NCN: Modelowanie interakcji wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb analizy stanu siedlisk rzecznych i dolinowych

W latach 2017–2021 na Wydziale realizowany był projekt finansowany ze środków Narodowego Centrum Nauki (w ramach OPUS 11). Liderem projektu była Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska (kierownik projektu: Prof. dr hab. inż. Tomasz Okruszko). Wydział Instalacji Budowlanych, Hydrotechniki i Inżynierii Środowiska był partnerem projektu. Kierownikiem projektu w PW był dr inż. Grzegorz Sinicyn, wykonawcami: prof. dr hab. inż. Marek Nawalany, dr inż. Maria Grodzka-Łukaszewska, dr inż. Dorota Pusłowska-Tyszewska.

Niemal w całej Europie, na terenach nizinnych, gdzie antropogeniczne presje na środowisko w znacznym stopniu zaburzyły jego funkcjonowanie, rzeki i ich doliny stanowią najbardziej istotne ostoje bioróżnorodności. Wśród procesów kształtujących funkcjonalne zróżnicowanie ekosystemów rzek nizinnych, szczególnie tych charakteryzujących się niską dynamiką wynikającą z małych prędkości przepływu, wymiana wody w strefie hyporeicznej odgrywa jedną z najistotniejszych ról. Szczególne uwarunkowania środowiskowe i biogeochemiczne strefy kontaktu wód powierzchniowych i podziemnych w korytach rzecznych determinują powstawanie i funkcjonowanie błon biologicznych. Infiltracja wód powierzchniowych do wód podziemnych w okresach wezbrań stanowi istotny proces warunkujący akumulację biogenów w strefie przykorytowej, która przyczynia się do stabilności siedlisk przykorytowych (np. szuwar trzcinowy). Dostrzeżone przez wielu badaczy zagrożenia stabilności wymiany wód powierzchniowych i podziemnych w wyniku intensyfikacji rolnictwa i przemysłu (objawiające się np. regulacją i odmulaniem długich odcinków rzek) są obecnie szeroko dyskutowane na międzynarodowym forum polityki i gospodarki wodnej. Zauważono, że w zakresie zapewnienia właściwych działań, których celem jest ochrona i restytucja ekosystemów wodnych i przybrzeżnych uzależnionych od kierunków i strumieni wymiany wody w strefie hyporeicznej, należy sięgać po rozwiązania odwołujące się do najnowszych wyników badań hydrologicznych i ekologicznych. Problem naukowy, którego dotyczy projekt, wiąże się z zagadnieniem wyjaśnienia roli, jaką w czasowoprzestrzennej zależności pomiędzy przyczyną – dynamiką wód w korycie rzecznym a skutkiem – zmiennymi warunkami siedliskowymi, determinującymi stan ekologiczny w korytach nieprzekształconych rzek nizinnych oraz ich strefach przykorytowych, odgrywa wymiana wody pomiędzy wodami powierzchniowymi i podziemnymi w strefie hyporeicznej.

Hipoteza badawcza: dominującym czynnikiem determinującym zróżnicowanie stanu ekologicznego niskodynamicznej, naturalnej rzeki nizinnej jest dynamika wymiany wody w strefie hyporeicznej, która w większym stopniu niż układ hydromorfologiczny rzeki determinuje zróżnicowanie siedliskowe w korycie i strefie przykorytowej.

Projekt koncentrował się na pomiarach, analizach i modelowanie interakcji wód powierzchniowych i podziemnych dla potrzeb analizy stanu siedlisk rzecznych i dolinowych. Obszar badań jest położony w Biebrzańskim Parku Narodowym i obejmuje fragment górnego odcinka Biebrzy, pomiędzy Rogożynem a Rogożynkiem. Jest to odcinek prawnie chroniony od 1992 roku czyli nie podlegała od ponad 20 lat pracom utrzymaniowym, a zatorfiona dolina rzeczna była od wielu lat uznawana za jedną z lepiej zachowanych, stanowisk roślinności bagiennej lub ekstensywnie użytkowanej na glebach torfowych w stanie akumulacji lub równowagi. W trakcie trwanie projektu wykonano system monitoringu (36 piezometrów, 4 limnigrafy, 1 stacja meteorologiczna) wód powierzchniowych i podziemnych wzbogacony o bardzo liczne pomiary geodezyjne, hydrometryczne, geologiczne, glebowe, chemiczne oraz biologiczne skoncentrowane na rozpoznaniu roślinności wodnej i makrozoobentosu. Badania i pomiary pozwoliły na opracowywanie nowego narzędzia analitycznego opisującego przepływ wód podziemnych w strefie wymiany wody pomiędzy rzeką, a podległą warstwą wodonośną (ang. Analytical Hyporheic Flux AHF model), który może stosowany do połączenia modelu przepływu wód podziemnych z modelem przepływu wód w korycie rzecznym. Następnie skalibrowano i zweryfikowano trzy modele numeryczne, dwa dla opisu przepływu wód podziemnych (na bazie Modflow i Feflow) oraz jeden dla wód powierzchniowych (na bazie Hec-Ras).

Analizy z użyciem wymienionych modeli wykazały znaczącą, drenującą rolę rzeki w stopniu dotychczas nieopisywanym w literaturze dotyczącej funkcjonowania hydrologicznego torfowisk niskich zasilanych wodami podziemnymi. Oznacza to, że zachowanie dolinowych torfowisk zależy nie tylko od czynnej ochrony roślinności doliny ale w znacznym stopniu od zakresu prac utrzymaniowych na rzece. Ponadto wieloaspektowe analizy warunków siedliskowych wykazały, że obecne warunki zagrażają możliwości przetrwania chronionych ekosystemów. Brak stabilności położenia zwierciadła i głębokość opadania wód podziemnych świadczą o przyspieszeniu odpływu wody i zmniejszeniu zdolności retencyjnej doliny . Badania chemizmu wody glebowej wskazują na zmniejszenie udziału wód podziemnych w kształtowaniu uwilgotnienia siedlisk, ale jednocześnie pozwalają stwierdzić, że działalność rolnicza i presje związane z zabudową i infrastrukturą nie stanowią w dolinie Biebrzy czynników kluczowych dla kształtowania warunków siedliskowych. Analizowane czynniki sprawcze o charakterze długookresowym – zmiany parametrów klimatycznych i reżimu hydrologicznego Biebrzy ani aktualne warunki hydrochemiczne w siedliskach dolinowych nie wskazują jednoznacznie przyczyny zaistnienia istotnie niekorzystnego stanu uwilgotnienia siedlisk dolinowych. Skala zmian nie daje się wytłumaczyć wyłącznie pomiarami w okresie suchych lat (2018-2020).

Poszukując przyczyn takiego stanu rzeczy, przeprowadzono dodatkowe analizy hydrogeologiczne polegające na zintegrowanym monitoringu wód podziemnych kilku horyzontów wodonośnych pozwoliły na parametryzację modeli przepływu wody opisujących funkcjonowanie doliny górnej Biebrzy oraz na weryfikację hipotez dotyczących łączenia się pierwszego i drugiego horyzontu wód podziemnych w dolinie. Pozwoliły na identyfikację okna hydrogeologicznego odpowiedzialnego za to połączenie, którego istnienie podejrzewano już wcześniej, jednak wobec braku precyzyjnych badań dotychczas go nie potwierdzono. Odkrycie to umożliwiło jakościowy opis złożonej zależności pomiędzy rzeką a wodami podziemnymi całej zlewni górnej Biebrzy oraz jej dopływów – Sidry, Nurki i Ponarlicy. To z kolei pozwoliło na dokonanie pewnej schematyzacji rozwoju opisywanego układu hydrogeologicznego od zakończenia ostatniego zlodowacenia oraz na prognozę rozwoju sieci hydrograficznej pogranicza zlewni Wisły i Niemna w przyszłości.

Natomiast badania roślinności wodnej i makrozoobentosu pokazały, że zmiana warunków przepływu wody w strefie hyporeicznej może być przyczyną pogarszania stanu ekologicznego nizinnych rzek środkowej Europy, co dotychczas w literaturze naukowej nie było dyskutowane jako czynnik kształtujący różnorodność biologiczną żyjących na dnie biocenoz makrozoobentosu.

Do najważniejszych osiągnięć projektu można zaliczyć:

• opracowanie hybrydowego modelu analitycznego opisującego przepływ wód podziemnych w strefie wymiany wody pomiędzy rzeką a podległą warstwa wodonośną (ang. Analytical Hyporheic Flux model, AHF) wraz z implementacja hybrydowego modelu analitycznego do numerycznego modelu przepływu wód podziemnych MODFLOW;
• potwierdzenie istnienia okna hydrogeologicznego w dolinie górnej Biebrzy, którego obecność była podejrzewana uprzednio przez innych badaczy. Rzuca to nowe światło na rozwój układu hydrogeologicznego na dziale wodnym dopływów pierwszego rzędu zlewiska Morza Bałtyckiego;
• przeprowadzenie wieloaspektowej oceny warunków siedliskowych ekosystemów mokradłowych w dolinie Biebrzy, które zmuszają do ewentualnego przedefiniowania strategii działań restytucyjnych i ochronnych torfowisk w polodowcowym krajobrazie północnej Polski;
• zaprojektowanie i wykonanie dwóch nowatorskich urządzeń pomiarowych dedykowanych do: (1) pomiarów różnicy ciśnień w warstwie wodonośnej i rzece o dużej miąższości osadów dennych oraz (2) precyzyjnego pomiaru spadku zwierciadła wody (dwa zgłoszenia patentowe).

Rezultaty projektu zostały przedstawione w publikacjach o zasięgu międzynarodowym:

• Grodzka-Łukaszewska Maria, Pawlak Zofia, Sinicyn Grzegorz: Spatial distribution of the water exchange through river cross-section – measurements and the numerical model, w: Archives of Environmental Protection, vol. 47, nr 1, 2021, ss. 69-79, DOI:10.24425/aep.2021.136450
• Diaz Manuel, Sinicyn Grzegorz, Grodzka-Łukaszewska Maria: Modelling of Groundwater–Surface Water Interaction Applying the Hyporheic Flux Model, w: Water, vol. 12, nr 12, 2020, ss. 1-19, Numer artykułu:3303, DOI:10.3390/w12123303
• Nawalany Marek, Sinicyn Grzegorz, Grodzka-Łukaszewska Maria, Mirosław-Świątek Dorota: Groundwater–Surface Water Interaction – Analytical Approach, w: Water, vol. 12, nr 6, 2020, ss. 1-21, Numer artykułu:1792, DOI:10.3390/w12061792
• Wierzbicki Grzegorz, Grygoruk Mateusz, Grodzka-Łukaszewska Maria, Bartold Piotr, Okruszko Tomasz: Mire Development and Disappearance due to River Capture as Hydrogeological and Geomorphological Consequences of LGM Ice-Marginal Valley Evolution at the Vistula-Neman Watershed, w: Geosciences, vol. 10, nr 9, 2020, ss. 1-12, Numer artykułu:363, DOI:10.3390/geosciences10090363

oraz na międzynarodowych konferencjach naukowych:

• 12th International Symposium on Ecohydraulics, 19-24.08.2018, Tokyo, Japonia, prezentacja: Revealing the role of hyporheic water exchange in macroinvertebrates distribution, composition and abundance in a small European lowland river.
• 2nd ATLAS GEORESOURCES INTERNATIONAL CONGRESS Applied Geosciences for Groundwater, 28-30.03.2019; Tunis, Tunezja, prezentacja: Modelling the water flow through the hyporheic zone – example of a small European lowland river.
• Australasian Groundwater Conference, 24-27.11.2019; Brisbane, Australia, prezentacja: Assessment of spatial distribution of river recharge through hyporheic zone.
• 6th Biennial Symposium of the International Society for River Science, 8-13.09.2019; Vienna, Austria, prezentacja: River-fen interaction as a driver of stress in wetland ecosystems. Case study of Upper Biebrza, Poland.

Ponadto, w trakcie realizacji projektu w Politechnice Warszawskiej zostało wykonanych i obronionych 8 prac dyplomowych (4 magisterskie oraz 4 inżynierskie). Prace dotyczyły zagadnień związanych z przepływem wód podziemnych w strefie hyporeicznej rzeki. W pracach wykorzystano dane, narzędzia oraz sprzęt pomiarowy pozyskane w ramach projektu.

Prace dyplomowe inżynierskie:

• Spatial interpretation of chosen water physico-chemical parameters in river valley, Isabella Antoł, 2018
• Przestrzenna interpretacja warunków filtracji w dolinie Górnej Biebrzy, Patryk Stanek, 2019
• Estimation of the nature water exchange in the hyporheic zone the example of the Biebrza River, Mikołaj Żochowski, 2019
• Analiza czasowo-przestrzenna wyników modelu przepływu wód podziemnych w dolinie górnej Biebrzy, Katarzyna Strubińska, 2021

Prace dyplomowe magisterskie:

• Rozkład przestrzenny strumienia wymiany wody w strefie hyporeicznej rzeki, Zofia Pawlak, 2019
• Calibration with validation and sensitivity analysis of the groundwater – surface water interaction model of European lowland river- Biebrza, Poland, Symbat Ukashova, 2019
• Modelling of the groundwater – surface water interaction applying analytical hyporheic flux model, Manuel Diaz Cofre, 2020
• Modelling the river-aquifer water exchange in vertical cross-section within a section of Upper Biebrza valley, Tuan Nibras Booso, 2020