„Klimato kaita yra vienas iš pagrindinių aspektų, atsispindinčių daugelyje mūsų laboratorijos mokslinių tyrimų ir projektų. Jos poveikio vertinimas – kasdienė mūsų veikla, padedanti spręsti, kiek vandens turėsime ateityje, kur gresia potvyniai ar sausros ir kaip tai paveiks žmones bei mus supančią aplinką“, – sako LEI Hidrologijos laboratorijos vadovas dr. Vytautas Akstinas. Šis mokslo padalinys tiria Lietuvos upes, ežerus, Kuršių marias ir Baltijos jūrą, vertindamas vandens telkinių būklės pokyčius bei ekstremalių gamtos reiškinių ir žmonių ūkinės veiklos poveikį jiems.
Globaliems iššūkiams – lokalūs sprendimai
LEI Hidrologijos laboratorija tiria vandens išteklius ir procesus, siekdama padėti juos tvariai valdyti bei prisitaikyti prie klimato kaitos iššūkių. Viena iš pagrindinių laboratorijos tyrimų krypčių yra atsinaujinančių energijos išteklių tyrimai klimato kaitos sąlygomis. Tirti hidroelektrinių ir natūralios upių tėkmės energijos ištekliai bei atlikti jūrų bangų energijos potencialo tyrimai Baltijos jūros priekrantėje.
Mokslininkai vertina, kaip keičiantis klimato sąlygoms – oro temperatūrai, kritulių kiekiui, vėjui – keisis vandens ištekliai ir kaip šie pokyčiai galėtų paveikti juos ateityje. Tai atlikdami, tyrėjai remiasi Tarpvyriausybinės klimato kaitos komisijos (IPCC) parengtais klimato scenarijais, kurie atnaujinami arba patikslinami kas 5–6 metus, atsižvelgiant į ekonominės bei socialinės aplinkos globalias vystymosi tendencijas.
„Viena iš stipriausių laboratorijos kompetencijų, vertinant klimato kaitą, yra įvairių tinklelio raiškos didinimo metodų taikymas klimato kaitos studijose. IPCC klimato scenarijų pagrindu paleisti globalaus klimato modeliai pateikia savo išvesties duomenis gana stambia gardele – atskirais atvejais Lietuvai tenka vos penki taškai. Tačiau mums rūpi lokalūs reiškiniai, tad šiuos duomenis adaptuojame vietinėms sąlygoms, atlikdami statistinį tinklelio raiškos didinimą. Tad vietoje vienos stambios gardelės galime turėti 16 ar net 100 smulkesnių, kad būtų tiksliau įvertinti klimato pokyčiai konkrečiose Lietuvos vietose“, – atskleidė dr. V. Akstinas.
Pasak jo, pavyzdžiui, galima analizuoti Žemaičių aukštumų įtaką, kuri sukuria specifines oro sąlygas ir vietines klimato anomalijas.
„Tikriausiai esate pastebėję, kad važiuojant į pajūrį ir artėjant prie aukščiausios autostrados vietos, orai dažnai subjursta, dangus apsiniaukia, kartais pradeda lyti, o sustiprėjęs vėjas netgi ima blaškyti automobilį. Tačiau vos priartėjus prie Klaipėdos, debesys išsisklaido ar net danguje pasirodo saulė. Taip vyksta dėl to, kad Žemaičių aukštumos yra, kad ir nedidelė, bet natūrali kliūtis oro srautams. Orui kylant aukštyn, jis atvėsta, todėl jame esanti drėgmė pradeda kondensuotis ir formuojasi lietaus debesys, – paaiškino pašnekovas. – Tokias teritorijas su savo unikaliu mikroklimatu svarbu įvertinti itin kruopščiai, nes jos daro didelę įtaką vietinėms oro sąlygoms, kritulių pasiskirstymui, vandens telkinių hidrologiniam režimui ir ekosistemų funkcionavimui. Tiksli tokių zonų analizė padeda geriau prognozuoti orus, planuoti žemės naudojimą, tvarkyti vandens išteklius bei spręsti klimato kaitos poveikio problemas konkrečiuose regionuose. Tai leidžia priimti efektyvesnius ir vietos sąlygoms pritaikytus sprendimus.“
Hidrologijos laboratorijos atliekami tyrimai ne tik prisideda prie mokslo bendruomenės žinių apie klimato kaitą, bet ir padeda valstybės institucijoms, pavyzdžiui, LR Aplinkos ministerijai įtraukti klimato kaitos scenarijus į aplinkos politikos planus bei geriau pasirengti būsimiems vandens išteklių valdymo iššūkiams.
Mokslas – pramonės plėtrai
Dar viena Hidrologijos laboratorijos tyrimų kryptis – energetikos ir vandens transporto infrastruktūros plėtros ir jos poveikio aplinkai vertinimas. Laboratorija turi ilgametę patirtį vandens telkinių hidrodinaminių procesų modeliavimo srityje. Pavyzdžiui, hidrodinaminis modeliavimas buvo sėkmingai taikomas Klaipėdos uosto gilinimo darbų poveikio aplinkai įvertinimui. Dr. V. Akstinas atkreipė dėmesį, kad prieš pradedant tokius darbus, itin svarbu įvertinti, kaip gilinimas paveiks krantų stabilumą, vandens tėkmių pobūdį ir nešmenų procesus uosto teritorijoje.
„Šiuo metu Klaipėdos uostas kartu su sąsiauriu vietomis yra išgilinti iki maždaug 16 metrų, o šis gylis nuolat palaikomas. Vykdant didesnio masto darbus, būtina atlikti hidrodinaminį modeliavimą. Pagal realias sąlygas sukalibruotas modelis leidžia imituoti įvairius pokyčius – pavyzdžiui, atlikus tam tikrą skaitmeninį dugno pagilinimą norimoje vietoje, galima stebėti, kaip pasikeičia vandens tėkmių greitis, kryptis bei svarbiausia – krantų erozijos ir nešmenų akumuliacijos procesai, – paaiškino mokslininkas. – Erozija yra krantų ar dugno graužimas, o akumuliacija – nugraužtos medžiagos nusėdimas kitose vietose. Per didelė erozija gali sukelti krantų nuošliaužas, o per didelė akumuliacija – nepageidaujamą seklėjimą. Pavyzdžiui, perteklinis nešmenų kaupimasis gali reikšmingai sumažinti uosto gylį, o uosto laivybai kiekvienas centimetras yra itin svarbus – kuo didesnis gylis, tuo sunkesnį krovinį laivas gali saugiai pervežti.“
Naujausias laboratorijos hidrodinaminio modeliavimo projektas „Klaipėdos valstybinio jūrų uosto pietinės dalies plėtros poveikio akvatorijos hidrodinaminiams procesams vertinimas“ baigtas 2023 m. Jis analizavo pietinės Klaipėdos uosto dalies plėtros poveikį vandens tėkmėms ties Kiaulės Nugaros sala. Projektinių pasiūlymų metu siekta išlaikyti kuo stabilesnį tėkmių pobūdį ir pusiausvyrą tarp erozijos bei akumuliacijos procesų.
Į pagalbą – dirbtinis intelektas
Nuo 2022 m. laboratorija vysto naują kryptį – nuotolinio stebėjimo metodų ir dirbtinio intelekto (DI) taikymą vandens telkinių tyrimuose. Mokslininkai naudoja dronus, kurie įvairių misijų metu iš aukštai surenka daugybę nuotraukų su upių ruožais ar kitais tiksliniais plotais, o iš jų sudaromi labai tikslus ortofoto žemėlapiai. Tai leidžia detaliai kartografuoti ir suskaitmeninti svarbius objektus, pavyzdžiui, upių vingius, gilių ir seklių vietų ribas, vandens augmenijos plotus, riedulius, įvairias kliūtis ir kitus upių aplinkos komponentus.
„Šių tyrimų ir naujų metodų poreikis atsirado vykdant keletą tarptautinių projektų, kuriuose buvo analizuojama upių hidromorfologija. Tai – upės hidraulinių savybių visuma, nulemta jos morfologijos: nuolydžio, grunto sudėties, natūralių kliūčių ir kitų aplinkos komponentų. Kad suprastume šių procesų dinamiką, anksčiau tekdavo bristi upe, apeiti kiekvieną plotą su skirtingomis hidromorfologinėmis savybėmis, viską sužymėti lazeriniu atstumo matuokliu ar GPS įranga, o grįžus – rankiniu būdu perbraižyti žemėlapius. Dabar užtenka praskristi dronu virš tiriamo upės ruožo, sudaryti detalią ortofotografiją, ir iškart galime pažymėti gilių ar seklių upės vietų padėtį, riedulių išsidėstymą, išvirtusius medžius ar kitus kliuvinius. Tai leidžia greičiau ir tiksliau skaitmeninti mus dominančius objektus“, – džiaugiasi dr. V. Akstinas.
Laboratorija siekia dar labiau automatizuoti šį procesą, todėl nuo 2023 m. kartu su KTU Informatikos fakulteto mokslininkais kuria DI algoritmus, kurie yra apmokomi atpažinti ir skaitmeninti šiuos objektus automatiškai, pagal lauko tyrimų metu surinktus hidromorfologinius duomenis. Ši tyrimų sritis turi labai didelį potencialą ateityje, nes tai turėtų optimizuoti tiek lauko tyrimus, tiek jų metu surinktos informacijos suskaitmeninimą bei žymiai sutrumpinti atliekamo darbo laiką.
Upės tėkmės prognozė
Dar viena svarbi laboratorijos tyrimų kryptis – ekstremalių hidrologinių reiškinių grėsmės ir jų valdymas klimato kaitos sąlygomis. Mokslininkai tiria ne tik paviršinius vandenis, bet ir atmosferos reiškinius, darančius įtaką hidrologiniams ekstremumams – potvyniams ir sausroms. Keičiantis klimatui, ypač svarbu vertinti potvynių rizikas ir sudaryti grėsmių žemėlapius. Tam taikomi hidrologiniai modeliai, kurie, remiantis meteorologiniais duomenimis (krituliais ir oro temperatūra), leidžia prognozuoti upės debitą – vandens kiekį, pratekantį pro tam tikrą upės skerspjūvį per laiko vienetą. Debitas upėse dažniausiai matuojamas kubiniais metrais per sekundę, tačiau mažuose upeliuose gali būti vertinamas ir litrais per sekundę.
„Nemuno baseine vien Lietuvoje turime bent 15 meteorologijos stočių, kurių dėka žinome, koks yra iškritusių kritulių kiekis ir jo erdvinis pasiskirstymas. Papildomai įtraukę upės baseino fizines geografines charakteristikas, vyraujančią grunto sudėtį, žemėnaudos įvairovę bei upių baseinų morfometrinius rodiklius, galime kurti upių hidrologinius modelius. Remdamiesi minėta informacija, sukalibruojame mus dominančios upės skaitmeninį analogą – modelį, kad jis kuo tiksliau atkartotų, kaip keitėsi vandens kiekis upėje per tiriamą laikotarpį, ir vertiname, kaip modelis tiksliai atvaizduoja realias sąlygas. Kai pasiekiame tinkamą tikslumą, galime prognozuoti upės nuotėkį į ateitį, – paaiškino mokslininkas. – Pavyzdžiui, Nemuno baseino modeliavimas yra itin sudėtingas procesas, nes vien Lietuvoje jis turi 10 pabaseinių, kuriuos reikia modeliuoti ir kalibruoti atskirai. Nors toks darbas nuo nulio galėtų užtrukti ir ne vienerius metus, tačiau laboratorijoje turime patyrusių mokslininkų, kurių žinios ir turimas ankstesnis įdirbis leidžia remtis jau sukurtais modeliais ir juos tikslinti pagal naujausius hidrometeorologinius duomenis bei pasikeitusias aplinkos sąlygas.“
Pašnekovas atskleidė, kad hidrologiniai modeliai padeda prognozuoti maksimalius debitus pavasario potvynių ar šiltojo laikotarpio poplūdžių metu. Lietuvos upėse vidutinis metinis debitas svyruoja nuo kelių šimtųjų iki 600 m³/s, tačiau potvynių metu šis rodiklis gali išaugti iki kelių tūkstančių, pavyzdžiui, Nemune. Palyginimui, vidutinis namų ūkis per mėnesį sunaudoja apie 2–5 m³ vandens – tiek kai kuriose upėse nuteka kiekvieną sekundę. Hidrologinis modelis leidžia įvertinti, kiek vandens susidaro upės baseine, o hidrodinaminis modelis padeda suprasti, kaip šis vanduo pasiskirsto erdvėje – kiek ir kokias teritorijas jis gali užlieti. Tokiam modeliavimui panaudojami skaitmeniniai paviršiaus duomenys, gaunami tiek iš valstybinių duomenų bazių, tiek sugeneruojami savarankiškai – naudojant dronus ir fotogrametriją.
Potvynių valdymas
Pasak dr. V. Akstino, visa ši informacija ypač svarbi sudarant potvynių grėsmės ir rizikos žemėlapius, kuriuos, pagal ES Potvynių direktyvą, kiekviena valstybė narė privalo atnaujinti įprastai kas 6 metus. Kartais žemėlapiuose pasitaiko netikslumų – dėl matavimų ir taikytų modelių paklaidų prognozuojami užliejimai ten, kur jų neturi būti, arba neprognozuojami ten, kur potvyniai vis pasikartoja. Todėl probleminėse vietose hidrodinaminiai modeliai ir žemėlapiai yra tikslinami, kad kuo geriau atitiktų realybę.
Pagal šiuos žemėlapius Aplinkos ministerija priima sprendimus dėl statybos leidimų išdavimo užliejamose teritorijose. Žemėlapiai padeda identifikuoti vietas, kurios gali būti užlietos potvynių metu, todėl ten gali būti ribojamas arba draudžiamas statinių statymas. Jei statyba vis tik leidžiama, gyventojai ar verslas turėtų prisiimti riziką, kad valstybė nebūtinai mokės kompensacijas, jei vėliau įvykus ekstremaliam potvyniui bus patirta žala.
„Iki šiol potvynių grėsmės žemėlapiuose Lietuvoje daugiausia buvo vertinami potvyniai, susiję su sniego tirpsmu ir liūtimis. Tačiau dabar Hidrologijos laboratorija vykdo „ICEREG“ projektą, kurio rėmuose tiriama ir papildoma rizika dėl ledo sangrūdų potvynių. Projekto metu modeliuojame situacijas, kai dideli liūčių ir sniego tirpsmo potvyniai susilieja su ledo sangrūdų susidarymu. Siekiame įvertinti, kaip tai paveiks užliejamas teritorijas laike ir erdvėje. Šiuo metu jau turime pirmuosius rezultatus, kurios laboratorijos mokslininkai pristatė tarptautinėje Šiaurės hidrologų konferencijoje Islandijoje, – pasakoja mokslininkas. – Tiesa, Lietuvoje ledo sangrūdų potvyniai nėra tokie dažni ir intensyvūs, kaip Šiaurės šalyse. Paskutinis didelis toks potvynis įvyko 2010 m., kai keliuose šalies regionuose dėl ilgai trukusios žiemos susidarė ledų sangrūdos. Žalos ledo sangrūdos padarė ir 2013 m., o vėliau tęsėsi šiltesnis laikotarpis, kai padažnėjo netgi besniegių žiemų.“
Pasak dr. V. Akstino, šių metų žiema dar kartą parodė klimato kaitos poveikį – sniego trūkumas aiškiai paveikė hidrologinius procesus. Lietuvos hidrometeorologijos tarnyba balandžio mėnesį pranešė, kad daugelyje vandens matavimo stočių jau stebimi pirmieji sausrų požymiai, nors šis metas turėjo būti potvynio piko slūgimo laikotarpis. Taip nutiko todėl, kad upių baseinuose nebuvo sukaupta pakankamai sniego, kuris paprastai užtikrina pavasario potvynį. Kai visas upės baseinas būna perdžiūvęs, net ir intensyvi liūtis pirmiausia tik sudrėkina aplinką, o tik paskui perteklinis vanduo gali patekti tiesiogiai į upę.
Atskleidė mažųjų hidroelektrinių žalą
Hidrologijos laboratorija taip pat yra atlikusi Lietuvos mažųjų hidroelektrinių (MHE) poveikio aplinkai tyrimus. Dr. V. Akstinas atkreipė dėmesį, kad nors hidroenergetika dažnai pristatoma kaip „žalioji“, aplinkai nekenkianti energijos rūšis, tyrimai atskleidė kitokią realybę.
„Trijų įgyvendintų projektų metu buvo išsamiai vertinamas MHE poveikis aplinkai, atsižvelgiant į esamą teisinį reguliavimą. Mūsų tyrimų duomenimis, dauguma tirtų elektrinių veikia netvariai – pažeidžiamas upės ekologinis vientisumas, stabdoma žuvų migracija, reikšmingai svyruoja vandens lygis žemiau hidroelektrinių. Savo rekomendacijas esame pateikę Aplinkos ministerijai ir laukiame tolesnių žingsnių dėl jų įgyvendinimo, – atskleidė pašnekovas. – Mažosios hidroelektrinės Lietuvoje pagamina vos apie 0,5 % visos reikalingos elektros energijos, tačiau jų daromas neigiamas poveikis aplinkai – kur kas didesnis. Jos pažeidžia daugiau nei 90 upės ruožų, nes žemiau elektrinių dėl užtvankų iš esmės pasikeičia upės tėkmės režimas, žuvų migracijos galimybės ir vandens organizmų buveinių struktūra.“
Pasak mokslininko, net jei yra įrengti žuvitakiai, daugelis jų neefektyvūs. Tyrimai rodo, kad ties kiekviena užtvanka vidutiniškai tik pusė žuvų sugeba ją įveikti, todėl po kelių tokių kliūčių žuvų populiacija aukštupyje sparčiai mažėja. Ypač neigiamai ekosistemoms atsiliepia vandens lygio svyravimai, kurie vyksta dėl hidroelektrinių darbo režimo. Kai kurios jų išleidžia kur kas daugiau vandens, nei natūraliai patektų į upę, o vėliau staiga sumažina srautą – tokie šuoliai naikina žuvų buveines, trikdo mitybos ir migracijos sąlygas.
„Kartu su Gamtos tyrimų centro specialistais vertindami šį poveikį, stebėjome reikšmingą žuvų rūšinės ir kiekybinės sudėties mažėjimą žemiau elektrinių, palyginus su natūraliais upių ruožais, – atkreipė dėmesį jis. – Stambesnės elektrinės, tokios kaip Kauno HE ar Kruonio hidroakumuliacinė elektrinė, veikia kitaip, bet jų poveikis taip pat svarbus. Mūsų laboratorijos mokslininkai kasmet vertina vandens lygio svyravimo įtaką Kauno marioms, ypač žuvų neršto laikotarpiu. Nustatyta, kad net ir leidžiamas 20 cm vandens lygio pokytis gali reikšmingai paveikti žuvų nerštavietes. Žuvys įprastai neršia seklumose, kur vanduo greičiau įšyla, tačiau dėl elektrinės darbo nukritus vandens lygiui, ikrai gali likti sausumoje ir žūti. Todėl itin svarbu stebėti minėtuosius svyravimus ir juos tinkamai įvertinti, kad būtų pasiektas balansas tarp pagaminamos elektros energijos ir poveikio gamtai.“
Plati veikla
Remiantis paminėtomis tyrimų kryptimis, formuojama didžioji dalis laboratorijos mokslinių veiklų. Lyginant su kitomis institucijomis, kurios dažnai fokusuojasi į vieną konkrečią sritį, LEI Hidrologijos laboratorijos stiprybė yra gebėjimas apimti visumą: nuo fundamentalių tyrimų iki praktinio taikymo.
„Vandenų klausimų mastas – daug platesnis, nei gali atrodyti iš šalies. Prieš pradėdamas dirbti institute, net neįsivaizdavau, kiek šioje srityje yra neišspręstų aspektų. Nuolat bendradarbiaujame su Aplinkos ministerija ir jai pavaldžiomis Aplinkos apsaugos agentūra ir Lietuvos hidrometeorologijos tarnyba. Jaučiame didelį poreikį iš ES institucijų – atsiranda vis daugiau direktyvinių nurodymų, kuriuos reikia įgyvendinti, tačiau kiekvienam sprendimui yra būtinas mokslinis pagrindimas. Nors kiekviena šalis narė gali spręsti problemas savaip, tačiau sprendimai turi būti pagrįsti moksliniais rezultatais ir adaptuoti vietiniam kontekstui – tai, kas tinka Graikijai ar Maltai, greičiausiai visiškai netiks Lietuvai“, – apibendrino dr. V. Akstinas.
