Modelowanie suszy jako wsparcie planowania i zarządzania wodami

Zdjęcie: modelowanie suszy

O modelowaniu powodzi mówi się bardzo dużo już od lat, powszechnie dostępne są narzędzia do symulacji zjawisk powodziowych i ich produkty wynikowe w postaci map zagrożenia powodziowego – zarówno na otwartych ciekach, jak i wybrzeżu czy też w miastach w zakresie powodzi błyskawicznych/miejskich związanych z podtopieniami na terenach bezodpływowych lub wskutek niewydolnych studzienek. Modele hydrauliczne „powodziowe” wykorzystywane są do oceny skuteczności i efektywności działań, zarówno w dokumentach planistycznych (jak plany zarządzania ryzykiem powodziowym), jak i w koncepcjach lub studiach wykonalności dla planowanych działań i inwestycji.

Susza to zjawisko polegające na występowaniu długotrwałego deficytu wody w środowisku, spowodowanego najczęściej niedoborem opadów w stosunku do warunków normalnych, przy jednoczesnym oddziaływaniu takich czynników, jak parowanie, warunki glebowe, użytkowanie terenu oraz zasoby wód powierzchniowych i podziemnych. To jedna z wielu definicji, skupiająca się na kwestiach hydrologicznych. Wiemy jednak, iż to za mało, aby jakkolwiek zarządzić tym zjawiskiem i planować działania minimalizujące jego skutki.

Susza nie jest jednorodnym zjawiskiem hydrologicznym, ale procesem rozwijającym się w czasie i obejmującym kolejne elementy systemu wodnego oraz środowiska. Może zaczynać się od niedoboru opadów atmosferycznych, następnie prowadzić do spadku wilgotności gleby, ograniczenia dostępności wody dla roślin, obniżenia przepływów w ciekach, a także spadku poziomu wód podziemnych. Dlatego jej ocena wymaga podejścia integrującego aspekty meteorologiczne, hydrologiczne i hydrogeologiczne, a w konsekwencji rolnicze.

Czy można modelować zjawisko suszy?

Pojawia się pytanie, czy znając szeroki wachlarz aspektów suszy, można je modelować. Oczywiście, iż można. Co więcej, dziś jest to jedno z narzędzi wspierających planowanie działań adaptacyjnych. Należy jednak pamiętać, iż nie istnieje jedno uniwersalne narzędzie, które w identyczny sposób opisuje wszystkie aspekty suszy, ponieważ susze meteorologiczna, rolnicza, hydrologiczna i hydrogeologiczna dotyczą różnych elementów systemu środowiskowego. Narzędzie dobiera się zatem do elementów, które poddaje się szczegółowej analizie.

Do modelowania suszy meteorologicznej wykorzystywane są modele klimatyczne, modele meteorologiczne oraz wskaźniki opadowe, np. SPI, SPEI, bilans opad–ewapotranspiracja. Suszę rolniczą (glebową) analizuje się z wykorzystaniem modeli bilansu wodnego gleby i ewapotranspiracji, np. FAO-56, SWAT, AquaCrop. W analizach suszy hydrologicznej wykorzystuje się modele opad–odpływ i modele zlewniowe, np. SWAT, HEC-HMS, MIKE SHE, HBV, a suszy hydrogeologicznej – modele przepływu wód podziemnych, np. MODFLOW, albo modele zintegrowane, jak MIKE SHE.

Zintegrowane modelowanie procesów wodnych

Susza, jak już podkreślono, nie jest pojedynczym, prostym zjawiskiem, ale stanowi wynik współdziałania wielu procesów: niedoboru opadu, wzrostu parowania, ograniczonej infiltracji, zmian odpływu, spadku wilgotności gleby oraz obniżania się poziomu wód podziemnych. Właśnie dlatego jej analiza wymaga narzędzi, które pozwalają spojrzeć na cały obieg wody w sposób zintegrowany, a nie tylko na jeden wybrany element systemu.

Modelowanie suszy umożliwia nie tylko opisanie, gdzie i kiedy deficyt wody może się pojawić, ale także zrozumienie, dlaczego do niego dochodzi i jakie działania mogą ten efekt ograniczyć. Dzięki temu można porównywać scenariusze zmiany klimatu, użytkowania terenu czy wdrażania działań retencyjnych oraz oceniać ich wpływ na zasoby wodne w skali lokalnej i zlewniowej.

Na rynku dostępnych jest kilka narzędzi, które pozwalają na przeprowadzenie szerokozakrojonych analiz hydrologicznych i hydrogeologicznych, takie jak SWAT czy MODFLOW, jednak to MIKE SHE z rodziny MIKE jest jednym z najbardziej zaawansowanych i kompleksowych narzędzi i najlepiej integruje procesy zachodzące w skali danej zlewni.

MIKE SHE pozwala modelować jednocześnie procesy zachodzące na powierzchni terenu, w glebie, strefie nienasyconej, wodach podziemnych i ciekach. To właśnie taka zintegrowana perspektywa sprawia, iż modelowanie suszy staje się nie tylko możliwe, ale również użyteczne w praktyce projektowej, planistycznej i decyzyjnej.

MIKE SHE – geneza

Nazwa MIKE SHE wywodzi się od wcześniejszego projektu Système Hydrologique Européen (SHE), czyli European Hydrological System. Model rozwijany od końca lat 70. przez europejskie instytucje został włączony do rodziny narzędzi MIKE rozwijanych przez DHI, stąd obecna nazwa. Długa historia rozwoju MIKE SHE jest jego istotnym atutem, ponieważ świadczy o dojrzałości koncepcji modelowej, solidnych podstawach metodycznych oraz wieloletnim doskonaleniu narzędzia w odpowiedzi na potrzeby praktyki i badań hydrologicznych.

MIKE SHE – szczegóły techniczne

MIKE SHE to zaawansowane narzędzie do modelowania hydrologicznego, które umożliwia kompleksową symulację procesów zachodzących w cyklu hydrologicznym. System ten pozwala na szczegółową analizę przepływu wody zarówno na powierzchni, jak i pod ziemią, integrując takie procesy jak infiltracja, parowanie, odpływ powierzchniowy oraz przepływ gruntowy. Dzięki modułowej budowie MIKE SHE można dostosować do specyficznych potrzeb projektu, uwzględniając różnorodne warunki środowiskowe i zarządcze.

Istotną cechą MIKE SHE jest jego elastyczność w doborze sposobu opisu procesów. W zależności od celu analizy i dostępności danych model może wykorzystywać zarówno podejścia w pełni fizycznie oparte, opisujące procesy dzięki równań przepływu, jak i uproszczone metody konceptualne. Dzięki temu możliwe jest dopasowanie poziomu szczegółowości modelu – od analiz ogólnych w skali zlewni po bardziej zaawansowane symulacje wymagające dokładnego odwzorowania procesów w środowisku.

Trzeba jednak pamiętać, iż model w MIKE SHE, tak jak każdy model, stanowi uproszczenie systemu rzeczywistego, jego wyniki obarczone są niepewnością, a ich dokładność zależy od jakości i dokładności zaimplementowanych danych.

Zakres danych i procesów ujętych w modelu hydrologicznych zbudowanym w MIKE SHE przedstawiono ramowo na schemacie poniżej:

źrodło: DHI

MIKE SHE – wymiar praktyczny

W praktyce MIKE SHE znajduje szerokie zastosowanie w analizie działań retencyjnych, takich jak budowa zbiorników wodnych, wdrażanie systemów małej retencji czy renaturyzacja terenów podmokłych. Umożliwia ocenę efektywności tych rozwiązań w ograniczaniu odpływu wód opadowych, zwiększaniu zasobów wodnych oraz redukcji ryzyka powodziowego. Poniżej lista analiz, jakie można wykonać z wykorzystaniem modelu w MIKE SHE w obszarze zarządzania i przeciwdziałania skutkom suszy:

• Analiza bilansu wodnego zlewni – pozwala odpowiedzieć na pytania: ile wody trafia do systemu z opadu, ile jest tracone przez ewapotranspirację, ile infiltruje do gruntu, ile odpływa powierzchniowo i podziemnie.
• Analiza wilgotności gleby i suszy glebowej – umożliwia ocenę: zmian wilgotności gleby w czasie, długości okresów deficytu wody w strefie korzeniowej, przestrzennego zróżnicowania suszy rolniczej.
• Analiza zasilania wód podziemnych – pozwala ocenić: gdzie i w jakim stopniu zachodzi infiltracja efektywna, jak zmienia się zasilanie warstw wodonośnych, jak długo utrzymują się skutki okresów bezopadowych.
• Symulacja zmian poziomu wód gruntowych – można analizować: obniżanie się zwierciadła wód podziemnych podczas długotrwałej suszy, tempo odbudowy zasobów po okresach wilgotnych, wpływ działań retencyjnych lub infiltracyjnych na poziom wód gruntowych.
• Analiza przepływów niskich i przepływu bazowego – umożliwia ocenę: wpływu suszy na przepływy w ciekach, zmniejszania przepływu bazowego zasilanego przez wody podziemne, czasu i skali obniżenia zasobów wód powierzchniowych.
• Ocena wpływu działań retencyjnych na ograniczenie skutków suszy – można porównywać warianty zawierające takie działania, jak: mała retencja, odtworzenie mokradeł, zwiększenie retencji glebowej, renaturyzację cieków i dolin, działania spowalniające odpływ; model pokazuje, czy dane działanie: zwiększa infiltrację, poprawia wilgotność gleby, podnosi poziom wód gruntowych, stabilizuje przepływy w okresach suchych.
• Ocena skutków zmian użytkowania terenu – można analizować wpływ: urbanizacji, uszczelnienia powierzchni, zalesień, zmian praktyk rolniczych, przekształceń mokradeł; pod kątem suszy to bardzo ważne, bo użytkowanie terenu wpływa na: infiltrację, odpływ, parowanie, retencję krajobrazową.
• Analiza scenariuszy klimatycznych – może być wykorzystana do oceny skutków: spadku sum opadów, zmiany sezonowości opadów, wydłużenia okresów bezopadowych, wzrostu temperatury i ewapotranspiracji.
• Identyfikacja obszarów szczególnie wrażliwych na suszę – na podstawie wyników modelu można wskazać: obszary o niskiej retencji, tereny z szybkim odpływem, rejony podatne na spadek poziomu wód gruntowych, odcinki cieków szczególnie zagrożone niżówkami, siedliska zależne od płytkich wód gruntowych.

Poniżej zestawiono konkretne funkcje narzędzia MIKE SHE wraz z przykładem zastosowania i korzyścią dla danego projektu lub decyzji.

Przykłady wykorzystania i referencje z kraju i świata

Modele hydrologiczne opracowane w MIKE SHE stanowiły podstawy wielu opracowań analitycznych i systemów w Polsce i na świecie. Praktyczne zastosowania MIKE SHE obejmują zarówno analizy zasobów wodnych i oddziaływań środowiskowych, jak i projektowanie działań adaptacyjnych względem zjawiska suszy oraz poprawiających retencyjność. Model był wykorzystywany m.in. w zlewni Mokolo River w Republice Południowej Afryki do symulacji scenariuszy hydrologicznych na potrzeby zarządzania przepływami środowiskowymi, w zlewni Aa of Weerijs do oceny opartych na przyrodzie rozwiązań (NBS) ograniczających skutki suszy, a także w badaniach nad powiązaniami klimatu i hydrologii w zlewni Skjern River w Danii.

Istotnym aspektem narzędzia MIKE SHE jest jego dynamiczne zintegrowanie z modelem wód powierzchniowych – wcześniej opracowanych w narzędziu MIKE11, w tej chwili w MIKE+. Można tu wymienić choćby unikalny w skali światowej system sterowania zasobami wodnymi zlewni rzeki Murrumbidgee (zlewnia o powierzchni 85 tys. km²), CARM – Computer Aided River Management, który otrzymał prestiżową australijską nagrodę Environmental Engineering Excellence Award w 2013 r. Kolejny przykład to Big Cypress Basin Real Time Hydrologic Monitoring and Modeling System wdrożony przez South Florida Water Management District (SFWM), zajmujący się zarządzaniem gospodarką wodną na niezwykle wrażliwych i cennych przyrodniczo obszarach Południowej Florydy (w tym obszary Parku Narodowego Everglades oraz jezioro Okeechobee o powierzchni 1891 km²). SFWM korzystało również z modeli MIKE SHE i MIKE 11 do modelowania zlewni Jeziora Alligator, zlewni rzeki Caloosahatchee, systemu usuwania biogenów na obszarze PN Everglades: Everglades Nutrient Removal, zlewni Zatoki Estero o powierzchni 930 km², zawierającej 37 jezior i 15 rzek, oraz zlewni rzeki Kissimiee o powierzchni 7770 km².

W ostatnich latach MIKE SHE został także wykorzystany w niemieckim projekcie Wassermanagement unter Berücksichtigung des Klimawandels. Celem projektu jest zapobieganie nadmiernemu zużyciu dostępnych zasobów wodnych i konfliktom w ich użytkowaniu. Do projektu zaangażowano wszystkich kluczowych interesariuszy odpowiedzialnych za zarządzanie wodą lub użytkujących wodę na obszarze projektu. Na potrzeby realizacji celu, wspólnie ze wszystkimi zainteresowanymi stronami, opracowano zintegrowany model, który ma stanowić narzędzie do prognozowania i wspomagania decyzji. Będzie on podstawą planowania i wdrażania konkretnych działań, ich kombinacji i strategii adaptacyjnych na obszarze objętym projektem. Więcej szczegółów i materiałów można znaleźć na stronie projektu: https://wlv.de/landwirtschaft-klimawandel.

W Polsce MIKE SHE stosowany był m.in. do realizacji projektu Dokumentacja hydrogeologiczna ustalająca zasoby dyspozycyjne wód podziemnych zlewni Gostyni oraz do prognozy warunków hydrogeologicznych i zasolenia wód podziemnych w strefie brzegowej Zatoki Gdańskiej pod wpływem prognozowanego podniesienia poziomu morza na skutek zmian klimatycznych (Polańska K., 2009, praca doktorska na Uniwersytecie Gdańskim, Wydział Oceanografii i Geografii). W obszarze kwestii retencyjnych, a zatem także tych minimalizujących skutki suszy, wykorzystano modele MIKE SHE do opracowania analiz możliwości zwiększenia retencji na terenach leśnych, rolniczych i zurbanizowanych na obszarze zlewni Wkry i zlewni Pilicy w ramach utrzymania oraz zwiększenia istniejącej zdolności retencyjnej w Regionie Wodnym Środkowej Wisły. Wyniki projektów dostępne są na stronie: http://www.retencjawisla.pl/. Opracowanie przez Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Warszawie tych analiz wynikało z pierwszych planów zarządzania ryzykiem powodziowym.

Materiały i szkolenia

W sieci dostępnych jest wiele darmowych materiałów, z których można dowiedzieć się więcej o narzędziu MIKE SHE, rozpocząć naukę lub pogłębić swoje umiejętności w modelowaniu hydrologicznym.

• Kurs wprowadzający do modelowania w MIKE SHE
  Kurs dostępny pod linkiem: Getting Started with MIKE SHE
• Comiesięczne webinaria prezentujące funkcjonalności narzędzia MIKE SHE
  Lista nadchodzących spotkań: Upcoming MIKE SHE Webinars
• Nagrania wcześniejszych webinarów prezentujących MIKE SHE – dostępne na wniosek

Webinarium wprowadzające obejmujące budowę modelu MIKE SHE: How to build a model in MIKE SHE – Part I

Webinarium wprowadzające obejmujące kalibrację modelu MIKE SHE: How to build a model in MIKE SHE – Part II

Webinarium wprowadzające obejmujące postprocessing danych wynikowych z modelu MIKE SHE: How to build a model in MIKE SHE – Part III

• Przewodnik krok po kroku wraz z konkretnymi analizami w narzędziu MIKE SHE

Przewodnik dostępny pod linkiem: manuals.mikepoweredbydhi.help/latest/Water_Resources/MIKE SHE Exercises.pdf

• Instrukcja obsługi i dokumentacja techniczna MIKE SHE

Dokumentacja dostępna pod linkiem: MIKE SHE Documentation

Dlaczego nie wykorzystujemy takich narzędzi w planowaniu planistycznym?

Wydaje się, iż opracowanie wiarygodnego modelu pozwoliłoby odpowiedzieć na wiele pytań podmiotów zarządzających wodami i ich użytkowników. Dlaczego zatem z tego nie korzystamy? Najczęstszy powód jest dość prosty: narzędzia istnieją, ale system planowania nie pozostało w pełni gotowy, żeby wykorzystywać je rutynowo. Problemów i trudności jest całkiem sporo.

Modele zintegrowane potrzebują dużo dobrej jakości danych: meteorologicznych, hydrologicznych, hydrogeologicznych, glebowych, danych o użytkowaniu terenu, informacji o urządzeniach wodnych i melioracyjnych. W Polsce dane te często są rozproszone między instytucjami, niejednolite, o różnej rozdzielczości, trudne do pozyskania, nie zawsze aktualne albo kompletne. Bez nich choćby bardzo dobry model nie daje wystarczająco wiarygodnych wyników do celów planistycznych.

Problemem jest też wysoka złożoność modeli: są czasochłonne w budowie, wymagają kalibracji i walidacji, potrzebują doświadczonego zespołu. W praktyce planistycznej często szuka się metod szybszych, prostszych i tańszych. Przygotowanie takich modeli wymaga poniesienia dość wysokich kosztów – zarówno na ich opracowanie, jak i utrzymanie ich aktualności, jeżeli miałyby służyć długofalowo.

Poza tym nie istnieją procedury planistyczne wymagające stosowania modeli zintegrowanych. Zwykle liczy się spełnienie minimalnych wymagań metodycznych i preferowane są wskaźniki, analizy eksperckie i prostsze bilanse. Model zintegrowany, jak sama nazwa wskazuje, łączy różne obszary, a tu zderzamy się z kolejnym problemem – podziałem kompetencji instytucjonalnych. Susza dotyczy jednocześnie gospodarki wodnej, rolnictwa, planowania przestrzennego, ochrony środowiska, leśnictwa i infrastruktury. To powoduje, iż odpowiedzialność jest rozproszona, a modele zintegrowane wymagają właśnie integracji danych, celów i decyzji między sektorami. Niestety choćby dobry model nie wystarczy, jeżeli nie ma jasnego mechanizmu wdrażania wyników, wyniki nie przekładają się bezpośrednio na zapisy dokumentów, a decydenci oczekują prostych rekomendacji, a model pokazuje złożone zależności i niepewność.

Podsumowanie

Wykorzystanie narzędzi modelowych w analizach zjawiska suszy ma najważniejsze znaczenie, ponieważ pozwala przejść od ogólnej diagnozy problemu do ilościowej oceny procesów odpowiedzialnych za powstawanie deficytu wody oraz skuteczności możliwych działań zaradczych. Dzięki modelowaniu możliwe jest jednoczesne uwzględnienie wpływu warunków meteorologicznych, adekwatności gleb, użytkowania terenu, odpływu powierzchniowego, zasilania wód podziemnych oraz relacji między ciekami i warstwami wodonośnymi.

W tym kontekście MIKE SHE wyróżnia się jako narzędzie szczególnie użyteczne, ponieważ umożliwia zintegrowaną analizę całego obiegu wody w zlewni, a tym samym ocenę różnych postaci suszy – od suszy glebowej, przez hydrologiczną, po hydrogeologiczną. Jego szczególną wartością jest możliwość analizowania scenariuszy zmiany klimatu, zmian użytkowania terenu oraz wariantów działań adaptacyjnych i retencyjnych, co czyni go nie tylko narzędziem analitycznym, ale także praktycznym wsparciem dla planowania, podejmowania decyzji i budowania długofalowej odporności na suszę.

Mimo dostępności zaawansowanych narzędzi modelowych, ich wykorzystanie w planowaniu dotyczącym suszy w Polsce przez cały czas jest ograniczone. Wynika to przede wszystkim z dużych wymagań wobec danych, rozproszenia informacji między instytucjami, wysokiej złożoności i kosztów budowy modeli oraz braku formalnego obowiązku stosowania takich narzędzi w wielu procedurach planistycznych. Z pewnością procesu nie ułatwia sektorowy podział kompetencji. Istotnym wyzwaniem pozostaje także przełożenie złożonych wyników modelowania na proste i operacyjne rekomendacje, możliwe do wdrożenia w dokumentach strategicznych i planistycznych.

Susza jest zdecydowanie trudniejsza do „pokazania” niż powódź. Nie wystarczy bowiem zasięg zalania na mapie. Jest także trudniejsza do przeciwdziałania. Susza rozwija się wolniej i wielowymiarowo – znaczenie mają opad, wilgotność gleby, przepływy, poziom wód gruntowych, a skutki dotyczą wielu sektorów. Przez to trudniej stworzyć jeden prosty, powszechnie rozumiany produkt planistyczny. Natomiast ostatnie lata i corocznie nawiedzająca Polskę oraz większość Europy susza wydają się dobrym motywatorem do rozpoczęcia pogłębionych analiz w tym obszarze. Problem powinien zachęcać do rozszerzania świadomości przy wydawaniu decyzji czy pozwoleń w zakresie poborów i zrzutów wód, do lepszego planowania działań adaptacyjnych oraz do współpracy międzysektorowej. jeżeli na poziomie całego kraju to mało realne do wdrożenia w krótkim czasie, być może warto zacząć od rejonów najbardziej poszkodowanych skutkami suszy. Narzędzia, takie jak MIKE SHE i inne, są dostępne, a trudność ich wykorzystania nie powinna być prostą wymówką dla ignorowania tej możliwości oraz mniej świadomego podejmowania decyzji w zakresie planowania i gospodarowania wodami z uwzględnieniem zjawiska suszy.

źródło: materiał DHI