ pojawił dodatkowy wymóg, tj. konieczność likwidacji lub zminimalizowania wiru wodnego. Kolejne baseny przepławki oddzielone są rzędem rygli ze szczeliną główną, czego efektem jest koncentracja przepływu wpływającego do basenu. Powoduje to występowanie wirowego ruchu wody również wtedy, gdy szczeliny w kolejnych rzędach rygli umieszczone są naprzemiennie, tj. po przeciwnych stronach przepławki.

W celu wypracowania optymalnego rozwiązania przeprowadzono pomiary laboratoryjne oraz modelowanie numeryczne. Na modelu fizycznym testowano rozkład prędkości w wariantach obejmujących rząd rygli z jedną stałą szczelinę główną o szerokości 0,12 m oraz szczelinami o zmiennej szerokości 0,02 m, 0,01 m oraz 0 m (brak szczelin). Szczelina główna została umieszczona naprzemiennie, aby nurt główny, pokonując basen, przepływał z jednej strony na drugą. Wprowadzenie dodatkowych szczelin w ryglu spowodowało zanik zawirowania i wyrównanie rozkładu prędkości w basenie. Jako kolejne przeprowadzono modelowanie numeryczne warunków przepływu wody w przepławce. Opracowany i skalibrowany został dwuwymiarowy model numeryczny (2D) przepławki dla rzeczywistych wymiarów. Modelowanie przeprowadzono dla następujących przepływów: przepływ średni niski SNQ=0,33 m³s^-1, przepływ trwający powyżej 300 dni w roku Q300=0,95 m³s^-1 oraz 250% przepływu średniego rocznego Q_2,5xSSQ=11,04 m³s^-1. Modelowanie obejmowało trzy etapy, w których przeprowadzono obliczenia dla koryta głównego z jazem oraz wlotu i wylotu z przepławki, następnie obliczono hydrauliczne warunki przepływu na długości przepławki, a na końcu prąd wabiący.

W zależności od natężenia przepływu odbywa się on tylko przez szczeliny w przepławce lub przez szczeliny i ponad nimi. W szczelinie głównej średnia prędkość wody osiąga lokalnie 1,50 – 1,80 ms^-1, a w basenach 0,1 ms^-1. Współczynnik dyssypacji energii waha się od 80 do 150 Wm^-3. Symulacje numeryczne pozwoliły również na określenie przepływu niezbędnego do wytworzenia prądu wabiącego w wejściu do przepławki.

Przepławka w Szczepańcowej na Jasiołce jest jednym z przykładów udrożnienia budowli wodnej. Skumulowany efekt wdrożenia projektu to stworzenie korytarza ekologicznego rzeki Wisłoka na długości 75 km (wolnego od barier migracyjnych), redukcja fragmentaryzacji zlewni oraz przywrócenie integracji obszarów NATURA 2000 „Dopływy Wisłoka”.

Koncepcja udrożnienia rzek z optymalnym wykorzystaniem budowli bliskich naturze jest słuszna. Działania tego typu zostały docenione na konferencji Fish Passage 2022 w Richland w USA, podczas której została przyznana nagroda dla PGW Wody Polskie za działania w dwóch projektach, obejmujących likwidację barier migracyjnych dla organizmów wodnych na rzece Wisłoce i jej dopływach – Ropie i Jasiołce oraz przywrócenie ciągłości ekologicznej i poprawę funkcjonowania korytarza swobodnej migracji rzeki Biała Tarnowska.

Podsumowanie

Kanały obiegowe mają wiele zalet, które stawiają je wysoko wśród proekologicznych rozwiązań hydrotechnicznych. Budowle te dobrze wkomponowują się w krajobraz i tworzą siedliska dla ryb oraz makrozoobentosu w kolejnych fazach ich rozwoju. Są bardziej niezawodne i wymagają mniejszych nakładów na utrzymanie, ponieważ charakteryzują się mniejszą podatnością na zapychanie niż przepławki techniczne. Omijają przeszkodę w pewnej odległości, co jest korzystne ze względu na brak ingerencji w konstrukcję i zachowanie integralności budowli hydrotechnicznej, a jeżeli są wykonane w taki sposób, że łączą dolne stanowisko i obszar poza strefa cofkową, pozwalają na ominięcie czaszy zbiornika.

Niestety, rozwiązania takie nie są pozbawione wad. Ze względu na swoją konstrukcję potrzebują dużo przestrzeni, co ogranicza możliwość ich budowy w wielu lokalizacjach. Ich funkcjonowanie jest zależne od zmian poziomu wody górnej oraz połączenia z woda dolną, co może wymagać zastosowania dodatkowych konstrukcji na wlocie do przepławki (wyjście) i/lub na stanowisku dolnym. Ponadto kanał obiegowy może wymagać głębokiego wcięcia w otaczające tereny, co oznacza, m.in. konieczność przeprowadzenia szerokiego zakresu prac ziemnych i zabezpieczenia skarp.

Mimo pewnych wad i dzięki niezaprzeczalnym zaletom, rozwiązania bliskie naturze uzyskują coraz powszechniejszą akceptację jako sposoby udrażniania rzek. Należy mieć nadzieję, że istniejące już przykłady tego typu przepławek znajdą szerokie zastosowanie w poprawie drożności rzek w Polsce.

Dr hab. inż. Leszek Książek jest profesorem Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie i pracuje w Katedrze Inżynierii Wodnej i Geotechniki. Prowadzi badania w dziedzinie nauk inżynieryjno-technicznych. Zajmuje się gospodarką wodną, specjalizując się w hydraulice koryt otwartych, ochronie przeciwpowodziowej, morfologii koryt rzecznych a także ekohydraulice, łącząc zagadnienia przyrodnicze i inżynierskie. Jest członkiem Komitetu Gospodarki Wodnej PAN oraz Komitetu Inżynierii Środowiska PAN. E-mail: [email protected]