Połączenie sejsmologii środowiskowej i czujników światłowodowych dla bezpieczeństwa przeciwpowodziowego

Badając fale sejsmiczne można bardzo dokładnie monitorować czynniki, które zagrażają miastom. Chodzi nie tylko o trzęsienia ziemi, ale o zjawiska związane z obecnością wody zachodzące w płytkich warstwach ziemi, a spowodowane przede wszystkim zmianami klimatu.

Prof. dr hab. Mariusz Majdański kieruje badaniami o charakterze podstawowym z zakresu obrazowania sejsmicznego i monitorowania środowiskowych zmian w strukturze sztucznych i naturalnych obiektów krytycznych. W interdyscyplinarny projekt, którego liderem jest Instytut Geofizyki PAN, zaangażowani są także naukowcy z Uniwersytetu Warszawskiego, Politechniki Krakowskiej, Politechniki Warszawskiej i Instytutu Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN oraz przedstawiciele przemysłu.

Badacze zastosują metody sejsmologii środowiskowej do długoletniego monitorowania trzech rodzajów krytycznie ważnych obiektów: ziemnych wałów przeciwpowodziowych, dużych osuwisk oraz zapór wodnych w Świnnej Porębie, Dobczycach, a także w Wapienicy koło Bielska-Białej.

„Ziemne wały przeciwpowodziowe są w Polsce zaniedbane i istnieje ryzyko, że zostaną przerwane, co w konsekwencji zagraża miastom. Obecnie wały są badane m.in. georadarem i metodami elektro-oporowymi. Jednak obrazowanie sejsmiczne jest znacznie bardziej dokładne. Dzięki niemu możemy znaleźć detale, które umykają w badaniach prowadzonych standardowymi metodami. Mogę pokazać władzom miejskim odpowiedzialnym za wały, w jakich miejscach pojawi się w przyszłości problem, na który jeszcze nic nie wskazuje” – zapowiada profesor.

Metody sejsmiczne nie są powszechnie stosowane w monitoringu obiektów krytycznych z uwagi na ich koszt i czasochłonność. Używa się ich w wybranych obiektach w Szwajcarii czy w Stanach Zjednoczonych, na przykład w energetyce jądrowej. „My dołączamy do wysokiego standardu najlepszych rozwiązań. Dodatkowo zastosujemy coś nowatorskiego: zamiast używać geofonów i sejsmometrów, wykorzystamy czujniki z kabli światłowodowych” – mówi prof. Majdański.

Naukowcy w każdym obiekcie z trzech grup – w wale p/powodziowym, na stoku i w zaporze planują zainstalować kabel światłowodowy. Umieszczony w płytkich warstwach ziemi światłowód w raz z wykorzystaniem techniki DAS (ang. Distributed Acoustic Sensing) pozwoli rejestrować fale sejsmiczne i dzięki ich interpretacji zaawansowanymi metodami matematycznymi, pokazać zmiany w czasie, na przykład w strukturze tamy wodnej lub konstrukcji wału ziemnego.

„Zmiany klimatu odczuwamy jako niewielki wzrost temperatury. Natomiast dla systemu ziemskiego to dużo większe różnice w sezonach suchych i w sezonach z dużą ilością opadów. Stany wód gwałtownie się zmieniają, mamy nawalne deszcze i okresy susz. Takie zmiany mogą przyspieszać degradację zapór wodnych. Dodatkowo zdarza się, że woda pod taką zaporą przecieka przez niezbyt dokładne rozpoznanie warunków geologicznych. To też możemy rozpoznać dzięki znacznie lepszej rozdzielczości” – wyjaśnia prof. Majdański.

Wylicza, że w Polsce jest bardzo dużo zapór – od nowoczesnych i świetnie utrzymanych do starszych, w gorszym stanie technicznym. Jeśli zapora ma około 50 lat, właściciel obiektu musi sprawdzać, czy konstrukcja nie degraduje się. Szczególnie, że chodzi o ogromne przepływy i nawet kilkudziesięciometrowe różnice poziomu wody.

Dodatkowo zostaną wykonane badania innych obiektów o kluczowym znaczeniu geotechnicznym i hydrotechnicznym oraz obszarów o znacznym potencjale osuwiskowym. Jak wyjaśnił PAP prof. Majdański, do badań wybrano duże osuwisko będące stokiem narciarskim. W wyniku zmian klimatu właściciele muszą obciążać stok sztucznym śniegiem. Ciężki śnieg powoduje przemieszczenia gruntu, a te z kolei stwarzają zagrożenie dla infrastruktury wyciągu, a nawet dla okolicznych domów mieszkalnych. W trakcie badań zostaną wykonane zdjęcia poklatkowe przedstawiające strukturę tego osuwiska w czasie i dynamikę zmian. Pozwoli to ocenić bezpieczeństwo związane z utrzymaniem stoku.

Aby prowadzić prace naukowe w wyznaczonych obiektach, badacze potrzebowali zgody ich właścicieli. W przyszłości osoby te będą mogły wykorzystać wnioski płynące z badań do procedur bezpieczeństwa, monitoringu czy planowania napraw. Wyniki będą także publikowane jako prace naukowe.

Eksperci z IGF PAN pokazali wcześniej w innych projektach, że obrazowanie sejsmiczne do monitorowania i przewidywania zmian w płytkich warstwach spowodowanych ociepleniem klimatu jest możliwe. Jak zapewnia prof. Majdański, sejsmologia środowiskowa sprawuje się dużo lepiej, niż obecnie stosowane metody w przemyśle: „Możemy pokazać detale, które mogą mieć znaczenie dla inżynierów, dla właścicieli obiektów krytycznych czy dla bezpieczeństwa społeczeństwa – choć jeszcze nikt o niech nie wie.”

Przykład takich zmian najlepiej widać w Arktyce. Tam polscy naukowcy monitorują degradację permafrostu, czyli zamarzniętego obszaru ziemi, który nie przepuszcza gazów i płynów. Gdy taki obszar przestaje być ciągły, może wypuścić do atmosfery duże ilości metanu, które potęgują zmiany klimatu. Geofizycy udowodnili, że metody sejsmiczne mogą z dokładnością do pojedynczych metrów określić zmiany temperaturowe czy zamarzanie ośrodka do głębokości 200 metrów. Naukowcy potrafią wyznaczyć, gdzie owa wieczna zmarzlina może się przerwać i uwalniać metan. Poza odległymi rejonami Arktyki, naukowcy zamierzają udowodnić skuteczność tych samych metod dla bliskich nam obiektów w Polsce.

Projekt „Seismic imaging and monitoring of environmentally induced changes in the structure of critical large scale artificial and natural objects” jest finansowany w ramach grantu Opus 23 Narodowego Centrum Nauki. Wykonawcą jest dr Artur Marciniak z IGF PAN. Z zespołem prof. Majdańskiego współpracują: dr hab. Sebastian Kowalczyk (Uniwersytet Warszawski), dr hab. inż. Paweł Popielski, dr hab. inż. Krzysztof Kochanek (Politechnika Warszawska), dr hab. inż. Tomisław Gołębiowski, dr inż. Antoni Bojarski (Politechnika Krakowska), Justyna Cader (Instytut Gospodarki Surowcami Mineralnymi i Energią PAN), Mirosław Trześniowski (WIDMO Spectral Technologies) i Rafał Sieńko (SHM System). W interdyscyplinarnym projekcie wezmą udział także zagraniczni specjaliści w dziedzinie pomiarów światłowodowych.

PAP – Nauka w Polsce, Karolina Duszczyk

kol/ agt/