Krzysztof Wolski
Uniwersytet Przyrodniczy
we Wrocławiu
Dane satelitarne stają się obecnie jednym z najważniejszych zasobów monitorowania środowiska naturalnego m.in. w zarządzaniu zasobami naturalnymi, ocenie klęsk żywiołowych czy monitorowaniu zmian klimatycznych. Początkowe założenia i cele stricte militarne zostały przeadaptowane do śledzenia zmian zachodzących na Ziemi. Zobrazowania satelitarne, ciągle rozwijane o nowe sensory i technologie, pozwalają zaspokajać w dane coraz to nowsze dziedziny nauki, ale także firmy i instytucje z wielu sektorów gospodarki.
W pracy wykorzystano zobrazowania satelitarne misji LANDSAT z satelity Landsat 7 oraz Landsat 8. Dane przetworzone zostały za pomocą klasyfikacji nadzorowanej przy pomocy wtyczki do QGIS Semi-Automatic Classification Plugin w celu klasyfikacji pokrycia terenu w dwóch epizodach czasowych. Prowadzić to miało do wykrycia zmian pokrycia lasu na obszarze 14 zlewni położonych w Sudetach. Wstępny wybór zlewni dokonany został na podstawie danych dotyczących zmiany zasięgu i struktury lasu pozyskanych z serwisu Global Forest Change. Serwis ten powstał jako wynik analizy obrazów Landsata w 30 metrowej rozdzielczości przestrzennej charakteryzując w ten sposób zasięgi, straty i zyski pokrywy lasów na całym świecie w latach 2000–2012 z późniejszą aktualizacją do 2018 roku (Hansen i in., High-Resolution Global Maps of 21st-Century Forest Cover Change, Science 2013). W opracowaniu tym zawarte są ogólne zmiany, jakie zaszły w pokrywie lasów bez wyróżnienia poszczególnych typów lasów oraz stadiów rozwoju, których próbę wydzielenia dokonuje się w niniejszych badaniach. Dane z Global Forest Change są jednak doskonałym materiałem do wstępnej analizy, wyboru obszarów badawczych oraz weryfikacji przeprowadzonych analiz pod kątem granic obszarów w których doszło do jakichkolwiek zmian.
Dane z misji Landsat 7 wybrane zostały ze zdjęć wykonanych w miesiącach letnich lipiec-sierpień w latach 2000–2002. Duża rozbieżność czasu dla zlewni wynikała z konieczności wykorzystania zdjęć całkowicie pozbawionych chmur. Wykorzystano zdjęcia z okresu stricte letniego, bo dowiedziono że dla tych okresów uzyskać można najbardziej dokładne interpretacje zobrazowań satelitarnych. Dane porównawcze z Landsat 8 wybrano analogicznie dla lipiec-sierpień 2017–2018.
Zmiany struktury leśnej mogą mieć podłoże naturalne lub antropogeniczne i zachodzą na całym świecie. W ostatnich 20 latach zauważalne jest w Polsce nasilenie naturalnych wylesień (do naturalnych zaliczyć można także działania leśników sprzątające lub prewencyjne). Powodów tego jest co najmniej kilka, z których jako najważniejsze wymienić można: przedłużające się okresy suszy, powodujące obniżenie się wód gruntowych, gradację szkodników, wiatrołomy i inne. Czynniki te są ze sobą ściśle powiązane i zachodzą między nimi interakcje, przykładowo osłabione suszą drzewa łatwiej podlegają gradacji szkodników itd.
Głównym celem pracy była ocena zmiany w kształtowaniu się odpływów maksymalnych wód w wybranych 14 zlewniach górskich Sudetów, w których doszło w ostatnich 20 latach do znacznych zmian w strukturze lasów. W wyniku zmian pokrycia terenu przekształceniu ulegają warunki kształtowania się odpływu ze zlewni. Tereny trwałych lasów z bogatą wieloletnią warstwą podłoża i ściółki charakteryzują się dużą zdolnością zatrzymywania wody i ograniczania spływu powierzchniowego. Pozbawione lasu podłoże zlewni górskich, o dużych ekspozycjach łatwo ulega degradacji i erozji, która może nieść dodatkowe konsekwencje w postaci niszczenia infrastruktury turystycznej, drogowej i hydrotechnicznej przez niesione z wodą rumowisko. Dodatkowo na wymytych z i tak ubogich zasobów gleby i zerodowanych stokach trudniej jest odnowić teren leśny. W warunkach wylesienia opad spadający na ziemię nie ma możliwości zatrzymania i retencji w zlewni i w większości w formie spływu powierzchniowego bądź podpowierzchniowego odpływa. Prowadzi to z kolei do zwiększenia się deficytów wody w zlewni i pogorszenia się warunków rozwoju na przykład dla pozostałych w dolinie drzew.
Dane wejściowe stanowiły mapy pokrycia terenu uzyskane dla dwóch okresów 2000–2002 oraz 2017–2018 (ze szczególnym uwzględnieniem terenów leśnych). Do charakterystyki zlewni konieczna jest informacja o warunkach glebowych. Nie ulegają one w czasie tak znaczącym zmianom, w związku z czym przyjęto dla obu scenariuszy te same warunki glebowe, gdzie gleby podzielone zostały ze względu na swoje właściwości przepuszczalności na 4 grupy reakcji hydrologicznej. Wykorzystując hipotetyczne dane opadowe o sumie opadów dobowych odpowiednio równych 30, 50, 70 oraz 100 mm rozłożonych w ciągu doby zgodnie z rozkładem beta z krokiem czasowym 20 minut określone zostały zmiany, jakie zaszły w odpływie z tych zlewni. Narzędzie wykorzystane do analiz stanowił model opad – odpływ w oprogramowaniu HEC-HMS zgodnie z metodą NRCS-CN. W zlewniach wylesionych w zakresie 9–45% zaobserwowano zwiększenie się wielkości przepływów maksymalnych, wzrost objętości fali wezbraniowej oraz skrócenie czasu dobiegu fali do przekroju obliczeniowego. Symulacje wykonano dla każdej z 14 zlewni dla 3 stopni uwilgotnienia zlewni, gdyż reakcja zlewni na opad jest w dużej mierze zależna od stopnia nasycenia wodą, to znaczy ilości wody będącej zretencjonowanej w zlewni po poprzedzających opadach. W praktyce jeżeli przez 5 kolejnych poprzedzających dni występowały opady, to w zlewni występuję duże nasycenie wodą i z symulowanego opadu nastąpi większy odpływ niż w przypadku gdy przez 5 kolejnych poprzedzających dni opady nie występowały.
Przeprowadzone analizy wykazały zmiany odpływów maksymalnych w wyniku zmiany zalesienia zlewni wynoszące 2,9–26,1 % przy przeciętnym stopniu uwilgotnienia zlewni z zauważalną korelację pomiędzy wzrostem wylesienia, a zwiększeniem odpływu maksymalnego dla wszystkich opadów hipotetycznych. W przypadku I stopnia uwilgotnienia, wskazującego na warunki suche, przyrost przepływów maksymalnych jest większy i wynosi 10,2–71,6 %, natomiast dla warunków wilgotnych przy III stopniu uwilgotnienia przyrost przepływów maksymalnych wynosi 2,7–16,3%.