Czy gospodarka wodna może być innowacyjna?

Czy gospodarka wodna może być innowacyjna?
J
ubileusz 80-lecia „Gospodarki Wodnej” i ruszająca nowa perspektywa finansowa to doskonały moment by zadać pytanie czy słowo „innowacyjny”
może kojarzyć się z szeroko rozumianą
gospodarką wodną? Czy gospodarka
wodna może być obojętna na galopujące zmiany technologiczne?
Od zawsze jednym z największych
problemów gospodarki wodnej (oczywiście obok finansowania) był dostęp
do danych. Dostęp do prawdziwych danych, dających rzeczywiste możliwości
wykonywania analiz to najważniejsza
kwestia w zarządzaniu. I nie jest zamiarem autorów tego artykułu przekonywanie kogokolwiek do otwarcia danych pozyskiwanych ze środków publicznych, bo to nieuchronnie nastąpi.
Dziś dane to tylko dane. Jest ich coraz
więcej. Realnym problemem jest ich
przechowywanie i wykorzystanie. Gospodarka wodna potrzebuje informacji
i mądrości płynącej z analizy dobrych
danych.
Jakie zmiany czekają gospodarkę
wodną w związku z dostępem do danych (coraz częściej darmowych)?
Czy metodyki analityczne stosowane
przez instytucje zarządzające pozostaną zmienione? Czy następna aktualizacja Planów Gospodarowania Wodami to
będzie zupełnie inny dokument?
Jesteśmy przekonani, że krótka informacja przygotowana przez specjalistów głównych branż gospodarki wodnej zainspiruje wszystkich Czytelników
nie tylko do odpowiedzi na powyższe
pytania, ale do innowacyjnego działania.
■ Hydrologia
Hydrologia i gospodarka wodna, które
w swych zadaniach opisują zasoby wodne i procesy hydrologiczne zachodzące
na Ziemi, są obecnie w swej istocie innowacyjne. O innowacyjności świadczą
nowe możliwości jakie dały im intensywnie w ostatnich latach wdrażane w praktyce hydrologicznej narzędzia opracowane w ramach Projektu ISOK. Narzędzia te to przede wszystkim nowatorsko
uzyskane wyniki modelowania zagrożenia powodziowego wykorzystywane
w kolejnych projektach w ramach PZRP.
Produkty takie jak numeryczny model
terenu i numeryczny model pokrycia te-
364
Model szorstkości terenu – połączenie danych spektralnych z poziomu lotniczego, danych
LIDAR oraz morfologii
renu, wykonane metodą laserową, posłużą w przyszłości do rozwijania bardziej innowacyjnych metod obliczeń
hydrologicznych w skali rzeki, zlewni i całej Polski. Opracowana w latach
2012–2013 MPHP 10 000, w połączeniu ze wspomnianym już NMT i mapą
pokrycia terenu Corine Land Cover
2012, stanowi nowoczesną bazę danych przestrzennych, która hydrologom
praktykom – inżynierom i projektantom
umożliwi zwiększenie dokładności obliczeń w zlewni niekontrolowanej. Wyrazem i efektem tych wdrożeń jest wykorzystanie (projekty Zakładu Hydrologii
i Zasobów Wodnych SGGW w Warszawie) w skali zlewni rzecznej i całej Polski modeli hydrologicznych korzystających z GIS – przede wszystkim modelu SWAT, który jest międzynarodowym
standardem obliczeniowym w gospodarce wodnej w warunkach zmian klimatycznych (Projekt CHASE-PL), zagrożenia jakości wód Bałtyku (Projekty
Baltic COMPASS, RECOCA) czy scenariuszy wpływu zmian gospodarowania rolniczego na jakość wód (Projekt
SCENESS). Wzrost innowacyjności
w obliczeniach bilansu wodnego i odpływu właśnie w zlewniach niekontrolowanych widzę osobiście w większej
integracji metod modelowania hydrologicznego bezpośrednio z teledetekcją,
oferującą cały wachlarz platform pozyskujących dane przestrzenne, o różnej dokładności, adresowane do różnej
skali opracowania. Udaje się to z powodzeniem w modelach pozwalających na
pełny rozkład parametrów przestrzennych zintegrowanych z rastrowym modelem GIS. Darmowe dobowe niskorozdzielcze zobrazowania satelitarne
parametrów pokrywy śnieżnej z satelity
MODIS z powodzeniem są asymilowane w modelu hydrologicznym WetSPA,
pozwalając uzyskać symulacje roztopów tak samo dobre, a nawet lepsze
niż z danych sieci posterunków opadowych i stacji klimatycznych. Ten sam
model WetSPA z powodzeniem użyto
w zlewni miejskiej, poprawiając wyniki modelowania odpływu przez precyzyjne mapowanie powierzchni nieprzepuszczalnych z wykorzystaniem zobrazowań średnio- (Landsat) i wysokorozdzielczych (Ikonos). Chmura punktów
z lotniczego skaningu laserowego ALS
lub pochodząca ze stereo-matchingu
jest wiarygodnym źródłem danych dla
szacowania wartości maksymalnej pojemności intercepcji powierzchni roślinnej. Integracja chmury punktów, zobrazowań hiperspektralnych (lotniczych
lub UAV – w zależności od skali opracowania) i stacjami meteo wykonującymi pomiar strumieni pary wodnej metodą kowariancji wirów to przyszłość obliczania przestrzennej zmienności parowania (Projekt InTrEv-WetEco), które –
obok intercepcji – należy do procesów
hydrologicznych o największym obecnie stopniu niepewności uzyskiwanych
wyników.
dr hab. Jarosław Chormański
Szkoła Główna Gospodarstwa
Wiejskiego w Warszawie
■ Hydrogeologia
Informacja o występowaniu wód podziemnych staje się obecnie jednym ze
strategicznym zasobów ze względu na
wzrastające w ostatnich dekadach znaczenie tego medium dla gospodarki.
Gospodarka Wodna nr 12/2015
Wystarczy tylko wspomnieć, że w wielu państwach, podobnie jak w Polsce,
wody podziemne stanowią podstawowe źródło zaopatrzenia w wodę pitną
i użytkową (70%). Hydrogeologia, czyli
nauka zajmująca się badaniem zjawisk
i procesów związanych z występowaniem, gromadzeniem i krążeniem wód
podziemnych, ma skomplikowane zadanie, gdyż większość procesów, które opisuje, odbywa się pod ziemią i dostęp do informacji jest utrudniony. Dane
stanowią istotę sukcesu w tej dziedzinie opierającej się na interpretacji procesów i prognozowaniu zjawisk. Rozwój technologiczny w ostatnich latach
zaowocował pojawieniem się wielu innowacyjnych narzędzi do modelowania matematycznego, umożliwiających
przestrzenną interpretację danych oraz
przewidywania form i zasobów występowania wód podziemnych. Dzisiejsze narzędzia są sprzęgnięte z typową funkcjonalnością GIS, co pozwala usytuować model hydrogeologiczny
w „świecie rzeczywistym” dodając liczne informacje ułatwiające analizę i interpretację (model terenu, zdjęcia lotnicze,
obrazy satelitarne, użytkowanie terenu
oraz wiele innych danych przestrzennych). Integrując w jednym systemie te
informacje z typowymi danymi geologicznymi i hydrogeologicznymi można
uzyskać obrazy 3D ułatwiające analizę i modelowanie zjawisk z uwzględnieniem wybranych parametrów. W efekcie
można przedstawić bilans wodny będący
podstawą do dalszych prac planistycznych i procesów decyzyjnych.
Typowe dane, jakimi dysponują hydrogeolodzy, mają charakter punktowy i pochodzą z otworów wiertniczych
(studziennych) lub źródeł. Na podstawie tak pozyskanych informacji tworzone są interpretacje warunków występowania wód podziemnych. Choć
wiele metod stosowanych dziś w hydrogeologii nie zmieniło się na przestrzeni dziesiątek lat i np. ciągle do pomiaru głębokości zwierciadła wody jest
stosowana staromodna „świstawka”, to
obecnie coraz częściej do badań wprowadzane są wyrafinowane technologie
wspomagające prace terenowe i interpretację danych.
W dobie zmian klimatycznych informacja hydrogeologiczna zyskuje coraz większe znaczenie w procesach
decyzyjnych, szczególnie w wypadku
występowania deficytu wodnego i obszarów suszy, gdyż obniżanie się poziomu zwierciadła wód podziemnych
może skutkować lokalnymi utrudnieniami w zaopatrzeniu w wodę z płytGospodarka Wodna nr 12/2015
kich ujęć. Obecnie monitoring wód wymaga pomiarów z użyciem sensorów
umożliwiających pozyskanie danych
w czasie rzeczywistym, jak również ich
szybką transmisję na serwery. Nowoczesne sensory instalowane w otworach studziennych umożliwiają bardzo
precyzyjne pomiary i monitoring parametrów ilościowych (wahania zwierciadła wody) oraz jakościowych (przewodność, chemizm itp.), które wcześniej
wymagały żmudnych prac terenowych
lub analiz laboratoryjnych. W „czasie
rzeczywistym” oznacza bezpośredni
dostęp do urządzeń pomiarowych i pozyskiwanie danych praktycznie on-line,
gdyż takie są coraz częściej wymagania prowadzonych analiz i interpretacji
wyników. Wszystko to razem oznacza
potrzebę przesyłania ogromnej liczby
danych z lokalizacji niejednokrotnie pozbawionych podstawowej infrastruktury. Niewątpliwie jest to wyzwanie, które
byłoby niemożliwe bez nowoczesnych
technologii transmisji danych (GSM…)
pozwalających na bezpośredni dostęp
do danych pomiarowych.
W lokalnym rozpoznaniu warunków
hydrogeologicznych, oprócz badań
punktowych, wykorzystywane są innowacyjne, nieinwazyjne metody geofizyczne dające ciągłe rozpoznanie warunków geologicznych (georadar, tomografia elektrooporowa, badania
magnetotelluryczne). Umożliwiają one
prezentacje wyników w postaci obrazu
3D, co niezmiernie ułatwia dalszą interpretację. Na większych obszarach podejmowane są także próby zastosowania pomiarów geofizycznych z urządzeń
instalowanych na pokładach samolotów
(areogeofizyka), jednakże w tym wypadku metody wymagają jeszcze rozwinięcia i dopracowania precyzji. Wyniki uzyskane przy użyciu nowoczesnych technologii geofizycznych umożliwiają odpowiednie rozpoznanie budowy geologicznej i wskazanie perspektywicznych stref
występowania wód podziemnych.
Podsumowując należy jeszcze wspomnieć o modelu danych hydrogeologicznych, będącym zapisem w języku czytelnym dla maszyn znanych od wielu lat
w hydrogeologii modeli pojęciowych. Model danych to struktura systematyzująca
pozyskiwane dane, bez czego w dobie
lawinowo przyrastających zasobów informacyjnych byłoby niemożliwe sprawne
zarządzanie, przetwarzanie, ale też udostępnianie informacji hydrogeologicznej.
dr Tomasz Nałęcz
Państwowy Instytut Geologiczny
Państwowy Instytut Badawczy
■ Hydrobiologia
Niezadowalający stan ekologiczny
większości JCWP w Polsce wskazuje
na konieczność podjęcia radykalnych
działań umożliwiających poprawę tego
stanu. Uzyskanie i utrzymanie postulowanego w RDW dobrego stanu wód
wymaga zmiany podejścia do zarządzania JCWP. Uzyskiwane w ustawowym monitoringu informacje o środowisku wodnym oparte na analizie danych
pozyskiwanych, na przykład dwa razy
do roku, w pojedynczych punktach pomiarowych nie zawsze odzwierciedlają
rzeczywisty jego stan. Trudno również
na tej podstawie zdiagnozować przyczyny niekorzystnych zjawisk występujących w środowisku wodnym. Przykładowo monitoring automatyczny/ciągły
wody prowadzony na zbiorniku goczałkowickim z użyciem sond wieloparametrowych pokazał dużą zmienność analizowanych parametrów, co w niektórych
wypadkach może powodować przypadkowość wyników uzyskiwanych w monitoringu i powoduje, że prowadzona na
jej podstawie diagnostyka przyczyn złego stanu jest nieprecyzyjna.
Pierwszym krokiem do uzyskania dobrego stanu wód powinno być wprowadzenie do zarządzania wodami nowych,
innowacyjnych narzędzi analitycznych
takich, jak: analizy zdjęć multi/hiperspektralnych, wyników uzyskiwanych z automatycznych sond wieloparametrowych
czy wielowymiarowego/wieloparametrowego modelowania. Duża liczba istniejących lub/i pozyskiwanych danych pozwala na budowę modeli numerycznych
odwzorowujących procesy zachodzące
w środowisku, uwzględniające zarówno
elementy biotyczne, jak i abiotyczne. Połączenie modelu ekosystemu z modelem hydrodynamicznym daje do ręki zarządzających wodami skuteczne narzędzie wielowymiarowej oceny stanu środowiska. Daje przede wszystkim możliwość predykcji zmian w środowisku
pod wpływem pojawiających się presji.
Rozwiązania te są obecnie wdrażane na
przytoczonym już jako przykład zbiorniku goczałkowickim, gdyż dają możliwość
systemowego połączenia cząstkowych
obserwacji stanu zbiornika, a w szczególności jego składników biologicznych
oraz wiedzy jak powiązane są ze sobą
wszystkie zjawiska zachodzące w zbiorniku [Kliś et al. 2014]. Wypracowane
modele pozwalają przewidywać skutki
niekorzystnych zjawisk zachodzących
w zbiorniku, in silico, i testować scenariusze, co pozwoli na uzyskanie informacji o skutkach planowanych działań.
365
Model przepływów wody w zbiorniku goczałkowickim w trakcie wezbrania w maju 2010 roku, modelowanie z użyciem Caedym Elcom
(ZiZOZap)
Model zmian temperatury w zbiorniku goczałkowickim, modelowanie z użyciem Caedym Elcom (ZiZOZap)
Narzędzia te powinny zrewolucjonizować również sposoby opracowywania oceny oddziaływania na środowisko,
w której ekspercka ocena zostanie zastąpiona w pełni obiektywną oceną opartą na numerycznych modelach środowiska, dając rzetelną ocenę skutków wprowadzanych zmian środowiskowych.
Przykładem takich narzędzi jest tandem modeli ELCOM/CAEDYM (E/C)
połączenie trójwymiarowego modelu hydrodynamicznego (ELCOM) z modelem
biogeochemicznym (CAEDYM). E/C modeluje zachowanie istotnych dla stanu
wód parametrów począwszy od fizykochemicznych, hydrologicznych po organizmy żywe, uwzględniając interakcje
pomiędzy nimi. W analizach uwzględniane są kluczowe dla funkcjonowania
ekosystemu zbiornika grupy organizmów: bakterie, cztery grupy fitoplanktonu, dwie grupy zooplanktonu, trzy grupy ryb. Dzięki takiemu połączeniu uzyskujemy dynamiczny, trójwymiarowy
obraz stanu wód – czyli zestaw rzetelnych informacji o kondycji ekosystemu,
uwzględniający zachodzące w nim procesy chemiczne, fizyczne, biochemiczne i hydrologiczne.
dr Andrzej Woźnica
Uniwersytet Śląski w Katowicach
■ Zarządzanie zasobami wodnymi
Zarządzanie zasobami wodnymi dziś
to świadome zarządzanie stanem /potencjałem ekologicznym wód. W tym
zdaniu zawiera się wszystko: korzystanie z wód, zarządzanie ryzykiem powodzi
i suszy, transport wodny, utrzymanie wód.
W przyszłości, podobnie jak dziś, będą
podejmowane decyzje na podstawie analiz wielokryterialnych (optymalny efekt –
optymalne oddziaływanie na środowisko
– optymalne koszty), ale wszechobecna
366
ekspercka ocena musi zostać zastąpiona
w pełni obiektywną oceną opartą na numerycznych modelach zasilonych dobrymi danymi, dając rzetelną ocenę skutków
wprowadzanych zmian na stan/potencjał
ekologiczny wód.
Niezwykle ważnym elementem gospodarki wodnej są dane o użytkowaniu zasobów, stanowiące podstawowy element
bilansów wodnogospodarczych wód powierzchniowych i podziemnych. Nadzieja, jaka towarzyszyła jeszcze kilka lat
temu budowaniu tych modeli (mających
w założeniu być podstawowym narzędziem dobrego zarządzania zasobami
wodnymi), dość szybko przygasła, gdy
okazało się, że przyzwoitej jakości dane
hydrologiczne i hydrogeologiczne o zasobach wód powierzchniowych i podziemnych – w zderzeniu przede wszystkim z danymi o wykorzystaniu zasobów
wodnych przez użytkowników – nie dają
wiarygodnych wyników. W szczególności nie dają satysfakcjonującej odpowiedzi na podstawowe pytanie o deficyty lub
rezerwy dostępnych zasobów.
Sytuacja jeszcze bardziej się komplikuje, gdy na mało wiarygodne modele
ilościowe nałożymy procesy jakościowe i chcemy uzyskać odpowiedzi dotyczące przemieszczania się w wodach
powierzchniowych ładunków zanieczyszczeń, mając za punkt odniesienia
niezwykle ograniczone w czasie i przestrzeni dane pomiarowe WIOŚ. Próba
bilansowania wód w zakresie zmiany
stanu//potencjału ekologicznego, oparta na elementach biologicznych, w gospodarce wodnej jeszcze nie została
podjęta!
Debata na temat braku w prawie
wodnym przymusu rejestru danych
przez użytkownika wód nie może dziś
być usprawiedliwieniem dla zarządzających zasobami wodnymi. Dziś gospodarka wodna ma do dyspozycji da-
ne w czasie rzeczywistym (codzienne
multispektralne zdjęcie Ziemi z satelity będzie już „jutro”, dziś dysponujemy
danymi wykonanymi już co 6–12 dni).
Pozyskanie dokładnych danych metodą
laserową czy przy wykorzystaniu kamer
hiperspektralnych z pułapu lotniczego
lub niższego, w porównaniu do środków
finansowych przeznaczonych ostatnio
na wykonanie w gospodarce wodnej dokumentów planistycznych… to grosze.
Obecnie, dzień po dniu, zdobywamy
wiedzę na temat pozyskania informacji
z danych, którymi już dysponujemy. Pozyskujemy zaskakująco dużo informacji
o środowisku, o występujących w nim
zależnościach, a także ich przyczynach
i skutkach, pozyskamy również o użytkowaniu (użytkownicy wód strzeżcie się!!!).
W następnej aktualizacji PGW będziemy oczekiwać prognozy efektów
działań naprawczych, pozyskanej na
podstawie modelowania i zestawienia
kosztów działań z prognozowanym
efektem. Będziemy oczekiwać zarządzania stanem/potencjałem ekologicznym wód. Wiedza jak to wykonać jest
zarówno w rękach (głowach) naukowców, jak i polskich specjalistów pracujących w firmach konsultingowych.
Dlatego też, jeśli ktoś jeszcze w Polsce zdecyduje się na podjęcie zreformowania gospodarki wodnej, niech
w pierwszej kolejności spróbuje rozwiązać rzeczywiste problemy merytoryczne i prawne. Takie jak przytoczone tu
zapewnienie wiarygodnych danych do
modelowania, podjęcia sprawdzonych
już innowacyjnych metod analitycznych po to, aby usprawnić zarządzanie
zasobami wodnymi. W tym tkwi jeden
z wielu prawdziwych problemów gospodarki wodnej, nie w wymyślaniu kolejnych zmian instytucjonalnych. W tym
również tkwi innowacja.
dr inż. Jerzy Grela
mgr inż. Ewa Laskosz
mgr inż. Monika Piszczek
MGGP S.A.
Gospodarka Wodna nr 12/2015