Ilościowa ocena zasilania wód podziemnych z wykorzystaniem teledetekcji satelitarnej

Jedną, z podstawowych trudności w hydrodynamicznej analizie wód podziemnych jest zgromadzenie zweryfikowanych danych wejściowych, które dokładnie i wiarygodnie opisują zarówno system hydrogeologiczny, jak i jego interakcje z otoczeniem. Grupą elementów cechujących się dużą niepewnością są dane opisujące zasilanie infiltracyjne wód podziemnych. Duża zmienność przestrzenna i czasowa sprawia, iż niezwykle trudne jest oszacowanie przestrzennego rozkładu oraz dynamiki tego procesu, zwłaszcza w skali regionalnej. Szansą na zwiększenie wiarygodności danych charakteryzujących zasilanie infiltracyjne jest zastosowanie teledetekcji satelitarnej. W pracy doktorskiej zaproponowano metodę ilościowej oceny rocznych sum zasilania infiltracyjnego, bazującą na analizie zdjęć satelitarnych. Podstawowym źródłem wykorzystanych danych satelitarnych są zestawy obrazów pochodzących z satelitów Landsat 7 i Landsat 8. Dane satelitarne wykorzystano głównie do oceny ewapotranspiracji. Jej ilościową charakterystykę oparto na zmodyfikowanym modelu SSEBop (Operational Simplified Surface Energy Balance) (Senay i in., 2013). W proponowanej metodzie, roczne zasilanie infiltracyjne obliczane jest w dwóch krokach. W pierwszym, wyznaczana jest potencjalna ilość wody mogącej wejść w skład odpływu podziemnego (Qsurplus). Stanowi ona różnicę pomiędzy opadami atmosferycznymi a obliczona ewapotranspiracją. W drugim etapie, roczne sumy infiltracji efektywnej uzyskuje się poprzez pomnożenie wartości Qsurplus przez współczynnik korekcyjny ϰ. Wprowadzony przez autora współczynnik ϰ wyraża stosunek obliczonego Qsurplus do ilości wody docierającej do warstwy wodonośnej. Jest on szacowany na podstawie analizy właściwości filtracyjnych utworów przypowierzchniowych. Prezentowana metoda była testowana na obliczeniowym poligonie badawczym, zlokalizowanym w północno-wschodniej Polsce, w latach 2014–2016. Ocenę otrzymanych wartości ewapotranspiracji rocznej i infiltracji efektywnej oparto o analizę danych ze zlewni rzek Szkwy i Rozogi. Walidacja metody wskazuje, że w przypadku obszarowych analiz zasilania wód podziemnych, proponowana metoda dostarcza wiarygodnych wyników. Przeprowadzone badania dowodzą, iż mimo niekorzystnych warunków pogodowych (częste zachmurzenie), algorytmy bazujące na danych satelitarnych stanowią perspektywiczne narzędzie, umożliwiające ilościową ocenę zasilania infiltracyjnego.

One of the fundamental difficulties during hydrodynamic analysis of groundwater is collecting qualified input data, that accurately and reliably describe both the hydrogeological system and its interaction with the surroundings. A group of elements characterized by high uncertainty are data describing the process of groundwater recharge. Large spatial and temporal variability makes extremely difficult to estimate the spatial distribution and dynamics of this process, especially at the regional scale. The chance to increase the reliability of the recharging infiltration data is to use the satellite remote sensing. The thesis presents the method for quantification the annual recharging infiltration based on satellite imagery analysis. The basic sources of satellite data used in the method are the imagery sets derived from the Landsat 7 and Landsat 8 satellites. Satellite data was used mainly for the estimation of evapotranspiration. Its quantitative characteristics are based on the modified Operational Simplified Surface Energy Balance (SSEBop) model (Senay et al., 2013). In the proposed method, the annual recharging infiltration is calculated in two steps. At first, the potential quantity of water that can enter the groundwater runoff (Qsurplus) is specified. This is the difference between the precipitation amount and the calculated annual evapotranspiration. In the second step, the annual sum of effective infiltration is obtained by multiplying the Qsurplus by the correction coefficient ϰ. Proposed by the author, coefficient ϰ expresses the ratio of the calculated Qsurplus to the amount of water reaching the aquifer. The ϰ coefficient is estimated on analysis of the filtration properties of the surface deposits. The presented method were tested at computational field site, located in north-eastern Poland, in the years 2014–2016. Evaluation of the obtained annual evapotranspiration and recharging infiltration values was based on the analysis of data from the Szkwa and Rozoga rivers basins. The method validation has shown, that in the case of areal recharging infiltration analysis, the proposed method provides reliable results. The studies shows that, despite unfavorable weather conditions (frequent clouds cover), the algorithms based on the satellite data are a perspective tool for quantification the recharging infiltration.