Od kilku dekad gwałtownie rośnie zapotrzebowanie na wodę, które prowadzi m.in. do nadmiernej eksploatacji zasobów wód gruntowych. Naukowcy z Wojskowej Akademii Technicznej zaproponowali innowacyjną metodę pomiaru ubożenia wód podziemnych opartą na pomiarach GPS, która ułatwi monitoring tego zjawiska nawet w najbardziej odległych częściach świata. Wyniki badań opublikowali w prestiżowym czasopiśmie „Remote Sensing of Environment”.
Czasowe i przestrzenne zmiany mas wodnych odzwierciedlają trendy w magazynowaniu zasobów m.in. w oceanach, atmosferze, na lądzie i kriosferze, a ich wiarygodne określenie stanowi istotny wkład w oszacowanie wzrostu średniego globalnego poziomu morza i jego budżetu, w badaniach zachowania osi obrotu Ziemi czy opisu ruchu bieguna ziemskiego.
„Zmiany mas wodnych są również istotnym wskaźnikiem wydarzeń hydrologicznych, takich jak susze czy powodzie i odzwierciedlają też efekty wielkoskalowe, jak El Niño. Pomimo, że do hydrosfery lądowej zalicza się wiele składników, tj. głównie wody powierzchniowe, takie jak rzeki i jeziora, wody gruntowe, lodowce, wieczną zmarzlinę, wodę zawartą w glebach czy roślinności, to wahania występujące jedynie w wodach gruntowych na skutek nie tylko ocieplającego się klimatu, ale również intensywnego wypompowywania mają coraz bardziej wyraźny i znaczący wpływ na całkowite zasoby wód lądowych, a w konsekwencji także na egzystencję człowieka” – mówi dr inż. Artur Leńczuk z Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT.
Obecnie wody gruntowe są źródłem około 33% wód całkowitych dostarczanych gospodarstwom domowym i przedsiębiorstwom, stanowią około 30% globalnej zawartości wody słodkiej, a ich zasoby w pierwszym okresie XXI wieku mają aż 25% udział we wzroście globalnego średniego poziomu morza. Według najnowszych badań obecnie prawie 5 miliardów ludzi mieszka na obszarach zagrożonych brakiem dostępu do wody słodkiej. W ciągu ostatnich kilku dekad na skutek gwałtownego wzrostu zapotrzebowania na wodę tempo ubożenia wód gruntowych wzrosło ponad dwukrotnie, a w efekcie ubożenie wód gruntowych uznano za zjawisko globalne.
Globalne i regionalne magazynowanie wód gruntowych i ich zmienność są badane w oparciu o pomiary wykonywane przy pomocy tradycyjnych instrumentów, takich jak radar penetrujący grunt czy sieć czujników bezprzewodowych. Dane pobierane są z lokalnych studni monitorujących (pomiary in situ, czyli wykonane na miejscu w terenie), a ich dostępność jest ograniczona ze względu na m.in. wysokie koszty pomiarów. Na skutek tego zaczęto wykorzystywać różnorodne modele hydrologiczne udostępniające dane dla poszczególnych komponentów hydrosfery lądowej, w tym wód gruntowych. Pomimo ciągłego postępu w procesie opracowywania modeli hydrologicznych wywołanego rozwojem technik teledetekcyjnych, jak również wzrostem dokładności obserwacji naziemnych, modele opisujące poziom wód gruntowych nadal nie są w pełni wiarygodne.
„W geodezji, która jest nauką o badaniu kształtu Ziemi, zmiany w zasobach wodnych prowadzą bezpośrednio do przemieszczeń skorupy ziemskiej z uwagi na wymianę mas oraz tzw. efekt obciążeniowy. Dlatego w celu monitorowania globalnych i regionalnych zmian poziomu wód gruntowych zaczęto z powodzeniem wykorzystywać obserwacje dostarczane przez geodezyjne techniki pomiarowe, choć stanowią one grupę pośrednich technik pomiarowych. Zagadnieniami wykorzystania geodezyjnych technik pomiarowych do analizy rozmieszczenia i ruchu wody lądowej na i tuż pod powierzchnią Ziemi zajmuje się stosunkowo nowy obszar nauk o Ziemi – hydrogeodezja” – wyjaśnia naukowiec.
Badania pokazały, że od 2002 roku do oceny zmian magazynowania wód w kontynentach mogą być wykorzystywane obserwacje geodezyjne z misji grawimetrycznej GRACE (ang. Gravity Recovery and Climate Experiment) oraz od 2018 roku z jej misji kontynuacyjnej GRACE Follow-On. Jednakże wykorzystywanie danych GRACE do określenia zasobów wód gruntowych jest nadal w pewnym stopniu ograniczone ze względu na niską rozdzielczość przestrzenną udostępnianych danych (siatka 3°x3°). Precyzyjne informacje o wszelkich zmianach lokalnych możemy natomiast uzyskać wykorzystując obserwacje dostarczane przez geodezyjną technikę nawigacyjną GPS (ang. Global Positioning System), która wrażliwa jest nie tylko na zmiany związane z hydrosferą lądową, ale także na inne efekty lokalne, często traktowane jako szum obserwacyjny.
„W artykule udowodniliśmy ogromny potencjał techniki GPS dla lokalnych badań związanych z przestrzenno-czasowymi zmianami wód gruntowych w regionach z brakującym dostępem do pomiarów in situ. Dotyczy to m.in. Brazylii, środkowej Afryki, Jordanii czy Bangladeszu. Wykazaliśmy, że anteny systemu GPS pracujące w trybie ciągłym, których obecnie na całym świecie jest ponad 20 000 są wrażliwe na ekstremalne cykle sezonowe spowodowane opadami lub suszami, podkreślając dużą spójność obserwacji GPS z okresami mokrymi i suchymi wychwytywanymi przez dane hydrologiczne i klimatyczne” – mówi dr inż. Artur Leńczuk.
Autorzy publikacji wykazali również, że na ponad 40% obszarów kontynentalnych (w tym Europa) obserwowany jest stan alarmowy z powodu zmniejszającego się stanu magazynowania wód gruntowych powodujących trwałe wypiętrzenie skorupy ziemskiej związane z jej reakcją elastyczną.
Artykuł „Studying spatio-temporal patterns of vertical displacements caused by groundwater mass changes observed with GPS” ukazał się 1 lipca 2023 r. w czasopiśmie “Remote Sensing of Environment”. Grono autorów (w kolejności podanej w czasopiśmie) tworzą pracownicy Wydziału Inżynierii Lądowej i Geodezji WAT: dr inż. Artur Leńczuk, dr hab. inż. Anna Kłos, prof. WAT i prof. dr hab. inż. Janusz Bogusz.
Artykuł otrzymał 200 punktów, wskaźnik cytowań dla czasopisma (IF) to 13,850.
oprac. Marcin Wrzos
fot. Neli / Adobe Stock