Model/Metoda

Informacje ogólne

Użytkowanie zasobów wodnych podlega ścisłej kontroli państwa, a wszelkie wykorzystywanie i zużywanie wody dopuszczalne jest dopiero po uzyskaniu odpowiedniego pozwolenia wodnoprawnego lub administracyjnego. Koniecznym warunkiem zapewnienia ochrony wód i możliwie oszczędnego gospodarowania zasobami jest ugruntowana wiedza na temat stanu bilansu wodnego. Badanie bilansu wodnego jest  niezbędne, ponieważ  w cyklu hydrologicznym, opisuje dynamikę przepływu wody oraz pozwala określić i zarejestrować zachodzące zmiany ilościowe.

Cykl hydrologiczny

Obieg wody w obrębie obszaru zlewni można ogólnie opisać przy pomocy podziału ilości opadów na poszczególne składowe: parowanie, odpływ i zmiany w zbiornikach wodnych. Na obszarze zlewni mają miejsce procesy pionowego i liniowego przepływu wody, w ramach których całościowa ilość opadów dzielona jest pomiędzy różne rodzaje zbiorników. Część wody opadowej podlega retencji w warstwie powierzchniowej lub w zagłębieniach terenu i odparowuje bezpośrednio do atmosfery. Część wody opadowej wsiąka w glebę, gdzie jest pobierana w formie transpiracji przez roślinność lub podlega procesowi ewaporacji z górnych warstw gleby. Pozostała część wody przenika pionowo do głębszych warstw gruntu, zasilając następnie górne części zbiornika wód podziemnych (warstwy wodonośnej) lub transportowana jest liniowo w gruncie zgodnie z ukształtowaniem poszczególnych warstw gruntów i charakteryzującą je przepuszczalnością. Jeżeli ilość opadów wykracza poza możliwości infiltracyjne gleby woda opadowa nie wsiąka lecz spływa po powierzchni do cieków wodnych. Na rysunku 1 przedstawiono procesy zachodzące w zamkniętym obszarze zlewni począwszy od wystąpienia opadów aż po odpływ wody z obszaru zlewni.

Bilans wodny

Bilans wodny zlewni określa zasoby wodne występujące stale lub czasowo na jej obszarze. Stanowi on ilościowe ujęcie obiegu wody w granicach danego obszaru w określonym czasie. Natomiast liczbowe ujęcie bilansu wodnego zlewni przedstawia równanie bilansowe, w którym porównuje się ilość wody zasilającej zlewnię z ilością wody uchodzącej różnymi drogami z jej obszaru. Równanie to określa stosunek pomiędzy wielkościami zależnymi od uwarunkowań czasowo-przestrzennych takimi jak: opad atmosferyczny (P), parowanie (E), odpływ (H) i zmiany retencji (ΔR).
W przypadku badania długich okresów (co najmniej 10 lat) można pominąć, jako nieistotną, wartość opisującą zmiany retencji, co pozwala na uproszczenie równania do postaci:

Uproszczony bilans wodny

Ogólny bilans wodny

Model

Kierownictwo projektu zdecydowało, że do modelowania bilansu wodnego przez partnera polskiego wykorzystane zostaną modele MIKE NAM i MIKE BASIN, a partner niemiecki zastosuje model ArcEGMO.

ArcEGMO

System modelowania ekologiczno-hydrologicznego ArcEGMO został opracowany przez biuro hydrologii stosowanej (BAH). Do stworzenia matematycznego opisu procesów systemowych modelwykorzystuje zarówno modelowanie fizyczne jak i koncepcyjne. Funkcjonalność modelu umożliwia przetwarzanie i analizę danych odpowiednio w zależności od wprowadzanych informacji, opisywanych procesów oraz rodzajów realizowanych zadań. Wynikiem modelu ArcEGMO są dane opisujące bilans wodny danego obszaru. W celu uszczegółowienia opisu można w modelu obliczyć różne składowe bilansu wodnego lub przepływu, takie jak: parowanie efektywne, odpływ powierzchniowy, podpowierzchniowy w glebie (odpływ podpowierzchniowy w wyniku upadu poziomego  warstw gruntów tworzących warstwę przepuszczalną) oraz zasilanie wód podziemnych (zob. Rysunek 2).

Rysunek 2: Konstruowanie odpływu w modelu ArcEGMO przy pomocy modułu PSCN (Klöcking i in. 2009)

MIKE NAM

MIKE-NAM to model konceptualny o parametrach skupionych i strukturze zbiornikowej, opisany przez algorytmy, które w uproszczonej formie charakteryzują zawartość wilgoci we wzajemnie powiązanych zbiornikach, reprezentujących różne formy retencji (powierzchniową z uwzględnieniem śniegowej, podpowierzchniową i podziemną (Rysunek 3). Podstawowymi danymi wprowadzanymi do modelu są: dobowe sumy opadu atmosferycznego (P), dobowe sumy ewapotranspiracji (Ep, Ea) oraz średnie miesięczne wartości przepływu w ciekach (Q).

Rysunek 3: Schemat budowy zbiornikowej modelu MIKE NAM

MIKE BASIN

Program MIKE BASIN ten umożliwia prowadzenie ilościowych i jakościowych analiz bilansowych w zlewni rzecznej lub jej części. Dla każdego kroku czasowego model dokonuje rozrządu wody pomiędzy poszczególnych użytkowników z uwzględnieniem wymagań dotyczących zachowania przepływów nienaruszalnych i hierarchii użytkowania zasobów wodnych. MIKE BASIN symuluje zachowanie systemu wodnego poprzez obliczanie bilansu wodnego dla każdego węzła. Symulacja uwzględnia rozdział wody dla różnorodnych celów w poszczególnych węzłach obliczeniowych w całym systemie wodnym.

Rysunek 4: Schematyczne przedstawienie założeń modelu, wykorzystującego oprogramowanie MIKE BASIN

Ocena danych za pomocą analiza trendów

Analiza i charakterystyka uwarunkowań hydrologicznych na obszarze objętym badaniem została przeprowadzona na podstawie danych pomiarowych przepływów z wybranych wodowskazów z okresu 1971 do 2000 r.

Charakter trendu określono według tak zwanej metody regresji liniowej Theil-Sen-Slope lub Kendall’s Slope‘a. Poprzez zastosowanie wartości środkowej analiza charakteru trendu i jego siły, bazująca na ocenie trendu według Sena została zabezpieczona przed wpływem pojawiających się często w ciągach danych hydrologicznych wartości ekstremalnych wynikających z występowania zjawisk ekstremalnych. Obok charakteru trendu sprawdzana jest również jego siła. Test istotności trendu przeprowadzono metodą Mann-Kendall’a przyjmując prawdopodobieństwo błędu na poziomie 10 %. W przypadku prawdopodobieństwa błędu poniżej 10 % badany trend jest określany jako istotny statystycznie. Jeżeli test nie potwierdzi istotności statystycznej trendu to określany jest on jako tendencja.