Vademecum

Cykl obiegu wody

Jak woda krąży w przyrodzie — i dlaczego zrozumienie tego cyklu jest podstawą reszty tego działu.

Ten rozdział jest w budowie. Docelowo: parowanie, kondensacja, opad, spływ powierzchniowy, infiltracja — z diagramem i odniesieniem do warunków w Polsce.

Stan wiedzy społeczeństwa wyniesiony ze szkoły

istnieje wyraźna luka między tym, czego uczy się w szkole, a tym, co jest dziś potrzebne do zrozumienia problemów suszy, powodzi i gospodarowania wodą. Szkolny model obiegu wody dobrze wyjaśnia procesy fizyczne, ale słabo pokazuje, jak decyzje człowieka zmieniają bilans wodny zlewni. To właśnie ten praktyczny, systemowy aspekt jest obecnie jednym z najważniejszych kierunków rozwoju edukacji hydrologicznej.

Uczniowie w Polsce poznają cykl obiegu wody dość wcześnie, ale w bardzo uproszczonej postaci, natomiast praktycznie nie uczą się współczesnej hydrologii zlewni ani bilansu wodnego w rozumieniu używanym dziś przez hydrologów i specjalistów od retencji. W późniejszym etapie życia docierają informacje wyrywkowe i w zależności od formy i nasilenia potrafiące budować nieprawdziwy obraz zjawisk i działań.

Podstawa programowa wymaga, aby uczeń rozumiał zależności pomiędzy elementami środowiska oraz procesami zachodzącymi w hydrosferze, jednak nie precyzuje szczegółowo współczesnych zagadnień związanych z retencją krajobrazową, bilansem zlewni czy wpływem zmian użytkowania terenu na obieg wody.

podstawa programowa

Schemat opracowany głównie z myślą o wyjaśnieniu zamkniętego globalnego cyklu hydrologicznego, a nie funkcjonowania konkretnej zlewni.

Jak wygląda bilans wodny w podręcznikach?

W większości podręczników szkolnych bilans wodny sprowadza się do bardzo prostego równania: Opad = Parowanie + Odpływ ± Zmiana retencji

Nie analizuje się zwykle:

• retencji glebowej,
• retencji roślin,
• retencji korytowej,
• retencji mokradłowej,
• retencji miejskiej,
• przepływów podziemnych,
• wpływu sposobu użytkowania terenu,
• zmian klimatu. Z punktu widzenia współczesnej hydrologii jest to model bardzo uproszczony.

Jak aktualna jest ta wiedza?

Można ją ocenić następująco:

Pod względem naukowym podręczniki dobrze opisują podstawowe procesy fizyczne. Jednak od około 20–30 lat hydrologia bardzo się rozwinęła. Obecnie coraz większy nacisk kładzie się na:

• funkcjonowanie całych zlewni,
• retencję rozproszoną,
• rolę gleby jako magazynu wody,
• wpływ sposobu użytkowania terenu,
• rozwiązania oparte na przyrodzie,
• odbudowę mokradeł,
• renaturyzację cieków,
• spowalnianie odpływu zamiast jego przyspieszania.

Te zagadnienia pojawiają się w szkolnych materiałach jedynie w ograniczonym zakresie lub jako krótkie wzmianki.

Z perspektywy współczesnych wyzwań związanych z suszą i adaptacją do zmian klimatu największe luki dotyczą:

• myślenia w skali zlewni – jak opad rozdziela się na infiltrację, retencję i odpływ,
• roli gleby jako magazynu wody, a nie tylko podłoża dla roślin,
• retencji krajobrazowej (mokradła, lasy, miedze, oczka wodne),
• wpływu uszczelnienia powierzchni na gwałtowny odpływ i ryzyko powodzi,
• bilansu wodnego na poziomie gminy lub gospodarstwa rolnego,
• ekonomicznych skutków utraty retencji oraz oceny opłacalności inwestycji retencyjnych.

To właśnie te zagadnienia są dziś kluczowe w praktyce hydrologii i gospodarki wodnej, lecz nie stanowią istotnej części edukacji szkolnej.

Główne źródła

Podstawa programowa geografii – szkoła podstawowa (ZPE) Podstawa programowa geografii – liceum i technikum (ZPE) Seria „NOWE Oblicza geografii” (Nowa Era) Opis podręcznika „Oblicza geografii 3” Seria „Geografia” dla klasy 7 (WSiP)

Rozszerzenie autorskie cyklu obiegu wody dla zlewni Wisły

Orginalne ryciny przedstawiające obieg wody skupiają się na kilku głównych przepływach pomijając inne poboczne oraz ilości obrazujące skalę. Diagramy załączone poniżej zbierają tego typu rozroszone informacje i starają się w jednym widoku uwzględnić przepływy podstawowe, uczone w szkole oraz przepływy dodatkowe, które często pojawiają się w debacie publicznej w kontekście niedoborów wody jak pobór przez rolnictwo, ludność oraz wody różnych pokładów. Dodatkowo czytelnik otrzymuje szacunkowe informacje ilościowe dla przepływów przeliczone i podane w trzech formach:

• Oszacowanie ilości wody podawane w km³ rocznie; jest to powszechnie przyjęta i urzywana jednostka miary w hydrologii
• Oszacowanie ilości wody podawane mm słupa opadu rocznie; przeliczenie z km³ pozwala w łatwy sposób odnieść się do zasilania wodą używanego przez meteorologów
• % udział przepływu w odniesieniu do całkowitego opadu na danym terenie, gdzie roczny opad w zlewni Wisły uznałem za bazowy wskaźnik 100%, wszystkie inne % wartości pojawiające się na diagramie odnoszą się do tej wartości bazowej 100% = średnio 600mm opadu/rok = 117 km³ rocznie.

Oszacowanie ilościowe rozpływów możliwe jest wyłącznie jeśli obszar ograniczony jest terytorialnie, dlatego do analizy wykorzystany został obszar pokrywający się ze zlewnią Wisły, jako zlewni, która praktycznie w całości znajduje się w granicach administracyjnych Polski.

Rys: Cykl obiegu wody z wielkościami szacowanych przepływów ograniczony do obszaru zlewni Wisły

Jakość danych:

Podane wartości należy traktować jako wartości przybliżone i uśrednione, a w niektórych przypadkach wyłącznie jako orientacyjne szacunki.

Rys: Cykl obiegu wody z wielkościami szacowanych przepływów ograniczony do obszaru zlewni Wisły krok po kroku

Przykładowo:

• ilość opadów (1) i wszystkie pochodne mogą różnić się pomiędzy latami i regionami kraju i przyjmować wartości od 450 do 950 [mm] opadu rocznie,
• % wody infiltrowanej do głębszych pokładów (2) zależy od rodzaju gleby; dla Mazowsza może być różny niż na Podkarpacia, dodatkowo struktura, ilość warstw wodonośnych i podział wód podziemnych został nieco uproszczona do celów dydaktycznych,
• % wody zasilającej rzeki z różnych pokładów jest wyłącznie szacunkiem bez twardych danych źródłowych i badań
• % wody pobierany przez ludność z różnych warstw wodonośnych jest różny w zależności od regionu kraju (8), na południu przeważają pobory z wód powierzchniowych, i czym bardziej na północ kraju tym częściej z warstw podziemnych.
• przepływy przedstawione na szaro (5)(6)(7) są wyłącznie szacunkowe, ale konieczne do uwzględnienia jeśli chcemy mieć model układu zamkniętego uwzględniający także zasilania i odpływy zewnętrzne spoza układu. Wartości szacowane na podstawie powierzchni morza, przeważających kierunków i prędkości wiatrów, oraz czasu utrzymywania się wody w atmosferze (około 6-9 dni).

Źródło: Gutry-Korycka M., Sadurski A., Kundziewicz Z., Pociask-Karteczka J., Skrzypczyk L., Zasoby wodne i ich wykorzystanie, "Nauka" 1/2014, s. 77-98.

Możemy spojrzeć na diagram jako układ automatyki.

Możemy wyróżnić:

• zakłucenia zewnętrzne w postaci opadów (jest to coś co możemy obserwować, być może przewidzieć w krótkim okresie, ale nie kontrolować)
• kilka bloków procesu wewnętrznego w postaci przepływy wody przez poszczególne warstwy i cieki (część z nich reaguje gwałtownie na zakłucenia, a część powolnie)
• wyjście układu w postaci upływu wody do morza (obserwujemy, ale kontrolowanie wyjścia odbywa się wyłącznie poprzez wpływanie na fazy wcześniejsze)
• charakterystyki odpowiedzi poszczególnych bloków (inaczej na zakłucenie odpowiada blok związany z wodą powierzchniową w górach, a inaczej głębinową z Mazur).
• opóźnienie układu, gdzie zmiana zakłucenia w postaci opadu propaguje się na wyjście w okresie do 10 dni i cząstkowo w przyszłości (zwiększony poziom wody przy ujściu do morza)

Zwykle w układach automatyki celem jest uzyskanie oczekiwanej charakterystyki sygnału na wyjściu, w naszym przypadku tak nie jest. Sam poziom rzeki jest przede wszystkim metodą oceny stanu zlewni w określonych warunkach, a nie celem do utrzymania jako takim.

Rzeka jest oczywiście odrębnym ekosystemem w którym toczy się życie, które powinniśmy uszanować i utrzymać (są pewne wskaźniki i badania mówiące, że w celu zachowania ekosystemu rzeki, przepływ nie powinien spadać poniżej 40% przepływu nominalnego - przybliżenie). Przyrodnicy mogą mieć inne zdanie, ale z punktu widzenia automatyki całego systemu, poziom wody w Wiśle jest jedynie pochodną działań, a nie celem.

Celem jest zachowanie kontrolowanej wilgotności gleby na jak największych obszarach kraju i powiązany z tym poziom wody w warstwie wód gruntowych. Wody powierzchniowe są metodą realizacji celu, a nie celem samym w sobie.

Rozwinięcie tematu suszy i zmian klimatu znajdziemy w kolejnym rozdziale: Wpływ zmian klimatu