Ekohydrologia - Polski Serwis Naukowy

Ekohydrologia nauka z działu hydrologii zajmująca się badaniem wzajemnych oddziaływań między roślinnością a cyklem hydrologicznym. Procesy te zachodzą w planetarnej warstwie przyziemnej. Ekohydrologia zajmuje się także badaniem procesów biologicznych i hydrologicznych, które można wykorzystywać dla poprawy jakości wody oraz projektowaniem zmian w gospodarce wodnej danego regionu, mających poprawić stan środowiska naturalnego.

Fotosynteza (gr. φῶς – światło, σύνθεσις – łączenie) – anaboliczny proces biochemiczny redukcji dwutlenku węgla wodorem pochodzącym ze związków nieorganicznych z wykorzystaniem promieniowania słonecznego przy udziale barwników asymilacyjnych i enzymów, prowadzącym do powstania związków organicznych. Jest to jedna z najważniejszych przemian biochemicznych na Ziemi [1]. Proces ten utrzymuje wysoki poziom tlenu w atmosferze oraz przyczynia się do wzrostu ilości węgla organicznego w puli węgla zwiększając masą materii organicznej, kosztem materii nieorganicznej.

Hydrologia (z gr. hydor, woda) - dział geografii fizycznej zajmujący się badaniem wody (pod każdą postacią) występującej w środowisku przyrodniczym. System badania jakości wód jest stale ulepszany w ramach rozwoju państwowego monitoringu Środowiska, który prowadzony jest przez Państwową Inspekcję Ochrony Środowiska.

Cykl hydrologiczny na ziemi. Ekohydrologia zajmuje się elementem tego cyklu związanym z roślinnością

Podstawowe pojęcia

Cykl hydrologiczny to ogólne pojęcie opisujace wymianę wody w atmosferze, gruncie i oceanie poprzez procesy parowania, kondensacji i opadu. Roślinność wpływa na te procesy, np. zmniejsza parowanie powierzchniowe poprzez zmniejszenie prędkości wiatru i zmniejszenie temperatury podłoża (przez ocienienie). Liście roślin, poprzez proces ewapotranspiracji, ograniczają lub zwiększają ilość pary wodnej w atmosferze.

Kondensacja w meteorologii -Zjawisko powstawania chmur: - Chmury powstają wskutek kondensacji pary wodnej w krople wody w atmosferze.Ochładzanie zmniejsza zdolność powietrza do zatrzymywania pary wodnej. Dalsze ochładzanie poniżej tzw. temperatury punktu rosy powoduje nasycenie (saturację), po której następuje kondensacja. W temperaturze poniżej 0, kondensację zastępuje resublimacja.

Transpiracja – czynne parowanie wody z nadziemnych części roślin. Rośliny transpirują przez aparaty szparkowe (transpiracja szparkowa), przez skórkę (transpiracja kutykularna) i przez przetchlinki (transpiracja przetchlinkowa).

Transpiracja

Transpiracja – najważniejszymi czynnikami wpływającymi na wielkość transpiracji są światło oraz temperatura. Transpiracja wzrasta ze wzrostem temperatury, szczególnie w okresie rozwoju roślin. Intensywniejszy ruch powietrza wokół rośliny sprawia, że transpiracja wzrasta. Rośliny transpirują wodę w różnym stopniu. Rośliny z jałowych regionów, np. kaktusy, zatrzymują cenną wodę i transpirują jej mniej niż inne; te własności są wykorzystywane w ekohydrologii.

Biomasa – masa materii zawarta w organizmach. Biomasa podawana jest w odniesieniu do powierzchni (w przeliczeniu na metr lub kilometr kwadratowy) lub objętości (np. w środowisku wodnym - metr sześcienny). Wyróżnia się czasem fitomasę (biomasę roślin) oraz zoomasę (biomasę zwierząt), a także biomasę mikroorganizmów. Inny podział wyróżnia w ekosystemach biomasę producentów i biomasę konsumentów, które składają się na całkowitą biomasę biocenozy. Biomasa producentów tworzona jest w procesie fotosyntezy. Konsumenci i reducenci (destruenci) tworzą swoją biomasę kosztem biomasy producentów.

Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii UNESCO w Łodzi - placówka mająca za zadanie kompleksowe podejście do rozwiązywania problemów z wodą; jej rolą jest także koordynowanie prac innych instytucji, które zajmują się ekohydrologią.

Indeks produkcji pierwotnej biomasy na podstawie pomiarów satelitarnych (MODIS)

Pomiary satelitarne

Postępy w pomiarach satelitarnych (w różnych kolorach widma słonecznego), a zwłaszcza możliwość oceny "zieloności" (ang. greenness) z rozdzielczością kilku dni umożliwiają monitorowanie ekohydrologiczne w skali globu, regionu i pola wiejskiego. Obecnie (2006) techniki satelitarne opierają się między innymi na instrumencie MODIS (MODerate resolution Imaging Spectroradiometer) umieszczonym w satelitach na orbitach polarnych (Aqua i Terra). Dzięki tym pomiarom opracowywany jest indeks produkcji pierwotnej biomasy (Gross Primary Productivity, w skrócie GPP) w gramach węgla na metr kwadratowy na dzień – gC/m²/dzień. Indeks ten jest dostępny na siatce z rozdzielczością jednego kilometra kwadratowego na całym globie ziemskim co 8 dni. Dzięki temu można monitorować procesy biologiczne w skali wiejskiego pola, a także używać wyników do parametryzacji produkcji pierwotnej jako funkcji deficytu pary wodnej, promieniowania słonecznego dostępnego do fotosyntezy, oraz wpływu ilości dostępnej wody na produkcję pierwotną.

Para wodna jest jednym z najważniejszych gazów w powietrzu. W atmosferze Ziemi, para wodna jest elementem cyklu hydrologicznego. Para wodna tworzy się przez parowanie wody albo przez sublimację lodu. W atmosferze para wodna kondensuje lub resublimuje tworząc mgły lub chmury.

Parowanie (ewaporacja) - proces zmiany stanu skupienia, przechodzenia z fazy ciekłej danej substancji w fazę gazową (parę) zachodzący z reguły na powierzchni cieczy. Może odbywać się w całym zakresie ciśnień i temperatur, w których mogą współistnieć z sobą obie fazy.

W dobrym przybliżeniu można powiedzieć, że satelitarne indeksy zieloności są po prostu oceną koloru ziemi z przestrzeni kosmicznej.

Lokalny bilans wody

Podstawowym zagadnieniem ekohydrologii jest bilans wodny w danym punkcie. Bilans wodny opisuje ilość wody jaka przechodzi do gruntu i musi być równa ilości wody jaka opuszcza grunt plus zmiany w ilości wody w gruncie (retencja). Bilans wodny obejmuje podstawowe przepływy wody: opad na powierzchnię, parowanie, ujście do głębszych rejonów niedostępnych dla roślin, oraz odpływ powierzchniowy wody. Bilans wyrażony dla jednostki powierzchni w jednostkowym czasie może być wyrażony następującym równaniem:

Ewapotranspiracja - proces parowania terenowego (np. w obrębie użytku zielonego), obejmujący transpirację (parowanie z komórek roślinnych) oraz ewaporację (parowanie z gruntu) .

Opad atmosferyczny – ogół ciekłych lub stałych produktów kondensacji pary wodnej spadających z chmur na powierzchnię Ziemi, unoszących się w powietrzu oraz osiadających na powierzchni Ziemi i przedmiotach. Dzieli się je na opady pionowe i poziome (osady atmosferyczne). Do opadów pionowych zalicza się: deszcz, mżawkę, śnieg, krupy oraz grad. Opad, który nie dociera do powierzchni Ziemi, nazywa się virgą. Opady poziome (osady atmosferyczne) dzieli się na ciekłe i stałe. Osady ciekłe to np. rosa, a osady stałe to np. gołoledź, szadź, szron czy zamróz.

$nZ_{r} \frac{ds(t)}{dt}=R(t) - I(t) - Q[s(t),t]- E[s(t)] - L[s(t)]$

Gdzie wyrażenie po lewej stronie równania opisuje zmiany zawartość wody w gruncie dostępnej dla roślin, a prawa intensywność wyżej wymienionych przepływów.

Znaczenie symboli:

$t$ – czas,

$n$ – pojemność wodna gruntu, parametr określający jakość gleby jest równy ilości wody jaką pochłonie próbka gruntu do objętości gruntu, jest to wielkość bezwymiarowa w zakresie 0 – 1,

$s$ – stopień nasycenia gruntu, wartość w zakresie 0-1 określająca w jakiej części woda wypełnia pojemność wodną gruntu,

$Z_{r}$ – głębokość gruntu.

$R$ – intensywność opadu deszczu (opad na jednostkę powierzchni w jednostce czasu),

$I$ – intensywność przepływu gruntu (infiltracja) do warst głębszych z których nie może już podsiąknąć do warstwy dostępnej dla korzeni,

$Q$ – intensywność odpływu powierzchniowego,

$E$ – intensywność ewapotranspiracji, czyli parowanie bezpośrednie gruntu, lub roślinności go porastającej,

$L$ – intensywność innych ubytków.

Infiltracja, parowanie i ubytek zależą głównie od nasycenia gruntu. Opad, jest czynnikiem zewnętrznym (zależność od czasu). Odpływ powierzchniowy zależy od nasycenia gruntu jak i od czynników zewnętrznych. Infiltracja, odpływ i ubytek może w pewnych sytuacjach oznaczać także napływ wody (podsiąkanie, napływ wewnętrzny lub powierzchniowy) do analizowanej objętości gruntu, wówczas składniki te przyjmują wartości ujemne.

By rozwiązać to równanie, trzeba znać zależność szybkości parowania jako funkcję wilgotności gruntu. Dla obszarów pokrytych roślinnością zakłada się, że powyżej pewnego stanu nasycenia, rośliny mają wystarczająco wody i wówczas parowanie zależy tylko od czynników klimatycznych takich jak wiatrz, temperatura i natężenie promieniowania słonecznego. Poniżej tego punktu, niedobór wody dla roślin wywołuje ograniczenie jej parowania, wówczas intensywność parowania jest zależna liniowo od wilgotności gruntu i zmniejsza się aż dochodzi do sytuacji, w którym roślinność nie jest w stanie uzyskać wody.

Wprawdzie z fizycznego punktu widzenia współczynnik nasycenia nie może przekroczyć wartości 1, ale przy dużych opadach może dojść do przekroczenia tej wartości, wówczas nadmiarowa część wody pozostaje na powierzchni i ulega spływowi powierzchniowemu.

Ilość wody zgromadzonej w jednostce powierzchni gruntu określona jest wzorem: $v = n Z_{r} s(t)\,$

Model ten może służyć do prognozowania spływu z danego obszaru na podstawie znanych opadów. Natężenie odpływu z jednostki powierzchni danego obszaru jest równa sumie odpływu podziemnego (I), który zawsze wydostaje się na powierzchnię w postaci źródła lub podsiąkania w innym miejscu oraz spływu powierzchniowego (Q). Natężenie odpływu podziemnego zależy od rodzaju gruntu i stopnia nasycenia. W prostych modelach przyjmuje się, że natężenie przepływu przez grunt jest proporcjonalne do kwadratu nasycenia gruntu. Natężenie spływu powierzchniowego początkowo zależy od nierówności terenu, w których gromadzi się woda, nierówności zapełniają się wodą a nadwyżka spływa, niewielki dodatek wody sprawia że niemalże cała woda spływa. W modelu tym oznacza to, że po osiągnięciu stopnia określonego stopnia nasycenia spływ powierzchniowy jest równy opadowi.

Model ten jest znacznie uproszczony, zakłada on jednakowe nasycenie gruntu na każdej głębokości i nieskończenie szybkie przesiąkanie w obszarze gruntu, pomija przepływy między sąsiednimi obszarami, pomimo tych uproszczeń jest z powodzeniem stosowany w modelach przewidywania pogody.

Dyskusja i historia

Wprawdzie pierwsze lata po drugiej wojnie światowej były zdominowane problemami inżynierii hydrologicznej to około roku 1960 zaczęto się zastanawiać nad problemami hydrologicznymi związanymi z wpływem zalesienia na problemy używalności gruntów i wpływu wycinania lasów na gospodarkę ziemią. Pierwsze międzynarodowe sympozjum dotyczące hydrologii lasów (ang. International Forest Hydrology Symposium) zorganizowano w 1965 w Uniwersytecie Stanu Pannsylwania w USA. W końcu międzynarodowej dekady hydrologicznej (ang. International Hydrological Decade) pomiędzy latami 1965-1974 zaczęto wyróżniać dyscypliny związane z hydrologią środowiska. W latach 70. i 80. opracowano dokładne cyfrowe mapy topograficzne, które umożliwiły badanie procesów erozji i sedymentacji zlewów wodnych w małych skalach. Obecnie (2006) ekohydrologia uwzględnia te procesy, badane przez ostatnie trzy dekady oraz procesy biologiczne w lądowych zbiornikach wodnych.

Przypisy

Ecohydrology – a completely new idea? Discussion, Bonell M, HYDROLOGICAL SCIENCES JOURNAL-JOURNAL DES SCIENCES HYDROLOGIQUES 47 (5): 809-810 OCT 2002

Bibliografia

Ecohydrology: Darwinian Expression of Vegetation Form and Function, Peter S. Eagleson, 2002. [1]

Ecohydrology – why hydrologists should care, Randall J Hunt and Douglas A Wilcox, 2003, Ground Water, Vol. 41, No. 3, pg. 289.

Ecohydrology: A hydrologic perspective of climate-soil-vegetation dynamics, Ignacio Rodríguez-Iturbe, 2000, Water Resources Research, Vol. 36, No. 1, pgs. 3-9.

Ecohydrology of Water-controlled Ecosystems: Soil Moisture and Plant Dynamics, Ignacio Rodríguez-Iturbe, Amilcare Porporato, 2005. [2]

Linki zewnętrzne

Eco-hydrology defined, William Nuttle, 2004. [3]

"An ecologist's perspective of ecohydrology", David D. Breshears, 2005, Bulletin of the Ecological Society of America 86: 296-300. [4]

Decision tree to choose an uncertainty method for hydrological and hydraulic modelling

European Regional Centre For Ecohydrology under the auspices of UNESCO in Lodz

Międzynarodowy kwartalnik naukowy "Ecohydrology & Hydrobiology" (ang.) wydawany przez Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii UNESCO. Redaktorzy: Maciej Zalewski, David M. Harper, Richard D. Robarts

Zobacz też

Europejskie Regionalne Centrum Ekohydrologii UNESCO w Łodzi

Opis cyklu hydrologicznego