Potencjał zbiorników wodnych Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Edyta Sierka, Andrzej Woźnica, Bartosz Łozowski, Damian Absalon, Rafał Ulańczyk *, Krzysztof Skotak *, Andrzej Pasierbiński Uniwersytet Śląski w Katowicach * Instytut Ochrony Środowiska - Państwowy Instytut Badawczy 1
Geneza zbiorników antropogenicznych Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Zbiorniki poeksploatacyjne Sosnowiec, Balaton ekspoloatacja gliny fot. E. Sierka Dąbrowa Górnicza, Pogoria II eksploatacja piasku fot. E. Sierka 2
Geneza zbiorników antropogenicznych Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Zbiorniki poeksploatacyjne Nieboczowy eksploatacja żwiru fot. E. Sierka Knurów zwałowisko skały płonnej fot. E. Sierka 3
Geneza zbiorników antropogenicznych Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego W nieckach osiadania Mysłowice zawodnione niecki osiadania fot. E. Sierka 4
Geneza zbiorników antropogenicznych Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Zbiorniki w nieckach osiadania Zmiany geomorfologiczne (Marschalko a kol., 2009) Funkcjonalnie zbliżone do płytkich jezior naturalnych Niecka osiadania, Tychy fot. E. Sierka Brdów Zarski, Tychy fot. E. Sierka 5
Zbiorniki antropogenicznie i ich funkcje w przyrodzie Miejsce osiedlania się organizmów o zróżnicowanych preferencjach siedliskowych (Krahulec a Lepš, 1993;Tokarska-Guzik a Rostański, 1996; Stalmachová, 1997; Čecháková a kol., 2014) fot. E. Sierka 6
Zbiorniki antropogenicznie i ich funkcje w przyrodzie Spontanicznie powstające cenne przyrodniczo ekosystemy w postaci wysp środowiskowych o wysokiej różnorodności biologicznej, które funkcjonalnie są połączone z innymi strukturami przyrodniczymi (Sierka a Woźniak, 2010; Sierka a kol., 2012) fot. E. Sierka 7
Zbiorniki antropogenicznie i ich funkcje pełnione dla człowieka Obiekty pełniące funkcje społeczne i niosące potencjał ekonomiczny (Pierzchała a Sierka, 2014) Kazimierz Górniczy Sosnowiec, kąpielisko fot. E. Sierka Kochłowice kąpielisko fot. E. Sierka 8
Zbiorniki antropogenicznie i ich funkcje pełnione dla człowieka Straty gospodarcze (Pierzchała a Sierka, 2014) Zbiornik Barbara Katowice zalewanie lasu fot. E. Sierka Bytom Karb osiadanie terenu fot. E. Sierka 9
Usługi ekosystemowe antropogenicznych zbiorników wodnych DLACZEGO ZBIORNIKI ANTROPOGENICZNEGO POJEZIERZA NA GÓRNYM ŚLĄSKU SĄ WAŻNE DLA FUNKCJONOWANIA MIESZKAŃCÓW MERTOPOLI? Produktywność żywności Zasoby surowców Siedlisko, refugium dla organizmów Źródło genów Obieg składników odżywczych Regulacja cech klimatu Regulacja stosunków wodnych Rekreacja Rola kulturalna PRODUKUJĄ REGULUJĄ PROCESY POZWALAJĄ ODPOCZĄĆ ZACHOWUJĄ RÓŻNORODNOŚĆ za: Constanza i in. zmodyfik., CICES (2015) 10
Typy ekosystemów Szacunkowa wartość świadczonych usług ekosystemowych Zbiornik Książęcy w Knurowie 4 837 3 94282 2 44614 1 3689 0 10000 20000 30000 40000 50000 60000 70000 80000 90000 100000 $ha -1 rok -1 za: Constanza 1997, CICES V4.3 (2015) fot. E. Sierka 11
Rekultywacja i zagospodarowanie zbiorników Szkody górnicze? Likwidacja Zbiorniki antropogeniczne a klimat? Rekultywacja zbiornik Świniarnia, Mysłowice fot. E. Sierka fot. E. Sierka z a g o s p o d a r o w a n i e 12
Climate Change Synthesis Report 2 Porównanie obserwowanych i symulowanych zmian temperatury powierzchni kontynentu T( C) 1 0-1 symulowany wpływ oddziaływań naturalnych 1910 1960 2010 symulowany wpływ oddziaływań naturalnych i antropogenicznych obserwacje za: Climate Change 2014 Synthesis Report 13
Zmiany temperatur i opadów na Śląsku w okresie 1964-2010 A B Średnie, minimalne i maksymalne roczne temperatury powietrza (A); średnie opady roczne (B); liczba dni bez opadów (C) na Śląsku (Brenna) w latach 1964-2010. C 14
Poziom zagrożenia wynikający ze zmian klimatu Fale upałów Fale chłodów Fale suszy Pożary Fale powodzi za: Supplement to: Forzieri G, Cescatti A, e Silva FB, Feyen L. Increasing risk over time of weather-related hazards to the European population: a data-driven prognostic study. Lancet Planet Health 2017; 1: e200-8. Wichury zagrożenie 15
Kluczowe ryzyka środowiskowe i potencjalna możliwość redukcji ryzyka wzrost zagrożenia powodziowego ograniczenia użycia wody (ograniczenie zasobów wodnych i pogorszenie jakości wody) wzrost zagrożenia wynikajacego z ekstremalnych temperatur i pożary obecnie w najbliższym czasie(2030-2040) w dalszej przyszłości (2080-2100) b.niski 2 C 4 C poziom ryzyka średni b.wysoki za: Climate Change 2014 Synthesis Report poziom ryzyka przy wysokiej adaptacji potencjał dodatkowych adaptacji do redukcji poziomu ryzyka poziom ryzyka przy obecnej adaptacji 16
Górnośląskie Pojezierze Antropogeniczne (GPA) Zbiorniki wodne terenu Metropolii Śląsko-Zagłębiowskiej 1691 1114 320 19 6 2 9 Na powierzchni ok. 2 500 km 2 liczba: 3 161 powierzchnia: 6 767,1 ha jeziorność obszaru: 2,65% 17
Zmiany temperatury powietrza i wody w latach 1974-2011 Średnia temperatura powietrza (kolor niebieski) i wody Zbiornika Goczałkowickiego (kolor czerwony) w latach 1974-2011. Linia przerywana wskazuje trend zmian temperatury. 18
Wpływ zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Założenia modelu: Model opracowany przy pomocy oprogramowania: AEM3D firmy Hydronumerics Rozdzielczość przestrzenna: 10 m Liczba warstw wody: 12 Krok obliczeń: 2 minuty Analiza dla okresu letniego (czerwiecpaździernik) na przykładzie danych z roku 2016 z uwzględnieniem danych pochodzących ze scenariuszy zmian klimatu 19
Wpływ zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Scenariusze: Stan obecny (rok 2016) Scenariusz 0 Zmiany klimatu 1: najniższe z prognozowanych zmian Scenariusz zmian klimatu w oparciu o RCP4,5 dla roku 2030 * Zmiany klimatu 2: najwyższe z prognozowanych zmian Scenariusz zmian klimatu w oparciu o RCP8,5 dla roku 2050 * Scenariusze zmian klimatu oparto o wyniki projektu Euro- CORDEX. Scenariusze bazują na wynikach symulacji regionalnego modelu klimatu (RCM Regional Climate Model) dla 2 scenariuszy emisji, oznaczonych jako RCP 4,5 i 8,5, gdzie wartość oznacza wzrost radiacji (W/m 2 ). RCP4.5 RCP8.5 2030 2050 Zmiana miesięcznych sum opadu [%] 1-8.9-7.1 2 13.7 36.1 3-9.0-5.4 4 67.6 84.3 5-12.2 2.9 6-10.2-10.0 7-6.6-3.1 8-15.7-3.3 9 5.0 24.0 10 35.1 49.4 11-0.6-2.5 12 56.2 53.8 Średnia 9.5 18.3 RCP4.5 RCP8.5 2030 2050 Zmiana średniej miesięcznej temperatury [c] 1 0.8 1.6 2 0.8 2.2 3 0.4 1.4 4-1.1-0.1 5-0.5 0.2 6 0.0 0.7 7 0.2 0.9 8 0.6 1.4 9 1.4 1.8 10 1.5 2.3 11 0.0 0.8 12 0.5 1.0 Średnia 0.4 1.2 *Źródło: Durka P., Kamiński J.W., Strużewska J., Jefimow M., 2017. Ocena zmian klimatu i narażenia na czynniki klimatyczne dla horyzontu 2030 i 2050, na podstawie EURO-CORDEX dla Tomaszowa Mazowieckiego na potrzeby projektu ClimCities. Instytut Ochrony Środowiska Państwowy Instytut Badawczy, Zakład Modelowania Atmosfery i Klimatu 20
Wpływ zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Wpływ scenariuszy zmian klimatu na analizowany okres: Zmiany klimatu 1: Spadek opadów o 3,5 % Średni wzrost temperatury powietrza o 0,7 C Zmiany klimatu 2: Wzrost opadów o 3,4 % Średni wzrost temperatury powietrza o 1,4 C Zmiany klimatu uwzględnione w modelu: Temperatura wody w dopływach Początkowa temperatura wody w zbiorniku Natężenie dopływu wody Temperatura powietrza Wyniki: Zmiana wartości na odpływie ze zbiornika: Scenariusz 0 Zmiana parowania: Zmiany klimatu 1: -0,39 % Zmiany klimatu 2: +2,95 % Zmiany klimatu 1 Zmiany klimatu 2 Chlorofil a [µg/l] 45,38 48,67 46,81 Temperatura wody [C] 17,0 17,6 18,3 Odpływ [m3/s] 0,167 0,165 0,168 21
Wpływ zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Wyniki (cd.) W poszczególnych okresach zmiany są zauważalne 30 września: 2016 2030 2050 Stężenie chlorofilu alfa w kolumnie wody Temperatura w kolumnie wody 22
Wpływ zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Wyniki (cd.) W poszczególnych okresach zmiany są zauważalne 15 października : 2016 2030 2050 Stężenie chlorofilu alfa w kolumnie wody Temperatura w kolumnie wody 23
Prognozowane skutki zmian klimatu przykład modelu Jeziora Paprocańskiego Prognozowane skutki zmian klimatu: Wzrost temperatury wody Niewielki wzrost stężenie chlorofilu a Wzrost parowania w przypadku scenariusza RCP8,5 Spadek okresu zatrzymania wody w zbiorniku w przypadku scenariusza RCP8,5 (w przypadku RCP4,5 efekt nie jest jednoznaczny ponieważ w różnych okresach symulacji następują spadki i wzrosty czasu retencji wód) 24
Analiza: nie tylko potencjał, ale też wrażliwość zbiorników, cieków, terenów podmokłych Przykłady wpływu zmian klimatu na wody powierzchniowe i ekosystemy wodne: Dłuższy okres bez pokrywy lodowej i dłuższy okres stratyfikacji (może powodować zmiany z strukturze organizmów wodnych, np. dominujących grupy fitoplanktonu, zmniejszenie różnorodności gatunkowej, zmniejszenie dominacji makrofitów wśród organizmów wodnych) szczególnie wrażliwe jeziora płytkie Wzrost temperatury wody (może prowadzić do intensyfikacji produkcji pierwotnej i zakwitów) Przyspieszenie nadejścia sezonu ciepłego (może powodować zmiany w przyroście biomasy zooplanktonu i w konsekwencji wpływ na biomasę ryb) Zwiększony ładunek biogenów ze źródeł rozproszonych w czasie intensywnych opadów, szczególnie po długich okresach bezopadowych (zwiększone źródło pokarmu dla fitoplanktonu) szczególnie wrażliwe jeziora o długim czasie retencji Zmiany charakteru opadów i parowania i wpływ na bilans wodny szczególnie płytkich jezior i terenów podmokłych (zagrożenie wynika nie tylko z wpływu zwiększonego parowania i dłuższych okresów bezopadowych na same zasoby wodne ale też z wpływu na zapotrzebowanie na wodę dla terenów rolniczych) Nõges T., Nõges P., Jolma A., Kaitaranta J., 2009. Impacts of Climate Change on Physical Characteristics of Lakes in Europe. Joint Research Centre Scientific and Technical Reports Vincent W. F., 2009. Effects of Climate Change on Lakes. Pollution and Remediation 25
Wpływ zmian klimatu na usługi ekosystemowe świadczone przez ekosystemy wodne GAP usługi i towary Filtracja wody Obieg biogenów Wiązanie węgla Kontrola erozji Kontrola przeciwpowodziowa Kontrola zasobów wody Siedliska o znaczeniu ochronym wpływ / efekt oddziaływania na środowisko Poprawa jakości wody Regulacja globalnej temperatury Zapobieganie powodziom Zachowanie siedlisk i gatunków korzyści dla społeczeństwa Czysta woda do picia Atrakcyjne miejsca do rekreacji Uniknięcie kosztów uszkodzenia mienia Wartości ekonomicznie nieużyteczne Interakcje między usługami ekosystemowymi terenów podmokłych a ich efektem ekonomicznym za: www.defra.gov.uk An introductory guide to valuing ecosystem services 26
Wpływ zmian klimatu na usługi ekosystemowe świadczone przez ekosystemy wodne Kategoria Potencjalna korzyść Usługi zaopatrzeniowe Produkcja żywności ++ Produkcja energii + Utrzymanie różnorodności genetycznej + Wspieranie biochemicznych procesów środowiskowych ++ Zioła, farmaceutyki naturalne + Zasoby krajobrazowe ++ Zasoby wodne ++ Usługi regulacyjne Kontrola jakości powietrza + Kontrola klimatu ++ Kontrola jakości wody ++ Kontrola zagrożeń naturalnych ++ Kontrola występowania szkodników 0 Regulacja erozji gleby + Oczyszczanie wody i przetwarzanie odpadów ++ Zapylanie 0 Kategoria Potencjalna korzyść Usługi kulturowe Dziedzictwo kulturowe ++ Rekreacja i turystyka ++ Wartość krajobrazowe ++ Usługi wspierające Tworzenie gleb ++ Produkcja pierwotna (fotosynteza) ++ Krążenie biogenów ++ Krążenie wody ++ Bioremediacja ++ ++ Potencjalny znaczący wpływ pozytywny + Potencjalny wpływ pozytywny 0 Niewielki wpływ - Potencjalny wpływ negatywny -- Potencjalny znaczący wpływ negatywny? Brak wskazań do oceny za: www.defra.gov.uk An introductory guide to valuing ecosystem services 27
Wpływ zmian klimatu na usługi ekosystemowe świadczone przez ekosystemy wodne GAP Chechło Kozłowa Góra Paprocany Pławniowice Pogoria IV Dziećkowice 28
Budowa systemów małej retencji działania minimalizujące zmiany klimatu 1800 2017 29
Inwentaryzacja zbiorników Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Elementy charakteryzujący Sposób kalkulacji Wartość Jednostka Rzędna korony zapory - 244,10 m n.p.m. Normalny poziom piętrzenia - 242,00 m n.p.m. Piętrzenie powodziowe poziom ostrzegawczy - 242,13 m n.p.m. Piętrzenie powodziowe poziom alarmowy - 242,50 m n.p.m. Przepływ miarodajny Q 1% - 5,530 m 3 s -1 Przepływ kontrolny Q 0,3% - 6,700 m 3 s -1 Przepływ normalny - 0,121 m 3 s -1 Średni przepływ roczny - 0,181 m 3 s -1 Położenie geograficzne (centroid jeziora) - N050,08657450; E018,98668704 północ - N050,09341004 południe - N050,07973515 wschód - E018,99332718 zachód - E018,96546041 Charakterystyki powierzchni jeziora Powierzchnia zwierciadła wody jeziora F0 1 051 000,00 m 2 Długość jeziora L 2 450,00 m Szerokość średnia jeziora B śr = F0/L 428,98 m Szerokość maksymalna jeziora B maks 699,00 m Wskaźnik wydłużenia jeziora λ λ = L/B śr 5,71 Długość linii brzegowej jeziora l 6 843,00 m Rozwinięcie linii brzegowej K K = l/2sqrt(πf0) 1,88 Charakterystyki pojemności, głębokości i dna jeziora Pojemność jeziora V0 1 456 972,00 m 3 Głębokość maksymalna h maks 2,51 m Głębokość średnia h śr 1,34 m Głębokość względna hw h w = h maks /sqrt(f0) 0,0024 % Wskaźnik głębokościowy jeziora Wg W g = h śr /h maks 0,53 30
Inwentaryzacja osadów zbiorników wodnych usuwanie biogenów Na dnie Jeziora Paprocany zalega około 250 000 m 3 osadów dennych. Osady te zawierają duże ilości biogenów, których usunięcie w znaczący sposób może poprawić jakość wód zbiornika. Wydobycie materiału osadowego z dna zbiornika wodnego z użyciem pogłębiarki ssącej potocznie zwanej refulerem. Dalszy transport materiału osadowego odbywa się rurociągami do kontenerów syntetycznych. Refuler ten powinien posiadać wymienne wyposażenie robocze, zdolne usunąć uwodniony osad oraz lokalnie pogłębić dno akwenu. 31
Inwentaryzacja zbiorników Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego Zmienność stężenia fosforu fosforanowego Zmienność stężenia azotu ogólnego Zmienność biologicznego zapotrzebowania tlenu Parametry chemiczne wód dopływu, pelagialu i odpływu (A) oraz zmienność sezonowa stężenia fosforu fosforanowego w wodzie (B) w Jeziorze Paprocańskim na podstawie pomiarów IPIŚ PAN z lat 2004-2006. 32
Inwentaryzacja zbiorników Górnośląskiego Pojezierza Antropogenicznego W celu oceny przestrzennej zmienności fizykochemicznej wód Jeziora Paprocańskiego wykonano serię pomiarów wody wykorzystując wieloparametrową sondę (Hydrolab MS 5), wyposażoną w elektrody do pomiaru: azotanów, chlorków, tlenu rozpuszczonego w wodzie, temperatury, przewodności, potencjału redoks i ph. 33
Inwentaryzacja zbiorników GPA mapowanie właściwości fizyko-chemicznych zbiornika chlorki (Cl - ) nasycenie tlenem azotany (NO - 3) ORP ph zasolenie Parametry chemiczne wód, zbiornika Paprocany. Pomiary wykonano we wrześniu 2016 r., wieloparametrową minisondą Hydrolab MS 5, pod powierzchnią wody na głębokości 0,5 m. 34
Właściwe gospodarowanie środowiskiem wodnym przygotowanie na zamiany klimatu? identyfikuj oceniaj planuj Identyfikacja stanu Rozpoznawanie zagrożeń środowiskowych Diagnozowanie przyczyny problemów Ocena ekonomiczna i ekologiczna zasadności proponowanych rozwiązań Planowanie działań naprawczych Ocena skuteczności proponowanych rozwiązań wdrażaj Przygotowanie projektów wykonawczych Realizowanie inwestycji naprawczych kontroluj Monitorowanie stanu środowiska Ocena skuteczności podjętych działań 35
Gospodarowanie środowiskiem wodnym przygotowanie na zamiany klimatu planuj oddziaływanie 36
Identyfikowanie problemów zmiany gospodarki wodnej Deficyt wody w zbiornikach wodnych GPA W latach suchych do zbiorników dopływa mniej wody niż odparowuje. Taka sytuacja wpływa znacząco na pogarszanie się jakości wód zbiornika identyfikuj 37
Diagnozowanie problemów zmiany gospodarki wodnej w zlewni oceniaj 38
Identyfikowanie problemów problem zakwitów glonów Zakwity identyfikuj 39
Diagnozowanie problemów problem zakwitów na kąpieliskach N N Efekt pojawiania się dużej ilości zawiesiny/sinic w rejonie kąpieliska pokazują przeprowadzone symulacje komputerowe z użyciem AEM3D. Skuteczną metodą zabezpieczenia kąpieliska przed napływem sinic może być zastosowanie mechanicznej bariery zatrzymującej glony i sinice, umożliwiającej równocześnie swobodny przepływ wody. 40 Lokalizacja kąpieliska w północno wschodniej części zbiornika powoduje, że dominujące w tym rejonie wiatry południowo zachodnie przemieszczają pojawiającą się na powierzchni wody biomasę glonów i sinic. oceniaj
Planowanie/wdrażanie rozwiązań odseparowanie membranami kąpielisk Basen Kierunek wiatru kłaczki glonów i sinic planuj wdrażaj 41
Planowanie/wdrażanie rozwiązań zastosowanie kierownic przepływu wody Po wprowadzeniu dodatkowego zasilania wodami zbiornika Paprocany, dla ograniczenia napływu substancji zawieszonej w wodzie, na przykład w rejon kąpieliska, proponuje się użycie kierownic przepływu wody, które pozwolą na kontrolę kierunków przepływu wody przez zbiornik. Analizy na modelach matematycznych zbiornika pokazały, że takie rozwiązanie mogą być skuteczne. planuj 42
Ochrona dziedzictwa przemysłowego (gospodarowanie) i rozwój turystyki industrialnej Grupa I Grupa II Grupa III 43
Ochrona dziedzictwa przemysłowego i dobrych praktyk planuj 44
Ochrona dziedzictwa przemysłowego odtworzenie XIX-wiecznej oczyszczalni ścieków planuj 45
Roślinność szuwarowa Szuwary, wiążąc znaczne ilości azotu i fosforu, są naturalnym konkurentem sinic i innych organizmów fotosyntetyzujących w konkurencji o zasoby tych pierwiastków, dzięki czemu zmniejszają prawdopodobieństwo wystąpienia zakwitów. Szuwary pomagają również w naturalnym wylęgu szczupaka, drapieżnika poprawiającego jakość wody w zbiorniku. Szuwary są też biofiltrem do pochłaniania fosforu i azotu ze zlewni bezpośredniej zbiornika. Fosfor i azot to biogeny dla glonów sinicowych, najbardziej niepożądanych na zbiornikach pełniących funkcje rekreacyjne. planuj 46
Biomanipulacje kontrola siedlisk, modelowanie struktury populacji ryb Phragmitetum australis Typhetum latifoliae Calamagrostietum epigeji Hydrocharitetum morsus-ranae Scirpetum lacustris Phalaridetum arundinaceae Nupharo-Nymphaeetum albae Scirpetum sylvatici Acoretum calami Glycerietum maximae Brak roślinności wodnej i szuwarowej planuj 47
Podsumowanie Aglomeracja Śląska to miejsce, gdzie znajduje się ponad 3 tys. zbiorników wodnych a 2,64 % obszaru Aglomeracji zajmują wody. Zbiorniki te stanowią duży potencjał do wykorzystania w łagodzeniu skutków zmian klimatycznych. Zbiorniki te są elementem systemu małej retencji, miejscem rekreacji, spełniają ważne funkcje środowiskowe, świadczą na rzecz ludzi ważne usługi ekosystemowe. W wielu przypadkach są również obiektami dziedzictwa przemysłowego Potencjał ten zależy od racjonalnego opartego na wiedzy gospodarowania tymi obszarami. Wykorzystanie tego potencjału wymaga kompleksowej inwentaryzacji obiektów. Zbiorniki wodne niosą potencjał pozwalający na minimalizację skutków zamian klimatu, dlatego ważne są działania racjonalnego zarządzania środowiskiem z uwzględnieniem wody. 48