Cztery lata temu w wyniku gwałtownych opadów deszczu osunęła się ziemia w Kolonii Prusów koło Milówki. Osuwisko zniszczyło kilka domów, drogi oraz częściowo przegrodziło dolinę potoku Salomonka, tworząc kolejne zagrożenia. – Jest to przykład gwałtownego zdarzenia, które mogliśmy przewidzieć. Nie byliśmy w stanie mu zapobiec, ale z pewnością wiele nowych inwestycji nie zostałoby zrealizowanych w tym rejonie charakteryzującym się wysoką aktywnością stoków osuwiskowych – mówi dr hab. prof. UŚ Ireneusz Malik z Katedry Rekonstrukcji Środowiska Geograficznego (Wydział Nauk o Ziemi UŚ).

Dr hab. prof. UŚ Ireneusz Malik

Nowe narzędzie

Załóżmy, że chcemy w najbliższym czasie wybudować dom w wybranej przez siebie miejscowości, ale obawiamy się osuwania na pobliskim stoku. Istnieje kilka możliwych sposobów zbadania tak zwanej aktywności osuwiskowej. Jak wyjaśnia profesor Malik, możemy zlecić takie badanie specjalistycznej firmie, która najpierw przygotuje otwór wiertniczy w stoku, następnie umieści w nim tzw. rury inklinometryczne z PCV, aby móc co jakiś czas sprawdzać, czy nastąpiły ich odkształcenia od pionu. Innymi słowy, jeśli doszło do ruchu materiału na stoku, sonda zmieni położenie, a pomiary pozwolą zarejestrować odchylenie. Metoda jest jednak czasochłonna i kosztowna.

Można również sprawdzić interesujący nas teren na specjalnej mapie utworzonej w ramach Systemu Osłony Przeciwosuwiskowej (SOPO), inicjatywy Państwowego Instytutu Geologicznego.

Dzięki pracom Instytutu inwentaryzowane są osuwiska na terenie całego kraju i dziś wyniki prac są już dostępne w postaci geoportalu na stronie internetowej PIG. – To duży krok naprzód. Pamiętaliśmy o tej ważnej inicjatywie i doszliśmy do wniosku, że jeśli w przyszłości nałożymy na utworzoną bazę informacje o stopniu aktywności poszczególnych stoków, uzyskane nową, opracowaną przez nas metodą, efekt będzie jeszcze bardziej przydatny dla inwestorów oraz władz gmin, które planują wybrany teren zagospodarować – wyjaśnia naukowiec.

Wszystko stanie się możliwe dzięki opracowaniu nowego narzędzia do wykrywania aktywnych stoków osuwiskowych w ramach projektu dofinansowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju. – Zacznijmy od tego, że NCBiR umożliwia realizację badań o charakterze aplikacyjnym. Zwykle jest tak, że nasze geograficzne analizy nie kojarzą się z tworzeniem narzędzi, które można byłoby potem wykorzystać w praktyce. Nam się takie zadanie może jednak udać, także dzięki współpracy z biologami – dodaje profesor Malik. Badania były na początku prowadzone w dziedzinie nauk podstawowych i dotyczyły zależności między procesami kształtującymi rzeźbę stoków górskich a erozją występującą w korycie rzecznym. Efektem przeprowadzonych analiz było zaproponowanie schematu rozwoju rzeźby gór średnich w strefie klimatu umiarkowanego opartego o naprzemienne występowanie erozji w korytach rzecznych i ruchów masowych na stokach. Temat pierwotnie nie miał charakteru aplikacyjnego, ale naukowcy postawili sobie niezwykle interesujące pytanie, dotyczące możliwości datowania ruchów materiału na stoku. Odpowiedzią na tak sformułowane zagadnienie okazała się nowa metoda stworzona w ramach rozprawy doktorskiej przygotowanej przez dr Małgorzatę Wistubę, także z Katedry Rekonstrukcji Środowiska Geograficznego. Badaczka opracowała pewien algorytm matematyczny, dzięki któremu można, analizując przyrosty roczne drzew, „wyczytać”, kiedy nastąpił epizod związany z ruchem materiału na stoku. Rok później naukowcy zaczęli zastanawiać się nad możliwościami zastosowania otrzymanej metody do celów praktycznych.

„Czytanie” z drzew

Źródłem potrzebnych informacji, które mogą posłużyć w przyszłości ocenianiu aktywności osuwiskowej stoku, stał się przekrój poprzeczny rosnących na wybranym obszarze drzew. Analizując przyrosty roczne, naukowcy mogą stwierdzić, ile razy dany stok był poddawany osuwaniu materiału w ciągu ostatnich stu czy stu pięćdziesięciu lat (w zależności od wieku danego drzewa). Jak wyjaśnia profesor Malik, każde drzewo, odchylając się od pionu w wyniku ruchów gruntu, ulega zniekształceniom, przede wszystkim ze względu na działającą na pień siłę grawitacji. Odchylenie widoczne jest właśnie w rozkładzie słojów. Zmieniająca się struktura drewna widoczna jest przy użyciu najprostszych narzędzi do mierzenia szerokości pojedynczych przyrostów rocznych. Trzeba jednak pamiętać o tym, że pochylenie drzewa widoczne gołym okiem może być spowodowane przez wiele środowiskowych czynników, takich jak działanie silnego wiatru, zmiany klimatyczne czy zanieczyszczenia. Aby wyeliminować inne czynniki, badacze biorą pod uwagę także tak zwane stoki referencyjne, czyli takie, w przypadku których nie może być mowy o osuwaniu. – Jesteśmy w stanie odróżniać zapisane w przyrostach drzew informacje i odnaleźć te, które dotyczą wyłącznie osuwiskowej aktywności stoku – wyjaśnia prof. Malik i kładzie na stole przykładowy przekrój poprzeczny pnia drzewa (widoczny na zdjęciu), którego historia na moich oczach zaraz zostanie „odczytana”. – W pokazanym przykładowym krążku widać przesunięcie pionowej osi pnia i wokół nierównomiernie rozkładające się szerokości słojów. Trzeba pamiętać również o tym, że obraz zapisany w przekroju zmienia się w zależności od tego, czy badane jest drzewo liściaste czy iglaste. Drzewo iglaste wykształca szersze przyrosty w tę stronę, w którą się pochyla. Drzewo liściaste – odwrotnie. Wystarczy, że zaobserwujemy, że w danym roku przyrost jest z jednej strony rdzenia na przykład trzy razy większy niż z drugiej, wówczas możemy przypuszczać, że w tym roku nastąpiło silne poruszenie gruntu – opowiada profesor Malik.

Podstawą matematycznej formuły sprowadzającej szerokość przyrostów do konkretnych wyników jest poszukiwanie zmian skokowych. Pojawiający się skok w odległości między słojami z obu stron rdzenia świadczy o zaburzeniu równowagi grawitacyjnej. Nauka „czytania” drzew możliwa jest dzięki współpracy z biologami ze Śląskiego Ogrodu Botanicznego, z dr. Pawłem Kojsem, jak również z dr. hab. prof. UO Wiesławem Włochem. – Badacze zajmujący się anatomią i fizjologią drewna znacznie więcej wiedzą o drzewach i czasem sprowadzają nas na ziemię, ale w tej kwestii jesteśmy akurat zgodni: skok różnicujący zmianę szerokości między słojami z jednej i drugiej strony rdzenia jest znakiem aktywności osuwiskowej – dodaje badacz.

Szczeliny powstające na powierzchni stoku w wyniku osuwania

Opracowywana metoda wydaje się o wiele bardziej skuteczna i z pewnością mniej kosztowna od dotychczasowych rozwiązań. Naukowcy odczytują bowiem dane zapisane w strukturze drzew, uzyskując informacje w znacznie szerszym przekroju czasowym i przestrzennym, zamiast punktowego, otrzymanego w wyniku pomiarów prowadzonych bezpośrednio w otworze wiertniczym przygotowanym na stoku. – Założyliśmy, że badamy od 10 do 15 przekrojów drzew na danym obszarze. Jeśli obraz ma być dokładniejszy, tych prób potrzeba oczywiście więcej, ale optymalna liczba zostanie ustalona dopiero pod koniec prowadzonych badań. Poza tym wszystko zależy od charakteru inwestycji, od konkretnego zlecenia – wyjaśnia profesor Malik.

Jedną z bardziej drażliwych kwestii jest jednak pytanie o źródło materiału do badań. Okazuje się, że nie ma konieczności ścinania drzew dla uzyskania przekroju poprzecznego poddawanego dalszym analizom. Do pobierania materiału służy tak zwany świder Presslera, małoinwazyjny ręczny przyrząd umożliwiający określenie wieku drzewa bez dokonywania zniszczeń. Poza tym wiercenie zwykle dokonywane jest w drzewostanie gospodarczym. W zbiorach znajdują się również krążki z drzew ściętych przez leśników na stokach osuwiskowych.

Komercjalizacja wyników

Jednym z warunków wzięcia udziału w programie BRIdge Narodowego Centrum Badań i Rozwoju było utworzenie spółki typu start-up. Dzięki niej możliwa stanie się komercjalizacja otrzymanych wyników. – W przygotowaniu dokumentów niezbędnych do złożenia aplikacji uczestniczyli pracownicy uniwersyteckiego Biura Współpracy z Gospodarką, za co chcielibyśmy im podziękować. Wspólnie udało się otrzymać pieniądze na sfinansowanie przedsięwzięcia. W związku ze stopniem zaawansowania prac i unikalności wprowadzanej metody przygotowaliśmy także zgłoszenie patentowe. Jednym z naszych celów będzie stworzenie konkretnego produktu, który potem chcielibyśmy zaoferować inwestorom czy gminom. Jest to duże wyzwanie – mówi profesor Malik. Dzięki otrzymanym wynikom utworzony zostanie geoportal, który pokaże zagrożenie osuwiskowe na wybranym do projektu terenie. Badania prowadzone będą przede wszystkim w gminie Milówka. Wykonane zostały już testy, które wykazały między innymi, że wspomniane na początku osuwisko z 2010 roku mogło zostać przewidziane. Rosnące tam drzewa miały zapisaną informację o wysokiej aktywności osuwiskowej stoku góry Prusów. Biorąc pod uwagę ogromne straty powstające w wyniku tak dramatycznych zdarzeń, z pewnością nie zabraknie osób zainteresowanych wykorzystaniem nowego narzędzia w praktyce. Odbiorcami mogą być architekci, władze gmin oraz inwestorzy. Badacze uzyskali już poparcie Małopolskiej Izby Architektów oraz rekomendację gminy Milówka i Starostwa Powiatowego w Żywcu.