UNIWERSYTET IM. ADAMA MICKIEWICZA W POZNANIU

WYDZIAŁ NAUK GEOGRAFICZNYCH I GEOLOGICZNYCH

INSTYTUT GEOEKOLOGII I GEOINFORMACJI

Poznań, 2012

ADAM DĄBROWSKI

Koncepcja wyszukiwania lokalizacji

pod budowę małych elektrowni wodnych

na przykładzie Gwdy

A concept of location of small hydropower plants on the example of the

Gwda River.

Praca magisterska napisana w Zakładzie Geoekologii

pod kierunkiem prof. UAM dr hab. Zbigniewa Zwolińskiego

2

OŚWIADCZENIE

Ja, niżej podpisany/a

ADAM DĄBROWSKI

student Wydziału Nauk Geograficznych i Geologicznych

Uniwersytetu im. Adama Mickiewicza w Poznaniu

oświadczam, że przedkładaną pracę magisterską

p

t.

„Propozycja lokalizacji małych elektrowni wodnych

na Gwdzie”.

napisałem/am samodzielnie.

Oznacza to, że przy pisaniu pracy, poza niezbędnymi konsultacjami,

nie korzystałem/am z pomocy innych osób, a w szczególności nie zlecałem/am opra-

cowania rozprawy lub jej istotnych części innym osobom, ani nie odpisywałem/am

tej rozprawy lub jej istotnych części od innych osób.

Jednocześnie przyjmuję do wiadomości, że gdyby powyższe oświadczenie okaza-

ło się nieprawdziwe, decyzja o wydaniu mi dyplomu zostanie cofnięta.

(miejscowość, data)

(czytelny podpis)

3

1 WSTĘP ................................................................................................... 5

1.1 Problem badawczy ..................................................................................6

1.2 Cele i zadania badawcze .......................................................................7

2 DOTYCHCZASOWE POGLĄDY NA LOKALIZACJĘ MAŁYCH

ELEKTROWNI WODNYCH ....................................................................... 8

2.1 Wyszukiwanie lokalizacji pod budowę małych elektrowni wodnych ...................................................................................................................9

2.2 Możliwości wykorzystania analiz geoinformacyjnych w lokalizacji elektrowni wodnych ................................................................... 11

3 ELEKTROWNIE WODNE I PIĘTRZENIA WODY NA GWDZIE

14

3.1 Czynne elektrownie ............................................................................. 15

3.2 Elektrownie wodne w trakcie realizacji ...................................... 16

4 METODY BADAŃ I ŹRÓDŁA DANYCH ....................................... 17

4.1 Przepływ .................................................................................................. 17 4.1.1 Przygotowanie cyfrowego modelu terenu odwzorowującego spływ

powierzchniowy .............................................................................................................. 18 4.1.1 Interpolacja średniego rocznego przepływu ........................................ 20

4.2 Spadek rzeki ........................................................................................... 27

4.3 Obliczanie produkcji energii elektrycznej .................................. 28

4.4 Lokalizacja doliny Gwdy .................................................................... 30

4.5 Ocena oddziaływania zbiornika retencyjnego .......................... 32 4.5.1 Symulacja obszarów zalanych przez postawienie zapory wodnej 33

5 OBSZAR BADAŃ ................................................................................ 37

5.1 Obszary chronione ............................................................................... 38

6 PROCEDURA WYSZUKIWANIA LOKALIZACJI POD

BUDOWĘ MAŁYCH ELEKTROWNI WODNYCH .............................. 39

6.1 Eliminacja miejsc nienadających się do budowy elektrowni wodnych (ograniczenia dla lokalizacji małych elektrowni wodnych) 40

6.2 Wyznaczenie lokalizacji nadających się do budowy zapory wodnej ................................................................................................................... 40

4

7 WYKORZYSTANIE NARZĘDZI GIS DO OCENY WYBRANEJ

LOKALIZACJI MAŁYCH ELEKTROWNI WODNYCH .................... 44

7.1 Charakterystyka przepływów ......................................................... 44 7.1.1 Przepływy charakterystyczne ................................................................... 45 7.1.2 Hydrogramy .................................................................................................. 47 7.1.3 Krzywe sum czasu trwania przepływów ............................................... 49

7.2 Charakterystyka piętrzeń ................................................................. 50

7.3 Szacowanie produkcji energii elektrycznej ................................ 51

7.4 Ocena oddziaływania zbiornika na środowisko ....................... 52 7.4.1 Zasięg oddziaływania proponowanych zbiorników wodnych ........ 52 7.4.2 Pojemność projektowanego zbiornika ................................................... 54

8 PODSUMOWANIE ............................................................................. 55

SPIS RYCIN ................................................................................................. 59

SPIS TABEL ................................................................................................ 60

5

1 Wstęp

Wraz z rozwojem cywilizacyjnym naturalne zasoby wyczerpują się lub pogar-

sza się ich jakość. Zmusza to osoby odpowiedzialne za zarządzanie nimi, do racjo-

nalnego gospodarowania. Do wspomnianych zasobów zaliczyć można nie tylko zło-

ża kopalin, ale również przestrzeń, wody powierzchniowe i podziemne oraz powie-

trze i przyrodę ożywioną. Lokalizacja inwestycji lub alokacja istniejących obiektów

w celu minimalizacji negatywnego wpływu na otoczenie lub maksymalizacji korzy-

ści, stanowi często poważny problem dla decydentów. Rozwiązanie tego problemu

można wesprzeć używając najnowszych rozwiązań geoinformacyjnych. Należy jed-

nak pamiętać, że żadne oprogramowanie nie wyeliminuje potrzeby obszernej wiedzy

eksperckiej dotyczącej konkretnego zadania do wykonania.

Systemy informacji przestrzennej ułatwiają rozwiązywanie problemów dotyczą-

cych przestrzeni, a wśród nich problemów lokacji/alokacji. Zostały opracowane me-

tody wspomagające podejmowanie decyzji w tej dziedzinie bazujące na danych ra-

strowych, jak np. MCE - Multi-Criteria Evaluation (Ocena wielokryterialna) lub na

danych wektorowych, jak np. Network GIS (analizy sieciowe) (Albrecht 2007).

Pierwsze polegają na sprowadzeniu czynników i ograniczeń, wpływających na

decyzję dotyczącą lokalizacji obiektu, do postaci map rastrowych. W wyniku ich

przetwarzania powstaje obraz zmiennej wartości określającej przydatność każdego

oczka rastra do realizacji danego celu. Metody te są szczególnie przydatne przy

znajdowaniu ściśle określonej powierzchni lub obszaru nie mniejszego niż określona

powierzchnia.

Analizy sieciowe wykorzystywane są, gdy zlokalizowanie lub alokacja obiektu

ma miejsce wzdłuż sieci, np. drogowej lub kolejowej. Używany jest często w mie-

ście, gdzie ważna jest odległość liczona po sieci, np. podczas wyszukiwania miejsca

usytuowania stacji pogotowia ratunkowego, do której musi być jak najszybszy do-

stęp z wielu miejsc w mieście.

Optymalna lokacja małych elektrowni wodnych na rzekach nizinnych polega na

znalezieniu miejsca, w którym po postawieniu piętrzenia powstanie zbiornik wodny

pozwalający na jak największą produkcję energii elektrycznej z uwzględnieniem jej

wpływu na środowisko oraz minimalizacji kosztów inwestycyjnych. Uwarunkowania

6

pozwalające na wstępny wybór potencjalnych miejsc dotyczą punktów na rzece, na-

tomiast ocena wpływu projektowanej elektrowni wodnej na środowisko w propono-

wanych miejscach wymaga zastosowania szeregu analiz komputerowych łączących

dane rastrowe i wektorowe. Z tego powodu prezentowana w niniejszej pracy autor-

ska koncepcja wyszukiwania lokalizacji pod budowę małych elektrowni wodnych na

rzekach nizinnych podzielona została na dwa etapy: wstępnej propozycji lokalizacji

oraz ich oceny pod kątem oddziaływania na środowisko.

1.1 Problem badawczy

Niniejsza praca ma na celu poznanie problemów związanych z lokalizacją ma-

łych elektrowni wodnych na rzekach nizinnych. Jak dotąd nie istnieje w Polsce me-

todologia geoinformacyjnego wyszukiwania nowych miejsc na cele hydroenergetyki.

W związku ze wzrastającym zapotrzebowaniem na energię oraz uzależnieniem

Polski od wyczerpywanego źródła energii w postaci węgla kamiennego Odnawialne

Źródła Energii (OZE) stają się słuszną alternatywą. Tym bardziej należy dołożyć sta-

rań, aby pozyskiwanie z nich energii elektrycznej było jak najmniej szkodliwe dla

środowiska.

Największy potencjał hydroenergetyczny w Polsce posiadają obszary nizinne.

Niestety tereny o niewielkich deniwelacjach terenu charakteryzują się koniecznością

budowy piętrzenia na rzece w celu podwyższenia efektywności energetycznej inwe-

stycji, co skutkuje powstaniem zbiornika wodnego zwiększającego negatywny

wpływ elektrowni na otoczenie. Źle przemyślane usytuowanie inwestycji może spo-

wodować negatywne skutki przyrodnicze i społeczne.

7

1.2 Cele i zadania badawcze

Celem niniejszej pracy jest stworzenie metodologii lokalizacji miejsc nadają-

cych się pod budowę małych elektrowni wodnych oraz metodologii oceny wpływu

na środowisko projektowanych przy elektrowni zbiorników.

Wybór wstępnych lokalizacji uzyskano poprzez eliminację miejsc nienadają-

cych się pod inwestycję oraz określenie miejsca i wysokości optymalnego piętrzenia.

Na tej podstawie wyliczona została produkcja energii elektrycznej będąca ważnym

kryterium decyzyjnym dla inwestora. Dla proponowanych elektrowni wyliczono

przepływy charakterystyczne, wyznaczono krzywe sum czasów trwania przepływów

i hydrogramy.

Ocena wpływu projektowanych inwestycji na środowisko polega na oszacowa-

niu powierzchni i objętości powstałego sztucznego zbiornika wodnego oraz stwier-

dzeniu, jak jego lokalizacja wpłynie na obszary zalane i znajdujące się w najbliż-

szym sąsiedztwie.

8

2 Dotychczasowe poglądy na lokalizację małych elektrowni wodnych

W okresie międzywojennym na terenie Polski około 6500 elektrowni wodnych

produkowało energię elektryczną (Hoffman, 1992). W kolejnych latach ich liczba

malała, w rezultacie czego obecnie sprawnych jest ok. 400 elektrowni o łącznej mo-

cy 40 MW. Wg Puchockiego (2008) w Polsce znajduje się wciąż ok. 650 obiektów

historycznych wykorzystywanych niegdyś do produkcji energii elektrycznej, które

po renowacji nadawałyby się do ponownego użytku.

Istniejące budowle hydrotechniczne, przy których zlokalizowane są elektrownie

wodne, w większości zostały wybudowane w pierwszej połowie XX wieku. Niewy-

korzystywane obiekty uległy zniszczeniu i przed powtórnym zagospodarowaniem

wymagają intensywnych prac remontowych.

Na początku XX wieku świadomość, jak ważna jest ochrona środowiska nie by-

ła rozpowszechniona. Jazy oraz zapory piętrzące wodę na cele energetyczne zostały

postawione bez analizy skutków, które mogą spowodować. Zaowocowało to poważ-

nymi zmianami w środowisku przyrodniczym, wśród których wymienić należy

(Bartel 2002):

zmiany fizyko-chemiczne rzeki w miejscu przegrodzenia,

pokrycie dna zbiornika rumoszem skalnym, mułem i piaskiem niszczące

miejsca tarliskowe niektórych ryb oraz powodujące wypłycanie zbiornika,

zmiany w składzie fauny i flory oraz utrudnienie migracji ichtiofauny,

osadzanie się zanieczyszczeń niesionych przez rzekę w zbiorniku retencyj-

nym,

zmiany ekosystemu wynikające z powstania zbiornika retencyjnego:

o zmiana zagospodarowania terenu,

o lokalne podtopienia.

9

2.1 Wyszukiwanie lokalizacji pod budowę małych elektrowni wod-

nych

Lokalizacja małych elektrowni wodnych opiera się obecnie na wyszukiwaniu

istniejących, często zniszczonych, obiektów hydrotechnicznych. Postępowanie takie

minimalizuje, z punktu widzenia Regionalnych Zarządów Gospodarki Wodnej, nega-

tywny wpływ inwestycji na środowisko. Jednocześnie obniżone zostają koszty zwią-

zane z postawieniem nowego piętrzenia oraz wybudowaniem budynku elektrowni.

Znalezienie istniejącej zapory na rzece nie jest niestety wystarczającym czynnikiem

decydującym o podjęciu inwestycji w tym miejscu.

W celu zlokalizowania nowego miejsca pod budowę elektrowni wodnej należy

uwzględnić czynniki przyrodnicze, społeczne, ekonomiczne oraz uwarunkowania

prawne. Jako optymalną lokalizację MEW (małej elektrowni wodnej) uznaje się in-

westycję zgodną z prawem lokalnym, powodującą minimalne negatywne skutki eko-

logiczne, maksymalne korzyści społeczne oraz jak największą ekonomiczną opłacal-

ność (Puchocki 2008).

UWARUNKOWANIA PRAWNE

Prawne uwarunkowania należy zweryfikować indywidualnie w przypadku każ-

dej lokalizacji poprzez analizę Miejscowych Planów Zagospodarowania Przestrzen-

nego, Planu Gospodarowania Wodami w Dorzeczu oraz konsultację w Regionalnym

Zarządzie Gospodarki Wodnej w celu uzyskania informacji na temat przepływu nie-

naruszalnego danej rzeki. Wykorzystanie wody na cele hydroenergetyki uznaje się

wg Prawa Wodnego (Dz. U. 2001 r. nr 115) za szczególny sposób korzystania z wód

i jako takie wymaga od inwestora uzyskania pozwolenia wodno-prawnego.

10

CZYNNIKI PRZYRODNICZE

Ograniczanie wpływu elektrowni wodnej na środowisko następuje poprzez inwe-

stowanie w ekologiczną technologię (np. przepławki) oraz poprzez wybór miejsca, w

którym, po postawieniu zapory, powstanie zbiornik retencyjny o jak najmniejszej

powierzchni i jak największej objętości. Ze względu na duże zmiany ekosystemu, nie

uzyskuje się zezwolenia na budowę piętrzenia w obrębie parków narodowych oraz

rezerwatów przyrody. Dozwolone jest budowanie na terenie obszarów NATURA

2000, jednak tylko w sytuacjach uzasadnionych ochroną przyrody lub z udokumen-

towanym brakiem negatywnego oddziaływania na gatunki i siedliska, z powodu któ-

rych został utworzony ten obszar (Kowalczyk 2009).

CZYNNIKI SPOŁECZNE

Małe elektrownie wodne na rzekach nizinnych generują korzyści dla społeczeń-

stwa. Produkcja energii elektrycznej z odnawialnego źródła energii jest istotna z

punktu widzenia bezpieczeństwa energetycznego państwa oraz polityki Unii Euro-

pejskiej. Zgodnie z Europejskim Pakietem Klimatyczno-Energetycznym z 2008 roku

15 % energii elektrycznej wytwarzanej w Polsce powinno pochodzić z OZE (odna-

wialnych źródeł energii). Poziom ten powinien osiągnięty najpóźniej do roku 2020,

tymczasem w 2010 roku odsetek energii elektrycznej z OZE wynosił 7,5%

(Observ'ER, 2010). Wynika z tego, że aby uniknąć kar, Polska musi w ciągu 10 lat

dwukrotnie zwiększyć udział OZE w generowaniu energii elektrycznej.

Jako inny pozytywny wpływ na społeczeństwo zaliczyć można funkcję rekre-

acyjną oraz przeciwpowodziową. Zbiornik retencyjny ma zdolność przechowywania

nadmiaru wody płynącej, która może zaszkodzić leżącym wzdłuż rzeki terenom za-

budowanym i obszarom rolniczym. Ustawienie elektrowni wodnych w kaskadzie

podwyższa bezpieczeństwo przeciwpowodziowe pozwalając w dużym stopniu regu-

lować przepływ w trakcie wezbrań wody.

CZYNNIKI EKONOMICZNE

Inwestycja w elektrownię wodną jest tym bardziej opłacalna, im więcej wytwa-

rza energii elektrycznej przy jak najmniejszym koszcie. Najdroższym jej elementem

11

jest zbudowanie zapory oraz budynku elektrowni wodnej. Z tego też powodu prefe-

rowane jest lokalizowanie MEW w miejscach istniejącej infrastruktury hydrotech-

nicznej, którą można wyremontować. Moc elektrowni jest w dużej mierze zależna od

zastosowanej technologii, jednak roczna produkcja energii elektrycznej zależy

przede wszystkim od czynników środowiskowych: różnicy poziomów wody powyżej

i poniżej piętrzenia oraz średniego rocznego przepływu wody.

2.2 Możliwości wykorzystania analiz geoinformacyjnych w lokalizacji

elektrowni wodnych

Systemy informacji geograficznej pozwalają efektywnie analizować duże obsza-

ry w poszukiwaniu miejsc spełniających wskazane kryteria. Wymienione w po-

przednim rozdziale kategorie czynników (prawne, przyrodnicze, społeczne i ekono-

miczne) można za pomocą specjalnego oprogramowania nie tylko zaprezentować w

postaci map, ale przede wszystkim wykorzystać do wstępnej selekcji atrakcyjnych

lokalizacji pod budowę nowych MEW. Próby wykorzystania systemów GIS do loka-

lizacji elektrowni wodnych były już podejmowane na świecie (Gissmalla Yonis A

1996; Felix J.2010; Carroll G. 2004).

Aspekty prawne, do których należą miejscowe plany zagospodarowania prze-

strzennego (MPZP), plany gospodarowania wodami w dorzeczach (PGW) oraz in-

formacje na temat rzek (w tym m.in. przepływu nienaruszalnego) powinny być ogól-

nie dostępne za pomocą serwisów mapowych. Procedura taka zwiększa dostęp do

ważnych dla inwestora informacji, a tym samym przyczynia się do podejmowania

racjonalniejszych decyzji względem środowiska.

Małe elektrownie wodne, zgodnie z rozporządzeniem Rady Ministrów z dnia

9 listopada 2010r. w sprawie przedsięwzięć mogących znacząco oddziaływać na śro-

dowisko (Dz. U. nr 213. poz. 1397), są kwalifikowane jako przedsięwzięcia mogące

znacząco oddziaływać na środowisko. Programy wykorzystujące geograficzne sys-

temy informacyjne (programy GIS) zarówno ułatwiają wykonanie odpowiednich

analiz, jak również pozwalają wykryć wcześniej niedostrzeżone skutki planowanych

działań. Oto kilka możliwych zastosowań analiz GIS wykorzystywanych w celu

określenia wpływu inwestycji na środowisko:

12

za pomocą modelowania wód podziemnych można określić wpływ nowego

zbiornika na ich głębokość zalegania dzięki czemu można poprawić stosunki

wodne.

Wykorzystanie cyfrowego modelu wysokościowego (DEM, ang. Digital

Elevation Model) pozwala na symulację nowego zbiornika przy postawieniu

zapory o zadanej wysokości i określenie jego charakterystyk (m.in. po-

wierzchni i objętości).

Wyznaczenie optymalnej trasy podłączenia nowej elektrowni wodnej do

Głównego Punktu Zasilającego lub innego odbiorcy energii elektrycznej,

nieprzecinającej cennych przyrodniczo obszarów.

Rozsądne zarządzanie gospodarką wodną i wydawanie zezwoleń na ingerencję

w naturalny przebieg rzeki są niezmiernie ważne z punktu widzenia Ramowej Dy-

rektywy Wodnej z dnia 23 października 2000r. W połowie marca 2012 roku Polska

otrzymała od komisarzy unijnych pierwsze formalne ostrzeżenie o niezgodności spo-

sobu utrzymywania polskich rzek z unijnym prawem środowiskowym i jeżeli sytu-

acja ta się nie zmieni, Polska będzie zmuszona płacić Unii Europejskiej stosowne

kary.

Organy administracji samorządowej niezmiernie rzadko wydają pozwolenie na

budowę zbiornika retencyjnego tylko i wyłącznie w celu produkcji energii elektrycz-

nej. Zbiornik wodny pełniący tylko taką funkcję stanowi niewystarczającą korzyść

dla społeczeństwa biorąc pod uwagę szkody jakie niesie niezbędne przekształcenie

środowiska przyrodniczego. Analizy geoinformacyjne pozwalają określić, czy na

obszarze zainteresowania występuje potrzeba związana z innymi funkcjami jakie

może pełnić zbiornik wodny. Poprzez symulację fali powodziowej można określić

stopień zagrożenia okolicznych terenów oraz wielkość zbiornika wodnego, który

mógłby ograniczyć szkody poprzez gromadzenie nadwyżki wody. Posiadając infor-

mację na temat lokalizacji zbiorników wodnych wykorzystywanych na cele rekre-

acyjne można stworzyć rastrową mapę odległości od nich, żeby określić, które mia-

sta są najbardziej odległe i czy postawienie nowego zbiornika wpłynęłoby na popra-

wę warunków życia społeczeństwa.

W celu wyliczenia opłacalności ekonomicznej inwestycji należy w pierwszej

kolejności określić roczną produkcję energii elektrycznej, a co za tym idzie, wyli-

13

czyć przepływ średni roczny w miejscach niemonitorowanych. Jedną z metod zale-

caną przez Europejskie Stowarzyszenie Małych Elektrowni Wodnych ESHA

(Hoffman, 1992) jest interpolacja przepływu ważona powierzchnią. Wykorzystanie

systemów geoinformacyjnych pozwala na zautomatyzowanie procedury i wyliczenie

wartości dla każdego miejsca wzdłuż rzeki (więcej w rozdziale 3.1.2. Interpolacja

średniego rocznego przepływu). Z drugiej strony, ekonomiczna efektywność zależy

od minimalizacji kosztów, do których można zaliczyć postawienie zapory oraz przy-

łączenie do sieci energetycznej. Analizy GIS pozwalają sprawnie wyznaczyć długość

zapory oraz odległość do Głównego Punktu Zasilającego (GPZ).

Geoinformacja usprawnia nie tylko obliczenia, ale również umożliwia prezenta-

cję wyników w formie map, wykresów i tabel. Dzięki obiektywnemu i czytelnemu

przedstawieniu oceny oddziaływania elektrowni na środowisko można ograniczyć jej

negatywny wpływ MEW oraz przyspieszyć inwestycję.

14

3 Elektrownie wodne i piętrzenia wody na Gwdzie

Elektrownie wodne na Gwdzie zostały wybudowane w pierwszej połowie XX

wieku. Powstały wówczas następujące obiekty (RZGW Poznań, 2012):

MEW Gołębiewo (100 km)

MEW Lubnica (94 km)

MEW Węgorzewo (91 km)

MEW w m. Łomczewo (85 km)

MEW Podgaje (71 km)

MEW Jastrowie (63 km)

MEW Ptusza (52 km)

MEW Tarnówka (49 km)

MEW Dobrzyca (32 km)

MEW Koszyce (25 km)

Jaz Byszki (6 km)

Z wymienionych powyżej Podgaje, Jastrowie, Ptusza, Dobrzyca oraz Koszyce

należą do spółki z o.o. Elektrownie Wodne. Tarnówka, należąca do grupy Warter

przy fabryce tektury jest w trakcie remontu od 2011 roku. Przy jazie Byszki również

od 2011 roku trwają prace remontowe realizowane przez firmę Wodel sp. z o.o. ma-

jące przystosować zaporę do generowania energii elektrycznej. W lutym 2012 roku

złożono wniosek o budowę elektrowni wodnej we wsi Plecemin na 40 km rzeki.

Elektrownie Gołębiewo, Lubnica, Węgorzewo i Łomczewo są własnością pry-

watną spółek cywilnych. Wywarzają niewielką moc przy niskim piętrzeniu, używaną

na potrzeby własne.

15

3.1 Czynne elektrownie

Największe elektrownie wodne na Gwdzie należą do sp. z o.o. Elektrownie

Wodne, zaś ich charakterystyki przedstawione zostały w Tabeli 1. Pozostałe elek-

trownie wykorzystywane są na cele prywatne gospodarstw rolnych i nie wykorzystu-

ją zbiorników wodnych na cele hydroenergetyki.

Tabela 1 Cechy elektrowni wodnych będących własnością sp. z o.o. Elek-

trownie Wodne

Podgaje Jastrowie Ptusza Dobrzyca Koszyce

Data wybu-

dowania 1929 1930 1932 1907 1937

Miejsce (ki-

lometr bie-

gu rzeki)

71 km 63 km 52 km 32 km 25 km

Spad 9,55 m 7,2 m 6,1 m 4,8 m 3,5 m

Rodzaj

elektrowni

szczytowa

(derywacyj-

na)

szczytowa

przepływowa

(zbiornik wy-

równawczy)

przepły-

wowa

przepły-

wowa

Powierzch-

nia zbiorni-

ka wodnego

116 ha 150 ha 200 ha 92 ha 46 ha

Objętość

zbiornika 3,8x10

6 m

3

6,20x106

m3

4x106 m

3

brak

danych

0,74x106

m3

Długość

zapory 520 m 450 m 300 m 230 m

brak da-

nych

Średnia

roczna pro-

dukcja

energii

6519 MWh 6177

MWh 4412 MWh 6370 MWh

5 500

MWh

16

3.2 Elektrownie wodne w trakcie realizacji

Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Poznaniu wg stanu z marca 2012 ro-

ku wskazuje dwie lokalizacje, które są w trakcie procesu inwestycyjnego: Jaz Byszki

oraz Tarnówka. W lutym 2012 roku został również złożony wniosek o zgodę na bu-

dowę małej elektrowni wodnej we wsi Plecemin w obszarze NATURA 2000 - Pusz-

cza nad Gwdą.

Jaz Byszki został wybudowany w pierwszej połowie XX wieku. Piętrzy wodę

na wysokość 1,75m i znajduje się na 6 kilometrze Gwdy. Budowla nie nadaje się do

wykorzystywania na cele hydroenergetyki, dlatego jest poddawana remontowi. Sza-

cowana produkcja energii elektrycznej według inwestora wyniesie 3066 kWh.

Tarnowski Młyn stanowi budowle hydrotechniczną piętrzącą wodę na 49 kilo-

metrze rzeki.

We wsi Plecemin planowana jest budowa małej elektrowni wodnej, w której

różnica poziomów wody górnej i dolnej ma wynosić 3,21m. Lokalizacja znajduje się

na terenie Puszczy nad Gwdą, ale jak twierdzi wykonawca z wykonanych ekspertyz

wynika, że inwestycja nie będzie oddziaływać na środowisko (Wieczorek, 2012).

Proponowany stopień wodny ma znajdować się na 40 kilometrze rzeki. Z posiadanej

dokumentacji wynika, że moc projektowanej elektrowni ma sięgać 457 kW.

17

4 Metody badań i źródła danych

W celu wybrania potencjalnych lokalizacji pod budowę małych elektrowni

wodnych wykorzystane zostały narzędzia geoinformacyjne w oprogramowaniu Arc-

GIS firmy ESRI. Dane hydrologiczne zebrane zostały w spójnym modelu danych

ArcHydro w postaci relacyjnej bazy danych.

Przeprowadzone komputerowe analizy przestrzenne wykonano na danych po-

chodzących z Mapy Podziału Hydrograficznego Polski w skali 1:50 000 oraz pomia-

rów przepływów dobowych z Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej z lat 1951

– 2009 dla wodowskazów Ptusza i Piła oraz lat 1971 – 2009 dla wodowskazu Gwda

Wielka. Cyfrowy model wysokościowy powstał z mapy wektorowej poziomu dru-

giego (Vmap level 2) w skali 1:50 000. Wszystkie dane zostały sprowadzone do

wspólnego układu współrzędnych PUWG 92.

Uzyskane wyniki zależą w dużej mierze od dokładności i wiarygodności posia-

danych danych przestrzennych, które warto wzbogacić o informację uzyskaną pod-

czas wizji lokalnej rozpatrywanych miejsc. Błędy w pierwszych etapach analiz prze-

strzennych zawsze ulegają zwiększeniu z kolejnymi wyliczeniami i przekształcenia-

mi, dlatego zaleca się szczególną uwagę podczas zbierania danych.

4.1 Przepływ

Pierwszy etap wyszukiwania lokalizacji pod budowę MEW w niniejszej pracy

polega na wyznaczeniu średnich rocznych przepływów na długości całego cieku. Jest

to niezbędne do wyliczenia wielkości produkowanej energii. W dalszej kolejności

należy ustalić, jaki procent przepływu najbliższego punktu wodowskazowego stano-

wi przepływ w proponowanych do budowy elektrowni wodnej niemonitorowanych

lokalizacjach. Na podstawie wiedzy o procentowym podobieństwie można przeli-

czyć wartości z monitorowanego punktu wg procentowego podobieństwa dla warto-

ści dobowych oraz wyznaczyć hydrogramy i krzywe sum czasów trwania przepły-

wów. Pozwalają one na etapie projektu wybrać odpowiednie wyposażenie elektrowni

18

(np. rodzaj turbin, przełyk instalowany czy generator). Poniżej przedstawiono przy-

kład przeliczania informacji o przepływie.

1. Średni roczny przepływ w punkcie wodowskazowym A wynosi 10 m3/s.

2. Średni roczny przepływ wyliczony w niemonitorowanym punkcie B

wynosi 9m3/s.

3. Przepływ w punkcie B wynosi 90% przepływu w punkcie A.

4. Znane wartości dobowego przepływu dla punktu A zostają przeliczone

wg zależności AB PP %90 ; PA – Przepływ dobowy w punkcie A, PB –

Przepływ dobowy w punkcie B.

4.1.1 Przygotowanie cyfrowego modelu terenu odwzorowującego spływ

powierzchniowy

Utworzenie cyfrowego modelu terenu na potrzeby analiz geomorfologicznych i

hydrologicznych obszarów nizinnych wymaga precyzyjnych wysokorozdzielczych

danych posiadających atrybuty wysokości bezwzględnej oraz danych reprezentują-

cych hydroinofrmację. Aby oddawał on precyzyjnie spływ powierzchniowy

uwzględniający istniejące wody powierzchniowe, niezbędne jest wykorzystanie w

procesie jego tworzenia danych wektorowych reprezentujących rzeki, jeziora, zlew-

nie cząstkowe oraz dział wodny głównego cieku. Dane te dostępne są w Mapie Po-

działu Hydrograficznego Polski, skąd zostały zaczerpnięte na potrzeby niniejszej

pracy.

Mapa wektorowa poziomu drugiego dysponuje danymi z atrybutem wysokości

bezwzględnej dla poziomic, punktów wysokościowych, oraz głębokości rzeki. Wały

oraz skarpy posiadają wyłącznie atrybut wysokości względnej. Do stworzenia mode-

lu terenu, nadającego się do rozpatrywania powierzchni i objętości projektowanych

zbiorników, wały mogą być reprezentowane przez wysokość względną, zostając do-

dane do modelu terenu jako wzniesienia za pomocą funkcji „Build Walls” (tłum.

„wybuduj ściany”). Aby skarpy zostały oddane w modelu terenu jako nagły spadek

wysokości o załomie górnym i dolnym, muszą być reprezentowane w postaci dwóch

19

linii wektorowych o podanych wysokościach bezwzględnych. Niezbędne okazało się

również użycie przed stworzeniem rastrowego modelu wysokościowego w formacie

GRID, modelu wysokościowego w postaci wektorowej TIN, który umożliwia wyko-

rzystanie tzw. twardych linii (hardlines). Pozwoliły one stworzyć gwałtowny spadek

wysokości zamiast łagodnych przejść pomiędzy liniami reprezentującymi górny i

dolny załom skarpy. W celu uzyskania poprawnego cyfrowego modelu terenu w po-

staci rastra (która to postać jest niezbędna do analiz projektowanych zbiorników re-

tencyjnych) przeprowadzono następującą procedurę:

1. ponieważ obszarem zainteresowania jest dolina rzeczna jako miejsce, w któ-

rym powstanie nowy zbiornik retencyjny, wybrano skarpy znajdujące się w

promieniu 600 metrów od Gwdy. Odległość tę wybrano ponieważ szerokość

dotychczasowych zbiorników retencyjnych nie przekraczała tej wartości.

2. Obiekty liniowe reprezentujące skarpy skopiowano na odległość 16 m bliżej

rzeki, ponieważ mają oddawać dolny załom skarpy. Wartość 16 m wybrano

jako większą od rozdzielczości rastra końcowego (15m). W ten sposób na-

gły spadek terenu będzie reprezentowany przez dwie wartości leżących obok

siebie oczek rastra. Gdyby odległość, na którą kopiowane są obiekty była

mniejsza, wysokość bezwzględna zostałaby uśredniona dla jednego oczka

rastra nie oddając rzeczywistego spadku terenu.

3. Załomom górnym (pierwotnym liniom reprezentującym skarpy) oraz zało-

mom dolnym (liniom skopiowanym) nadano wartości wysokości bez-

względnej na podstawie wartości linii reprezentujących poziomice.

4. Stworzono cyfrowy model wysokościowy w postaci wektorowej TIN wyko-

rzystując do niego dane wysokościowe wraz z nowo powstałymi skarpami,

informację o lokalizacji jezior oraz rzeki. Poziomicom nadano typ (SF Type

– surface type) softline (łagodna interpolacja pomiędzy liniami), skarpom –

hardline, punktom głębokościowym – masspoint, działowi wodnemu –

hardclip (cyfrowy model terenu nie zostanie wygenerowany poza dział

wodny), jeziorom – softvaluefill (wypełnienie poligonów reprezentujących

jeziora jedną wartością wysokości), zaś rzekom - softline.

20

5. Efekt punktu czwartego poddano konwersji do formatu rastrowego. Utworzo-

ny model terenu wzbogacono o informację dotyczącą wałów poprzez użycie

opcji „Build walls”.

W ten sposób przechodząc przez punkty 1-5 został utworzony model terenu

wykorzystany później podczas generowania zbiorników retencyjnych przy

proponowanej elektrowni wodnej. Punkty 6-7 procedury zostały wykonane

na potrzeby interpolacji przepływu na całej długości Gwdy pomiędzy wo-

dowskazami oraz ekstrapolacji wartości od źródła do pierwszego wodo-

wskazu, a także od ostatniego wodowskazu do ujścia rzeki.

6. Aby model terenu odzwierciedlał prawidłowo powierzchnie zlewni cząstko-

wych użyto tego samego narzędzia, co w przypadku wałów („Build walls”),

dodając granice zlewni cząstkowych z wykorzystaniem danych wektoro-

wych reprezentujących rzeki w opcji „Breach Line” (tłum. „linia wyłomu”).

Pozwoliło to zachować ciągłość sieci rzecznej, która nie zostanie przerwana

wyniesieniem reprezentującym granicę zlewni cząstkowych.

7. Na sam koniec wykorzystano narzędzie „Fill sinks” (tłum. „wypełnij zagłę-

bienia”), które wypełniło powstałe podczas generowania modelu terenu za-

głębienia bezodpływowe, wymuszając w ten sposób, spływ wody na całym

obszarze zlewni.

Różnicę pomiędzy modelem terenu nie uwzględniającym skarp i tym z wykorzysta-

nymi skarpami przedstawiono na Ryc. 1.

4.1.1 Interpolacja średniego rocznego przepływu

Istnieje kilka sposobów wyznaczania średniego rocznego przepływu w niemo-

nitorowanym punkcie, jednak większość wymaga, aby przeprowadzone zostały ba-

dania terenowe. Podejście to nie pozwala na automatyczne wyliczenie charakterysty-

ki przepływu na większym odcinku rzeki. Matematyczną metodą, którą można zasto-

sować w systemach GIS, a która pozwala na automatyzację obliczeń, jest interpola-

cja liniowa ważona powierzchnią.

W pierwszym etapie służącym interpolacji stworzono z cyfrowego modelu tere-

nu mapę rastrową odzwierciedlającą kierunek spływu powierzchniowego (służy do

21

tego narzędzie „Flow direction" – tłum. „kierunek spływu”). Aby oddawał lokaliza-

cje rzek zgodnie z rzeczywistością poprawiono uzyskany obraz za pomocą narzędzia

„Flow direction with streams” (tłum. „kierunek spływu z uwzględnieniem rzek”).

Narzędzie to jest szczególnie użyteczne na obszarach nizinnych, które charakteryzują

się dużą powierzchnią obszarów płaskich, na których wyznaczenie kierunku spływu

jest utrudnione. W wyniku jego działania oprócz mapy kierunku spływu powierzch-

niowego powstały również następujące dane wektorowe: linie drenażu („Drainage-

Line”) przebiegające przez środek każdego oczka rastra, przez które przepływa rzeka

oraz punkty węzłowe („HydroRiverPoints”) znajdujące się pośrodku każdego oczka

rastra przez który przebiega linia drenażu. Za pomocą opcji „select by location”

(tłum. „wybierz z uwzględnieniem lokalizacji”) wybrano te punkty, które znajdują

się w promieniu 30m od rzeki, na której chcemy zlokalizować małą elektrownię

wodną i zapisano je jako nowy plik „elektrownie_temp”. Dzięki tej procedurze stwo-

rzono obiekty punktowe, które w dalszym etapie pracy będą reprezentować rozwa-

żane lokalizacje elektrowni wodnych.

Na podstawie mapy kierunków spływu powierzchniowego stworzono z wyko-

rzystaniem narzędzia „Flow Accumulation” (tłum. „akumulacja spływu”) mapę

akumulacji spływu powierzchniowego. Generowana jest ona poprzez sumowanie z

ilu komórek woda spływa do każdej analizowanej komórki. Procedura ta jest zapre-

zentowana na Ryc. 2.

22

Ryc. 1 Porównanie cyfrowego modelu terenu powstałego bez uwzględnienia

skarp z cyfrowym modelem terenu uwzględniającym skarpy.

23

Ryc. 2 Procedura wyliczania “Flow Accumulation” źródło: “ArcGIS Help”

Punktom reprezentującym rozpatrywane lokalizacje pod budowę elektrowni

wodnych przypisano wartości z rastra flow accumulation („fac”) za pomocą narzę-

dzia „Extract value to points”. W efekcie zapisana zostaje w każdym punkcie wiel-

kość powierzchni, z jakiej spływa do niego woda, wyrażona ilością oczek rastra, jak

przedstawiono na Ryc. 3 Mapa spływu powierzchniowego „flow accumulation”

fragmentu rzeki Gwda.

24

Ryc. 3 Mapa spływu powierzchniowego „flow accumulation” fragmentu rzeki

Gwda.

Aby wyznaczyć wzór liniowej regresji potrzebny do interpolacji przepływów

niezbędne są informacje dotyczące jego wartości w miejscach pomiarowych oraz z

jakiej powierzchni spływa do nich woda – wartość uzyskana z rastra „flow accumu-

lation”.

25

Tabela 2 Średnie roczne przepływy w monitorowanych punktach

Nazwa wodowskazu Powierzchnia spływu powierzch-

niowego

[ilość komórek]

Średni roczny

przepływ [m3/s]

Gwda Wielka 471812 2,98

Ptusza 2219180 11,33

Piła 5075220 26,93

Ryc. 4 Zlewnie cząstkowe dla punktów wodowskazowych (opracowanie wła-

sne)

Z podanych w Tabeli 2 wartości można wyliczyć wzory liniowych regresji po-

między wodowskazami oraz wzory służące do ekstrapolacji przepływu powyżej i

poniżej miejsc monitorowanych. Poniżej przedstawiono wzory dla podanych odcin-

ków rzeki:

26

Od źródła Gwdy do punktu Gwda Wielka (Górny bieg rzeki):

x5796172053200.00000631 y

Od punktu Gwda Wielka do punktu Ptusza (Środkowy bieg rzeki 1):

84745450.72502303x8629393792480.00000478 y

Od punktu Ptusza do punktu Piła (Środkowy bieg rzeki 2):

66838660.77830961 -x7903664717590.00000546 y

Od punktu Piła do ujścia Gwdy (Dolny bieg rzeki):

x83049530701161800000.0 y

Odpowiednio dla „HydroRiverPoints” znajdujących się w wybranych zlewniach

cząstkowych (Ryc. 4) zostały zastosowane powyższe wzory, aby zamienić wartości

„flow accumulation” na realny przepływ w m3/s.

W celu późniejszego porównania metod interpolacji wykonano na potrzeby ni-

niejszej pracy mapę akumulacji spływu powierzchniowego ważonego powierzchnią

(FAC) i nachyleniem terenu (FAC_slope). Dla punktów „Źródło” oraz „Ujście” wy-

liczone wartości przepływu uzyskano z ekstrapolacji liniowej. Wyniki zaprezento-

wano w tabeli 3 .

Tabela 3 Porównanie wyników interpolacji liniowej średniego rocznego

przepływu na rzece Gwda

Źródło Gwda Wielka Ptusza Piła Ujście

FAC 134771 471812 2219180 5075220 5240700

Przepływ [m3/s] 0.8517011 2.9816712 11.3392265 26.9342515 27.812456

FAC_slope 351335 1081130 3920770 8972210 9330380

Przepływ [m3/s] 0.9689542 2.9816712 11.3392265 26.9342515 28.009465

27

4.2 Spadek rzeki

Wielkość produkcji energii elektrycznej zależy w dużej mierze od uzyskanego

spadu użytecznego, czyli wysokości pomiędzy zwierciadłem górnej wody, a zwier-

ciadłem dolnej wody. Na terenach nizinnych postawienie wysokiej zapory, czyli

uzyskanie wysokiego spadu, oznacza często stworzenie zbiornika wodnego o dużej

powierzchni, co wiąże się z większym oddziaływaniem inwestycji na środowisko.

Aby zminimalizować powierzchnię zbiornika należy przeanalizować ukształtowanie

terenu pod kątem naturalnych spadków. W tym celu na potrzeby niniejszej pracy po-

służono się modelem terenu stworzonym wcześniej do interpolacji przepływów, bez

zaznaczonych granic zlewni cząstkowych.

W pierwszym etapie podzielono linię drenażu utworzoną w wyniku działania

narzędzia „Flow direction with streams” na odcinki łączące dwa oczka rastra. Użyto

do tego następującą procedurę:

1. używając narzędzia „Select by location” wybrano odcinki DrainageLine,

które przecinają (ang. „intersect”) rzekę Gwda (warstwa uzyskana z Ma-

py Podziału Hydrograficznego Polski).

2. Zaznaczone obiekty wyeksportowano do nowego pliku poprzez „Export

Data”. W niniejszej pracy plik wynikowy zapisano pod nazwą „Slo-

pe_line_Temp”.

3. Poddając warstwę „Slope_line_Temp” edycji scalono wszystkie znajdu-

jące się w niej obiekty (opcja „Merge”).

4. Za pomocą narzędzia „Split line at vertices” (tłum. „podziel linię w punk-

tach węzłowych” podzielono linię na odcinki łączące dwa kolejne oczka

rastra.

Dla powstałej warstwy wektorowej użyto narzędzia „River Slope” (tłum. „spa-

dek rzeki”), zapisującego w tabeli atrybutów m.in. wysokość nad poziomem morza

odcinka w górę strumienia („ElevUp”) i w dół strumienia („ElevDS”). Na potrzeby

tej pracy dodano w tabeli pole „spadek”, w którym dla każdego rekordu wyliczono

różnicę wysokości pomiędzy „ElevUp”, a „ElevDS”. Poprzez wizualizację spadków

terenu w postaci kategorii o różnych wysokościach można wstępnie określić wiel-

kość cofki, jaka powstanie po wybudowaniu zapory.

28

4.3 Obliczanie produkcji energii elektrycznej

Produkcja energii elektrycznej z hydroenergetyki uwarunkowana jest mocno

przepływem oraz różnicą poziomów wody pomiędzy zwierciadłem wody górnej

(zbiornika retencyjnego), a zwierciadłem wody dolnej (poniżej piętrzenia). Precyzyj-

ne określenie energii oddawanej do sieci energetycznej nie jest możliwe na bazie

tych dwóch czynników ze względu na zróżnicowaną sprawność urządzeń generują-

cych energię elektryczną. Współczynnik układu generującego prąd, na którą składa

się sprawność turbiny, generatora, przekładni oraz transformatora szacuje się

pomiędzy 70% a 90% (Steller J., 2010). Dla celów projektowych stosuje się następu-

jący wzór do oszacowania produkcji energii elektrycznej (Steller J., 2010)

][876081,9 kWhshE

E - produkcja energii Elektrycznej

h - spad netto

s - przepływ średnioroczny

- ogólna wydajność elektrowni wodnej

Na podstawie wartości wyliczonych dla elektrowni o znanej produkcji energii,

określono średnią ogólną wydajność elektrowni na poziomie 75,4%. Ryc. 5Błąd!

Nie można odnaleźć źródła odwołania. prezentuje wartości produkcji energii elek-

trycznej podane przez Elektrownie Wodne sp. z o.o. wraz z wyliczonymi na podsta-

wie podanego wcześniej wzoru wartości.

29

Ryc. 5 Porównanie wartości podawanej produkcji energii elektrycznej z wyli-

czoną na podstawie interpolowanych przepływów.

Maksymalna wartość wyliczona została dla elektrowni Dobrzyca. Produkcja

energii elektrycznej została przeszacowana dla niej o 785 kWh, czyli o 12,32 %.

Najbardziej niedoszacowaną wartość uzyskano dla MEW Jastrowie, wyliczając war-

tość o 1072 kWh, czyli 17,36% mniejszą niż jest podawana.

Wyliczenia energii elektrycznej na podstawie spływu powierzchniowego ważo-

nego nachyleniem terenu dało wyniki gorsze niż bez jego uwzględniania. Maksy-

malne niedoszacowanie wyniosło 1158kWh, natomiast maksymalne przeszacowa-

nie - 1232kWh, co odpowiednio wynosiło 19,34% i 18,75% dla elektrowni Dobrzyca

i Jastrowie. Z tego względu do określania produkcji energii elektrycznej w propono-

wanych lokalizacjach pod budowę małych elektrowni wodnych użyto danych

z interpolacji liniowej ważonej wyłącznie powierzchnią.

30

4.4 Lokalizacja doliny Gwdy

Najbardziej efektywne elektrownie wodne występują przy budowlach piętrzą-

cych wodę. Postawienie zapory na rzece skutkuje powstaniem zbiornika retencyjne-

go, który w sposób znaczący oddziałuje na środowisko, jednocześnie jednak zwięk-

szając produkcję energii elektrycznej oraz zabezpieczając elektrownię przed gwał-

townymi zmianami w dostawie energii do sieci energetycznej.

Aby zminimalizować koszty inwestycyjne wynikające z budowy zapory, należy

postawić piętrzenie w miejscu, które jest jednocześnie wąskie i wysokie. Innymi

słowy należy zlokalizować dolinę rzeki. W tym celu zastosowano klasyfikację form

terenu Weiss’a (2001), która na podstawie indeksu pozycji topograficznej (TPI)

umożliwiła wyznaczenie doliny rzecznej na cyfrowym modelu wysokościowym.

Klasyfikacja form terenu Weisse’a wykorzystuje do obliczeń porównanie różnic

wysokości pomiędzy wysokością komórki analizowanej i średnią wartością komórek

z sąsiadującego obszaru. Obliczenia wykonywane są w dwóch sąsiedztwach – mniej-

szym i większym.

W niniejszej pracy zastosowano podczas klasyfikacji form terenu wartości em-

piryczne dla terenu nizinnego zaczerpnięte z pracy E. Stefańskiej (informacja ustna).

Dla mniejszego sąsiedztwa wykorzystano kwadrat o boku 3 komórek rastra, nato-

miast dla większego sąsiedztwa wykorzystano kwadrat o boku 63 komórek rastra. W

efekcie uzyskano obraz reprezentujący następujące formy ukształtowania terenu:

1. kanion lub głęboko wcięty strumień,

2. płytkie doliny,

3. tereny źródliskowe,

4. u-kształtne doliny,

5. równiny,

6. otwarte stoki,

7. górna część stoku lub płaskowyż,

8. lokalne grzbiety lub wzgórza w dolinach,

9. grzbiety o średnim nachyleniu terenu lub wzgórza na równinach,

10. szczyty gór.

31

W celu zawężenia obszaru zainteresowania i jednocześnie uzyskania infor-

macji o większej precyzji, dla obszaru doliny rzeki Gwdy (wybrany teren „Kanion

lub głęboko wcięty strumień”, „Płytkie doliny”, „U-kształtne doliny” przecinające

rzekę Gwdę) wygenerowano model terenu o dwukrotnie większej rozdzielczości po-

ziomej (15 metrów) oraz wyliczono ponownie mapę klasyfikacji form terenu za po-

mocą klasyfikacji Weiss’a dla wybranego obszaru. Efekt klasyfikacji został zapre-

zentowany na Ryc. 6. Klasyfikacja form terenu dla cyfrowych modeli terenu o

rozdzielczości 30 i 15 m

W wyniku zastosowania narzędzia klasyfikacji form terenu Weiss’a uzyskano

w pracy nie tylko informację na temat lokalizacji doliny rzecznej, ale również na te-

mat lokalizacji teras rzecznych. Wiedza ta umożliwia bardziej precyzyjny dobór wy-

sokości zapory ze świadomością, jak długą zaporę należy postawić oraz jak duży ob-

szar zostanie zalany.

32

Ryc. 6 Klasyfikacja form terenu dla cyfrowych modeli terenu o rozdzielczości

30 i 15 m

4.5 Ocena oddziaływania zbiornika retencyjnego

Jednym z ważnych elementów procesu podejmowania decyzji na temat lokali-

zacji elektrowni wodnych, jest ocena ich wpływu na środowisko przyrodnicze. Małe

Elektrownie Wodne oddziałują na otoczenie głównie poprzez zbiornik retencyjny.

Postawienie zapory na rzece powoduje spiętrzenie wody przed nią, a tym samym za-

lanie okolicznych terenów oraz możliwe podtopienia terenów rolniczych poprzez

33

podwyższenie poziomu wód gruntowych. Zbiornik retencyjny pełni również ważne

pozytywne funkcje, m.in. magazynując nadmiar wody, chroni miasta i wsie przed

powodzią.

Z tych powodów należy precyzyjnie określić, jak duży powierzchniowo i obję-

tościowo zbiornik powstanie. Wizualizacja projektowanego zbiornika pozwala rów-

nież określić, jakie tereny ulegną zalaniu i podjąć odpowiednie działania w celu mi-

nimalizacji szkód. Wykorzystując informację z istniejących map obszarów zagrożo-

nych podtopieniami stworzonych przez Państwowy Instytut Geologiczny można

szybko określić, czy poniżej projektowanego zbiornika wodnego istnieje realne za-

grożenie powodziowe, któremu można przeciwdziałać.

4.5.1 Symulacja obszarów zalanych przez postawienie zapory wodnej

Narzędzia GIS pozwalają niemal dowolnie przekształcać cyfrowy model terenu.

Narzędzie „Build walls” pozwala wywyższyć model terenu o zadaną przez użytkow-

nika wysokość w wybranych miejscach. Używając do tego danych wektorowych re-

prezentujących zaporę można przegrodzić rzekę wywyższając obiekt liniowy znajdu-

jący się w poprzek rzeki.

W celu stworzenia wyżej wymienionej zapory stworzono nowy plik wektorowy

przechowujący dane liniowe w układzie współrzędnych PUWG 92. Następnie po-

przez wektoryzację stworzono obiekt, reprezentujący zaporę na rzece. Na cyfrowym

modelu terenu użyto narzędzia „Build walls” w polu „internal walls” wybierając

stworzoną zaporę, natomiast w polu „height” podając wysokość projektowanej zapo-

ry. W wyniku tego działania powstał cyfrowy model terenu z rzeką przegrodzoną

zaporą.

W kolejnym etapie użyto narzędzia „Fill sinks”, wypełniającego zagłębienia

bezodpływowe. Ponieważ pierwszy cyfrowy model terenu przed postawieniem zapo-

ry nie posiadał zagłębień bezodpływowych, jedynym obszarem, który został wypeł-

niony jest obszar za piętrzeniem przegradzającym rzekę. Odejmując raster pierwsze-

go modelu terenu od drugiego powstał obraz rastrowy reprezentujący projektowany

zbiornik wodny wraz z informacją na temat jego głębokości w każdej komórce ra-

stra.

34

Obraz wynikowy poddano reklasyfikacji do postaci binarnej ustawiając jako

wartość 1 wszystkie wartości powyżej 0, zaś wartości 0 nadając wartość NoData.

Następnie dokonano konwersji binarnego pliku rastrowego do formatu wektorowego

– poligonalnego. Procedurę przedstawiono na Błąd! Nie można odnaleźć źródła

odwołania. . W wyniku jej działania powstał obiekt reprezentujący powierzchnię

projektowanego zbiornika wodnego (przykład na Ryc. 8).

35

Ryc. 7 Procedura generowania zbiorników wodnych za zaporą.

36

Ryc. 8 Porównanie rzeczywistego zbiornika wodnego z wygenerowanym na

podstawie cyfrowego modelu terenu.

37

5 Obszar badań

Obszarem badań niniejszej pracy jest dolina Gwdy. Rzeka ta jest prawobrzeż-

nym dopływem Noteci i posiada największe dorzecze ze wszystkich rzek Pojezierza

Południowopomorskiego (4 942,8 km2). Na obszarze dorzecza Gwdy znajduje się

przeszło 2200 jezior o łącznej powierzchni 123,6 km2 oraz 1567 km rzek.

Gwda ma źródła na wysokości 157 m n.p.m w potoku Bielska Struga nieopodal

wsi Biała, uchodzi natomiast na wysokości 48 m n.p.m. Jej łączną długość wynosi

147 km.

Jak wynika z danych z lat 1950 – 2009 (IMGW) rzeka ta ma następujące stany

charakterystyczne (w punkcie wodowskazowym Piła, do którego spływają wody z

powierzchni 4608 km2):

przepływ najwyższy: 111 m3/s (wartość z 11 czerwca 1970 roku)

przepływ średni: 26,934m3/s

przepływ najniższy: 9,72 m3/s (wartość z 15 listopada 1982 roku)

przepływ nienaruszalny: 6,684 m3/s

Potencjał energetyczny rzeki szacowany jest na 43 GWh/rok (Malicka, 2009).

Obecnie znajduje się przy rzece 10 elektrowni wodnych o łącznej produkcji ok. 30

GWh/rok. Kolejne dwie elektrownie wodne są w trakcie procesu inwestycyjnego, a

trzecia czeka na decyzję administracji na rozpoczęcie budowy.

W górnym biegu rzeka płynie w głębokiej dolinie sandrowej porośniętej borem

sosnowym. Następnie przepływa przez pięć jezior zaporowych powstałych przy ja-

zach lewarowych służących spiętrzeniu wody dla elektrowni wodnych. Ostatnim

etapem rzeki jest tzw. „przełom Gwdy”, z szybkim nurtem oraz licznymi bystrzami.

Obszar badań został wybrany ze względu na długą, dobrze udokumentowaną hi-

storię elektrowni wodnych, wyjątkowo intensywne wykorzystanie rzeki na cele hy-

droenergetyczne oraz niewykorzystywany potencjał energetyczny równy ok. 13

GWh/rok. Dzięki tym cechom możliwe było rozpoznanie charakterystyk istniejących

małych elektrowni wodnych oraz wskazanie lokalizacji podobnych inwestycji w nie-

zagospodarowanym obszarze rzeki.

38

5.1 Obszary chronione

Na terenie Dorzecza Gwdy znajduje się łącznie 25 obszarów NATURA2000,

jeden park krajobrazowy, jedna strefa chronionego krajobrazu i 24 rezerwaty przyro-

dy. Spośród wymienionych, fragmenty rzeki Gwda przecinają rezerwat przyrody Do-

lina Gwdy, strefę chronionego krajobrazu Pojezierza Wałeckiego i Doliny Gwdy

oraz 3 obszary NATURA 2000: Puszczę nad Gwdą, Ostoi Pilskiej oraz Jeziora

Szczecineckie.

Jeziora Szczecineckie znajdują się w źródliskowej części rzeki, która nie nadaje

się pod lokalizację elektrowni wodnych ze względu na średni przepływ roczny poni-

żej wartości przepływu nienaruszalnego. Puszcza nad Gwdą posiada status obszaru

wyznaczonego, natomiast Ostoja Pilska – obszaru proponowanego. Jako główne za-

grożenia dla nich podaje się m.in. meliorację obszaru, zanieczyszczenia i eutrofizację

wód, rozwój infrastruktury oraz rozbudowę sieci elektrowni wodnych (Instytut na

rzecz Ekorozwoju, 2011).

Rezerwat przyrody Dolina Gwdy został utworzony w 1998 roku i zajmuje

powierzchnię 428 ha. Obejmuje obszar rzeki oraz przylegające do niej tereny leśno-

bagienne. Został utworzony by chronić roślinność wodno-leśno-bagienną oraz

zniszczoną infrastrukturę urządzeń energetycznych regulujących gospodarkę wodną

w dolinie rzeki.

Obszar chronionego krajobrazu Pojezierza Wałeckiego i Doliny Gwdy został

utworzony w 1998 roku obejmując powierzchnię 35 535 ha. Na jego terenie nie ma

prawnego zakazu budowania elektrowni wodnych.

39

6 Procedura wyszukiwania lokalizacji pod budowę małych elektrow-

ni wodnych

Hydroenergetyka uważana jest za jeden z najbardziej przyjaznych środowisku

sposobów pozyskiwania energii elektrycznej (Warać K., 2010). Nie wiąże się ze spa-

laniem, w związku z czym nie powoduje emisji szkodliwych substancji. Mimo to

każda elektrownia wodna jest ingerencją w środowisko m.in. z powodu budowy

obiektu hydrotechnicznego oraz zmianę ekologii wód. Przegrodzenie rzeki wpływa

znacząco na zmiany fizyko-chemiczne wód oraz faunę i florę zasiedlającą ten eko-

system.

Do zalecanych przez Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Krakowie loka-

lizacji należą miejsca (RZGW, 2010):

na rzekach o dużych spadkach podłużnych i wysokich wartościach przepły-

wów,

na odcinkach rzek o możliwie trwałych, zwartych korytach w nurcie położo-

nym w osi koryta, co jest korzystne ze względu na transport rumowiska i mi-

nimalizuje wpływ inwestycji na istniejącą strukturę morfologiczną koryta

oraz na erozję w strefie brzegowej,

w strefie meandru rzecznego – na wklęsłych łukach ze względu na dobry na-

pływ wody do elektrowni,

na obszarach słabo zagospodarowanych,

na obszarach o przeciętnej wartości przyrodniczej,

w kaskadzie z istniejącymi elektrowniami wodnymi.

W celu wyszukania lokalizacji pod budowę elektrowni wodnych należy podjąć

decyzję, które ograniczenia i czynniki, mające znaczący wpływ na wstępne określe-

nie potencjalnych miejsc, należy wybrać i uwzględnić w procesie decyzyjnym.

40

6.1 Eliminacja miejsc nienadających się do budowy elektrowni wod-

nych (ograniczenia dla lokalizacji małych elektrowni wodnych)

Przepisy polskiego prawa stanowią, że dowolne korzystanie z wód nie może na-

ruszyć ustalonej wartości przepływu nienaruszalnego. Dla rzeki Gwda wartość ta

wynosi 6.684 m3/s. W praktyce oznacza to, że elektrownie wodne nie mogą powstać

na Gwdzie aż do ujścia rzeki Czernica, gdzie dopiero średni roczny przepływ prze-

kracza wartość przepływu nienaruszalnego. Z tego względu wyeliminowano wszyst-

kie lokalizacje powyżej tego miejsca.

Wyeliminowano również miejsca, które znajdują się na obszarach istniejących

zbiorników wodnych przy działających elektrowniach wodnych. Postawienie nowej

zapory w takim miejscu ingeruje w efektywność istniejących obiektów hydroenerge-

tyki.

Ponieważ jako szczególne zagrożenie dla obszarów NATURA 2000 na bada-

nym terenie uznano eutrofizację rzeki oraz rozwój hydroenergetyki, zostały one po-

traktowane jako obszary nienadające się pod lokalizację nowych budowli piętrzą-

cych wodę.

Zbiorniki wodne nie mogą powstawać na terenie istniejących miast i wsi ze

względów bezpieczeństwa. Gwda przepływa przez następujące miejscowości: Płyt-

nicę, Tarnówkę, Piłę oraz Ujście. Tereny zabudowane zostały uznane za nie nadające

się do zlokalizowania nowych elektrowni wodnych.

6.2 Wyznaczenie lokalizacji nadających się do budowy zapory wodnej

Po usunięciu wspomnianych w rozdziale 6.1 obszarów z analizy lokalizacyjnej

pozostały 2 regiony dostatecznie duże, by nadawały się pod budowę małych elek-

trowni wodnych. Pierwszy z nich obejmuje rzekę na długości ok. 6 km. Różnica wy-

sokości na profilu podłużnym wynosi 4,20 m. Drugi natomiast rozciąga się na długo-

ści ok. 11,5 km, na której różnica wysokości wynosi 5,5m.

Proponowane obszary lokalizacji przedstawiono na Ryc. 9 i Ryc. 10.

41

Ryc. 9 Pierwszy obszar możliwej lokalizacji małej elektrowni wodnej.

Ryc. 10 Drugi obszar możliwej lokalizacji małej elektrowni wodnej.

Propozycja postawienia zapory na rzece wynika ze wcześniej utworzonej klasy-

fikacji form terenów metodą Weiss’a. Wyszukano najwęższe miejsca w dolinie Gw-

42

dy oraz na podstawie ich przekrojów i różnicy wysokości pomiędzy zaporą i końcem

zbiornika retencyjnego określono długość i wysokość piętrzenia. Propozycje lokali-

zacji przedstawiono na Ryc. 11 i Ryc. 12

Ryc. 11 Propozycja lokalizacji zapory wodnej w pierwszym wybranym obsza-

rze.

43

Ryc. 12 Propozycja lokalizacji zapory wodnej w drugim wybranym obszarze.

44

7 Wykorzystanie narzędzi GIS do oceny wybranej lokalizacji małych

elektrowni wodnych

Jak wykazano wcześniej narzędzia GIS pozwalają ocenić wybrane lokalizację

pod kątem ich efektywności oraz oddziaływania na środowisko. Rzeka Gwda jest

obecnie jedną z bardziej wykorzystywanych na cele energetyczne rzek, dlatego udało

się, w wyniku eliminacji miejsc niesprzyjających inwestycji hydroenergetyce, wska-

zać tylko dwa obszary, w których postawienie elektrowni jest jeszcze potencjalnie

możliwe.

Aby wspomóc proces decyzyjny dotyczący usytuowania w tych miejscach

MEW określono przepływy charakterystyczne w przekroju proponowanej zapory

wodnej, scharakteryzowano piętrzenie oraz produkcję energii elektrycznej, jak rów-

nież określono zasięg oddziaływania zbiornika retencyjnego.

7.1 Charakterystyka przepływów

Z punktu widzenia lokalizacji małej elektrowni wodnej, określenie charaktery-

stycznych stanów wody dla rozważanego miejsca ma kluczowe znaczenie. Zależy od

nich opłacalność ekonomiczna w pierwszej kolejności, a następnie również technicz-

ne wyposażenie inwestycji.

Pierwsza lokalizacja pod budowę małej elektrowni wodnej znajduje się na 84

kilometrze rzeki. Wyliczony przepływ w tym miejscu wynosi 10,28 m3/s. Najbliższy

wodowskaz znajduje się w miejscowości Ptusza wskazując średni roczny przepływ

na poziomie 11,33 m3/s. Z tego powodu na potrzeby wyznaczenia charakterystycz-

nych przepływów posłużono się porównaniem procentowym z wartościami uzyska-

nymi empirycznie w miejscu tego właśnie wodowskazu. Wartości w proponowanym

miejscu stanowią 90,66% wartości przepływu monitorowanego w Ptuszy.

Druga lokalizacja znajduje się na 8 kilometrze rzeki. W tym miejscu wyliczony

średni roczny przepływ wynosi 27,70 m3/s, co w porównaniu z najbliższym wodo-

wskazem w Pile (26,93m3/s) stanowi 102,9% monitorowanego przepływu.

45

W wyniku przeliczenia pomiarów z lat 1951 – 2009 powstał zbiór danych doty-

czących analizowanej lokalizacji.

7.1.1 Przepływy charakterystyczne

Z punktu widzenia potrzeb hydrotechniki najczęściej operuje się następującymi

przepływami charakterystycznymi z wielolecia:

przepływem najwyższym z najwyższych obserwowanych (WWQ), traktowa-

nym jako maksymalny przepływ w okresie monitorowania,

przepływem średnim z najwyższych (SWQ), będącym średnią arytmetyczną

najwyższych rocznych wartości z wielolecia,

przepływem średnim ze średnich (SSQ), wyliczanym na podstawie średniej

arytmetycznej ze średnich rocznych wartości przepływów,

średnim z najniższych (SNQ), czyli średnią arytmetyczną najniższych rocz-

nych przepływów z wielolecia,

najniższym z najniższych (NNQ), będącym najniższą wartością przepływu z

wielolecia,

ekstremalnym o określonym procencie prawdopodobieństwa pojawienia się ,

nienaruszalnym (Qn), czyli minimalnym przepływie wody, który nie może

zostać zmniejszony w skutek działalności gospodarczej. Ma on zapewniać

ochronę środowiska przyrodniczego, oczekiwania społeczne związaną z eks-

ploatacją wód (używaniem powszechnym wód) oraz życiem biologicznym

rzek. Dla Gwdy został on wyznaczony na poziomie 6,684m3/s, natomiast dla

potrzeb projektowych w rzekach o niewyznaczonej wartości, przyjmuje się

w obliczeniach wzór: SNQKQn , za współczynnik K przyjmując wartość

między 0,5-1,5, niższą wartość biorąc do obliczeń w przypadku dużych rzek

nizinnych, wyższą - górskich.

O określonym czasie trwania wyliczanym na podstawie krzywych sum czasu

trwania przepływów.

46

Dla analizowanych miejsc przepływy charakterystyczne przedstawiono w Tabe-

la 4. Współczynnik K wyliczono na podstawie wzoru: SNQQnK / . Gdyby przy

wyznaczaniu przepływu nienaruszalnego zgodnie ze wzorem projektowym przyjąć

dla Gwdy współczynnik K = 1.2, przepływ nienaruszalny wynosiłby w punkcie loka-

lizacji pierwszej elektrowni: 5,63 m3/s, a w drugim punkcie: 17,37m

3/s.

Tabela 4 Przepływy charakterystyczne dla wybranych lokalizacji pod budowę

MEW

MEW 1 MEW 2

SSQ 10.28 27.70

WWQ 45.33 114.21

SWQ 23.44 56.15

NNQ 2.69 10

SNQ 4.51 13.9

Qn 6.684 6.684

K 1.48204 0.480863

47

7.1.2 Hydrogramy

Istnieją dwa powszechnie używane sposoby dotyczące prezentacji wielkości

przepływów, które są wykorzystywane w hydroenergetyce. Pierwszym z nich są hy-

drogramy. Polegają one na przedstawieniu na wykresie danych pomiarowych w po-

rządku chronologicznym. System taki pozwala zaplanować pracę elektrowni, aby

optymalnie wykorzystywać energię gromadzonej wody w okresie nadwyżki i niedo-

boru wody.

Dla obu punktów proponowanych elektrowni wodnych przedstawiono hydro-

gramy z dwóch lat, w których wystąpił przepływ maksymalny i minimalny z okresu

1951 – 2009 r. Dla MEW 1 były to lata 1959 (NNQ) i 1970 (WWQ), zaś dla MEW2:

1984 (NNQ) oraz 1970 (WWQ). Ryc. 13 i Ryc. 14 prezentują zmienność chronolo-

giczną natężenia przepływów.

Ryc. 13 Natężenie przepływu w proponowanym miejscu postawienia pierwszej elek-

trowni wodnej

48

Ryc. 14 Natężenie przepływu w proponowanym miejscu postawienia drugiej elek-

trowni wodnej

49

7.1.3 Krzywe sum czasu trwania przepływów

Drugim sposobem prezentacji natężenia przepływu jest tzw. krzywa sum czasu

trwania przepływów. Służy ona do określenia, przez jak długi względny czas w roku

będzie można odnotować przepływ powyżej określonej wartości. Wiedza ta pozwala

dobrać odpowiednio wyposażenie elektrowni wodnej.

Krzywe sum czasu trwania przepływów wykreśla się podobnie do hydrogra-

mów, wcześniej jednak porządkując je wg wielkości przepływu. Na Ryc. 15 i Ryc.

16 przedstawiono opracowane wykresy dla proponowanych lokalizacji.

Ryc. 15 Krzywe sum czasu trwania przepływów dla pierwszej propozycji lo-

kalizacji elektrowni wodnej z lat 1959,1970

50

Ryc. 16 Krzywe sum czasu trwania przepływów dla drugiej propozycji lokali-

zacji elektrowni wodnej z lat 1984 i 1970

7.2 Charakterystyka piętrzeń

Wybór miejsca do wybudowania piętrzenia wody podyktowany jest dwoma

czynnikami. Po pierwsze długością piętrzenia, a po drugie jego wysokością. Im wyż-

sza zapora, tym większa różnica pomiędzy poziomem wody górnej oraz dolnej, a w

konsekwencji większa moc elektrowni i produkcja energii elektrycznej.

Na podstawie klasyfikacji form terenu metodą Weiss’a określono najwęższe

miejsca w dolinie rzecznej. Przekrój poprzeczny w wybranych lokalizacjach prezen-

tują Ryc. 17 i Ryc. 18. Dla obu lokalizacji zaproponowano wybudowanie zapory w

miejscach wąskich i wysokich znajdujących się w dolnym biegu rzeki analizowane-

go obszaru, aby powstały zbiornik był jak najdłuższy.

W miejscu wyznaczonym pod wybudowanie pierwszej elektrowni wodnej po-

stawiono piętrzenie o wysokości 4,2m i długości 158m. Dla drugiej elektrowni wod-

nej postawiono zaporę wysoką na 3,5 m i długą na 110 m.

51

Przekrój poprzeczny

Źródło: Opracowanie własne

250200150100500

113

112

111

110

109

108

107

106

105

Ryc. 17 Przekrój poprzeczny w miejscu postawienia zapory dla MEW1

Przekrój poprzeczny

Źródło: opracowanie własne

100806040200

53

52.5

52

51.5

51

50.5

50

Ryc. 18 Przekrój poprzeczny w miejscu postawienia zapory dla MEW2

7.3 Szacowanie produkcji energii elektrycznej

Pierwsza lokalizacja małej elektrowni wodnej znajduje się w miejscu, gdzie

średni roczny przepływ wynosi 10,28 m3/s. Przy spiętrzeniu wody na wysokość 4,2m

roczna produkcja energii elektrycznej wynosić będzie 2,8GWh +/- 0,5GWh. Druga

elektrownia wodna produkować będzie energię elektryczną przy spadzie 3,5 m i

przepływie 27,70m3/s. Według wyliczeń, uwzględniających tak jak w przypadku

pierwszej MEW 75,4% wydajność urządzeń hydrotechnicznych, produkować ona

będzie 6,3GWh +/- 1,1GWh.

Aby wykorzystać wyprodukowaną energię elektryczną, można podłączyć elek-

trownię wodną do gospodarstwa domowego, albo do sieci krajowej. W tym drugim

przypadku wymagane jest podłączenie do Głównego Punktu Zasilającego (GPZ).

52

Pierwsza lokalizacja znajduje się w odległości ok. 5 kilometrów od najbliższego

GPZ, natomiast druga zaledwie 1,5 kilometra; wynika to z bliskiej odległości do du-

żego miasta jakim jest Piła.

7.4 Ocena oddziaływania zbiornika na środowisko

Małe elektrownie wodne wg ustawy z 3 października 2008r. o udostępnianiu in-

formacji o środowisku i jego ochronie, udziale społeczeństwa w ochronie środowiska

oraz o ocenach oddziaływania na środowisko należą do obiektów, które mogą poten-

cjalnie oddziaływać na środowisko. Ich wpływ dotyczy m.in. zmian fizykochemicz-

nych właściwości wód, w tym ich eutrofizacji, zmian gatunkowych fauny rzecznej

oraz zmian stosunków wodnych w obrębie zbiornika i jego najbliższego otoczenia.

Im mniejszy zbiornik retencyjny, tym mniejsze jego oddziaływanie na otocze-

nie. Z drugiej strony im większa jego objętość, tym lepiej zabezpiecza on leżące po-

niżej piętrzenia miasta przed powodzią oraz zapewnia małe wahania w produkcji

energii elektrycznej. Z tych powodów w niniejszej pracy ograniczono się do analizy

tych dwóch charakterystyk proponowanych zbiorników – powierzchni i objętości.

7.4.1 Zasięg oddziaływania proponowanych zbiorników wodnych

Zbiorniki utworzone w wyniku komputerowej analizy zajmują odpowiednio

45,8 ha (w pierwszym obszarze) i 104 ha (w drugim obszarze). Oba znajdują się na

obszarach leśnych i rolniczych, ale w pierwszym przypadku więcej wody pokryje

tereny leśne, natomiast w drugim – tereny rolnicze, co prezentują Ryc. 19 i Ryc. 20.

Druga propozycja zbiornika wodnego znajduje się w bliskiej odległości od miej-

scowości Piła (200 m od najbliższych terenów zabudowanych) i Leszków (70 m od

najbliższych terenów zabudowanych) mogąc powodować podniesienie poziomu wód

gruntowych na terenach zabudowanych i zwiększenie ryzyka powodziowego. Ponad-

to swym zasięgiem obejmuje również dwa mosty na rzece Gwda.

53

Ryc. 19 Zasięg oddziaływania proponowanego zbiornika 1.

Ryc. 20 Zasięg oddziaływania proponowanego zbiornika 2.

54

7.4.2 Pojemność projektowanego zbiornika

Projektowane zbiorniki wodne są w stanie pomieścić 6,5*105

m3/s (pierwsza lo-

kalizacja) i 13*105

m3/s (druga lokalizacja) wody. Oznacza to, że przy średnim rocz-

nym przepływie (po odjęciu przepływu nienaruszalnego) na zapełnienie ich potrzeba

odpowiednio 52 godzin (~2 dni) dla mniejszego i 155 godzin (~6,5 dnia) dla więk-

szego nieprzerwanego dopływu wody.

Duża objętość zbiorników zwiększa bezpieczeństwo przeciwpowodziowe.

Pierwszy obszar znajduje się wg map utworzonych przez Państwowy Instytut Geolo-

giczny poza strefą zagrożoną podtopieniami, natomiast drugi całkowicie zawiera się

w niej. Ryzyko związane z powodzią nie wynika jednak z fali na rzece Gwda, lecz z

nadmiaru wody płynącej Notecią. Istnieje realna możliwość podniesienia się pozio-

mu wody aż do miejscowości Dobrzyca. Różnica wysokości od tej miejscowości do

ujścia Gwdy wynosi 10m. Sytuacja została przedstawiona na Ryc. 21.

Ryc. 21 Strefa zagrożenia powodziowego w rejonie Piły. Źró-

dło: www.geoportal.gov.pl

55

8 Podsumowanie

W wyniku intensywnego eksploatowania nieodnawialnych źródeł energii istnieje

silna potrzeba korzystania z odnawialnych źródeł energii, takich jak małe elektrow-

nie wodne. Nie należy jednak zapominać, że pojęcie „odnawialne” nie jest równo-

znaczne z „ekologiczne”. Równocześnie trzeba pamiętać, że lokalizacja miejsc do

budowy elektrowni wodnych nie może być podyktowana wyłącznie czynnikami

przyrodniczymi.

Władza administracyjna zezwala na budowę piętrzeń tylko w przypadkach, gdy

decyzja ta jest podyktowana względami bezpieczeństwa lub społecznymi, w związku

z czym warto wykorzystywać narzędzia GIS do przekonywania urzędów administra-

cji publicznej, o znaczeniu piętrzenia na rzekach, na których występuje wysokie ry-

zyko powodziowe, by następnie lokalizować przy nowopowstałych piętrzeniach

elektrownie wodne.

Celem niniejszej pracy było wypracowanie metody wstępnej lokalizacji możli-

wych do wykorzystania na cele hydroenergetyki obszarów oraz ich oceny pod

względem ekologicznym i ekonomicznym. Analizy geoinformacyjne usprawniają ten

proces czyniąc go bardziej obiektywnym i skutecznym. W wyniku zastosowanej me-

tody wskazano dwa obszary potencjalnie nadające się pod inwestycję w hydroener-

getykę. Obszar pierwszy o niższej produkcji energii elektrycznej jednak mający

mniejszy negatywny wpływ na otoczenie oraz drugi produkujący znacznie więcej

energii, jednak mogący stanowić zagrożenie dla leżących w pobliżu miejscowości

oraz dla cennych obszarów chronionej przyrody.

Już od dawna istnieją specjalistyczne programy wykorzystujące systemy infor-

macji geograficznej dedykowane energetyce wodnej. Do najpopularniejszych należą

RetScreen (Kanadyjski) oraz Vapidro-Aste (Włoski) (Alterach 2011). Pierwszy to

płatne oprogramowanie, natomiast drugi został stworzony przez Ricerca Sistemo

Energetico w ramach projektu Unii Europejskiej i z tego powodu jest powszechnie

udostępniany za darmo. Poważnym ograniczeniem Vapidro-Aste jest niestety jego

dostosowanie do potrzeb energetyki wysokospadowej i brak pełnej kontroli nad wy-

konywanymi analizami, co czyni go nieskutecznym w Polsce, gdzie największy po-

tencjał hydroenergetyczny jest na rzekach nizinnych.

56

Przedstawiona w niniejszej pracy metoda wyszukiwania lokalizacji i ich oceny

stanowi zatem cenne uzupełnienie istniejącej metodyki w tym zakresie. Mimo, że

została wykonana na płatnym oprogramowaniu firmy ESRI, jest możliwa do zaim-

plementowania również z wykorzystaniem programów „OpenSource”. Zatem, dzięki

niskim kosztom może być opłacalna jest nie tylko dla inwestorów dysponujących

prywatnym kapitałem, ale również dla jednostek administracji samorządowej opiniu-

jących projekty i wydających zezwolenia na rozpoczęcie budowy.

57

9 Bibliografia

Albrecht J., 2007. Key concepts & techniques in GIS. SAGE Publications, Londyn

Alterach J., Elli A., 2011. Customized tools (software) for the identification and

evaluation of potential sites for SHP implementation. European Union report –

common strategies to improve SHP implementation

Bartel R., 2002. Przegradzanie rzek i możliwości zachowania drożności rzek. Instytut

Rybactwa Śródlądowego - Pracownia Rybactwa Rzecznego.

Carroll G., Reeves K., Lee R., Cherry S., 2004. Evaluation of Potential Hydropower

Sites Throughout the United States. 2004 ESRI User Conference, San Diego

Engel J. i Jelonek M., 2010. Środowiskowe kryteria lokalizowania MEW. Fundacja

Greenmind, Instytut Ochrony Przyrody PAN.

Felix J., Dubas A., 2010. Use of GIS to identify potential sites for small hydroelec-

tric plant: general concepts and example of application. HydroGIS 96: Applica-

tion of Geographic Information Systems in Hydrology and Water Resources

Management (Vienna Conference, April 1996)

Gissmalla Yonis A., Bruen M., 1996. Use of a GIS in reconnaissance studiem for

small-scale hydropower development In a developing country: a case study from

Tanzania;

Geoportal, 2012. Online 2011-2012 - http://www.geoportal.gov.pl/

Hoffman, M., 1992. Poradnik M.E.W. wydawnictwo Nabba, Warszawa.

Katalog obszarów NATURA 2000. Instytut na rzecz Ekorozwoju.

http://obszary.natura2000.org.pl/

Kondracki J., 2009 Geografia regionalna Polski. Wydawnictwo Naukowe PWN,

Warszawa

Kowalczyk P., Nieznański P., Stańko R., Mas F. M., Sanz M. B., 2009. Natura 2000

a gospodarka wodna. Ministerstwo Środowiska, Warszawa.

Malicka E., 2009. Energia wód powierzchniowych. Towarzystwo Rozwoju Małych

Elektrowni wodnych, Warszawa.

Observ'ER. 2010. The state of renewable energies in Europe. Observ'ER, Paryż.

Pathak M. 2009. Application ofGIS and Remote Sensing for Hydropower

Development in Nepal. Hydro Nepal, Nepal

Przybyła C., 2007. Przegląd zasobów odnawialnych źródeł energii w województwie

Wielkopolskim. Poznań.

Puchocki B., 2008. Rola małych elektrowni wodnych w środowisku przyrodniczym,

gospodarczym i społecznym Polski. Towarzystwo Rozwoju Małych Elektrowni

Wodnych, Warszawa.

RZGW Kraków 2010. Kryteria opiniowania przedsięwzięć w zakresie małej

energetyki wodnej. RZGW, Kraków.

RZGW Poznań, 2012. Zestawienie lokalizacji MEW na rzekach administrowanych

przez RZGW Poznań wg stanu zaawansowania prac na dzień 06.03.2012 r.

RZGW. Online 4.04.2012r. -

http://mew.rzgwpoznan.eu/pliki/stan_zaawansowania.pdf

Steller J., 2010. Jak zbudować małą elektrownie wodną? Przewodnik inwestora.

ESHA - Europejskie Stowarzyszenie Małej Energetyki Wodnej, Warszawa.

Warać K., 2010. Elektrownie wodne - Ich funkcjonowanie i oddziaływanie na

najbliższe środowisko. Słupsk.

58

Wieczorek J., 2012. Wniosek o wydanie decyzji o środowiskowych uwarunkowaniach

zgody na realizację przedsięwzięcia polegającego na budowie stopnia wodnego

Plecemin na rzece Gwda (KM 40+400) wraz z instalacją turbin Archimedesa.

Tarnówka

59

Spis rycin

Ryc. 1 Porównanie cyfrowego modelu terenu powstałego bez uwzględnienia

skarp z cyfrowym modelem terenu uwzględniającym skarpy. ...................... 22 Ryc. 2 Procedura wyliczania “Flow Accumulation” źródło: “ArcGIS Help” 23 Ryc. 3 Mapa spływu powierzchniowego „flow accumulation” fragmentu

rzeki Gwda. .................................................................................................... 24 Ryc. 4 Zlewnie cząstkowe dla punktów wodowskazowych (opracowanie

własne) ........................................................................................................... 25 Ryc. 5 Porównanie wartości podawanej produkcji energii elektrycznej z

wyliczoną na podstawie interpolowanych przepływów. ................................ 29 Ryc. 6 Klasyfikacja form terenu dla cyfrowych modeli terenu o

rozdzielczości 30 i 15 m................................................................................. 32 Ryc. 7 Procedura generowania zbiorników wodnych za zaporą. .................. 35 Ryc. 8 Porównanie rzeczywistego zbiornika wodnego z wygenerowanym na

podstawie cyfrowego modelu terenu. ............................................................ 36 Ryc. 9 Pierwszy obszar możliwej lokalizacji małej elektrowni wodnej. ....... 41 Ryc. 10 Drugi obszar możliwej lokalizacji małej elektrowni wodnej. .......... 41 Ryc. 11 Propozycja lokalizacji zapory wodnej w pierwszym wybranym

obszarze. ......................................................................................................... 42 Ryc. 12 Propozycja lokalizacji zapory wodnej w drugim wybranym obszarze.

........................................................................................................................ 43 Ryc. 13 Natężenie przepływu w proponowanym miejscu postawienia

pierwszej elektrowni wodnej ......................................................................... 47 Ryc. 14 Natężenie przepływu w proponowanym miejscu postawienia drugiej

elektrowni wodnej .......................................................................................... 48 Ryc. 15 Krzywe sum czasu trwania przepływów dla pierwszej propozycji

lokalizacji elektrowni wodnej z lat 1959,1970 .............................................. 49 Ryc. 16 Krzywe sum czasu trwania przepływów dla drugiej propozycji

lokalizacji elektrowni wodnej z lat 1984 i 1970 ............................................ 50 Ryc. 17 Przekrój poprzeczny w miejscu postawienia zapory dla MEW1 ..... 51 Ryc. 18 Przekrój poprzeczny w miejscu postawienia zapory dla MEW2 ..... 51 Ryc. 19 Zasięg oddziaływania proponowanego zbiornika 1. ........................ 53 Ryc. 20 Zasięg oddziaływania proponowanego zbiornika 2. ........................ 53 Ryc. 21 Strefa zagrożenia powodziowego w rejonie Piły.

Źródło: www.geoportal.gov.pl ....................................................................... 54

60

Spis tabel

Tabela 1 Cechy elektrowni wodnych będących własnością sp. z o.o.

Elektrownie Wodne 15 Tabela 2 Średnie roczne przepływy w monitorowanych punktach 25 Tabela 3 Porównanie wyników interpolacji liniowej średniego rocznego

przepływu na rzece Gwda 26 Tabela 4 Przepływy charakterystyczne dla wybranych lokalizacji pod budowę

MEW 46