Ekohydrologia

Z profesorem Maciejem Zalewskim z Europejskiego Regionalnego Centrum Ekohydrologii PAN rozmawia Filip Górski.

- Problemem nauk o środowisku często jest fragmentaryczny opis rzeczywistości i przedstawienie bardziej złożonych procesów. Odpowiedzią na te bolączki może stać się szersze ujęcie, które prezentuje ekohydrologia. Dlaczego zajął się Pan tą dyscypliną?

- Od lat 50. dziesięciokrotnie wzrosło globalne PKB (konsumpcja dóbr), związana z tym emisja gazów cieplarnianych (do pewnego stopnia kompensowana postępującą technologią i prawem), ale też demografia. Pojemność świata oceniana jest na 12 mld ludzi. Kiedy w latach 70. było nas prawie 3 mld, mieliśmy 300% buforu dla naszej presji na środowisko. Teraz jest nas prawie 8 mld – zostało nam około 20%. Już w 1972 r. autorzy raportu Klubu Rzymskiego ostrzegali, że globalne interakcje między człowiekiem a środowiskiem tworzą poważne zagrożenie dla przyszłości naszej cywilizacji. Między innymi dlatego wybrałem te studia. W ich trakcie i podczas realizacji doktoratu zorientowałem się, że działania ochrony środowiska są niewystarczające i degradacja postępuje na całym świecie.

Zgodnie z teorią Malthusa i teorią r-K selekcji (każda populacja niezagrożona przez drapieżnika wchodzi w fazę ekspotencjalnego wzrostu i musi zderzyć się z ograniczoną pojemnością środowiska) można określić dwa scenariusze. Pierwszy z nich mówi o tym, że jeśli populacja rośnie wykładniczo, a pojemność środowiska się równocześnie obniża, następuje zderzenie i spadek populacji do 1/3 pierwotnej wartości. Natomiast drugi scenariusz nakreśla łagodne konsekwencje – jeśli dla takiego samego wzrostu populacji pojemność środowiska się zwiększa, to ma ona czas na adaptację, stabilizuje się na poziomie poniżej pojemności środowiska dzięki procesom samoregulacji. Sytuacja jest zatem niezwykle dramatyczna – zasoby się kurczą. Dlatego, jeśli chcemy zejść z kursu kolizyjnego, musimy dokonać zmiany paradygmatu.

Do tej pory eksploatowaliśmy świat. Braliśmy tyle zasobów, ile potrzebowaliśmy, i deponowaliśmy wszystkie zanieczyszczenia. System je absorbował, bo miał 300% buforu. Natomiast teraz (przy zapasie 20%) tak już niestety się nie da. Zamiast traktować biosferę jak skrzynkę o nieskończonych zasobach i zdolnościach absorpcyjnych odpadów i zanieczyszczeń, musimy stwierdzić: żyjemy na statku kosmicznym „Ziemia”. Statek ten ma ograniczone zasoby (także wodne) i cała załoga musi rozumieć jego funkcjonowanie, żeby racjonalnie korzystać ze wszystkich dóbr, cyrkulując.

Nowy paradygmat nazywam ewolucyjno-ekosystemowym, ponieważ wszyscy musimy sobie zdać sprawę, że biosfera zawsze ewoluowała, ale teraz to my decydujemy o kierunku tej ewolucji i o tym, czy unikniemy zderzenia. Musimy zatem ograniczać konsumpcję (np. o 30% przez każdego z nas – wtedy wejdziemy w stan równowagi). Po drugie, musimy zdawać sobie sprawę, że biosfera funkcjonuje jak ekosystem – cykl hydrologiczny napędza krążenie m.in. węgla, azotu i fosforu. Jako ludzkość zmodyfikowaliśmy szereg cykli, w tym krążenie węgla w środowisku. Przekłada się to na wiele problemów, z którymi obecnie się borykamy, np. na produkcję żywności, która staje się zasobem ograniczonym szczególnie w obliczu zmian klimatu i kurczących się zasobów wodnych. Nierozwiązane problemy dotyczące braków zasobów mogą doprowadzać do napięć społecznych lub wręcz etnicznych, tak jak w przypadku konfliktu Tutsi-Hutu w Burundi i Rwandzie. Byłem świadkiem tego narastającego konfliktu, kiedy koordynowałem jeden z projektów UNESCO MAB („Człowiek i Środowisko” -„Man and Biosphere”) na początku lat 90. Postęp w medycynie, który dotarł wtedy również do Afryki, zredukował śmiertelność. W ciągu 20 lat populacja się podwoiła. Niestety, pojemność tamtego systemu nie była wystarczająca.

- Czy na te wyzwania może odpowiedzieć ekohydrologia?

- Obserwujemy, że pojemność środowiska się zmniejsza, a populacja rośnie wykładniczo. Za największe wyzwanie współczesnego świata uznałem znalezienie mechanizmu, który nie tylko odwróci proces degradacji biosfery, ale też w obecnej sytuacji umożliwi zwiększenie jej potencjału o dalsze 30%. Recepta na zrównoważony rozwój to nie tylko redukcja konsumpcji, ale równoczesne zwiększenie potencjału wyrażonego skrótem WBSRC – woda (W), bioróżnorodność (B), korzyści dla społeczeństwa (S), odporność na zmiany klimatu (R), kultura i edukacja (C). Cała biosfera jest napędzana cyklem hydrologicznym. Krążenie wody to element, który napędza krążenie węgla, fosforu, azotu. Od tych podstawowych procesów zależy produktywność biologiczna ekosystemów i ecosystem services – korzyści wypływających z nich dla społeczeństwa. Sektorowość tej nauki i rosnąca w związku z natężającą się konsumpcją i procesami demograficznymi kompleksowość oddziaływań człowieka wymagają rozwiązań integrujących wiedzę z różnych dyscyplin nauki.

- Skąd wziął się pomysł połączenia ekologii i hydrologii w Pana pracach?

- Odbyłem staż w Instytucie Nenckiego, gdzie prof. Romuald Klekowski i prof. Zofia Fisher pracowali nad podręcznikiem Międzynarodowego Programu Biologicznego – Ecological Bioenergetics. To niezwykle aktualne do dzisiaj podejście badawcze redukowało procesy ekologiczne do praw termodynamiki. Fizyka stała się podstawą ekologii, a procesy ekologiczne łatwiejsze do kwantyfikacji, do analizy. Okazało się wówczas, że ekosystemy działają bardzo logicznie. To doświadczenie pomogło mi sformułować model abiotyczno-biotycznej regulacji, który integrował ekologię i hydrologię. Wiąże on z jednej strony hydraulikę, która w ekosystemach wodnych determinuje wydatkowanie i oszczędzanie energii przez organizmy, ponieważ ma wpływ na ich siedliska, a z drugiej strony termodynamikę, która np. pokazuje, jak rośnie wraz z temperaturą tempo metabolizmu. Model ten stał się głównym motywem programu Organizacji Narodów Zjednoczonych ds. Wyżywienia i Rolnictwa (FAO) pod nazwą Habitat Modification and Freshwater Fisheries. Koordynowałem go przez 6 lat.
W trakcie pracy w Międzynarodowym Programie Hydrologicznym wśród moich współpracowników – hydrologów – zaistniała świadomość, że bez procesów biologicznych nie rozwiąże się narastających problemów gospodarki wodnej. Model abiotyczno-biotycznej regulacji daje szansę na odkrycie nowych własności systemu, które będą generowały nowe technologie, nowy sposób myślenia i rozwiązywania problemów.

- Na czym dokładnie powinno polegać to nowe, biologiczno-hydrologiczne podejście?

- Do tej pory hydrologia skupiała się na dużych rzekach. Tymczasem kluczowe są małe cieki wodne i to od nich powinniśmy zacząć. Mały strumień jest bardzo wrażliwy na zanieczyszczenia, ale jednocześnie ma ogromny potencjał samooczyszczania. Udało nam się wykazać, że jeśli jest zacieniony, to wystarczy doświetlić go w 60%, a samooczyszczenie zwiększy się trzykrotnie. Trzeba zrozumieć ten proces, by niskim kosztem poprawić sytuację szczególnie w zakresie upraw, gdzie zanieczyszczenia obszarowe stanowią największy problem. To właśnie ekohydrologia.
Na początku tych badań wszystkim wydawało się, że rzeka płynąca w szpalerze drzew jest najbardziej cenna przyrodniczo i odporna – ma zróżnicowane siedliska, kłusownikom trudno tam dotrzeć. Sądziłem, że powinno być w niej mnóstwo ryb. Okazało się to nieprawdą. Zacząłem badać. Wyszło, że z powodu ograniczenia światła w wodzie rosną krasnorosty, czyli glony niejadalne dla bezkręgowców. Skoro nie ma tam bezkręgowców (bo nie mają się czym żywić), to nie ma też ryb, dla których są pokarmem. W takim wypadku struktura zespołów organizmów i procesy biologiczne, które stanowią o samooczyszczaniu, są silnie zredukowane.

Jednak w zlewniach małych rzek powinniśmy zacząć od retencji glebowej, zwiększając ilość materii organicznej, która jak gąbka retencjonuje wodę i zapobiega szybkiej utracie fosforu i azotu. To pozwala na wzrost polonów i redukcję przeżyźnienia wód, czego rezultatem są np. toksyczne zakwity sinic w zbiornikach zaporowych, jeziorach i Bałtyku. Drugi etap polega na konieczności utworzenia efektywnej strefy buforowanej między lądem a wodą. Dlaczego? Gdy utworzymy barierę denitryfikacyjną i duże zagęszczenie korzeni, np. znakomicie filtrujących biogeny wierzby, to obniżone zostanie również tempo przemieszczania się wód podziemnych. Dzięki temu rośliny, które uprawiamy, będą miały więcej czasu, aby nawozy pobrać z gleby i mniej ich dostanie się do rzeki. Wodę trzeba zatem chronić już na obszarach rolnych.

Na terenach miast, aby zapobiegać powstawaniu wysp ciepła, powinniśmy przede wszystkim obniżać trawniki, a wodę z dachów odprowadzać do tzw. ogrodów deszczowych – zazielenionych obniżeń terenu pomiędzy domami. Kiedy wystają one ponad poziom ulicy, to woda z nich spływa, a drzewa schną i liście opadają szybciej, przez co nie transpirują, czyli nie obniżają, temperatury i nie zwiększają wilgotności powietrza. W konsekwencji nie redukują ilości pyłów – mamy znacznie większe zanieczyszczenie powietrza i znacznie więcej przypadków alergii i astmy wśród ludzi. Ponadto obniżone trawniki i ogrody deszczowe dzięki roślinom mają zdolność podczyszczania wód burzowych. Nie trzeba w tym celu uruchamiać ogromnych pieniędzy, można niewielkimi kosztami poprawiać jakość życia w mieście. Stopniowo, np. przy każdym remoncie drogi, wystarczy zaprojektować trawnik poniżej jezdni. Jest to również najtańsza i najszybsza metoda, by z biegiem czasu ograniczyć podtopienia podczas nawalnych deszczy. Gdybyśmy obniżyli wszystkie trawniki, to w końcu zredukowalibyśmy lej depresyjny pod miastem.

- W nauce bardzo ważna jest jej adaptowalność, czyli możliwość zastosowania teoretycznych modeli w praktyce. Czy wyniki badań Pana i pańskich współpracowników przełożyły się na jakieś konkretne rozwiązania?

Tak. W latach 90. zorientowaliśmy się, że przez rozwijanie tylko nauk podstawowych (curiosity-driven science) nie można rozwiązać narastających napięć pomiędzy człowiekiem i biosferą – jest na to obecnie za mało czasu. Integrując nauki o środowisku, pogłębiamy zrozumienie procesów, a to jest podstawą innowacyjnych wizji, strategii oraz metod (policy oriented, problem-solving science). W swojej działalności naukowej staram się również wskazywać, jak można na podstawie poznania interakcji między wodą a biocenozami (tj. lasami, jeziorami i parkami) wspierać innowacyjne technologie i wprowadzać rozwiązania systemowe.

Ekohydrologia to model teoretyczny, którego testowanie w różnych warunkach i typach ekosystemów umożliwia odkrycie nowych właściwości. Pozwala to na opracowanie konkretnych rozwiązań, które przyczyniają się do poprawy zasobów wodnych, stanu środowiska i korzyści dla społeczeństwa.
Przykładowo, w latach 80. zaobserwowałem, że podczas reperowania tamy w zbiorniku Sulejowskim w województwie łódzkim obniżono poziom wody. Zmniejszyła się tym samym liczba małego narybku wylęgającego się w akwenie. Wynikiem tego było duże zagęszczenie zooplanktonu, który intensywnie filtrując glony, nie dopuścił do zakwitów.
W następnym roku po remoncie poziom wody w zbiorniku był wysoki, przybrzeżne łąki zalane. Stworzyło to bardzo korzystne dla środowiska tarliska. Zamiast czterech ryb na metr kwadratowy było ich aż czterdzieści. Działały jak odkurzacz – kompletnie wyjadły zooplankton. Pojawił się wielki zakwit. Okazało się, że regulując poziom wody, można kompletnie zmienić jej strukturę biologiczną, ograniczyć zakwity, a co za tym idzie – poprawić jej jakość i potencjał rekreacyjny. Kiedy zbiornik nie kwitł, turystów było 10 razy więcej w tym obszarze, co pozytywnie wpłynęło na ekonomię regionu.

- Rozwiązania, które Pan proponuje, wydają się skomplikowane. Jakie są koszty takich zmian?

- Ekohydrologia, integrując różne dyscypliny, sprowadza wiedzę do wspólnego mianownika. Na tej podstawie dostarcza nowych rozwiązań bliskich naturze (NBS – Nature Based Solutions), rozwiązań hybrydowych integrujących klasyczną hydroinżynierię z NBS, które unowocześniają istniejącą infrastrukturę. Np. w miejscowości Rozprza prof. Edyta Kiedrzyńska z ERCE PAN skonstruowała biotechnologiczny system znacząco poprawiający efektywność małej oczyszczalni ścieków. Oczywiście nie działałby on, gdyby nie było tam wstępnego podczyszczania z zastosowaniem rozwiązań czysto technicznych. Zawsze więc podkreślam, że ekohydrologia nie może zastąpić hydroinżynierii, ale ma jej pomagać, poprawiać stan środowiska, generować korzyści dla społeczeństwa i zmniejszać koszty rozwiązań proekologicznych.

Za kolejny przykład może posłużyć rzeka Grabia. Burmistrz Łasku planował budowę zbiornika rekreacyjnego na pięknym naturalnym odcinku rzeki. Badania, które wykonaliśmy, wykazały, że w zbiorniku zbudowanym według tradycyjnych rozwiązań hydroinżynierii będą występowały zakwity sinic w okresie letnim. Aby wyeliminować to zagrożenie, a jednocześnie ochronić cenny przyrodniczo fragment rzeki, zaproponowaliśmy pozostawienie dzikiej rzeki i skonstruowanie zbiornika obok na tarasie zalewowej.
Opracowaliśmy automatyczny system, który monitoruje jakość wody płynącej rzeki i wpuszcza do zbiornika tylko wodę dobrej jakości, nie powodującej zakwitów. Ponadto przewidzieliśmy w górnej części sekwencyjny system sedymentacyjno-biofiltrujący, który jest zabezpieczeniem w razie awarii systemu pomiarowego. Co więcej, zbiornik będzie tak skonstruowany, aby umożliwić rybom schronienie w okresie zimy. W rezultacie, konstruując zbiornik zgodnie z wiedzą ekohydrologiczną, poprawiamy zasoby wody, bioróżnorodność (tworzymy siedliska, np. trzcinowiska) i zwiększamy odporność na zmiany klimatu. To działanie przyniesie też bezpośrednie korzyści lokalnej społeczności, m.in. powstanie plaża.

W budowie nowego paradygmatu kluczowa jest także kultura i edukacja. Ludzie muszą zacząć rozumieć, jak działa taki system. Z tego powodu powstanie tam także centrum edukacyjne, które będzie atrakcyjnym miejscem na tzw. zielone szkoły. Będzie można tam na konkretnych przykładach wyjaśniać funkcjonowanie systemów ekologicznych i ich harmonizowanie z potrzebami społecznymi.

- Mówi pan o małych rzekach. A co z większymi? To one skupiają ostatnio największą uwagę. Dyskutuje się o ich regulacji, użeglowieniu…

- Brałem udział w programie Odry. Choć od lat jest ona jest rzeką uregulowaną (już przez Niemców), to zastosowaliśmy jazy powłokowe, które napełniane są wodą tylko wtedy, gdy jej poziom obniża się. Dzięki temu zwiększona została retencja wody w dolinie i przyczynia się ona do odbudowy zasobów wód podziemnych i regeneracji wysychających okresowo mokradeł. Przy konstrukcji jazów zaproponowaliśmy naturalne przepławki dla migracji ryb, czyli rzekę płynącą równolegle obok, która również jest połączona ze starorzeczami stanowiącymi refugia dla ryb, szczególnie w okresie zimy.
Do tego oczyszczalnie zostaną usprawnione przez sekwencyjne systemy oczyszczania (tak jak w Rozprzy), natomiast w obszarach rolniczych mają być utworzone buforowe strefy ekotonowe dla redukcji zanieczyszczeń obszarowych. Jeśli na hydrotechnikę spojrzymy bardziej całościowo, a nie tylko jak na budowę kawałka betonu w środku rzeki, to możemy poprawić stan ekologiczny Odry. Takie podejście nie powinno być jednak uniwersalne. Nie byłbym np. entuzjastą podobnej regulacji Bugu. Uważam, że jest to piękna, dzika rzeka, ilość wody nią płynąca w wyniku postępujących zmian klimatu jest coraz mniejsza i tam powinniśmy odtwarzać co najwyżej połączenia rzeki z doliną dla zwiększenia jej retencyjności.

- Każdy widział już chyba zdjęcia wysychającej Wisły w Warszawie. Jak schną rzeki w Łodzi?

- Łódź znajduje się na wododziale, więc jest to krytyczne miejsce. Znajduje się w pasie obszarów szczególnie suchych, również ze względu na małą lesistość. Musimy zdać sobie sprawę, że las jest elementem skutecznie stabilizującym cykl hydrologiczny, zarówno pompą, jak i filtrem. W niektórych obszarach, takich jak Syberia, Chiny czy Paragwaj, nawet 90% krążenia wody zależy od ekosystemów leśnych. W Polsce lasy w około 50% stabilizują one cykl hydrologiczny i dlatego ich powierzchnia powinna być intensywnie zwiększana.
W Łodzi wiele rzek jest skanalizowanych. W erze industrialnej stały się odbiornikami ścieków. Dlatego tak istotna jest renaturyzacja rzek, szczególnie tych, które odbierają jedynie wody burzowe.

- Jak przebiega taka renaturyzacja? Jakie warunki muszą zaistnieć, by rzekę można było w danym miejscu odtworzyć?

- Po pierwsze, renaturyzacja musi odbywać się w miejscu, w którym płynie lub płynęła kiedyś woda. Po drugie, woda burzowa powinna być podczyszczana biotechnologiami ekohydrologicznymi, tak jak zrealizowaliśmy to na Górnej Bzurze i Sokołówce w Łodzi. Umożliwia to konstruowanie małych zbiorników retencyjnych, które zasilają wody podziemne i stabilizują przepływ w renaturyzowanej rzece w okresie suszy. Obecnie dużą wagę do zagospodarowania wód burzowych w sposób zmieniający ich charakter z zagrożenia na poprawiający mikroklimat miasta zasób jest realizowanych w Gdańsku, Wrocławiu i Warszawie. Renaturyzacja małych rzek w obszarach zurbanizowanych jest szczególnie ważna w miastach, które charakteryzują się dużym procentem uszczelnionych powierzchni. Łączenie renaturyzowanych rzek i parków zielonymi korytarzami opisane zostało w mojej koncepcji miasta jako Błękitno-Zielonej Sieci.

Renaturyzacja to nie tylko podczyszczanie wód burzowych i ich retencjonowanie, ale także odtwarzanie zróżnicowanego prądu w korycie i stworzenie starorzeczy. Dodatkowo konieczne są strefy buforowe i zapewnienie dostępu światła, aby rzeka żyła. Nad Sokołówką jest też o tyle ciekawie, że duży, nowoczesny budynek Marina całą wodę deszczową wprowadza do wód podziemnych. Takie rozwiązanie zastosowano, aby zanieczyszczenia nie uciekały rynnami prosto do rzeki, ale przez wody podziemne, dzięki czemu są filtrowane i zasilają ciek stopniowo. Miasto jest fantastycznym miejscem do życia. Kontakty międzyludzkie, wymiana poglądów, kultura, nauka – jednym słowem większa masa krytyczna. Życie w centrum niewątpliwie jest niezwykle inspirujące, ale jakość życia i zdrowie to także łatwy dostęp do zieleni i wody, szczególnie w obliczu zmian klimatu.

- Wiemy już o odtwarzaniu rzek i zbiorników, interwencjach przestrzeń ulicy (obniżaniu trawników). Na ile rozwiązania, takie jak zielone dachy lub zielone ściany, są efektywne w ekohydrologicznej transformacji miast?

- Rozwiązania te muszą być bardzo dobrze skonstruowane. Istnieją np. bardzo proste systemy, w których deszczówkę z rynien akumulujemy, by potem dzięki pompie od czasu do czasu nawodnić nią zielony dach. Zielone dachy i ściany są niezwykle ważne w mieście, ponieważ transpirują, zwiększają wilgotność i pozwalają oszczędzać na klimatyzacji. Oszczędzanie energii będzie coraz ważniejsze w ocieplającym się klimacie. Nowoczesne miasto z jednej strony musi generować energię, gdzie się tylko da (na przykład za pomocą paneli fotowoltaicznych), a z drugiej strony redukować zużycie energii w każdym możliwym obszarze.

- Wiele osób obawia się używania deszczówki, szczególnie w celach gospodarczych. Największe wątpliwości budzi jej jakość, zanieczyszczenia. Jak oczyszczać deszczówkę, którą chcemy później użyć jako szarą wodę?

- Są regiony, w których deszczówka ma bardzo wysoką jakość, ale są też tereny, gdzie występuje w niej duża ilość metali ciężkich i dioksyn. Zanim przystąpi się do odzyskiwania deszczówki na potrzeby gospodarcze, warto przeprowadzić analizę i sprawdzić jej jakość. Aby przystosować deszczówkę do użytku wewnątrzdomowego, należy zastosować prosty filtr. Wraz z moją chińską magistrantką opracowaliśmy taką technologię.
W Łodzi, jak w każdym mieście, często występują metale ciężkie w deszczówce – w naszym przedsięwzięciu chodziło o to, by za pomocą obniżonych trawników szybko odbudowywać wody podziemne, przedtem redukując zanieczyszczenia. Taki filtr można stworzyć na bazie prostych składników – dolomit plus pewne rodzaje torfu. Rozwiązanie to wyłapuje metale ciężkie i dioksyny, ograniczają ich transfer do wód podziemnych. Z powodzeniem może być stosowany również w oczyszczaniu wody do podlewania np. łąk kwietnych.

- Co należy najszybciej poprawić, by nowy, ekohydrologiczny paradygmat mógł się w Polsce zmaterializować?

- Niezbędna jest dalsza integracja nauk o środowisku z ekonomią, a także rozszerzenie prawa, które do tej pory jest zogniskowane na ograniczaniu zagrożeń dla środowiska. W obecnej sytuacji niezbędne jest stymulowanie przez mechanizmy prawne realizacji rozwiązań innowacyjnych dla zwiększania potencjału WBSRC – wody, bioróżnorodności, korzyści dla społeczeństwa, odporności na zmiany klimatu, kultury i edukacji.

Tekst pochodzi ze strony Klubu Jagiellońskiego -
https://klubjagiellonski.pl/2020/06/27/ekohydrologia-czyli-naturalna-sciezka-ku-taniej-i-skutecznej-walce-z-susza/