Od czasu do czasu fale morskie i oceaniczne przejawiają ogromne działanie niszczycielskie, daleko wykraczające poza zapamiętany z wakacji obraz bezmiaru wody widocznej z perspektywy plaży. Są to fale, których wysokość lub stromość znacznie przewyższa rozmiary nawet najlepiej rozbudowanych fal sztormowych. Najwyższe notowane fale sięgały wysokości 30 metrów. Naukowcy nazywają je falami ekstremalnymi. Pojawiają się niespodziewanie z trudnego do zlokalizowania źródła. Swoją niszczycielską siłą uszkadzają lub całkowicie niszczą statki oraz budowle hydrotechniczne, np. nabrzeża czy platformy wiertnicze. Wystarczy wspomnieć, że w ciągu ostatnich 20 lat zatopionych zostało 200 dużych statków o długości przekraczającej 200 metrów. Doniesienia o kolejnych zaginionych statkach skłoniły naukowców do podjęcia próby wyjaśnienia tajemniczych zniknięć. W ramach projektu MaxWave Unii Europejskiej grupa badaczy z Instytutu Budownictwa Wodnego Polskiej Akademii Nauk z Gdańska podjęła próbę wyjaśnienia powstawania fal ekstremalnych.

W pogoni za falami ekstremalnymi

Do badań zaprzęgnięto najbardziej zaawansowaną aparaturę naukową. Analizowano zdjęcia satelitarne oraz dane zbierane z innych przyrządów do pomiaru parametrów falowania. Od przeszło 20 lat IBW PAN prowadzi na Morzu Bałtyckim rejestrację falowania z użyciem boi pomiarowych. Dwa kilometry od brzegu w Lubiatowie jest zakotwiczona taka boja. Mierzy ona wysokość fali, jej maksymalny i średni okres, jak i kierunek nadchodzenia fali do brzegu. Te dane rejestruje komputer i drogą radiową przekazuje do pracowni na lądzie. Pracownicy IBW PAN przestudiowali w ramach projektu MaxWave ogromną bazę wyników pomiarowych. Znaleźli 414 zapisów falowania zawierających fale ekstremalne. Jeden z pomiarów, z marca 2001, zapamiętał fale o wysokości aż 7,6 m.

Te badania należą do bardzo drogich. Prawie 60 tys. dolarów trzeba wyasygnować na zakup takiego urządzenia wyposażonego w najnowszą elektronikę. A na tym nie koniec. Boje trzeba ubezpieczyć, bo ryzyko utraty urządzenia na morzu, gdzie sztormy są właściwie codziennością, jest ogromne. Rocznie kosztuje to przeszło 10 tys. zł.

Laboratorium w Lubiatowie, utworzone w 1968, analizuje głównie zjawiska zachodzące w morzu: falowanie, rozkład prądów, ruch osadów morskich i zmianę ich konfiguracji. Prowadzi też szczegółowy monitoring zmienności linii brzegowej, siły i kierunków wiatrów, które m.in. generują te procesy. Określa też moc energii, która zostanie skierowana przez fale na ląd. Są tylko trzy takie placówki badawcze na świecie: w USA, Japonii i u nas.

Krótka historia badań techniki morskiej

Już we wczesnych latach powojennych, naukowe podstawy techniki morskiej i kształcenie odpowiedniej kadry naukowej rozwijane były na różnych wydziałach Politechniki Gdańskiej. Inżynierowie budownictwa morskiego, budowy okrętów, transportu morskiego i innych specjalności morskich zaczęli sygnalizować brak zaplecza naukowego gromadzącego podstawową wiedzę o środowisku morskim i jego oddziaływaniu na urządzenia hydrotechniczne. Z inicjatywy Politechniki Gdańskiej w 1951 roku utworzono inżynierską placówkę badawczą na brzegu morza w Sopocie, nazwaną Stacją Morską. Wyzwanie to w pełniejszym zakresie podjęła Polska Akademia Nauk, która w roku 1953 utworzyła Instytut Budownictwa Wodnego, powołany do prowadzenia studiów i badań podstawowych dla szeroko pojętej gospodarki wodnej, budownictwa hydrotechnicznego i inżynierii morskiej.

Jak podaje prof. dr hab. inż. Andrzej Sawicki, dyrektor IBW PAN, instytut to dziś cztery zakłady: Mechaniki Falowania i Dynamiki Konstrukcji, Dynamiki i Inżynierii Brzegowej, Geomechaniki oraz Dynamiki Wód Powierzchniowych i Podziemnych. Łącznie pracuje tu 65 osób.

Kanał Falowy

Istotnym elementem poszukiwań i ustalenia przyczyn powstawania fal ekstremalnych na morzach i oceanach są badania laboratoryjne. Przeprowadzenie ich umożliwia specjalistyczne laboratorium zwane kanałem falowym. Znajduje się ono w wydzielonym budynku o znacznych rozmiarach. Sam kanał ma długość 64,1 m, szerokość zewnętrzną 1,25 m i wysokość ponad 2,15 m. Z uwagi na przeznaczenie, parametry, naukową przydatność i możliwości eksploatacyjne laboratorium jest jedynym tego typu stanowiskiem badawczym w Polsce i jednym z nielicznych na świecie. Szklane ściany kanału zapewniają doskonałą wizualizację badanych w nim zjawisk.

Wygląda to bardzo widowiskowo. Kanał zostaje napełniany wodą, a nowoczesny programowalny generator zapewnia wytwarzanie falowania o wysokościach do 0,6 m i dowolnych długościach przyporządkowanych okresom powyżej 0,5 s. Końcową część kanału wyposażono w oryginalny „wygaszacz” fal, wykonany w formie porowatej skarpy o nachyleniu 1:7, a ułożonej z kilkudziesięciu warstw mat z tworzywa sztucznego. Bardzo wysoki stopień wygaszania praktycznie eliminuje odbicia fal od tylnej ściany kanału i likwiduje niepożądane nakładanie się fali odbitej na generowane falowanie progresywne. Stanowisko kontrolno−pomiarowe kanału, wyposażone w zestaw komputerów i elektronicznych urządzeń, zabezpiecza programowanie i bieżącą kontrolę generacji falowania oraz umożliwia zbieranie wyników z cyfrową rejestracją pomiarów. W zestawie komputerów znajduje się nowoczesna karta pomiarowa zapewniająca rejestrację 300 tys. danych w ciągu sekundy. Zdobyta wiedza pozwoliła już na postawienie kilku hipotez dotyczących fal ekstremalnych.

Kanał falowy pozwala na prowadzenie badań naukowo−poznawczych nad mechaniką falowania wodnego oraz jego współoddziaływania z konstrukcjami i dnem morskim. Umożliwia też realizację prac na rzecz gospodarki morskiej, szczególnie w zakresie doboru parametrów przy projektowaniu konstrukcji hydrotechnicznych, jak: falochrony, narzutowe skarpy, nabrzeża, opaski brzegowe, elementy morskich platform wiertniczych czy pirsów i podmorskich rurociągów. W kanale falowym IBW PAN w Gdańsku wykonano już setki eksperymentów pozwalających na analizę teoretyczną zjawiska pojawiania się fal ekstremalnych i ich skutków. Wykorzystując wiedzę i możliwości pomiarów laboratoryjnych, instytut opracowuje ekspertyzy dotyczące np. ustawienia kierunków wejść do portów. I tak Ustka, Kołobrzeg czy Świnoujście mają od lat problemy z prądami nanoszącymi tzw. rumowisko. Dokładna analiza wielu parametrów pozwala na optymalne zaprojektowanie kanału wejściowego do portu, który będzie łączył ląd z morzem, a nie dzielił. Warto też wspomnieć o intelektualnym wkładzie instytutu w projektowanie układu falochronów Portu Północnego. Chodziło o zminimalizowanie skutków falowania na falochron.

Wiele uwagi w swoich pracach badawczych IBW PAN poświęca aspektom dna morskiego. Jest to szczególnie istotne przy wejściach do portów, gdzie coraz silniejsze śruby statków wręcz wyrywają powierzchnie dna. Specjaliści proponują zastosowanie specjalnych geomembran, zbudowanych z warstw nieprzepuszczalnego tworzywa. Opuszcza się je na dno, a przylegają do niego dzięki wykorzystaniu zjawiska przyssania. Aby jednak taka ochrona dna morskiego mogła być użyta, trzeba opracować i zbudować całą mechanikę przyssania.

Mechanika upłynniania

Instytut Budownictwa Wodnego PAN w Gdańsku prowadzi też niezwykle ciekawe i aplikacyjnie istotne badania dotyczące modelowania upłynnienia gruntów. Jak istotne są to analizy, dowiadujemy się dopiero w chwilach wielkich tragedii, np. trzęsień ziemi. Potężne obiekty – budynki, platformy wiertnicze posadowione w wodzie czy podmorskie rurociągi – potrafią zapadać się w kilka sekund. Tragedia ma wymiar nie tylko w stratach ludzkich i kapitałowych, ale też i ekologicznych. Jak zabezpieczyć się przed takimi zdarzeniami? Odpowiedź na to dają badania modelowania upłynnienia gruntów.

W nawodnionym gruncie woda płynie przez pory między cząsteczkami. Pod wpływem trzęsienia ziemi i drgań, np. pod dnem oceanu, woda nie odpływa z porów, co skutkuje wzrostem ciśnienia. Kontakty między ziarnami stają się więc coraz słabsze, aż do całkowitego ich zaniku. Stała struktura, na której posadowiono obiekt, zaczyna robić się płynna. Skutek zazwyczaj jest dramatyczny. Następuje upłynnienie struktury i nasz obiekt znika „wbity” w płynną masę. Po prostu się zapada. Analiza tego zjawiska i jego wszechstronne opracowanie naukowe pozwalają unikać błędów w wyborze miejsca na budowanie strategicznie ważnych obiektów.

Ochrona przeciwpowodziowa

Gdańsk jest miastem o bardzo dużym zagrożeniu powodziowym. W XIX wieku powodzie w Gdańsku i na Żuławach Gdańskich pojawiały się średnio co trzy, cztery lata, powodując ogromne zniszczenia. Powodzie powstawały głównie za sprawą zatorów lodowych na odcinku Wisły Gdańskiej (obecnie Martwa Wisła), posiadającej skomplikowany układ przestrzenny. Warto przypomnieć, że powódź w 1829 roku, spowodowana utworzeniem zatoru lodowego poniżej twierdzy Wisłoujście, zalała miasto do poziomu pierwszego piętra.

Poważne zagrożenia powodziowe Gdańska i Żuław istnieją nadal. Kierunki tych zagrożeń to: Martwa Wisła w okresie wezbrań sztormowych Bałtyku, główne koryto Wisły w przypadku wysokich stanów lub zatorów lodowych na Wiśle przerywających wały, a także ze strony wzgórz morenowych w przypadku intensywnych deszczy. Ten przypadek miał miejsce w 2001 roku. Była to tzw. powódź miejska, spowodowana opadem nawalnym na terenie o małej retencji.

Instytut Budownictwa Wodnego PAN brał udział w opracowaniu projektu strategii ochrony przeciwpowodziowej dla Gdańska. W prace włączyły się także: Instytut Meteorologii i Gospodarki Wodnej Oddział Morski w Gdyni, Biuro Projektów i Doradztwa Technicznego Hydroprojekt w Gdańsku oraz Przedsiębiorstwo Badań i Doradztwa Geomor w Gdańsku.

Ochrona morska strefy brzegowej

Brzeg morski ulega nieustannym przeobrażeniom. Wywołują je głównie naturalne zjawiska fizyczne: wiatr, falowanie, prądy morskie, ruch osadów czy zmiany dna morskiego. Również ingerencja człowieka pozostawia wyraźny ślad w ukształtowaniu brzegu morskiego. Jednym z najniebezpieczniejszych procesów występujących na wielu odcinkach polskiego wybrzeża Morza Bałtyckiego jest erozja brzegów i stopniowe cofanie się linii brzegowej. Od 2004 roku zabezpieczenie brzegów morskich przed erozją podlega ustawie z 28.03.2003 o ustanowieniu „Programu ochrony brzegów morskich”.

Erozja brzegów morskich przejawia się zanikiem plaż oraz występowaniem osuwisk na skarpach nadmorskich wydm i klifów. Postępujące procesy erozyjne zagrażają bezpieczeństwu budowli usytuowanych na bezpośrednim zapleczu brzegów. Degradacja piaszczystych plaż utrudnia wykorzystanie brzegu morskiego do celów turystycznych i rekreacyjnych. Stabilność brzegu morskiego, jak wykazały badania IBW PAN, zależy od równowagi poszczególnych składników w bilansie osadów strefy przybrzeżnej. W Polsce około 60−70 proc. długości wybrzeża ulega mniej lub bardziej intensywnej erozji, której towarzyszy cofanie się linii brzegowej z prędkością 0,5 – 0,9 m/rok.

Ostatnio obserwowane i prognozowane na następne lata zmiany klimatyczne są źródłem wzrostu intensywności i częstości występowania silnych sztormów oraz podnoszenia się poziomu morza. Efekty te powodują dodatkowe wzmożenie erozji brzegów. W celu ochrony brzegu morskiego przed erozją ustawa przewiduje sztuczne zasilanie piaskiem, modernizację i budowę umocnień brzegowych, jak również odwodnienie klifów. Optymalizacja przedsięwzięć ukierunkowanych na zabezpieczenie brzegów morskich przed zjawiskiem erozji wymaga dogłębnego rozpoznania fizyki ruchów wody i osadów w morskiej strefie brzegowej. Rozpoznaniu temu służą teoretyczne i praktyczno−eksperymentalne badania naukowe.

I takie właśnie badania prowadzone są w Instytucie Budownictwa Wodnego PAN, co podnosi znaczenie tej placówki na mapie nauki polskiej.