Zrozumieć SUSZĘ, zapobiegać i przeciwdziałać

Fot EK 1 Susza w Kampinowskim PN 375x500

 Susza w Kampinowskim Parku Narodowym (Fot. E.Krogulec)

Jak definiować suszę? Czy możemy przeciwdziałać suszy? Geo-susza?

 

Susza – to zjawisko groźne, niepokojące, coraz częściej powszechnie występujące.
Stan wody w rzekach budzi zaniepokojenie, wypowiedzi klimatologów, hydrologów, ekologów budzą niepokój, niezależnie od użytego kontekstu.

 

Jak przekładają się ekstremalnie niskie opady atmosferyczne na wody podziemne? Czy obecna sytuacja jest wyjątkowa, czy zdarzały się podobne okresy w historii Ziemi?

 

Wszyscy obawiamy się niedostatków wody, jak temu przeciwdziałać, jak organizować gospodarkę wodną, aby minimalizować ograniczenia i niedostatki wody, jak magazynować i retencjonować zasoby wodne?

 

Na te pytania i wiele innych geolodzy, hydrogeolodzy szukają odpowiedzi.

 

Unia Europejska wydała szereg przepisów tzw. „dyrektyw wodnych”, dostrzegając konieczność wprowadzenia wspólnych ram regulujących przepisy prawne dotyczące gospodarki wodnej. Ramowa Dyrektywa Wodna (Dyrektywa 2000/60/WE) wyznacza cele i zadania w celu zapewnienia obecnym i przyszłym pokoleniom dostępu do wody dobrej jakości oraz umożliwienie korzystania z wody na potrzeby m.in. przemysłu i rolnictwa, przy jednoczesnym zachowaniu i ochronie środowiska naturalnego. RDW wprowadza planowanie gospodarowania wodami w obszarach dorzeczy, ze szczególnym naciskiem na współpracę międzynarodową na obszarach dorzeczy o charakterze międzynarodowym. Jednym z podstawowych celów ochrony jest, między innymi:

  • zapewnienie odpowiedniego zaopatrzenia w dobrej jakości wodę;
  • zmniejszanie skutków powodzi i suszy.

Dyrektywa 2006/118/WE dotyczy wyłącznie ochrony wód podziemnych przed zanieczyszczeniem i pogorszeniem ich stanu.

 

Dysponujemy zatem wsparciem legislacyjnym, potrzebne jest wsparcie naukowe.
Jakie są zasoby wód słodkich, jak wyglądają ilościowo zasoby wód podziemnych?

Oszacowane zasoby wodne Ziemi wg. USGS (https://www.usgs.gov/ data dostępu 28.04.2020)

 Water source  Water volume, in cubic kilometers   Percent of freshwater    Percent of total water  
 Oceans, Seas, & Bays  1,338,000,000  --  96.54
 Ice caps, Glaciers, & Permanent Snow    24,064,000  68.7  1.74
 Groundwater   23,400,000  --  1.69
 Soil Moisture   16,500  0.05  0.001
 Ground Ice & Permafrost  300,000   0.86  0.022
 Lakes   176,400  --  0.013
     Fresh    91,000  0.26  0.007
     Saline   85,400  --  0.006
 Atmosphere   12,900  0.04  0.001
 Swamp Water   11,470  0.03  0.0008
 Rivers    2,120  0.006  0.0002
 Biological Water  1,120   0.003  0.0001

 

Susza, podobnie jak powódź, jest zjawiskiem naturalnym i jej pojawienie się co jakiś czas nie jest niczym ekstremalnym, ale nadzwyczaj groźnym, choć obserwacje wskazują, że zjawiska te mają tendencje do wydłużania się i zmian w czasie i przestrzeni.
Badania prowadzone przez geologów wskazują na potrzebę analizy suszy w szerszym kontekście oraz interdyscyplinarne podejście do problemów niedoboru wody, podkreślając inną dynamikę i tendencję zmian stanów i jakości wód podziemnych w systemie hydrogeologicznym w stosunku do wód powierzchniowych.

Państwowe Gospodarstwo Wodne WODY POSKIE ogłosiło program STOP SUSZY! Hydrogeolodzy wpisują się w hasło poprzez badania i analizy wód podziemnych. Identyfikacja suszy wymaga analizy wyników. Dlatego szczególnie ważny jest nie tylko monitoring zjawiska, ale pogłębiona analiza badawcza wielu aspektów związanych z rozwojem suszy.

 

Przedstawiamy wybrane publikacje pracowników Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego dotyczące problematyki suszy w różnych aspektach jej występowania.

 

Zachęcamy do szerszej dyskusji.
Ewa Krogulec

2_Susza w Kampinowskim Parku Narodowym (Fot. E.Krogulec)

 Susza w Kampinowskim Parku Narodowym (Fot. E.Krogulec)

Publikacje:

  • GRUSZCZYŃSKI T., LEŚNIAK P., MICHALAK J., NOWICKI Z., 2009, Wyznaczanie zmian zasobów wód podziemnych w rejonach zbiorników małej retencji. Państwowy Instytut Geologiczny, Warszawa.

  • GRUSZCZYŃSKI T., MAŁECKI J., ZIUŁKIEWICZ M., Reconstruction of paleohydrogeological conditions in the late Holocene based on the study calcareous tufa in the spring mire of the Wolbórka River drainage basin (central Poland). Journal of Elementology 22(3). DOI: 10.5601/jelem.2016.21.4.1284

  • HUMNICKI W., 2017, Identyfikacja okresów suszy hydrogeologicznej na podstawie obserwacji źródeł w Pienińskim Parku Narodowym (pieniński pas skałkowy). Przegląd Geologiczny, vol. 65, nr 11/2, 2017.
  • KROGULEC E., 2019, Evaluating the risk of groundwater drought in groundwater-dependent ecosystems in the central part of the Vistula River Valley, Poland. Ecohydrology & Hydrobiology. No.1, t. 18: 82-91.
  • KROGULEC E., SAWICKA K., ZABŁOCKI S., 2019, Podatność wód podziemnych w warunkach suszy hydrogeologicznej w płytkich systemach hydrogeologicznych. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego. Vol 475, No 475: 101-108. Doi: 10.7306/Bpig.12.
  • KROGULEC E., ZABŁOCKI S., ZADROŻNA D., 2019, Variability of Intrinsic Groundwater Vulnerability to Pollution in River Valley due to Groundwater Depth and Recharge Changes. Appl. Sci. 2019, 9(6), 1133; https://doi.org/10.3390/app9061133.
  • SZOSTAKIEWICZ-HOŁOWNIA M., 2012, Metody wyznaczania modułu odpływu podziemnego w wybranych zlewniach Karpat wewnętrznych. W: Mat. II Polskiego Kongresu Geologicznego, Geologia jedna?!, Warszawa, 87–87.

 

Jerzy Małecki

 

Strefa aeracji, rola w rozwoju suszy
          W bilansie wód podziemnych jednym z podstawowych parametrów jest infiltracja efektywna jest to ta część wód, która dociera do strefy saturacji zasilając poziomy wodonośne. Okresy suszy w sposób ewidentny ograniczają tą wartość powodując obniżenie zwierciadła wód podziemnych. Deficyt zasilania wynikający z suszy jest najwyraźniej dokumentowany w strefie aeracji oraz strefie saturacji pierwszego, swobodnego poziomu wodonośnego. Dlatego obiektem zainteresowań hydrogeologów dokumentujących to zjawisko są przypowierzchniowe odcinki profili gruntowych gdzie procesy te zachodzą najintensywniej. Dla szacowania wartości infiltracji najbardziej wiarygodne są wieloletnie pomiary lizymetryczne. Ze względu na dużą ilość czynników przyrodniczych determinujących to zjawisko, doświadczalny sposób uzyskania ilości wsiąkającego opadu, uwzględniający bilans strat, jest najbardziej miarodajny. Pośrednie metody oznaczania infiltracji efektywnej bazują na pomiarach przepływów niżówkowych rzek w kontrolowanych przekrojach hydrometrycznych lub na określeniu wartości szacunkowych w oparciu o znajomość rozkładu opadów atmosferycznych oraz możliwości infiltracyjnych utworów przypowierzchniowych warunkowanych ich składem litologicznym.
          Ruch wody w strefie aeracji (przesączanie) jest wypadkową siły ciężkości oraz siły wiązania wody przez utwory skalne. Potencjał siły wiązania jest parametrem trudnym do określenia, wynika on z różnicy ciśnień wody związanej i wody wolnej czyli ciśnienia ssącego utworów budujących strefę aeracji. Najpełniej opis procesów zachodzących w strefie aeracji odtwarzają matematyczne schematy obliczeniowe. Służą one do określenia: ilości wody jaką powierzchnia terenu może przekazać atmosferze, wartości przepływu wody w warstwie glebowej z uwzględnieniem przejmowania jej przez system korzeniowy roślin, oraz przede wszystkim określeniu infiltracji efektywnej dla różnej skali przestrzenno-czasowej.
          Wielkości zasilania, w zależności od przyjętych założeń, trafnie opisują kombinacje dwóch równań: Boussinesq’a, opisującego przepływ nieustalony w warstwie o zwierciadle swobodnym i równania Richards’a, odnoszącego się do przepływu wody w ośrodku porowym o niepełnym nasyceniu wodą. Pełne ilościowe rozpoznanie procesów rządzących wymianą wody pomiędzy warstwą wodonośną i atmosferą wymaga określenia całego szeregu parametrów klimatycznych, hydrologicznych i hydrogeologicznych.
          Jednym z najistotniejszych procesów przyrodniczych jest parowanie. Odgrywa ono podstawową rolę w równaniu bilansu wodnego oraz jest czynnikiem wpływającym na zmiany relacji wody opadowe - wody podziemne. W obliczeniach bilansowych pod pojęciem parowania terenowego przyjmuje się sumę wszystkich rodzajów parowania: intercepcję, parowanie z gleby, transpirację, sublimację z pokrywy śnieżnej i lodowej.
          Zespół hydrogeologów z Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego prowadzi komplementarne, interdyscyplinarne badania obejmujące wszystkie elementy środowiska hydrogeologicznego związane z okresami suszy. Tworzy teoretyczne podstawy metod badawczych dotyczących: infiltracji, parowania, sposobu gromadzenia wód przesiąkowych, fizyko-chemicznych właściwości gleb i skał, modeli stanu równowagi chemicznej wód podziemnych, parametrów fizyko-chemicznych wód opadowych, przesiąkowych i gruntowych oraz laboratoryjnych badań eksperymentalnych.

 

Kilka publikacji z zakresu problematyki roli strefy aeracji w infiltracji wód:

  • The forecast of the anthropogenic transformations of the chemical composition of groundwaters in the urban areas. Geological Quarterly vol. 35 (4): 77-49. Wyd. Geol. Warszawa, 1991.
  • Role of the zone of aeration in the formation of groundwater chemical composition. Geological Quarterly vol. 39 (3): 439-448. Wyd. Geol. Warszawa, 1995.
  • Wody Tatr i Podhala - przemiany i zagrożenia. LXVIII Zjazd Polskiego Towarzystwa Geologicznego: 32–44.Wyd. PTG, Warszawa, 1997.
  • Rola strefy aeracji w kształtowaniu składu chemicznego płytkich wód podziemnych wybranych środowisk hydrogeochemicznych. Biuletyn Państwowego Instytutu Geologicznego nr 381: 219 stron Wyd.Geol., Warszawa, 1998.
  • Vadose Zone – Challenges In Hydrochemistry. Acta Geologica Polonica Vol.52, No. 4: 449-458. Wyd. Geol., Warszawa, 2002 (współautorstwo z Markiem Matyjasikiem).
  • The role of evapotranspiration in forming chemical composition of shallow groundwater (The Polish Tatras) - Acta Geologica Polonica Vol 57 part 4:485-492. Wyd. PAN, Warszawa 2006. (współautorstwo z Marzeną Szostakiewicz).

 

Ewa Falkowska
Paweł Rydelek

 

          Susza jest zjawiskiem, które odciska znaczące piętno na środowisku geologicznym. W pierwszym etapie proces ten objawia się przesuszeniem gleb i gruntów strefy przypowierzchniowej. Ubytek wilgoci powoduje powstanie odmiennych warunków fizykochemicznych i w konsekwencji powstanie odmiennych dla danych skał faz mineralnych. W szczególności przyśpieszonemu rozkładowi ulega zawarta w gruntach substancja organiczna. Zmniejszenie wilgotności powoduje także zmniejszanie objętości gruntów organicznych i gruntów spoistych. Paradoksalnie skutkiem jest także zmniejszenie zdolności retencyjnej utworów powierzchniowych, co wpływa na wzrost spływu powierzchniowego kosztem infiltracji wód opadowych. Bezpośrednim efektem są zmiany charakteru procesów biochemicznych, które w pierwszym rzędzie wpływają na dynamikę procesów glebowych.

          Najbardziej wyraźnym skutkiem braku opadów w krótszym horyzoncie czasowym jest susza glebowa, która może przekształcić się w suszę hydrologiczną, czyli w zdecydowane i długotrwałe obniżenie się poziomu wód podziemnych. Temu stanowi towarzyszy zmniejszenie odpływu podziemnego zasilającego przepływ w rzekach, a to pociąga za sobą daleko idące skutki w przyrodzie ożywionej. Sytuacja, w której na wodowskazach rejestruje się coraz niższe stany wód w rzekach, wiąże się nie tylko z dewastacją wartościowych siedlisk hydrogenicznych i związanych z nimi rzadkich i cennych gatunków roślin i zwierząt, ale także ze zmianą warunków funkcjonowania zlokalizowanej tam infrastruktury (na przykład ujęć wody, budowli piętrzących, zbiorników retencyjnych i elektrowni wodnych). Zagadnienia te są przedmiotem zainteresowania geologów środowiskowych z Katedry Ochrony Środowiska i Zasobów Naturalnych Wydziału Geologii Uniwersytetu Warszawskiego. Geolodzy innych specjalności śledzą te zagadnienia w szerszym kontekście i w innej skali czasowej, badając wpływ zmian klimatycznych na charakter i dynamikę procesów morfo- i litotwórczych oraz identyfikują zmiany klimatu w oparciu m.in. o charakterystykę profilu litologicznego, analizy paleobotaniczne i paleozoologiczne, paleopedologiczne.

          Susza wpływa w zasadzie na wszystkie działy gospodarki. Jednak jej skutki najszybciej i w największym stopniu dotykają rolnictwa. Ochronę produkcji roślinnej można prowadzić stosując odpowiednie strategie melioracji nawadniających. Kluczowe w projektowaniu takich systemów melioracyjnych jest rozpoznanie dostępności zasobów wód podziemnych i powierzchniowych, określenie parametrów fizykochemicznych i wodnych gruntów. Zagadnienia te są także przedmiotem badań geologów środowiskowych i hydrogeologów.

          Wśród nowoczesnych metod nawadniania w rolnictwie coraz większe uznanie zyskuje tzw. nawadnianie precyzyjne. Wydział Geologii był jednym z organizatorów Seminarium „Zrównoważone inteligentne rolnictwo, Woda”. Wydarzenie to było impulsem do nawiązania współpracy z instytucjami badawczymi, zajmującymi się problemami deficytu wody, przeciwdziałania suszy i produkcji rolnej. Efektem było złożenie wniosku o finansowanie wspólnego projektu badawczo-rozwojowego do Agencji Restrukturyzacji i Modernizacji Rolnictwa.

          Szczególną rolę w obiegu wody w środowisku geologicznym - i w systemie przyrodniczym w ogóle - odgrywają obszary mokradeł, zwłaszcza torfowiska. Powszechnie uznawane są za zbiorniki charakteryzujące się bardzo dobrymi zdolnościami retencyjnymi, co w istotny sposób wpływa na obieg wody i mikroklimat w obrębie zlewni. Gospodarka wodna torfowisk oparta jest na dopływie wód powierzchniowych i podziemnych oraz wód opadowych. Ubytek wody z torfowiska zachodzi zaś przede wszystkim wskutek ewapotranspiracji, przy zdecydowanie mniejszej roli odpływu powierzchniowego i podziemnego.

          Długotrwałe ograniczenie zasilania torfowisk wodą, w tym spowodowane również suszą, stanowi największe zagrożenie dla tych obiektów i dla gatunków silnie związanych z tego typu siedliskami. Badania m.in. z wykorzystaniem narzędzi molekularnych pozwalają śledzić w różnych skalach czasowych i przestrzennych takie zależności oraz przewidzieć potencjalne negatywne konsekwencje zmian siedliskowych dla trwałości gatunków.

          Długotrwałe ograniczenie zasilania torfowisk wodą może też przyczyniać się do wzrostu ryzyka pożarowego. Ostatnie, dramatyczne pożary w Biebrzańskim Parku Narodowym szczęśliwie nie objęły większych obszarów torfowisk, gdyż konsekwencje przyrodnicze mogłyby być zdecydowanie gorsze. Pożary torfowisk mogą utrzymywać się miesiącami, jak miało to miejsce chociażby w 2015 r. w Indonezji, powodując katastrofalne emisje, głównie dwutlenku węgla, do atmosfery.


 

Barbara Woronko
Leszek Marks

 

Susza w historii geologicznej Ziemi

          W historii geologicznej Ziemi, okresy suszy nie są niczym niezwykłym, obejmowały różne obszary i zmieniał się ich czas trwania. Występowanie obszarów objętych suszą zależy przede wszystkim od strefy klimatycznej i cyrkulacji atmosferycznej, a w szczególności - od wielkości opadów, położenia (na wybrzeżu, bądź w głębi lądu) oraz występowania w sąsiedztwie zimnych prądów oceanicznych. W ostatnich kilku tysiącach lat zjawiska suszy stają się bardziej dotkliwe wskutek nieprzemyślanej gospodarki człowieka powodującej rabunkową eksploatację zasobów środowiska, między innymi przez nadmierny wypas i wyrąb lasów, nieprzemyślaną meliorację i regulację rzek oraz niedostosowanie charakteru upraw rolnych do specyfiki terenu.

          Okresem suchym, który znacząco wpłynął na pierwsze cywilizacje ludzkie jest wydarzenie 4.2 ka, które było spowodowane osłabieniem monsunu letniego i zaznaczyło się przede wszystkim we wschodniej Afryce i południowej Azji, a więc w pasie niskich szerokości geograficznych półkuli północnej w okresie 4300-3900 lat temu. W tym czasie granica północna występowania letnich opadów deszczu przesunęła się o ponad 1000 km ku południowi, przyczyniając się do pustynnienia Sahary i powiększania pustyń azjatyckich oraz ograniczając wylewy takich rzek jak Nil, Eufrat, Tygrys i Indus, co miało katastrofalny wpływ na ówczesne rolnictwo. Susza dotknęła szczególnie rejon Morza Śródziemnego, gdzie ilość opadów zmniejszyła się co najmniej o 30%. Megasuszy w tym obszarze towarzyszyło wyraźne ochłodzenie spowodowane napływem zimnych mas powietrza z północy i występowanie deszczy nawalnych zimą, co w Egipcie znacząco zdewastowało infrastrukturę Starego Państwa, opartą na powszechnym wykorzystywaniu cegły mułowej. Podobnie intensywne opady deszczu występowały w marcu 2020 r. na obszarze delty Nilu, m.in. powodując powódź w Kairze.

          W okresie wydarzenia 4.2 ka temperatura wód powierzchniowych północnego Atlantyku obniżyła się o 1-2°C, a jednocześnie nasiliły się powodzie błyskawiczne i wzrosła aktywność burz pyłowych w rejonach suchych północnej Afryki. W konsekwencji ekosystemy jeziorne uległy zmianie ze słodkich na słone.
Megasusza doprowadziła do upadku neolitycznych cywilizacji oraz wymusiła zmiany kulturowe i społeczne cywilizacji starożytnych w basenie Morza Śródziemnego, na Bliskim Wschodzie oraz w Azji południowo-wschodniej. Wyniki badań archeologicznych wskazują, że pierwsze duże miasta Mezopotamii zostały opuszczone prawie równocześnie około 4200 lat BP. Centra cywilizacji przemieściły się do żyznych dolin rzecznych. W Egipcie wzrostowi suchości klimatu, towarzyszyły niskie przepływy i wezbrania w Nilu. W dolinie rzeki Indus (Pakistan) długotrwała susza i niskie przepływy, doprowadziła do zmiany organizacji społeczeństwa cywilizacji Harappa.

          Zmiany klimatu w holocenie są związane z cykliczną przebudową cyrkulacji atmosferycznej. Czynniki odpowiedzialne za zaistnienie zdarzenia 4.2 ka są nadal częściowo nierozpoznane, ale uważa się, że w rejonie północnego Atlantyku są powiązane z tzw. oscylacją północnoatlantycką NAO (North Atlantic Oscillation).

 

Literatura:

  • Bini, M., Zanchetta, G., Persoiu, A., Cartier, R., Català, A., Cacho, I., Dean, J.R., Di Rita, F., Drysdale R. N., Finnè, M., Isola I, Jalali, B., Lirer, F., Magri, D., Masi, A., Marks, L., Mercuri, A. M, Peyron,O., Sadori, L., Sicre, M.A., Welc, F., Zielhofer, C., Brisset, E., 2019. The 4.2 ka BP Event in the Mediterranean region: an overview. Climate of the Past 15, 555–577.
  • Bond G., Showers W., Cheseby M., Lotti R., Almasi P., deMenocal P., Priore P., Cullen H., Hajdas I., Bonani G., 1997. A Pervasive Millennial-Scale Cycle in North Atlantic Holocene and Glacial Climates. Science, 278, 1257-1266.
  • Di Rita, F., Fletcher, W.J., Aranbarii, J., Margaritelli, G., Lirer, F., Magri, D., 2018. Holocene forest dynamics in central and western Mediterranean: periodicity, spatio-temporal patterns and climate influence Scientific Reports 8:8929,s41598-018-27056-2.
  • Kaniewski, D., Marriner, N., Cheddadi, R., Guiot, J., Van Campo, E., 2018. The 4.2 ka BP event in the Levant. Climate of the Past, 14, 1529–1542.
  • Kathayat, G., Cheng, H., Sinha, A., Berkelhammer, M., Zhang, H., Duan, P., Li, H., Li, H., Ning, Y., Edwards, R.L., 2018. Timing and Structure of the 4.2 ka BP Event in the Indian Summer Monsoon Domain from an Annually-Resolved Speleothem Record from Northeast India. Climate of the Past, https://doi.org/10.5194/cp-2018-92.
  • Kuraszkiewicz, K.O., 2016. Architectural innovations influenced by climatic phenomena (4.2 ka event) in the Late Old Kingdom (Saqqara, Egypt). Studia Quaternaria 33(1), 27–34.
  • Marks, L., 2016. Zmiany klimatu w holocenie. Przegląd Geologiczny, 64, 59–65.
  • Mayewski, P.A., Rohling E.E., Stager, J.C., Karle, W., Maasch, K.A., Meeker, L.D., Meyerson, E.A., Gasse, F., van Kreveld, S., Holmgren, K., Lee-Thorp, J., Rosqvist, G., Rack, F., Staubwasser, M., Schneider, R.R., Steig, E.J., 2004. Holocene climate variability. Quaternary Research 62, 243– 255.
  • Staubwasser, M., Sirocko F., Grootes, P.,Segl, M., 2003. Climate change at the 4.2 ka BP termination of the Indus valley civilization and Holocene south Asian monsoon variability vol. 30, no. 8, 1425, doi:10.1029/2002GL016822,.
  • Szczęsny, T.J., 2016. Was the 4.2 ka Event an Anthropogenic Disaster?. Open Journal of Ecology 6, 613-631.
  • Welc, F., Marks, L., 2014. Climate change at the end of the Old Kingdom in Egypt around 4200 BP: New geoarcheological evidence. Quaternary International 324 (4): 124–133.
  • Weiss, H., 2016. Global megadrought, societal collapse and resilience at 4.2-3.9 ka BP across the Mediterranean and west Asia. Pages 24, 62-63. doi: 10.22498/pages.24.2.62.
    Welc, F., 2016. Holoceńskie zmiany klimatu w dorzeczu dolnego Nilu w świetle danych geoarcheologicznych z Oazy Fajum. pp. 332.

 


 

Please publish modules in offcanvas position.