Możliwość wykorzystania modelu zlewni rzecznej w celu określenia przyczyn zmiany jakości wód na przykładzie rzeki Kłodnicy Instytut Ekologii Terenów Uprzemysłowionych Zespół Ekologii Wód
Zakres seminarium tworzenie modelu zlewni przy użyciu programu SWAT (Soil and Water Assessment Tool) na przykładzie rzeki Kłodnicy, kalibracja i weryfikacja modelu, analiza wyników badanie zbieżności zmian jakości wód rzeki Kłodnicy ze zmianami warunków hydrologicznych, panujących w zlewni.
SWAT Soil and Water Assessment Tool Zastosowanie programu: Długookresowe symulowanie wpływu podejmowanych decyzji na jakość i ilość zasobów wodnych, ładunki osadów i związków chemicznych. Symulacje te prowadzone mogą być dla zlewni o zróżnicowanych praktykach zarządzania zlewnią i właściwościach gleby oraz o różnorodnym zagospodarowaniu przestrzennym. Możliwości programu: - tworzenie bilansu wodnego zlewni (modelowanie hydrologiczne), - modelowanie transportu osadów, - modelowanie obiegu związków azotu i fosforu, - modelowanie obiegu bakterii, - modelowanie obiegu pestycydów.
Podstawowe założenia programu SWAT Pierwszym etapem tworzenia modelu jest podział zlewni na zlewnie cząstkowe. Drugim podział zlewni cząstkowych na jednostki zwane jednorodnymi obszarami hydrologicznymi (homogeneous hydrological response units HRUs) reprezentujące indywidualne kombinacje warunków glebowych i zagospodarowania przestrzennego. Bilans wodny obliczany jest indywidualnie dla wydzielonych zlewni cząstkowych. Bilans obejmuje m. in. takie procesy jak: opad atmosferyczny, parowanie, transpiracja, spływ powierzchniowy, infiltracja, pobór wód przez roślinność, odpływ podpowierzchniowy, przesiąkanie do płytkich i głębokich warstw wodonośnych.
Tworzenie bilansu wodnego - modelowanie hydrologiczne (1) Ogólne równanie modelowanego bilansu wodnego w zlewni: gdzie: SW t SW 0 t R day Q surf E a W seep Q gw finalna zawartość wody w glebie początkowa zawartość wody w glebie w dniu i czas wielkość opadu atmosferycznego w dniu i wielkość spływu powierzchniowego w dniu i ewapotranspiracja w dniu i ilość wody docierającej do strefy nienasyconej gruntu z profilu glebowego w dniu i ilość wody przesiąkającej przez grunt i dopływającej do rzeki, zbiornika wodnego w dniu i
Tworzenie bilansu wodnego - modelowanie hydrologiczne (2) Ogólne równanie modelowanego bilansu wodnego w korycie rzecznym: gdzie: V stored,2 - objętość wody w odcinku koryta w momencie zakończenia kroku obliczeń [m 3 ] V stored,1 - objętość wody w odcinku koryta w momencie rozpoczęcia kroku obliczeń [m 3 ] V in - objętość wody wpływającej do odcinka koryta w danym kroku obliczeń [m 3 ] V out - objętość wody odpływającej z odcinka koryta w danym kroku obliczeń [m 3 ] tloss - straty w wyniku przenikania wody przez podłoże koryta [m 3 ] E ch - straty w wyniku parowania wody z koryta [m 3 ] div - dopływ lub ubytek w wyniku dywersji wody [m 3 ] V bnk - dopływ wody z brzegów [m 3 ]
Podstawowe dane wejściowe dla modelowania hydrologicznego Dane meteorologiczne: - opad atmosferyczny, - temperatura powietrza, - natężenia promieniowania słonecznego, - prędkość wiatru, - wilgotność względna. Dane dotyczące gleb: - zawartość procentowa poszczególnych frakcji w każdym profilu glebowym, - pojemność polowa, - gęstość nasypowa, - przewodność hydrauliczna nasycona, - ilość wody dostępnej dla roślin. Ukształtowanie i zagospodarowanie terenu: - model wysokościowy terenu (DEM), - mapa pokrycia / zagospodarowania terenu. Dane o roślinności: - rodzaj występującej roślinności, - okres wegetacji. Informacje o praktykach zarządzania zlewnią: - ilość punktowo odprowadzanych ścieków, - import / eksport wody, - transfer wodny pomiędzy zbiornikami, ciekami lub zlewniami cząstkowymi, - okres wzrostu upraw, - nawadnianie pól, - czas prowadzenia orki.
Tworzenie modelu zlewni rzeki Kłodnicy Rzeka Kłodnica jest prawostronnym dopływem Odry. Długość biegu Kłodnicy wynosi 84 km, a jej źródła leżą na terenie miasta Katowice. Rzeka ta należy do regionu wodnego Górnej Odry, administrowanego przez Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Gliwicach. Modelowana część zlewni rzeki Kłodnicy to obszar o powierzchni 427 km 2. Obszar ten obejmuje odcinek Kłodnicy o długości 45,4 km oraz jej dopływy.
Podział modelu na zlewni cząstkowe Na terenie zlewni znajduje się 13 punktów monitoringu jakości wód powierzchniowych oraz trzy przekroje wodowskazowe. Punkty te (razem z ujściami poszczególnych dopływów) uwzględnione w modelu zostały jako ujścia zlewni cząstkowych, których w modelu utworzono 70.
Dopływy wód antropogenicznych W zlewni zidentyfikowano 98 istotnych punktowych źródeł zanieczyszczeń (głównie zrzuty wód kopalnianych i oczyszczalni ścieków). Źródła te połączono w grupy przypisane do poszczególnych zlewni cząstkowych, tworząc w ten sposób 26 punktowych źródeł zanieczyszczeń Informacje o ilości odprowadzanych ścieków pochodziły z ewidencji prowadzonej przez IETU na potrzeby programu Przyjazna Kłodnica.
Tworzenie jednorodnych obszarów hydrologicznych (1) Danymi wejściowymi do utworzenia jednorodnych obszarów hydrologicznych były: - model wysokościowy terenu o rozdzielczości 10x10 m, - mapa pokrycia terenu Corine Lanc Cover 2000 o rozdzielczości 100x100 m. Na podstawie mapy wyznaczono 11 kategorii zagospodarowania terenu, występującego na terenie zlewni. - mapa glebowa udostępniona przez European Soil Data Centre o rozdzielczości 1000x1000 m. Na podstawie mapy wyznaczono 4 typy gleb występujących na terenie zlewni i obliczono dla nich parametry fizyczne niezbędna dla modelowania obiegu wód. W sumie wyznaczono 1 273 jednorodnych obszarów hydrologicznych.
Tworzenie jednorodnych obszarów hydrologicznych (2)
Dane meteorologiczne Dane meteorologiczne - takie jak: - dobowe sumy opadu atmosferycznego, - wilgotność względna powietrza, - prędkość wiatru, - temperatura, - radiacja słoneczna wprowadzono do modelu w oparciu o informacje pochodzące z trzech stacji monitoringu jakości powietrza Wojewódzkiego Inspektoratu Ochrony Środowiska: - Gliwice, ul. Mewy 34, - Zabrze, ul. Skłodowskiej 34, - Katowice, ul Kossutcha 6 oraz w oparciu o informacje ze stacji meteorologicznej w Katowicach.
Kalibracja modelu (1) Kalibrację modelu zlewni rzeki Kłodnicy przeprowadzono na podstawie danych dotyczących dobowych przepływów w roku hydrologicznym 2006 w przekroju wodowskazowym Kłodnica (rzeka Kłodnica 63,8 km). Kalibracje przeprowadzono dla następujących parametrów: Nazwa parametru: Alpha_bf Ch_K2 Cn2 Esco Gw_Delay Gwqmn Rchrg_Dp Surlag Opis: stała recesji zasilania cieku wodą gruntową przewodnictwo hydrauliczne podłoża koryta [mm/h] krzywa spływu powierzchniowego współczynnik kompensacji ewaporacji glebowej opóźnienie dopływu wody z nadległych utworów geologicznych [d] wartość progowa ilości wody w płytkim poziomie wodonośnym, powyżej której pojawia się zasilanie cieku wodą gruntową [mm] współczynnik przesączania warstwy wodonośnej Współczynnik opóźnienia spływu powierzchniowego
Kalibracja modelu (2) Przepływ dobowy 1 000 000.00 900 000.00 800 000.00 700 000.00 600 000.00 500 000.00 400 000.00 300 000.00 200 000.00 100 000.00 0.00 2006-09-22 2005-11-04 2005-11-18 2005-12-02 2005-12-16 2005-12-30 2006-01-13 2006-01-27 2006-02-10 2006-02-24 2006-03-10 2006-03-24 2006-04-07 2006-04-21 2006-05-05 2006-05-19 2006-06-02 2006-06-16 2006-06-30 2006-07-14 2006-07-28 2006-08-11 2006-08-25 2006-09-08 przepływ [m3/d] 2006-10-06 2006-10-20 1 000 000.00 900 000.00 800 000.00 700 000.00 600 000.00 500 000.00 400 000.00 300 000.00 200 000.00 100 000.00 0.00 data SWAT - model bez kalibracji monitoring (IMG W, 2008) Przepływ dobowy 2006-09-22 2005-11-04 2005-11-18 2005-12-02 2005-12-16 2005-12-30 2006-01-13 2006-01-27 2006-02-10 2006-02-24 2006-03-10 2006-03-24 2006-04-07 2006-04-21 2006-05-05 2006-05-19 2006-06-02 2006-06-16 2006-06-30 2006-07-14 2006-07-28 2006-08-11 2006-08-25 2006-09-08 2006-10-06 2006-10-20 Możliwość wykorzystania modelu zlewni rzecznej w celu określenia przyczyn zmiany jakości Kalibrację przeprowadzono dla trzech wariantów modelu (w zależności od rodzaju wykorzystanych danych meteorologicznych). Obok przedstawiono rezultat kalibracji (górny wykres obrazuje modelowane i monitoringowe wartości przepływów przed kalibracją modelu, dolny wykres wartości po kalibracji). przepływ [m3/d] Poprawność przeprowadzonej kalibracji sprawdzono stosując powszechnie znany współczynnik korelacji oraz współczynnik determinacji Nasha-Sutcliffa. data SWAT - kalibracja dla wariantu I monitoring (IMGW, 2008)
Kalibracja modelu (3) Uzyskane współczynniki świadczą o poprawności przeprowadzonej kalibracji. Współczynnik korelacji większy od 0,7 świadczy o silnej korelacji analizowanych danych, natomiast współczynnik Nasha-Sutcliffa większy lub równy 0,75 wskazuje na dokładne dopasowanie danych, czyli przepływów pochodzących z monitoringu i przepływów będących wynikiem modelowania. Kłodnica 63,8 km Współczynnik korelacji Wariant I 0.867 Wariant II 0.866 Wariant III 0.869 Współczynnik determinacji Nasha-Sutcliffa Wariant I 0.830 Wariant II 0.850 Wariant III 0.827
Weryfikacja modelu Weryfikacja oparta była o dane dotyczące dobowych przepływów w roku hydrologicznym 2006 w następujących przekrojach wodowskazowych: - Wodowskaz Gliwice - rzeka Kłodnica 46,2 km - Wodowskaz Gliwice - rzeka Bytomka 2,7 km Weryfikację modelu, podobnie jak w przypadku oceny kalibracji przeprowadzono przy użyciu współczynnika korelacji oraz współczynnika determinacji Nasha-Sutcliffa. Kłodnica 46,2 km Współczynnik korelacji Wariant I 0.866 Wariant II 0.857 Wariant III 0.885 Współczynnik determinacji Nasha-Sutcliffa Wariant I 0.817 Wariant II 0.776 Wariant III 0.833 Bytomka 2,7 km Współczynnik korelacji Wariant I 0.929 Wariant II 0.897 Wariant III 0.923 Współczynnik determinacji Nasha-Sutcliffa Wariant I 0.860 Wariant II 0.403 Wariant III 0.846
Analiza wyników (1) Otrzymane wyniki modelowania hydrologicznego pozwoliły na zbadanie korelacji pomiędzy dobowymi i rocznymi przepływami wód naturalnych (bez zrzutów ścieków) ze stężeniami wskaźników zanieczyszczeń. Pozwoliło to na stworzenie podstaw dla rozpoznania, jaką wzajemną rolę w zmianach jakości wód w zlewni rzeki pełnią czynniki antropogeniczne - na które możemy wpływać, a jaką czynniki naturalne (warunki hydrologiczne). Do analizy posłużyły dane z lat 2002-2006, dotyczące stężenia dwunastu wskaźników zanieczyszczeń, mierzonego w 13 punktach pomiarowych monitoringu jakości wód.
Analiza wyników (2) - Przeprowadzone analizy dla wybranych wskaźników zanieczyszczeń wskazują na: - wyraźną ujemną korelację dobowych przepływów ze stężeniem chlorków, siarczanów, azotu ogólnego, azotu kjeldahla, fosforu ogólnego, fosforanów, - wyraźną dodatnią korelację dobowych przepływów ze stężeniem cynku, - wzrost siły korelacji dla chlorków i siarczanów w latach, w których suma opadu oraz suma przepływu wód naturalnych w ciekach jest mniejsza, - wzrost siły korelacji dla ChZT i BZT 5 w latach, w których suma opadu oraz suma przepływu wód naturalnych w ciekach jest większa, - spadek średniorocznego stężenia manganu, azotu ogólnego, azotu Kjeldahla oraz fosforu ogólnego w latach, w których przepływ jest wyższy. Zjawisko to występuje we wszystkich analizowanych punktach pomiarowych. - W wielu przypadkach zaobserwowano stały wzrost siły korelacji w kolejnych punktach pomiarowych wzdłuż biegu rzeki lub w kolejnych analizowanych latach.
Analiza wyników (2) Wyniki modelowania przy użyciu programu SWAT mogą posłużyć do określenia przyczyn zmiany jakości wód w odniesieniu do określonych wskaźników zanieczyszczeń oraz obszaru (np. miejsca, w którym w wyniku niezidentyfikowanych przyczyn jakość wody ulega pogorszeniu).
Dziękuję za uwagę