Analiza wpływu zagospodarowania zlewni na bilans wodny
Dmytro Zubal(1), Krzysztof Wolski(2)
(1) Studenckie Koło Naukowe Hydrologów i Hydrotechników , Instytut Inżynierii Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu ul. C.K. Norwida 25, 50-375 Wrocław
(2) Ekovert Łukasz Szkudlarek, ul. Średzka 39/1, 54-001 Wrocław
STRESZCZENIE
W pracy przedstawiono obliczenia poszczególnych składowych bilansu wodnego dla wybranych zlewni oraz określony został wpływ zmian użytkowania tych zlewni na formowanie się poszczególnych jego elementów za pomocą modelu WetSpass. Badany obszar obejmuje zlewnie Dojcy oraz Szarki, położonych w zachodniej Polsce w województwie wielkopolskim, gdzie występują jedne z najniższych opadów w kraju. Model WetSpass, przeznaczony jest do modelowania zjawisk cyklu hydrologicznego w skali regionalnej. Obliczenia bilansu wodnego dokonano dla 3 wariantów zagospodarowania zlewni. Pierwszy z nich dotyczy rzeczywistych form zagospodarowania terenu, w drugim i trzecim wariancie zostały zamodelowane zmiany w strukturze użytkowania zlewni. Pierwsza zmiana polega na tym, że grunty najmniej żyzne, czyli grunty orne położone na piaskach średnich, zalesiono lasem mieszanym. W trzecim wariancie grunty te zabudowano zabudową otwartą. Dla trzech wariantów zagospodarowania terenu w wyniku dokonanych przez model obliczeń otrzymano przestrzenne zróżnicowanie składowych bilansu wodnego po stronie jego strat, czyli spływu powierzchniowego, infiltracji efektywnej oraz ewapotranspiracji rzeczywistej, których procentowy skład zmienia się w zależności od zagospodarowania zlewni, co daje istotne informacje przy racjonalnym planowaniu zagospodarowania zlewni.
1. WSTĘP
Proces obiegu wody w przyrodzie obejmujący takie procesy jak: ewapotranspirację, kondensacje pary wodnej, opad, infiltracje, odpływ oraz różnego rodzaju retencje posiada bardzo skomplikowany charakter [Kajewski 2008]. Zjawiska te w bardzo dużym stopniu zależą od czynników meteorologicznych oraz fizjografii zlewni. Prawidłowe zrozumienie tych procesów staje się kluczowe w racjonalnym planowaniu zagospodarowania zlewni hydrologicznych. Poszczególne formy zagospodarowania terenu mają wpływ z kolei na formowanie się lokalnych bilansów wodnych. Wiedza na temat poszczególnych składników bilansu wodnego jest niezbędna w racjonalnym planowaniu zmian w strukturze użytkowania zlewni, zwłaszcza w tych, w których występują niedobory wodne. Bazując na technikach Systemu Informacji Geograficznej, dwóch profesorów z Uniwersytetu w Brukseli stworzyło model obliczający bilanse wodne w skali lokalnej. Model WetSpass (Water and Energy Transfer between Soil, Plants and Atmosphere under quasi – Steady State) wykorzystując wzajemne zależności między przepływem wody i energii pomiędzy poszczególnymi ośrodkami jakie stanowią gleba, rośliny oraz atmosfera oraz oblicza poszczególne składowe bilansu wodnego takie jak: spływ powierzchniowy, infiltracja efektywna oraz ewapotranspiracja rzeczywista [Batelaan i De Smedt 2001]. W modelu, stanowiącym rozszerzenie programu ArcView, istnieje możliwość modelowania zmian w strukturze użytkowania zlewni oraz określenia w jakim stopniu te zmiany odnoszą się do formowania się poszczególnych składowych bilansu wodnego.
2. Idea działania modelu WetSpass
Model WetSpass, bazujący na technikach GIS, wykorzystuje wzajemne korelacje oraz zależności w zakresie przepływu wody i energii pomiędzy glebą, roślinami oraz atmosferą. Dane wejściowe do modelu stanowią parametry meteorologiczne takie jak: opad, prędkość wiatru, temperatura powietrza, głębokość źwierciadła wody gruntowej, parowanie z wolnej powierzchni wody oraz parametry fizjograficzne opisujące zlewnie jak: topografia, nachylenie powierzchni terenu, rodzaje gleb oraz użytkowanie terenu. Bazę danych modelu stanowią natomiast pliki zawierające odpowiednie współczynniki korelacyjne, które model wykorzystuje do obliczania bilansu wodnego. Model generuje wyniki w postaci przestrzennego zróżnicowania poszczególnych składowych bilansu wodnego po stronie strat zarówno dla półrocza letniego, zimowego jak i dla całego roku i są to: spływ powierzchniowy, infiltracja efektywna oraz ewapotranspiracja rzeczywista (rys. 1).
Rys.1. Schemat ideowy działania modelu WetSpass [Kajewski 2008].
3. Charakterystyka obszaru badań
Obszar badań obejmuje zlewnie dwóch cieków: Dojcy i Szarki, położonych w zachodniej Polsce, na terenie województwa wielkopolskiego. Na obszarze tych zlewni, które razem zajmują powierzchnię 588 km2, występują różne formy zagospodarowania terenu, z czego najwięcej stanowią lasy oraz grunty orne (rys. 2). Jako że zlewnie znajdują się na Nizinie Wielkopolskiej występują tu jedne z najniższych opadów w kraju, których sumy oscylują w granicach 500 – 600 mm. Nie stanowi to dobrych warunków do rozwoju rolnictwa, gdyż głównie na wiosnę występują na tych terenach okresy suszy. Gleby nie wykazują wysokiej zdolności retencyjnej, czego wynikiem są niedobory wodne głównie podczas wegetacji roślin [Przybyła, Szafrański 2007].
Rys.2. Zagospodarowanie obszaru zlewni Dojcy i Szarki.
4. Bilans wodny zlewni Dojcy i Szarki dla wybranych wariantów zagospodarowania terenu
4.1 Bilans wodny dla rzeczywistego zagospodarowania zlewni
Po wprowadzeniu danych wejściowych w postaci parametrów meteorologicznych oraz fizjograficznych zlewni model wygenerował wyniki w postaci map przestrzennego zróżnicowania poszczególnych składników bilansu wodnego dla rzeczywistego zagospodarowania terenu. Dla całego roku średnia wartość spływu powierzchniowego osiąga wartość 37 mm/rok (7%), infiltracji efektywnej - 78 mm/rok (14%), oraz ewapotranspiracji rzeczywistej – 423 mm/rok (79%)(tab. 1), na którą składają się intercepcja (19%), transpiracja (46%) oraz parowanie z powierzchni gleb (14%). Po zestawieniu przychodów, czyli opadów, których poziom wynosi 535 mm/rok, w równaniu ze stratami wodnymi jakie wynoszą 538 mm/rok możemy określić bilans wodny dla aktualnego zagospodarowania terenu mianem bilansu zrównoważonego.
4.2 Bilans wodny dla I hipotetycznego wariantu zagospodarowania zlewni
W I hipotetycznym wariancie zagospodarowania zlewni zamodelowano zmianę w strukturze badanego terenu polegającą na zalesieniu lasem mieszanym gruntów ornych położonych na piaskach średnich, które stanowią około 13% powierzchni całej zlewni. W wyniku obliczeń program wygenerował mapy poszczególnych składowych bilansu wodnego, które przyjmują wartości roczne: spływ powierzchniowy 35 mm/rok (6%), infiltracja efektywna 71 mm/rok (13%), ewapotranspiracja rzeczywista 432 mm/rok (81%). Wartości składowych ewapotranspiracji rzeczywistej osiągają m.in.: intercepcja – 117 mm/rok (22%), transpiracja – 253 mm/rok (47%), parowanie z powierzchni gleb –62 mm/rok (12%) (tab.1). Po zestawieniu przychodów, czyli opadów wynoszących 535 mm/rok, w równaniu ze stratami wodnymi, które wynoszą 538 mm/rok, możemy określić bilans wodny dla aktualnego zagospodarowania terenu mianem bilansu zrównoważonego [Bajkiewicz–Grabowska, Mikulski 1999].
4.2 Bilans wodny dla II hipotetycznego wariantu zagospodarowania zlewni
W II hipotetycznych wariancie zagospodarowania zlewni zamodelowano natomiast zmianę w strukturze użytkowania terenu polegającą na zabudowaniu zabudową otwartą gruntów ornych położonych na piaskach średnich. Zmiany te wpłynęły na strukturę bilansu wodnego następująco: spływ powierzchniowy osiągnął wartość – 42 mm/rok (8%), infiltracja efektywna – 76 mm/rok (14%), ewapotranspiracja rzeczywista – 420 mm/rok (78%), na którą składają się: intercepcja – 104 mm/rok (19%), transpiracja – 250 mm/rok (47%), parowanie z powierzchni gleb – 66 mm/rok (12%)(tab.1). Bilans wodny dla II hipotetycznego zagospodarowania terenu jak i w dwóch pozostałych scenariuszach przybiera miarę bilansu zrównoważonego.
Tabela 1. Zestawienie składowych bilansu wodnego dla różnych wariantów obliczeniowych
5. WNIOSKI
Zagospodarowanie zlewni ma bardzo istotny wpływ na kształtowanie się poszczególnych składowych bilansu wodnego. Analiza zmian w poszczególnych formach zagospodarowania badanego obszaru wykazała m.in. wzrost ewapotranspiracji rzeczywistej na rzecz spadku wielkości spływu powierzchniowego i infiltracji efektywnej przy wzroście zalesienia, natomiast przy zwiększeniu się powierzchni zabudowy nastąpił wzrost wartości spływu powierzchniowego i intercepcji. Największy udział dla całego roku w składowych strony rozchodowej bilansu wodnego ma ewapotranspiracja rzeczywista stanowiąca średnio około 79%, przeważa ona nad spływem powierzchniowym (7%) oraz nad infiltracją efektywną (14%). Model WetSpass może służyć jako efektywne narzędzie do planowania racjonalnej gospodarki wodnej w skali lokalnej, zwłaszcza na terenach gdzie występują susze oraz lokalne niedobory wodne.
LITERATURA
[1] Bajkiewicz – Grabowska E., Mikulski Z.,1999: Hydrologia Ogólna. PWN, Warszawa.
[2] Batelaan O., De Smedt F., 2001: WetSpass: a flexible, GIS based, distributed recharge methodology for regional groundwater modeling. IAHS Publ. no. 269; s. 11 – 17.
[3] Kajewski I., 2008: Ocena składników bilansu wodnego w skali regionalnej przy pomocy modelu WetSpass. Zeszyty Problemowe Postępów Nauk Rolniczych, z. 528, s. 63 – 70.
[4] Przybyła C., Szafrański C., 2004: Problemy Gospodarowania Wodą w Rolnictwie Wilekopolski. Woda – Środowisko – Obszary Wiejskie, t. 4, z. 2a, str. 25 – 38.
