AGENDA

1. FORUM CZYSTEJ ENERGII8 Października 2013, POZNAŃZasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż. Dorota Pusłowska, dr inż. Sylwester Tyszewski – Politechnika Warszawska dr inż. Jan Macuda - Akademia Górniczo - Hutnicza

2. AGENDA FORUM CZYSTEJ ENERGII

3. AGENDA FORUM CZYSTEJ ENERGII

4. Zamiast wstępu Średnie zużycie wody dla złóż gazu niekonwencjonalnego w USA (Anthony B., 2010)

5. LokalizacjA ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego Ogólne sformułowanie zadania Zapewnienie odpowiednich ilości wody dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego wymaga opracowania zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru bilansowania obejmującego tereny planowanej eksploatacji gazu łupkowego, uwzględniającego dyspozycyjne zasoby wód podziemnych w przyjętym obszarze, interakcję wód powierzchniowych i podziemnych oraz uwzględniającego specyficznego użytkowników jakim są ekosystemy wodne i od wody zależne .

6. Lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego • Projekt obejmuje realizację następujących zadań: • dostosowanie metodyki opracowywania bilansów wodno-gospodarczych poprzez integrację bilansów wód powierzchniowych i podziemnych oraz poprzez uwzględnienie specyfiki nowego sposobu użytkowania wód (modelowanie zapotrzebowania na wodę, procesu retencjonowania i wykorzystywania zasobów wodnych, oraz biorąc pod uwagę kryteria oceny stopnia realizacji zadania w instalacji szczelinowania) • opracowanie symulacyjno-optymalizacyjnego modelu bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru hydrograficznego obejmującego tereny eksploatacji gazu łupkowego metodą szczelinowania hydraulicznego; model będzie uwzględniał wymagania osiągnięcia celów środowiskowych określonych w PGWOD oraz w „Warunkach korzystania z wód regionu wodnego”

7. lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego • Projekt obejmuje realizację następujących zadań (cd): • wykonanie wariantowych obliczeń bilansowych wraz z analizą i oceną wariantów gospodarowania wodą – sformułowanie zaleceń realizacyjnych • opracowanie modelu niezawodności uwzględniającego co najmniej dwa czynniki istotnie wpływające na niezawodność, tj. typ ujęć wody oraz zmienność ich lokalizacji; • wskazanie sposobów utrzymania wysokiego poziomu niezawodności dla systemu pilotowego oraz oszacowanie kosztów zapewnienia odpowiedniego poziomu niezawodności.

8. lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego • Projekt obejmuje realizację następujących zadań w zakresie wód podziemnych : • Identyfikacja i lokalizacja użytkowych poziomów wód podziemnych w rejonie występowania skał łupkowych, • Ocena zasobów wód podziemnych użytkowych poziomów wodonośnych i oszacowanie wydajności ujęć wód podziemnychdla potrzeb procesu szczelinowania • Opracowanie mapy (GIS) głównych źródeł zaopatrzenia instalacji w wody podziemne z użytkowych poziomów wodonośnych w rejonach występowania skał łupkowychi zintegrowanie z modelem wodno- gospodarczym

9. lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i Podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego • Projekt obejmuje realizację następujących zadań w zakresie wód podziemnych (cd) : • Opracowanie optymalnych konstrukcji studni wierconych dla ujmowania wód podziemnych w różnych rejonach występowania skał łupkowych, • Opracowanie optymalnej metody wiercenia ujęć wód podziemnych, • Opracowanie optymalnej techniki i technologii wykonywania ujęć wód podziemnych

10. lokalizacja ujęć oraz wyznaczenie wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego • Przewidywane efekty realizacji projektu: • podstawy metodyczne oraz model zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego wód powierzchniowych i podziemnych dla obszaru bilansowego obejmującego tereny eksploatacji gazu łupkowego, • propozycja rozwiązania problemu dostarczenia wody na potrzeby procesu szczelinowania hydraulicznego– lokalizacja ujęć wody i wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych oraz sposobu transportu wody do i retencjonowania wody dla instalacji, • ocena stopnia niezawodności poszczególnych wariantów dostawy wody w obszarze pilotowym wraz ze wskazaniem sposobów osiągnięcia odpowiedniego (wymaganego) poziomu niezawodności.

11. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Definicja bilansu wodno-gospodarczego Zintegrowany bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych jest specjalistycznym opracowaniem analityczno-rachunkowym wykonywanym dla obszaru bilansowego (zlewni rzecznej lub jej części) obejmującym ilościowe i jakościowe porównanie zintegrowanych zasobów wód powierzchniowych i podziemnych z potrzebami użytkowników, zuwzględnieniem możliwości kształtowania tych zasobów przez obiekty hydrotechniczne, hierarchii użytkowników, powiązań pomiędzy wodami powierzchniowymi i wodami podziemnymi oraz wymagań ochrony środowiska przyrodniczego (ekosystemów wodnych i od wód zależnych).

12. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Definicja bilansu wodno-gospodarczego (cd) Obszary bilansowe charakteryzują się występowaniem różnorodnych form użytkowania i wielkością zapotrzebowania zasobów wodnych użytkowników wody konflikty wynikające z niemożności jednoczesnego spełnienia wszystkich oczekiwań/zadań wszystkich użytkowników.

13. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Cele bilansów wodno-gospodarczych • ocena możliwości zaspokojenia ilościowych potrzeb wodnych użytkownikówzaopatrywanych z wód powierzchniowych i podziemnych; • ocena wpływu obecnego i przewidywanego użytkowania zasobów wodnych na reżim hydrologiczny rzek i użytkowych warstw wodonośnych ; • ocena stopnia spełnienia wymagań związanych z ochroną środowiska;

14. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Cele bilansów wodno-gospodarczych (cd) • określanie obszarowego i czasowego rozkładu rezerw zasobów wód powierzchniowych i podziemnych z podaniem uwarunkowań i ograniczeń wykorzystywania tych rezerw dla zaspakajania potrzeb nowych użytkowników; • tworzenie podstaw dla przygotowania wniosków o udzielenie pozwolenia wodnoprawnego na pobór wody i odprowadzanie ścieków; • określanie lokalizacji, parametrów oraz zasad pracy nowych obiektów hydrotechnicznych, ujęć wód, przerzutów etc..

15. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (1) • bilans wykonywany jest dla obszarów hydrograficznych (dorzeczy, regionów wodnych, zlewni rzecznych lub ich części) oraz wybranych warstw wodonośnych – obszarów bilansowania ; • bilans ma charakter dynamiczny tzn. uwzględnia zmienność w czasie danych wejścia opisujących elementy bilansu (zasoby, potrzeby, zrzuty, zasady pracy obiektów retencjonujących wodę i innych urządzeń hydrotechnicznych,itp.); • bilans ma charakter wielookresowej symulacji rozrządu zasobów wodnych pomiędzy użytkowników w przekrojach bilansowych zlewnirzecznej dla wszystkich przedziałów czasowych analizowanego okresu bilansowania;

16. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2) • rozrząd zasobów wodnych odbywa się zgodnie z ustaloną hierarchią użytkowania wód przy użyciu modelu symulacyjno-optymalizacyjnego odzwierciedlającego obszarową strukturę systemu wodnogospodarczego (układ sieci rzecznej, trasy przerzutów wody, lokalizację punktów poboru wody i zrzutu ścieków); • hierarchia użytkowania zasobów wodnych wynika z ustaleń warunków korzystania z wód regionu wodnego. • analizy symulacyjne będą obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych;

17. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (3) • Potrzeby wodne użytkowników nieretencjonującychwody opisywane są: • ciągami średnich okresowych zapotrzebowań na wodę (gospodarka komunalna, zakłady przemysłowe), • wymaganiami przepływu w określonych przekrojach rzek (przepływy nienaruszalne, przepływy żeglugowe).

18. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (4) • Potrzeby wodne użytkowników „retencjonujących wodę” (retencja wody dla potrzeb instalacji szczelinującej, niektóre użytkowania związane z ochroną przyrody) obliczane są z uwzględnieniem aktualnego stanu obiektu użytkownika wody oraz aktualnych warunków hydro-meteorologicznych. Takie podejście umożliwia uwzględnienie procesu narastania wielkości potrzeb wodnych, w przypadku, gdy w poprzednich okresach nie zostały one zaspokojone. Obliczanie potrzeb wodnych użytkowników „retencjonujących wodę”

19. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (5) • Lokalizacja przekrojów bilansowych: • na ciekach głównych powyżej ujść dopływów, • w ujściach dopływów, • w przekrojach zamykających scalone części wód, • w miejscach znaczących poborów i zrzutów wód, • w miejscach usytuowania obiektów hydrotechnicznych kształtujących reżim przepływów (zbiorniki, przerzuty), • na granicach jednostek administracyjnych i obszarów Regionalnych Zarządów Gospodarki Wodnej.

20. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (6) • Zlewnia rzeczna wraz z użytkownikami wody i obiektami hydrotechnicznymi (system wodnogospodarczy) opisywana jest za pomocą sieci przepływowej, złożonej z węzłów i łuków; • Węzły sieci odpowiadają lokalizacjom przekrojów bilansowych; • Łuki sieci przedstawiają kierunki przemieszczania się zasobów między węzłami.

21. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (7) • W tak sformułowanym modelu sieciowym wielkości przepływów Qij w poszczególnych łukach sieci, dla każdego przedziału czasowego, muszą spełniać dwa podstawowe warunki: • warunek zgodności przepływów z ograniczeniami • warunek zachowania bilansu przepływów w węźle m1 - liczba łuków skierowanych do węzła j o węźle początkowym i m2 - liczba łuków wychodzących z węzła j o węźle końcowym k • W przypadku niedoboru zasobów do rozwiązywania problemu rozrządu wody pomiędzy użytkowników zgodnie z ustaloną hierarchiąwykorzystane zostaną rożnego rodzaju algorytmy optymalizacyjne(np. programowanie liniowe, programowanie dynamiczne, programowanie sieciowe).

22. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Bilans Wyniki obliczeń symulacyjnych (1) Podstawową formą wyników analiz bilansowych są ciągi: • przepływów w poszczególnych odcinkach rzek / kanałów i zmiany stanu wód podziemnych w użytkowych warstwach wodonośnych • poborów, strat wody i zrzutów ścieków od użytkowników • stanów obiektów hydrotechnicznych (np. napełnienia końcowe zbiorników retencyjnych) • stanów obiektów użytkowników dla wszystkich przedziałów czasowych rozpatrywanego okresu bilansowego.

23. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Wyniki obliczeń symulacyjnych (2) • Wyniki obliczeń symulacyjnych stanowią podstawę dla oceny: • stopnia realizacji zadania zaopatrzenia w wodę instalacji szczelinowania z uwzględnieniem wymagań innych użytkowników wody w tym ekosystemów wodnych i od wód zależnych; • wielkości i rozkładu czasowego i przestrzennego dyspozycyjnych zasobów wodnych zwrotnych i bezzwrotnych; • wpływu użytkowania zasobów wodnych (poborów) na reżim hydrologiczny rzek oraz stan wód podziemnych w kontekście utrzymania lub osiągnięcia dobrego stanu wód; • sposobu i efektywności pracy obiektów hydrotechnicznych – ujęć, sieci zaopatrzenia w wodę .

24. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Wariantowe analizy symulacyjne • Przy formułowaniu wariantów gospodarowania wodą uwzględnia się: • występowanie projektowanych obiektów hydrotechnicznych (zbiorników retencyjnych dla potrzeb instalacji szczelinowania, kanałów przerzutowych), • różne wartości parametrów projektowanych obiektów hydrotechnicznych (pojemność użyteczna zbiorników, przepustowość kanałów przerzutowych), • Wariantowe lokalizacje i wielkości potrzeb wodnych nowych użytkowników - instalacji szczelinowania oraz zbiornika retencjonującego ciecz szczelinującą.

25. Zamiast wniosków PW i AGH zrealizują zadanie polegające na opracowaniu zintegrowanego bilansu wodno-gospodarczego dla obszaru bilansowania obejmującego tereny planowanej eksploatacji gazu łupkowego, bilansu stanowiącego podstawę decyzji i działań, które zapewnią odpowiednie ilości wody dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego.

26. DZIĘKUJĘ ZA UWAGĘ ! FORUM CZYSTEJ ENERGII8 Października 2013, POZNAŃZasoby wodne potrzebne do procesu szczelinowania hydraulicznego Prof. dr hab. Marek Nawalany, dr inż. Dorota Pusłowska, dr inż. Sylwester Tyszewski – Politechnika Warszawska dr inż. Jan Macuda - Akademia Górniczo – Hutnicza

27. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2) • analizy symulacyjne powinny obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych; • zaleca się 10-dniowy (dekadowy) krok symulacji – im krótszy tym dokładniejsza analiza i tym większe wymagania odnośnie szczegółowości danych wejściowych oraz wyższy stopień komplikacji modeli matematycznych; • zasoby wód powierzchniowych opisywane są w postaci wieloletnich ciągów przepływów średnich dekadowych zestawionych dla przekrojów wodowskazowych.

28. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych i podziemnych Podstawowe założenia (2) • analizy symulacyjne powinny obejmować możliwie najdłuższy okres, dla którego dysponuje się wiarygodnymi danymi o zasobach i potrzebach wodnych; • zaleca się 10-dniowy (dekadowy) krok symulacji – im krótszy tym dokładniejsza analiza i tym większe wymagania odnośnie szczegółowości danych wejściowych oraz wyższy stopień komplikacji modeli matematycznych; • zasoby wód powierzchniowych opisywane są w postaci wieloletnich ciągów przepływów średnich dekadowych zestawionych dla przekrojów wodowskazowych.

29. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych Kryteria oceny stopnia realizacji zadań gospodarki wodnej (1) • Średnia roczna gwarancja czasowa pokrycia potrzeb wodnych (Gt) • Gwarancja objętościowa pokrycia potrzeb wodnych (Gv) • Maksymalny czas trwania ciągłego deficytu (Lmax) • Maksymalna głębokość deficytu (Dmax)

30. Bilans wodno-gospodarczy wód powierzchniowych Ocena wielkości oraz rozkładu czasowego i przestrzennego dostępnych zasobów wodnych (1) Charakterystyka zasobów w przekrojach bilansowych: PRZEPŁYWY GWARANTOWANE ZASOBY DYSPOZYCYJNE ZWROTNE o określonej gwarancji (ilośćwody, jaka może zostać pobrana z danego przekroju rzeki pod warunkiem, że użytkownik po wykorzystaniu pobranej wody zwróci ją w całości do rzeki bezpośrednio poniżej miejsca poboru) ZASOBY DYSPOZYCYJNE BEZZWROTNE (REZERWY WODY) O OKREŚLONEJ GWARANCJI (DOPUSZCZALNA WIELKOŚĆ ZUŻYCIA BEZZWROTNEGO POBRANEJ WODY) S ≤ ZDB S S P=S Z P ≤ ZDZ P S ≤ ZDB QN QN

31. Optymalizacja lokalizacji ujęć oraz wielkości poborów wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb procesu szczelinowania hydraulicznego z uwzględnieniem konieczności realizacji celów środowiskowych Marek Nawalany Dorota Pusłowska-Tyszewska Sylwester Tyszewski Politechnika Warszawska Wydział Inżynierii ŚrodowiskaKatedra Ochrony i Kształtowania Środowiska Jan Macuda Akademia Górniczo-Hutnicza Wydział Wiertnictwa, Nafty i Gazu