Monitoring poziomu wód gruntowych. Monika Biryło, Joanna Kuczyńska-Siehień, Jolanta Nastula, Zofia Rzepecka

Transkrypt

1 Monitoring poziomu wód gruntowych Monika Biryło, Joanna Kuczyńska-Siehień, Jolanta Nastula, Zofia Rzepecka

2 Streszczenie Znaczenie wód gruntowych (Ground Waters, GW) Ramowa Dyrektywa Wodna i potrzeba monitorowania poziomu wód gruntowych Ogólne założenia aktualnie opracowywanego algorytmu monitorowania poziomu GW: GRACE, GRACE FO GLDAS Grawimetryczne pomiary naziemne Wyniki pomiarów bezpośrednich in-situ Przykłady badań ilości wód na podstawie pomiarów grawimetrycznych

3 Znaczenie wód gruntowych Woda jest jednym z podstawowych elementów potrzebnych do życia i gospodarki. Monitorowanie zasobów i jakości wody jest działaniem niezbędnym do zapewnienia bezpieczeństwa społeczeństwu. Zarówno brak, jak i nadmiar wody stanowi zagrożenie. Wody gruntowe (GW) są ważnym źródłem czystej wody, Na całej Ziemi pokrywają około 50% zasobów wody pitnej, 40% zużycia wody dla celów przemysłowych i 20% irygacyjnych.

4 Ramowa Dyrektywa Wodna Plany gospodarowania wodami Na podstawie (Krajowy Zarząd Gospodarki Wodnej): Ramowa Dyrektywa Wodna 2000/60/WE (RDW) z dnia 23 października 2000 r. ustanawia ramy działania w dziedzinie polityki wodnej i jest wynikiem wieloletnich prac Wspólnot Europejskich zmierzających do lepszej ochrony wód poprzez wprowadzenie wspólnej europejskiej polityki wodnej, opartej na przejrzystych, efektywnych i spójnych ramach legislacyjnych. Zobowiązuje państwa członkowskie do racjonalnego wykorzystywania i ochrony zasobów wodnych w myśl zasady zrównoważonego rozwoju.

5 Ramowa Dyrektywa Wodna konieczność monitoringu GW Wdrożenie Dyrektywy najpierw do prawa polskiego [ustawy Prawo Wodne (2001) i wydanych na jej podstawie rozporządzeń], powoduje konieczność optymalizacji prowadzenia monitoringu wód podziemnych Podmiot odpowiedzialny: Państwowa Służba Hydrogeologiczna (PSH), której zadania realizuje Państwowy Instytut Geologiczny. Prowadzi ona pomiary w sieci obserwacyjno-badawczej wód podziemnych, o zasięgu ogólnokrajowym (Kazimierski B., Pilichowska-Kazimierska E., 2006)

6 Misja GRACE - podstawy The Gravity Recovery And Climate Experiment (GRACE) National Aeronautics and Space Administration (NASA) i Deutsche Zentrum für Luft- und Raumfahrt (DLR) Cele: określić g, zmiany g, TEC (Total electron Content), śledzić zmiany klimatyczne 2 satelity wystrzelono r., e=0.005, i=89 st., wysokość orbity ok. 500 km Odległość low-low 220 km Mamy dodatkową, bardzo dokładną obserwację do układu równań obserwacyjnych Ciężar każdego satelity ok. 480 kg, długość ok 3 m

7 Misja GRACE informacje ogólne

8 Misja GRACE - podstawy Zmiany odległości low-low dokładności pomiaru do ok. 1 mikrometra/s Idea: zmiany g powodują zmiany odległości Wyposażenie: a) system do pomiaru odległości low-low (K-band), co 1/10 sek. b) odbiornik GPS L1/L2 c) akcelerometry (pomiar przyspieszeń niegrawitacynych) d) reflektor laserowy

9 Misja GRACE - podstawy Na podstawie monitorowanej odległości wykrywane są fluktuacje pola grawitacyjnego A z tego wynika możliwość wykrycia nierównomierności rozkładu mas w okolicach punktu podsatelitowego Po połączeniu z danymi z GPS => można opracować dokładne mapy pola grawitacyjnego Ziemi (zwykle: raz na miesiąc)

10 GRACE Follow-On Centrum GeoForschungsZentrum (GFZ) w Poczdamie ogłosiło kontynuację misji GRACE Misja GRACE-FO współpraca pomiędzy GFZ i NASA Według planu satelity mają być wystrzelone w sierpniu 2017 z kosmodromu Baikonur Założenia GRACE FO są bardzo podobne do GRACE Dodatkowo: laserowy pomiar odległości low-low

11 Przykładowe zastosowania wyników GRACE Głównym zadaniem GRACE jest wyznaczenie geoidy oraz anomalii grawimetrycznych na całym globie oraz śledzenie zmian klimatu poprzez zmiany zasobów wodnych Tworzone są modele GGMnn (GGMnnC), także modele zintegrowane (np. GOCOnnS z GRACE+GOCE+CHAMP+SLR) Przykładowe wykorzystanie ww wyników do modelowania różnych zjawisk na Ziemi, np.: pomiar anomalii Zatoki Hudsona (i modelowanie przemieszczania się gorących skał głębokiego podłoża i ruchu płyt kontynentalnych), wzrost poziomu rzek na obszarze równym dorzeczu Missisipi, śledzenie wpływu zmian klimatu na stosunki wodne na ogromnych obszarach Ziemi, i in.

12 Przykład: Model GGM-02 z GRACE (160)

13 GRACE i monitorowanie wód Misja GRACE może być wykorzystana do wyznaczania zmian ilości wody Wady Rozdzielczość czasowa i przestrzenna jest rzędu 160,000 km 2 na miesiąc Zalety Dane z misji GRACE wyczuwają wodę na różnym poziomie, także wody gruntowe(gw) (wyznacza TWS - Terrestrial Water Storage, dokładność rzędu 1 cm ), [9,10]. Inne technologie, takie jak radary i radiometry, wykrywają tylko wodę atmosferyczną lub zalegającą blisko powierzchni Ziemi

14 Podstawowe założenie algorytmu

15 Dostępność danych GRACE html Przykładowe dostępne produkty: Rozwiązania miesięczne z CSR, GFZ i JPL CSR Release 05 GFZ Release 05 JPL Release 05 Rozwiązania tygodniowe (GFZ), dzienne (ITSG- Grace2014), z użyciem filtra nieizotropowego (np. CSR Release 05, GFZ Release 05, JPL Release 05, AIUB Release 02 i in.) Pomiędzy rozwiązaniami CSR, GFZ, JPL, CNES, Tongji mogą występować różnice (np. Ruya Xiao i in., 2015)

16 Filtrowanie danych GRACE Surowe dane GRACE zawierają przerwy i błędy pomiarowe Zwykle wykorzystuje się filtr Gaussa z odpowiednim promieniem filtru Problem doboru filtru, który zminimalizuje straty amplitudy (mocy) sygnału opracowany w: PhD thesis on Analysis of GRACE data filtering algorithms for the study of regional change of Equivalent Water Thickness - Monika Biryło Badano uzyskane dane w postaci TWS (warstwy wody) z danych z misji GRACE przy użyciu izotropowych i nieizotropowych metod filtracji Zbadano różne filtry, np. filtr Gaussa, CNES/GRGS, Wienera, ANS pod kątem ich wpływu na: rozdzielczość przestrzenną modelu, modyfikację sygnału wejściowego, korelację obserwacji przefiltrowanych z nieprzefiltrowanymi błąd danych wyjściowych (Biryło, Nastula, 2012a i b).

17 Global Land Data Assimilation System (GLDAS) Celem systemu GLDAS jest integracja obserwacji satelitarnych i naziemnych, przy użyciu zaawansowanych technik modelowania i asymilacji danych, w celu generowania optymalnych rozwiązań opisujących stan i zmiany geosfery lądowej (Rodell et al., 2004a). W obrębie modelu GLDAS dostępne są różne modele powierzchni (LSMs - Land Surface Models), przykładowo CLM, NOAH, VIC

18 Land Surface Models LSMs Modele różnią się miedzy sobą niektórymi przyjętymi parametrami, przede wszystkim liczbą przyjętych warstw Mosaic 3 warstwy , , (m) CLM2 10 warstwy , , , , , , , , , and (m) Noah 4 warstwy 0-0.1, , , (m) VIC 3 warstwy 0-0.1, , (m)

19 Podnoszenie rozdzielczości wyników Wadą uzyskanych zmian poziomów wód gruntowych jest niska rozdzielczość wyników (uzyskuje się dokładne, do 1 cm określenie zmian poziomu wód gruntowych jako średnie na obszar około 100x100 km). Rozwiązanie Planuje się dokonać zagęszczenia wyników za pomocą dokładnych naziemnych pomiarów grawimetrycznych Wspólne opracowanie wyników pomiarów satelitarnych i naziemnych umożliwi otrzymanie szeregów czasowych zmian poziomu wód gruntowych w cyklu miesięcznym. Wybór gęstości czasowej i przestrzennej pomiarów naziemnych, sposób ich integracji z danymi GRACE będzie stanowił przedmiot badań. Wyniki zostaną lokalnie porównane do wartości uzyskiwanych z pomiarów in-situ w studniach.

20 Dalsze opracowanie wyników Kolejne zadania: statystyczne opracowanie uzyskanych wyników (metody szeregów czasowych), stworzenie modeli dynamiki zmian czasowych i przestrzennych poziomów wód gruntowych, zbadanie możliwości prowadzenia wiarygodnego przewidywania przyszłych wartości poziomów wód gruntowych określenie dokładności tych przewidywań.

21 Przykłady wyników uzyskanych przez innych badaczy Pensylwania, USA GRACE+GLDAS Porównania ze studniami (pomiary in-situ) Zgodność wyników

22 Przykłady wyników uzyskanych przez innych badaczy, cd. Przenośna wersja grawimetru nadprzewodnikowego przenośnego SG Specjalny projekt do pomiarów hydrologicznych Pomiary w Środkowym Teksasie Dokładność pomiarów ok. 0.1 mikrogala Znaczny wpływ zmian ciśnienia atmosferycznego na wyniki pomiarów grawimetrycznych i jednocześnie na poziom wód gruntowych

23 Podsumowanie Celem podjętych badań jest opracowanie metodyki monitoringu poziomu wód gruntowych z wykorzystaniem różnych technik wyznaczania geopotencjału Proponowana metodyka jest efektywna, nieinwazyjna, dokładna Powinna ona umożliwić spełnienie założeń Dyrektywy Wodnej Unii Europejskiej oraz wiarygodne określenie zmian poziomu wód gruntowych na obszarze Polski