Sezonowa i wieloletnia zmienność zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni nizinnej

Badanie stanu zasobów wodnych w poszczególnych podsystemach zlewni należy do podstawowych zadań hydrologii. Ważnym elementem ilościowej diagnozy zasobów wodnych jest również ocena ich dynamiki, w aspektach zmienności czasowej i zróżnicowania przestrzennego. Rozpoznanie stanu zmiennych hydrologicznych pozwala poszukiwać zależności między nimi oraz relacji z procesami chemicznymi, fizycznymi i biologicznymi, umożliwia podejmowanie prób ich prognozy oraz dostarcza wiedzy potrzebnej w zadaniach praktycznych. Przedmiotem badań niniejszej pracy są zasoby wodne strefy aeracji. Celem poznawczym pracy jest rozpoznanie czasowej zmienności zasobów wodnych strefy aeracji w wymiarze sezonowym i wieloletnim w skali punktu, reprezentowanej przez profile glebowe, oraz w skali zlewni. Cele metodyczne obejmują opracowanie procedury oceny zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni na podstawie pomiarów punktowych i danych przestrzennych, a także ocenę możliwości zastosowania modelu relacji opad-odpływ i danych gridowych. Problematyka podjęta w pracy wpisuje się w światowy kierunek współczesnych badań hydrologicznych. Wiedza o czasowej i przestrzennej dynamice zasobów wodnych strefy aeracji jest kluczowa w wielu zagadnieniach badawczych, podejmowanych również w ramach pozostałych dyscyplin geografii fizycznej. Jako obszar badań wybrano nizinną zlewnię Liwca o powierzchni 2759 km2, zlokalizowaną w środkowo-wschodniej części Polski. Dla badanego obszaru zgromadzono materiał do analiz, obejmujący szeregi czasowe danych hydrologicznych i meteorologicznych oraz dane przestrzenne, charakteryzujące warunki przyrodnicze zlewni. Podstawowym źródłem informacji o zasobach wodnych strefy aeracji były dane wilgotności objętościowej gleby zebrane podczas eksperymentu pomiarowego, prowadzonego w latach 2009-2011 w sześciu profilach glebowych, zlokalizowanych w zlewni Liwca. Pomiary wykonywano miernikiem działającym w oparciu o metodę reflektometrii czasowej TDR. Dodatkowo wykonano laboratoryjne analizy składu granulometrycznego próbek gleby. Analiza zebranych danych empirycznych wykazała duże zróżnicowanie przestrzenne uwilgotnienia gleby, które można przypisać w tej zlewni przede wszystkim topografii, uziarnieniu oraz położeniu zwierciadła wody podziemnej. Uwilgotnienie profili glebowych, mimo przestrzennego zróżnicowania, charakteryzuje się stabilnością czasową ocenioną zgodnie z koncepcją zaproponowaną przez Vachauda i in. (1985). Wskazuje to na istnienie niezmiennej w czasie struktury przestrzennej warunków wilgotnościowych w zlewni Liwca. Przyjmując założenia koncepcji stabilności czasowej opracowano procedurę oceny zasobów wodnych strefy aeracji w skali zlewni na podstawie informacji punktowej oraz danych przestrzennych. Dokonano parametryzacji czynników kształtujących stan retencji strefy aeracji wykorzystując topograficzny wskaźnik wilgotności TWI (ang. Topographic Wetness Index). Opracowano cztery modyfikacje wskaźnika, z których do dalszych analiz wybrano jedną. Zróżnicowanie przestrzenne wybranego wskaźnika TWI uznano za statyczny model struktury przestrzennej uwilgotnienia gleby w zlewni Liwca. Oceny zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni dokonano integrując mapę wybranego wskaźnika z wynikami badań terenowych. Uzyskane wartości zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni zostały wykorzystane w interpretacji oraz analizie jakości wyników modelowania. Rekonstrukcji zasobów wodnych strefy aeracji w okresie 1980-2011 dokonano za pomocą konceptualnego modelu relacji opad-odpływ HBV (szw. Hydrologiska Byråns Vattenbalansavdelning). Kalibracja modelu pozwoliła ustalić trzy zestawy wartości czternastu parametrów modelu. Wysokie wartości współczynników jakości modelu pozwoliły przyjąć, że dokładność odtwarzania przepływów przez model jest wystarczająco dobra. Zauważono jedynie niedoszacowanie wartości przez model w zakresie najwyższych przepływów. Uzyskane dobowe oraz miesięczne wartości zapasu wody wykazały istotną statystycznie korelację z danymi z bazy GLDAS (ang. Global Land Data Assimilation System). Analiza porównawcza wyników obliczeń modelu HBV z wynikami opracowanej procedury skalowania w górę punktowych danych empirycznych wykazała wysoką zależność między wartościami zapasu wody w strefie aeracji, określonymi tymi metodami. Zasadniczym etapem pracy była ocena zmienności sezonowej i wieloletniej zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni Liwca. Oceny zmienności w wieloleciu 1980-2011 dokonano na podstawie zrekonstruowanych za pomocą modelu HBV szeregów czasowych zasobów wodnych strefy aeracji. Analiza sezonowej zmienności wykazała rytm zmian, obejmujący przyrosty zasobów w okresie jesiennym i zimowym oraz ich ubytki w okresie wiosennym, aż do wartości najniższych latem. Rytm ten nawiązuje do przebiegu zmian relacji między opadem atmosferycznym a ewapotranspiracją. Analiza wieloletniej zmienności nie wykazała istnienia istotnej statystycznie tendencji zmian zasobów wodnych strefy aeracji w zlewni Liwca. Wykazano natomiast istnienie sekwencji lat o niskim i wysokim stanie retencji, które nawiązują do sekwencji lat mokrych i wilgotnych pod względem opadów atmosferycznych.