Zrozumienie mechanizmów przenoszenia osadów rzecznych pomoże nam chronić się przed skutkami zmian klimatu
Osady przenoszone w rzekach, ujściach i wzdłuż wybrzeży mogą powodować olbrzymie zmiany morfologiczne zwiększające częstość występowania powodzi i fal sztormowych. Dodatkowo zmiany morfologiczne w zbiornikach wodnych i w pobliżu konstrukcji wykonanych przez człowieka mogą prowadzić do uszkodzenia instalacji doprowadzających wodę oraz sieci energetycznych, dramatycznie zwiększając ryzyko uszkodzeń konstrukcyjnych. W rezultacie musimy mierzyć się ze stratami ekonomicznymi, zagrożeniami dla życia ludzi, zaburzeniami struktur społecznych i niszczeniem naturalnych ekosystemów. Oddziaływanie zjawiska przenoszenia osadów rzecznych będzie wzmagać się w miarę postępowania zmian klimatu, z tego powodu musimy jak najszybciej zgromadzić szczegółową wiedzę na ten temat i wykształcić nowe pokolenie inżynierów. W ramach finansowanego ze środków UE projektu SEDITRANS (Sediment transport in fluvial, estuarine and coastal environment) stworzono więc europejską sieć koordynującą działania badawcze i szkoleniowe w zakresie zagrożeń stwarzanych przez przenoszenie osadów. 6 partnerów akademickich i 4 partnerów przemysłowych wchodzących w skład sieci opracowało kompleksowy, interdyscyplinarny program szkolenia poprzez badania, w którym udział wzięło 12 młodych i 4 doświadczonych badaczy. Program szkoleniowy obejmował warsztaty, szkoły letnie i zimowe, udział w konferencjach, opracowanie wytycznych oraz staże u partnerów przemysłowych. Badacze skupili się na przepływach wód rzecznych i przybrzeżnych oraz powstawaniu osadów w zbiornikach, jak również ich oddziaływaniu na konstrukcje stworzone przez człowieka. „Celem było pogłębienie wiedzy na temat mechanizmów przenoszenia osadów oraz ich wpływu na hydrodynamikę przepływu, co pozwoli nam lepiej przewidywać ewolucję rzek oraz zmiany morfologii ujść i stref przybrzeżnych” – mówi koordynator projektu, prof. Athanassios Dimas. Wspólna praca na rzecz lepszych modeli Partnerzy projektu opracowali algorytmy do modelowania przenoszenia osadów przez wody rzeczne i przybrzeżne oraz modelowania śródlądowych i morskich prądów zawiesinowych lub przepływów materiałów unoszonych przez wodę. Podczas pracy badacze podążyli trzema różnymi ścieżkami, przy każdej zaczynając od dwufazowego modelu ciągłego oraz modelu ruchu cząstek podczas przenoszenia osadów dennych. Do modelowania przenoszenia osadów zawieszonych wykorzystano zaawansowane, połączone modele przepływu płynów/przenoszenia osadów, w których do domknięcia turbulencji używana jest metoda dużych wirów. Na koniec powiązano metody dwuwarstwowego modelowania przepływów w kanale otwartym i prądów grawitacyjnych z modelami przenoszenia osadów i modelami morfodynamiki dna. „Stworzone przez nas modele bazują na wielu zaawansowanych metodach numerycznych, np. metodzie zanurzonego brzegu pozwalającej narzucić warunki brzegowe w złożonych geometriach oraz prowadzić równoległe obliczenia” – wyjaśnia prof. Dimas. Badacze przeprowadzili też kilka doświadczeń związanych z przenoszeniem osadów w rzekach i strefach przybrzeżnych oraz z zawierającymi osady prądami głębinowymi w zbiornikach i kanionach podwodnych. Wyniki tych eksperymentów, jak również wyniki wygenerowane przez wysoko wydajne systemy obliczeniowe, zostały wykorzystane przez partnerów akademickich i przemysłowych w rzeczywistych zastosowaniach. Dokładne narzędzia predykcyjne w służbie społeczeństwa Na podstawie uzyskanych rezultatów zmodyfikowano istniejące narzędzia do przewidywania morfologii, przeznaczone dla wykwalifikowanych specjalistów. Dodatkowo wnioski z doświadczeń w terenie pozwoliły znacząco usprawnić modele koncepcyjne, na których bazują narzędzia symulacyjne. Wg prof. Dimasa nowe modele i dane eksperymentalne przyniosą inżynierom bezpośrednie korzyści. „Częstość występowania i intensywność klęsk żywiołowych związanych z nadmierną dynamiką morfologiczną bądź przez nią spowodowanych będą się zwiększać ze względu na postępujące zmiany klimatu” – twierdzi. „Z tego powodu stworzone przez nas narzędzia predykcyjne dla planistów będą miały ogromny, pozytywny wpływ na społeczeństwo”. Zespół SEDITRANS pomógł również skoordynować – na poziomie europejskim – działania badawcze i edukacyjne w zakresie przenoszenia osadów, co zwiększyło konkurencyjność Europy w tej ważnej dziedzinie naukowo-technicznej. Jak podsumowuje prof. Dimas: „Ukierunkowanie na rozwój modeli numerycznych i analizę danych eksperymentalnych z pewnością przełoży się na postępy w badaniach i technologiach związanych z przenoszeniem osadów, co rozwiąże wiele problemów z planowaniem i ochroną przed powodziami i erozją”.
Słowa kluczowe
SEDITRANS, przenoszenie osadów, rzeka, zmiana klimatu, przybrzeżny, ujście, hydrodynamiczny, algorytmy
