Rozwój technologii satelitarnych stwarza coraz większe możliwości budowy nowoczesnych narzędzi monitoringu stanu wód podziemnych. Technologia teledetekcji jest z powodzeniem wykorzystywana m.in. w USA, Kanadzie, Francji do stworzenia zaawansowanych systemów obserwacyjnych, które integrują dane in situ, satelitarne oraz wyniki modelowania numerycznego zapewniając wysoką jakość oceny zmiennych cyklu wodnego w skali przestrzennej.
Obecnie wykształciły się cztery główne kierunki zastosowania teledetekcji do zdalnego monitorowania:
- retencji wód w nieizolowanych zbiornikach wód podziemnych,
- ewapotranspiracji,
- wilgotności strefy aeracji,
- rzędnej zwierciadła wód.
Retencja wód w nieizolowanych zbiornikach wód podziemnych
Satelitarne pomiary grawimetryczne skutecznie wykorzystywane są dla szacowania zmian masy wody wypełniającej szkielet gruntowy. W 2002 roku został uruchomiony przez NASA program GRACE – The Gravity Recovery And Climate Experiment. Jego głównym założeniem jest wyznaczenie geoidy oraz anomalii grawimetrycznych na całej kuli ziemskiej oraz monitorowanie zmian klimatu poprzez zmiany zasobów wodnych.
Dane satelity GRACE dostarczają danych o zmianach całkowitej retencji, które obejmują zmiany w magazynowaniu wody w pokrywie śnieżnej, zbiornikach wód powierzchniowych, strefach aeracji i saturacji. Po uwzględnieniu zmian masy wód powierzchniowych, wilgotności strefy aeracji i pokrywy śnieżnej dane GRACE można wykorzystać do bezpośredniego określenia zmian retencji wód podziemnych w skali regionalnej.
Dokładność szacowania zmian ilościowych zasobów wód podziemnych jest ograniczona dokładnością, z jaką można oszacować zmienność pozostałych składowych bilansu wodnego. Przykładowo w amerykańskim systemie wodonośnym High Plains Aquifer udało osiągnąć wysoką dokładność systemu GRACE - precyzja pomiaru zmian magazynowania wód podziemnych jest na poziomie 8,7 mm.
Ograniczeniem GRACE jest niska rozdzielczość przestrzenna (obecnie > 150 000 km2) przy wysokiej dokładności pomiaru masy. Problem niskiej rozdzielczości jest skutecznie eliminowany poprzez kalibrację na podstawie gęsto próbkowanych pomiarach zmian poziomu zwierciadła wód podziemnych i znajomości odpowiednich współczynników magazynowania.
Ewapotranspiracja
Dokładne przestrzennie szacowanie ewapotranspiracji rzeczywistej (ET) w skali regionalnej i globalnej obecnie wykonywane wyłącznie z wykorzystaniem obserwacji teledetekcyjnych, w szczególności z czujników satelitarnych, ponieważ zapewniają one ocenę w regularnych odstępach czasu.
Większość modeli teledetekcyjnych, które szacują rzeczywistą (a nie potencjalną) ET, bazują się na szacowaniu strumienia energii powierzchni ziemi. Wymaga to zarówno znajomości stanu roślinności (np. wskaźnika powierzchni liści lub frakcji roślinności zielonej), jak i temperatury powierzchni ziemi (LST), która pełni rolę jednego z warunków brzegowych modelu. Dlatego obserwacje teledetekcyjne z wykorzystaniem czujników widzialnych/bliskiej podczerwieni i podczerwieni termicznej stanowią ważne źródło danych wejściowych dla takich modeli.
Niedawne wystrzelenie satelitów Sentinel-2A , Sentinel-2B i Sentinel-3A (oraz nadchodzący start Sentinel-3B) stwarzają nowe możliwości dokładnego i operacyjnego modelowania rzeczywistych ET. Wykorzystując synergię między czujnikami satelitów Sentinel-2 i Sentinel-3, uzyskano możliwość szacowania rzeczywistej ET w skali lokalnej. Dzięki projektu Sen-ET stworzono aplikację typu open source do modelowania rzeczywistej ET.
Algorytm oceny ET bazuje się na modelu Two-Source Energy Balance (TSEB-PT), uwzględniającym parowanie gleby, transpirację i parowanie przez roślinność. Końcowym produktem aplikacji Sen-ET jest szacowanie rzeczywistej ET w jednostkach mm/dobę i rozdzielczości przestrzennej 20 m.
Ilościowe określenie wpływu ewapotranspiracji na zasilenie wód podziemnych (infiltrację efektywną) ma istotne znaczenie dla prawidłowego prowadzenia modelowych badań hydrogeologicznych w skali regionalnej, szczególnie w aspekcie przewidywania zmian zasobów wód podziemnych w zależności od zmian klimatu.
Wilgotność strefy aeracji
Wilgotność strefy aeracji jest również istotną zmienną w badaniach hydrogeologicznych, ponieważ pozwala na przestrzenną analizę infiltracji efektywnej – kluczowego parametru w modelach hydrodynamicznych oraz ocenie naturalnej podatności wód podziemnych na zanieczyszczenie. Obrazowania satelitarne stwarzają nowe możliwości oceny rzeczywistej infiltracji efektywnej, w porównaniu z dotychczas stosowaną potencjalną infiltracją efektywną szacowaną w oparciu o współczynnik zależny od składu granulometrycznego utworów.
Wykorzystując duży zasób danych EUMETSAT H-SAF (z czujnika ASCAT satelitów Metop) w zakresie dobowych wielkości wilgotności strefy aeracji dla warstw o głębokości 28-100 cm oraz 100-289 cm jest możliwość znormalizowania wartości infiltracji efektywnej między warunkami suchymi (0) a mokrymi (1). Algorytm oceny wilgotności strefy aeracji zastosowany w EUMETSAT H-SAF (Satelitarne Centrum Aplikacyjne dla Operacyjnej Hydrologii i Gospodarki Wodnej) bazuje się na modelu ECMWF H-TESSEL, który m.in. zawiera satelitarne pomiary zmiennych ewapotranspiracji i opadów atmosferycznych.
Wielkie perspektywy oceny wilgotności strefy aeracji stwarzają także produkty SCATSAR-SWI stworzone poprzez fuzje danych ASCAT-SSM i Sentinel-1 SSM w lepszej (1 km) rozdzielczości przestrzennej, niż dane EUMETSAT H-SAF (25 km). Obecnie w otwartym dostępie poprzez Copernicus Global Land Service są dane pomiarów dobowych tylko dla warstwy o głębokości 5 cm, natomiast zaplanowane udostępnienie także danych dla warstwy o głębokości 100 cm.
Rzędna zwierciadła wód
Aktualnie do identyfikacji obszarów o płytkim występowaniu zwierciadła wód podziemnych wykorzystywane są pomiary wskaźników pośrednich – objawów podtopień terenu, cech roślinności bagiennej, temperatury i wilgotności gleby oraz zmian pola grawitacyjnego. Przyszłość teledetekcji w tym zakresie zmierza w kierunku opracowania narzędzi pozwalających na bezpośredni, satelitarny pomiar głębokości występowania zwierciadła wód podziemnych, tak jak ma to miejsce w przypadku wysokości poziomu wód powierzchniowych i oceanicznych.
Najnowsza, zaplanowana do uruchomienia w 2022 r., misja satelitarna – Surface Water and Ocean Topography (SWOT) stosująca altymetrię radarową umożliwi pomiar wysokości poziomu wód powierzchniowych oraz szerokości rzek i spadku hydraulicznego. Ten interferometryczny radar działający w paśmie Ka zapewni prowadzenie odczytów poziomu zwierciadła wody w rzekach o szerokości powyżej 50 metrów oraz jeziorach o powierzchni ponad 0,06 m2 z rozdzielczością 2 × 10 metrów i dokładnością wysokościową 10 cm i 1,7 cm/km – dla spadku hydraulicznego.
Obecnie działające misję satelitarne – TOPEX/Poseidon oraz Jason-3 dedykowane obserwacjom powierzchni oceanu oraz morza, wykazują też dobrą przydatność dla pomiaru wysokości poziomu wód w dużych (powyżej 1 km szerokości) rzekach i jeziorach z dokładnością pionową od 15 do 60 cm.
Studium wykorzystania modelu GRACE w ocenie zmian retencji wód podziemnych na Niżu Polskim
W badaniu tym określono ilościowe zmiany retencji wód podziemnych na Niżu Polskim w dwóch systemach wodonośnych o odmiennych cechach – doliny rzek Łasica i Narew w okresie od 2008 do 2021 roku przy użyciu danych teledetekcyjnych i wyników pomiarów in-situ poziomu zwierciadła wody podziemnej w punktach stacjonarnej sieci Systemu Obserwacji Hydrogeologicznych.
Dane teledetekcyjne pochodzą z systemu GRACE, opartego na satelitarnych pomiarach grawimetrycznych. Dane misji GRACE zawierają wyniki pomiaru zmiany masy wody wypełniającej szkielet gruntowy pod powierzchnią terenu i są przedstawiane jako wskaźnik wysokości ekwiwalentu wody (water equivalent height) szacowany w cm. Pomiar ten jest ograniczony rozdzielczością pionową, przez co satelity misji GRACE szacują zmiany sumarycznej masy wody zawartej w pokrywie śnieżnej, glebie oraz strefach aeracji i saturacji. W związku z czym, wyniki pomiarów powinny zostać skorygowane o wahania masy wody zawartej w glebie i śniegu.
Dla przetestowania przydatności danych teledetekcyjnych do szacowania zmian retencji wód podziemnych wykorzystano odpowiednio długie (2008-2021 lata) i jednorodne ciągi obserwacyjne tygodniowych zmian położenia zwierciadła wody w punktach sieci obserwacji wód podziemnych ujmujących I kompleks wodonośny oraz zlokalizowanych w strefie drenażu w obrębie Niżu Polskiego.
Wybór I kompleksu wodonośnego spowodowany jest tym, że odpowiednie badania kalibracyjne przeprowadzone w USA poprzez zespół NASA oraz wiodące jednostki naukowe potwierdzają wysoką dokładność metody grawimetrycznej dla warstw wodonośnych ze zwierciadłem swobodnym, które dominują w I kompleksie wodonośnym. Wykorzystując zgromadzone serie danych pomiarowych w stacjonarnej sieci obserwacyjnej dokonano oceny zmienności poziomu zwierciadła wód podziemnych, metodą sumy średnich różnic tygodniowych, opracowaną w zespole monitoringu PSH, w oparciu o następującą formułę:
gdzie: Hn – wartość skumulowana w tygodniu n-tym [m]; ∆h - średnia zmiana zwierciadła wody w punktach monitoringowych (P1-n), reprezentatywnych dla stref drenażu regionu Niżu Polskiego [m].
Wyniki tych obliczeń przedstawiono poniżej za pomocą krzywej kumulacyjnej na tle wykresów wskaźnika wysokości ekwiwalentu wody (G) ocenionego metodą grawimetryczną na podstawie danych satelitarnych dla 2 lokalizacji – w rejonie miejscowości Łomża (dolina rz. Narwi) oraz Granica (dolina rz. Łasica).
Zmiana retencji wód podziemnych obliczona na podstawie danych: 1) in-situ – H, m (krzywa kumulacyjna reprezentatywna dla stref drenażu Niżu Polskiego); 2) satelitarnych dla lokalizacji Granica i Łomża – G, cm (wskaźnik wysokości ekwiwalentu wody)
Mając zbiór 128 przypadków zsynchronizowanych pomiarów satelitarnych i in-situ, oceniono zależność między wynikami pomiarów in-situ oraz satelitarnymi za pomocą metody linii trendu (metodą najmniejszych kwadratów) oraz współczynnika Pearsona dla korelacji liniowej.
Zależność między pomiarami in-situ (H) a satelitarnymi (G) dla lokalizacji Granica w dolinie rz. Łasica
Zależność między pomiarami in-situ (H) a satelitarnymi (G) dla lokalizacji Łomża w dolinie rz. Narew
Uzyskane wyniki obliczeń świadczą o bardzo istotnym stopniu korelacji w badanych stanowiskach, chociaż można zaobserwować nieznaczne jego zróżnicowanie pomiędzy lokalizacjami. W przypadku doliny Łasicy (Granica) współczynnik korelacji liniowej Pearsona pomiędzy zmianami głębokości zwierciadła wody podziemnej i wskaźnikiem wysokości ekwiwalentu wody jest najwyższy, osiągając wartości 0,87. Natomiast dla doliny Narwi (Łomża) współczynnik ten wynosi 0,83.
Zależność ma charakter wprost proporcjonalny, co świadczy, że metoda oceny zmiany retencji wód podziemnych oparta na teledetekcji jest obiecującym podejściem do bezpośredniego szacowania zmian retencji wód podziemnych. Może to być niezwykle cenne w regionach, gdzie bezpośredni pomiar jest utrudniony, np. na obszarach mokradłowych i trudno dostępnych.
Ponadto metoda ta może dostarczyć dane w czasie zbliżonym do rzeczywistego. Szczególne znaczenie będzie miało to w monitorowaniu ryzyka zmniejszenia zasobów wodnych ekosystemów zależnych od wód podziemnych.
Połączone wykorzystanie danych teledetekcyjnych i metody krzywej kumulacyjnej jest obiecującym podejściem, które po dalszych testach i rozwoju może być zastosowane w wielu różnych lokalizacjach w celu uzyskania wiarygodnej oceny rozkładu przestrzennego zmienności stanów zwierciadła wód podziemnych. Szybki postęp w rodzajach, jakości i ilości danych teledetekcyjnych sprawia, że nieuniknione jest, że w niedalekiej przyszłości dane te będą kluczowymi dla nauki o wodach podziemnych i zarządzania nimi.
Za przykład nieuchronności zmiany narzędzi na dające ciągły obraz przestrzenny zamiast wymagającego ekstrapolacji/interpolacji obrazu punktowego jest zmiana sposobu monitorowania suszy rolniczej.
Tekst: dr hab. Tatiana Solovey, Rafał Janica, Karolina Kucharczyk
Zdjęcie: Bernhard Bauer-Marschallinger
