Przemysław Tomalski
7.6. Wieloletnia zmienność ekstremalnych stanów wód podziemnych
Czasowa zmienność występowania ekstremalnych stanów wód podziemnych w badanym wieloleciu jest zagadnieniem interesującym. W zbadaniu tego zjawi-ska pomocne mogą być oszacowane kwantyle stanów wody o zadanym prawdo-podobieństwie nieosiągnięcia (stany niżówkowe) lub przekroczenia (stany wez-braniowe). W odniesieniu do okresów niskich stanów wody podziemnej wyróżnić można (Strzebońska-Ratomska 1994) suszę wód podziemnych (górną granicą jest wtedy kwantyl MinHPR50%, obliczany na podstawie teoretycznego rozkładu mini-malnych rocznych stanów wód podziemnych) i niżówkę wód podziemnych (gór-ną granicą jest wówczas kwantyl MinHPR10%). Zachowując wspomniane poziomy odniesienia, ale uwzględniając stosowaną w hydrologii terminologię, w analizach tych przyjęto, iż płytka niżówka wód podziemnych pojawia się w momencie osią-gnięcia kwantyla MinHPR50%, zaś niżówka głęboka wtedy, gdy stany zejdą poni-żej MinHPR10%. W przypadku wysokich stanów przyjęto analogiczne granice oraz stosowne terminy. W czasie niskiego wezbrania wód podziemnych stany są wyż-sze od MaxHPR50% (kwantyla obliczanego na podstawie teoretycznego rozkła-du maksymalnych rocznych stanów wód podziemnych), zaś w czasie wysokiego wezbrania wód podziemnych dolną granicą jest MaxHPR10%.
W odniesieniu do stanów niżówkowych MinHPR50% oznacza stan wody o prawdopodobieństwie nieosiągnięcia 50%, czyli jest to mediana z wartości rozkładu teoretycznego minimów rocznych. Natomiast MinHPR10% oznacza stan wody, który tylko w 10% tych minimów został nieosiągnięty. Wartości tych kwan-tyli podane są w tab. 7.1. Analogicznie w przypadku stanów wezbraniowych:
MaxHPR50% to stan maksymalny roczny o prawdopodobieństwie przekroczenia 50% (mediana), a MaxHPR10% – stan maksymalny roczny, który tylko w 10% przypadków został przekroczony (tab. 7.2). Posiadając tak określone granice niżówek i wezbrań wód podziemnych, można policzyć dla każdego piezome-tru roczne częstości tygodniowych stanów wody, które przekraczały te wartości (w przypadku wezbrań) lub ich nie osiągały (w przypadku niżówek). Aby zobra-zować zmienność wieloletnią okresów wezbraniowych i niżówkowych dla całego obszaru środkowej Polski, a nie tylko dla pojedynczych piezometrów, obliczono roczne częstotliwości występowania stanów ekstremalnych. Oblicza się je, sumu-jąc dla danego roku częstości ze wszystkich posterunków oraz dzieląc tę wartość
przez skumulowaną liczbę pomiarów we wszystkich studniach posiadających po-miary w tym okresie.
Obliczenie częstotliwości stanów niżówkowych i wezbraniowych w każdym roku wielolecia pozwoli na porównanie kolejnych lat i uchwycenie ewentualnych prawidłowości czasowych. Używanie do tego celu prostej analizy częstości było-by niewłaściwe ze względu na różną długość ciągów pomiarowych, a co za tym idzie – różną liczbę skumulowanych pomiarów w poszczególnych latach.
Na rys. 7.8 zostały przedstawione częstotliwości wezbrań i niżówek wód podziemnych w poszczególnych latach w skali całego badanego regionu. Pokaza-ne są oPokaza-ne tutaj jako odchylenia od wartości średniej, a dla uwypuklenia ich prze-biegu czasowego wyrównane zostały dodatkowo pięcioelementową centrowaną średnią ruchomą (por. podrozdz. 11.1.B).
Lata 50. i początek lat 60. to okres, w którym częstotliwość stanów wezbra-niowych (rys. 7.8 A) kształtowała się na poziomie nieco niższym niż przeciętny. Od połowy lat 60. do połowy lat 80. wyraźnie się ona zwiększyła (z wyjątkowo dużą liczbą „stanów wezbraniowych” w latach 1967, 1971 i 1982). Równocze-śnie, w latach 70. zdarzały się pojedyncze lata z udziałem stanów wezbraniowych poniżej przeciętnej. Od roku 1983 widać wyraźną zmianę w dynamice zwiercia-dła zbiorników wód podziemnych oraz znaczące zmniejszenie częstotliwości wy-stępowania wysokich stanów. Przeciętny udział w roku tygodni wezbraniowych został osiągnięty ponownie dopiero pod koniec okresu badawczego.
Wysokie wezbrania wód podziemnych (rys. 7.8 C) do końca lat 60. występo-wały nierównomiernie ponad i poniżej średniej częstotliwości. Szczególnie duża ich liczba wystąpiła w roku 1967. W późniejszym okresie wyraźnie zmniejszył się udział bardzo wysokich stanów wód podziemnych. Na tym tle wyróżniają się jed-nak lata 1979–1982 z częstotliwością powyżej średniej. Kolejny taki okres nastą-pił dopiero w końcu lat 90.
W przebiegu czasowym stanów niżówkowych (rys. 7.8 B) widać wyraźną ten-dencję do zmniejszania się częstotliwości ich występowania od początku okresu badawczego aż do początku lat 80. Podobnie jak w przypadku wezbrań, po roku 1983 nastąpiła wyraźna zmiana i wzrost udziału stanów niżówkowych w poszcze-gólnych latach. Szczególny charakter mają lata 1990–1992, w których udział sta-nów niżówkowych przekroczył 50%. Ostatnie pięć lat okresu badawczego to czas uzupełniania zasobów wód podziemnych i spadek udziału stanów niżówkowych.
Zmiany częstości głębokich niżówek w wieloleciu (rys. 7.8 D) wykazują te same tendencje, co przebieg niżówek płytkich. Odstępstwo można zaobserwować jedynie w latach 80., kiedy to głębokie niżówki – w porównaniu z niżówkami płytkimi – występowały bardzo rzadko. Oznacza to, że w początkowej fazie okre-su okre-suchego zasobne poziomy wód podziemnych łagodziły skutki zmniejszonego zasilania. Efekt ten nie wystąpił natomiast w początkach lat 90., kiedy pojawi-ła się faza z największym udziałem bardzo niskich stanów wód podziemnych (lata 1990–1993, powyżej 12%).
Rys. 7.8. Względna częstotliwość wysokich i niskich stanów wody podziemnej
w wieloleciu i w skali regionalnej
Objaśnienia: A – wezbrania wód podziemnych (prawdopodobieństwo przekroczenia 50%); OdUWHP – odchylenia od średniego udziału stanów wezbraniowych; B – niżówki wód podziem-nych (prawdopodobieństwo nieosiągnięcia 50%); OdUNHP – odchylenia od średniego udziału sta-nów niżówkowych; C – wysokie wezbrania wód podziemnych (prawdopodobieństwo przekroczenia 10%); OdUWWHP – odchylenia od średniego udziału stanów wysokich wezbrań; D – głębokie niżówki wód podziemnych (prawdopodobieństwo nieosiągnięcia 10%); OdUNNHP – odchylenia od średniego udziału stanów głębokich niżówek. Wartości wyrównano pięcioelementową centro-waną średnią ruchomą.
Analizując diagramy częstotliwości stanów wezbraniowych czy niżówko-wych w odniesieniu do płytkich wód podziemnych środkowej Polski, można za-uważyć wyraźną zmianę dynamiki poziomów wód podziemnych, jaka wystąpiła ok. roku 1983. Również wyniki badań U. Somorowskiej (2001), która analizo-wała różne aspekty zmian zwierciadła wód podziemnych w wielu piezometrach zlokalizowanych w zlewni Łasicy wskazują, że rok ten stanowi swoisty przełom w dynamice płytkich wód podziemnych tej części Polski. Tego rodzaju zmiana widoczna jest nie tylko w przypadku wód podziemnych. Zwrócili na nią uwagę również inni autorzy badający stosunki wodne środkowej Polski w tym okresie, np. w odniesieniu do odpływu rzecznego (Jokiel, Bartnik 2001, Somorowska 2001). Zmiana ta jest oczywiście pochodną warunków pogodowych w tym okre-sie. Wypełnienie zbiorników wód podziemnych jest zależne od zasilania opadami atmosferycznymi, a te były po roku 1982 wyraźnie niższe niż w poprzednim dzie-sięcioleciu. W latach 80. i na początku lat 90. występowały wyraźne niedobory
opadów (Kożuchowski 2004a, Somorowska 2001), dochodzące nawet do 300 mm w stosunku do średniej wieloletniej (1951–2003). Istotnych zmian nie zanotowa-no natomiast w temperaturze powietrza. W tym przypadku zanotowa-notowany był syste-matyczny i istotny statystycznie wzrost średniej temperatury powietrza w wielo-leciu 1951–2000 (o 0,2°C·rok–1 dla Łodzi), przy czym najlepiej jest on widoczny w półroczu chłodnym (Kożuchowski 2004b). Sytuacja taka spowodowała wystą-pienie niedostatków opadu w stosunku do ewapotranspiracji potencjalnej (ujemny klimatyczny bilans wodny), a w efekcie zmniejszanie się zasobów wód podziem-nych. Dodatkowym skutkiem było również wyraźne zmniejszenie się współczyn-ników odpływu całkowitego i podziemnego w następnych latach (Jokiel 2004).
7.7. Podsumowanie
Aproksymacja teoretycznymi funkcjami prawdopodobieństwa empirycznych rozkładów stanów wód podziemnych jest dosyć trudna i może budzić pewne wąt-pliwości z uwagi na istotną inercję szeregów czasowych. Jednak próba przepro-wadzona na wartościach ekstremów rocznych dała – zdaniem autora – obiecują-ce rezultaty. Określone na podstawie rozkładów rzędne zwierciadła o zadanym prawdopodobieństwie przekroczenia lub nieosiągnięcia wnoszą nową informację o funkcjonowaniu poziomów wód podziemnych w sytuacjach ekstremalnych. Znajomość rozkładów pozwala również, choć w ograniczonym stopniu, na szaco-wanie położenia zwierciadła w przypadkach jeszcze bardziej skrajnych (np. prze-kroczenie MaxHPR1% lub nieosiągnięcie MinHPR1%).
W odniesieniu do częstości występowania ekstremalnych stanów wód pod-ziemnych w wieloleciu zarysowuje się ciekawa i wyraźna prawidłowość. Po sto-sunkowo suchych latach 50. XX w. nastąpiło uzupełnienie zasobów wód podziem-nych i rozpoczął się dość długi okres wilgotny (od końca lat 60. do początku 80.). Kolejne lata to nowy okres suchy z apogeum w latach 1990–1993. Po nim notu-je się krótką fazę uzupełniania zasobów w poziomach wodonośnych i początek występowania stanów wysokich u progu nowego tysiąclecia. Rytm, który się tu pojawia, ma oczywiście zmienną amplitudę i fazę, lecz jest na tyle wyraźny, iż nie sposób go nie skojarzyć z podobnymi prawidłowościami zanotowanymi w szere-gach wielu innych charakterystyk hydrometeorologicznych notowanych w środko-wej Polsce (Jokiel 2004). Zbieżność ta nie jest zapewne przypadkowa i wskazuje, że pomimo silnej lokalnej antropopresji czynnikiem decydującym o stanie zaso-bów wód podziemnych w tej części Polski są nadal fluktuacje klimatu.