Nowe zapory stwarzają zwiększone ryzyko awarii. Naukowcy nawołują do inwestycji

Do 2035 r. aż 23 duże zapory na świecie mogą ulec awariom, co wynika z badania opublikowanego w magazynie Nature Water. Zdaniem naukowców szczególnie narażone na uszkodzenia są budowle wzniesione w ostatnich latach w krajach ubogich. Co można zrobić, aby zapobiec katastrofom?

Historyczna analiza awarii zapór

We wrześniu 2023 r. w libijskim regionie Cyrenaica odnotowano rekordowe opadu deszczu – 414 mm w ciągu 24 godzin. W rezultacie rzeka Wadi Darnah wystąpiła z brzegów i doprowadziła do przerwania dwóch zapór w mieście Derna. Zginęło blisko 6 tys. osób, 876 budynków zostało całkowicie zniszczonych, a 3,1 tys. uszkodzonych. Zdaniem holendersko-brytyjskiego zespołu, który zajął się globalną analizą dotychczasowych awarii zapór, zapobieganie katastrofom tej skali powinno być dziś priorytetem. Te ostatnie zdefiniowano jako niekontrolowane zrzucanie wody bądź strukturalne uszkodzenia.

Naukowcy z instytutu technologicznego Deltares, instytutu edukacji wodnej IHE Delft oraz Imperial College London skorzystali z bazy Międzynarodowej Komisji Wielkich Zapór (ICOLD) obejmującej 62 tys. konstrukcji na całym świecie. Dane na temat awarii, które wydarzyły się od 1900 do 2024 r., poddano statystycznej analizie wieloparametrowej, aby określić prawdopodobieństwo wystąpienia podobnych katastrof w przyszłości. Okazało się, iż wiek konstrukcji, warunki klimatyczne oraz zamożność danego kraju są czynnikami determinującymi poziom ryzyka.

Poprawa bezpieczeństwa zapór w pod koniec XX w.

W wielu krajach nowe zapory zaczęły intensywnie powstać w połowie ubiegłego stulecia. Niestety ten konstrukcyjny boom przyniósł całą serię awarii, łącznie z niesławną katastrofą zapory wodnej w Vajont we Włoszech, która kosztowała życie prawie 2 tys. osób. Postępy technologiczne oraz zaostrzenie standardów bezpieczeństwa doprowadziły jednak do stopniowego ograniczenia awarii – średnio o 30 proc. w skali każdej dekady.

Przyczyny wypadków i uszkodzeń były w dużej mierze uzależnione od typu konstrukcji. Zapory ziemne uznano za 2,31 razy bardziej podatne na awarie niż zapory betonowe, a ich główną słabością okazała się erozja wewnętrzna oraz uszkodzenia związane z przelewaniem się wody (tzw. overtopping). Dzięki postępowi inżynieryjnemu w drugiej połowie XX w. wiele błędów konstrukcyjnych udało się wyeliminować, a ryzyko przelania wyraźnie zmalało w przypadku zapór ziemnych i niemal zniknęło w przypadku zapór betonowych.

zdj. sergiodv / depositphotos

Nowe zapory są najmniej bezpieczne, czyli odwrócenie trendu w XXI w.

Współczesne awarie zapór zaobserwowane m.in. w 2014 r. w Wietnamie czy w 2018 r. w Laosie wznowiły międzynarodową dyskusję nad bezpieczeństwem hydrotechnicznych konstrukcji. Z analizy wynika, iż szczególnemu ryzyku podlegają dziś zapory wzniesione w ostatniej dekadzie. Brak wiedzy technologicznej nie jest już jednak uważany za główną przyczynę wypadków. Dwu- a choćby trzykrotne zwiększenie częstotliwości przelewania się wody w ostatnich dwóch dekadach wydaje się związane przede wszystkim ze wzrostem ryzyka powodziowego.

Największe ryzyko awarii zapory wodnej stwierdzono w ciągu pierwszych pięciu lat po ukończeniu jej budowy. Krytycznym momentem bywa pierwsze napełnienie, podczas którego najczęściej objawiają się ukryte defekty. Po pięciu latach ryzyko ulega stabilizacji i rośnie dopiero po pół wieku, wraz z degradacją materiałów oraz mechanicznym zużyciem elementów ruchomych. Ten ostatni fakt jest o tyle istotny, iż według danych ICOLD 53 proc. dużych zapór ma więcej niż 50 lat, 16 proc. powyżej 70 lat, a 7 proc. powstało przed ponad stuleciem.

Im wyższa zapora, tym większe ryzyko

Jednym z kluczowych parametrów rozpatrywanych w analizie holendersko-brytyjskiego zespołu była również wysokość konstrukcji. Zgodnie z oczekiwaniami okazało się, iż czym wyższa zapora, tym bardziej prawdopodobne, iż ulegnie awarii. Zapora o wysokości 30 m podlega o 10 proc. niższemu ryzyku uszkodzenia niż zapora wysokości 45 m i 20 proc. mniejszemu ryzyku niż 60-metrowa konstrukcja. Co ciekawe, powyżej 100 m ryzyko wydaje się stabilizować, a choćby zmniejszać, co może wynikać z technicznego zaawansowania ogromnych budowli.

Autorzy badania zwracają uwagę, iż trend ten jest bardzo istotny, gdyż wysokość zapory przekłada się na zwiększoną skalę poważnych konsekwencji w przypadku awarii. Duże zapory nie tylko są bardziej podatne na zniszczenia, ale również katastrofa na nich wiąże się z większym zagrożeniem dla populacji i infrastruktury.

Regionalne różnice w zakresie bezpieczeństwa dużych zapór

Ryzyko awarii zapory jest wyraźnie skorelowane z PKB obliczanym wg parytetu siły nabywczej w poszczególnych krajach. Wiąże się to oczywiście z potencjałem władz państwowych do inwestowania w budowę, inspekcje i monitoring budowli hydrotechnicznych. Mniejsze zasoby finansowe w regionie przekładają się zwykle na większą liczbę ofiar śmiertelnych w przypadku katastrofy.

Prawdopodobieństwo awarii zapory jest szczególnie wysokie w krajach o niższym PKB ppp, położonych w regionach tropikalnych i monsunowych. Rosnąca intensywność nawalnych deszczy i powodzi sprawiają, iż nadzór nad bezpieczeństwem konstrukcji i prace konserwacyjne nabierają kluczowego znaczenia. W ubogich regionach inwestycje w tym zakresie muszą być realizowane kosztem innych wydatków publicznych, co często prowadzi do zaniedbań.

Fakt, iż nowe zapory tak często ulegają awariom może być po części tłumaczony hipotezą zmiany klimatycznej. Warunki, jakim muszą sprostać nowe konstrukcje, różnią się znacząco od tych sprzed dekad, co nie wszędzie idzie w parze ze zmianą standardów bezpieczeństwa. Prawidłowość tę widać najwyraźniej właśnie w regionach tropikalnych i monsunowych, podczas gdy w krajach klimatu umiarkowanego i suchego, o wyższym poziomie PKB, liczba awarii wydaje się maleć.

Zmiana klimatu zwiększa poziom wilgoci w powietrzu nad Oceanem Indyjskim, przyczyniając się do nasilenia sezonu monsunowego. Autorzy analizy powołują się na badania z 2020 r., według których wzrost temperatury o 1°C przekłada się na 5-7 proc. wzrost intensywności opadów. Gdy dodać do tego ryzyko związane z topnieniem lodowców górskich w Azji i zwiększeniem objętości jezior lodowcowych, oczywista staje się potrzeba ponownego przeszacowania ryzyka dla każdej dużej zapory.

Prognozy na przyszłość

Z analizy wynika jasno, iż największemu ryzyku awarii podlegają:

• zapory ziemne o wysokości 10-80 m zbudowane w ostatnich 10 latach w krajach o niskim PKB;
• wszystkie zapory ziemne wzniesione w latach 1900-1940;
• zapory betonowe o wysokości 50-150 m, zbudowane w ciągu ostatnich 5-10 lat;
• duże zapory ziemne wzniesione w ostatnich dwóch dekadach w krajach o niskim PKB.

Po przeniesieniu historycznych trendów na współczesne realia wykazano, iż 4,4 proc. dużych zapór podlega ryzyku awarii większemu niż normatywny próg 1/10000. Prognozy na lata 2023-2035 przewidują, iż 23 obiekty doznają faktycznych fizycznych uszkodzeń, bez uwzględnienia nowych zapór budowanych w kolejnej dekadzie. W bardziej optymistycznej nucie 85 proc. dużych zapór na świecie jest dwa razy bardziej bezpiecznych niż wymagają aktualne przepisy.

Wnioski z analizy są jednoznaczne – obserwacja zmieniających się warunków hydrologicznych i pieczołowity monitoring stanu technicznego obiektów to jedyna droga, by zapobiec kolejnym katastrofom. Autorzy badania podkreślają znaczenie zapór dla bezpieczeństwa wodnego, żywnościowego i energetycznego w regionach, apelując o alokację funduszy w kierunku zwiększenia żywotności konstrukcji przy uwzględnieniu wyzwań związanych ze zmianą klimatu.