Retencja wody: redukcja zagrożenia powodziowego i suszy jako przykład regulacyjnych usług ekosystemowych

Zagadnienie retencji wodnej ma szczególne znaczenie w warunkach województwa lubuskiego, którego środowisko przyrodnicze charakteryzuje się dużym udziałem dolin rzecznych, terenów podmokłych oraz obszarów o stosunkowo wysokiej dynamice procesów hydrologicznych. Region położony jest w zasięgu dużych systemów rzecznych, przede wszystkim doliny Odry oraz dolin jej dopływów, takich jak Warta, Noteć, Bóbr czy Nysa Łużycka. W krajobrazie regionu występują rozległe obniżenia dolinne, terasy zalewowe, starorzecza oraz obszary okresowo podtapiane, które pełnią istotną funkcję retencyjną.

Naturalna retencja dolin rzecznych odgrywa kluczową rolę w stabilizacji stosunków wodnych regionu. Obszary zalewowe umożliwiają czasowe magazynowanie nadmiaru wód w okresach wezbrań, ograniczając gwałtowność odpływu i zmniejszając ryzyko powodzi w niżej położonych częściach zlewni. Jednocześnie retencja glebowa i podpowierzchniowa wpływa na utrzymywanie zasobów wodnych w okresach deficytu opadów oraz ogranicza skutki suszy hydrologicznej.

Województwo lubuskie charakteryzuje się również wysokim odsetkiem powierzchni lasów (~50%), które stanowią jeden z najważniejszych elementów wspierających wodną retencję krajobrazową. Struktura roślinności leśnej wpływa na zwiększenie infiltracji, ograniczenie odpływu powierzchniowego oraz stabilizację bilansu wodnego. Jednocześnie część obszarów regionu podlega silnej presji antropogenicznej związanej z urbanizacją, rozwojem infrastruktury oraz przekształceniami hydrotechnicznymi dolin rzecznych.

Według Systemu Monitorowania Suszy Rolniczej województwo lubuskie jest jednym z najbardziej narażonych na suszę w Polsce.

W warunkach postępujących zmian klimatu znaczenie retencji krajobrazowej więc wzrasta. Coraz częściej obserwowane są zarówno okresy intensywnych opadów prowadzących do lokalnych podtopień, jak i długotrwałe okresy niedoboru wody. Zdolność krajobrazu do zatrzymywania i stopniowego uwalniania wody staje się więc jednym z kluczowych elementów zwiększających odporność środowiska i gospodarki wodnej na pogodowe zjawiska ekstremalne.

W tym kontekście przestrzenna identyfikacja obszarów o wysokim i niskim potencjale retencyjnym ma istotne znaczenie praktyczne. Wyniki analiz uzyskane w ramach niniejszego zagadnienia mogą wspierać:

• planowanie działań przeciwpowodziowych,
• ochronę terenów zalewowych,
• renaturyzację dolin rzecznych,
• rozwój błękitno-zielonej infrastruktury,
• planowanie przestrzenne,
• działania adaptacyjne do zmian klimatu.

Opracowanie wskaźnika retencji krajobrazowej dla województwa lubuskiego umożliwia więc nie tylko analizę funkcjonowania środowiska wodnego, ale również identyfikację obszarów szczególnie istotnych dla zachowania bezpieczeństwa hydrologicznego regionu.

1. Retencja wody

1.1. Czym jest retencja?

Retencja oznacza zdolność środowiska do zatrzymywania oraz czasowego magazynowania wody. Proces ten obejmuje zarówno akumulację wody na powierzchni terenu, jak i jej przechowywanie w glebie, roślinności, mokradłach oraz warstwach podziemnych (Vandecasteele I, Marí i Rivero I, Baranzelli C, et al. 2018).

Retencja pełni kluczową funkcję w funkcjonowaniu obiegu hydrologicznego. Wpływa między innymi na:

• ograniczanie gwałtownego odpływu wód opadowych,
• zmniejszanie ryzyka powodzi,
• stabilizację odpływu rzecznego,
• zasilanie wód gruntowych,
• ograniczanie skutków suszy,
• utrzymanie wilgotności siedlisk i ekosystemów,
• zmniejszanie ryzyka pożaru.

W warunkach naturalnych zdolność retencyjna krajobrazu wynika z wielu współdziałających czynników, takich jak pokrycie terenu, struktura roślinności, przepuszczalność gleb, ukształtowanie terenu czy obecność mokradeł. Retencja wody odgrywa kluczową rolę w kształtowaniu bilansu wodnego, łagodzeniu skutków suszy i powodzi oraz w planowaniu zrównoważonego gospodarowania zasobami wodnymi. Jej poziom jest silnie uzależniony od uwarunkowań naturalnych i antropogenicznych.

1.2. Retencja krajobrazowa

Retencja krajobrazowa jest szczególnym rodzajem retencji środowiskowej odnoszącym się do zdolności całego krajobrazu do przechwytywania, magazynowania i stopniowego uwalniania wody. Obejmuje ona zarówno procesy naturalne, jak i zależne od sposobu użytkowania terenu. W praktyce retencja krajobrazowa jest efektem współdziałania:

• procesów hydrologicznych,
• właściwości gleb,
• pokrycia terenu,
• struktury roślinności,
• rzeźby terenu,
• stopnia antropogenicznego przekształcenia środowiska.

1.3. Technologie geoinformatyczne i EO w modelowaniu retencji wodnej

Szacowanie retencji wody z wykorzystaniem zobrazowań satelitarnych opiera się na analizie danych obrazowych obserwacji Ziemi (EO). W szczególności przydatne są tu dane z programów ESA Copernicus. Kluczową rolę odgrywają dane z satelitów Sentinel-1 (radar SAR), Sentinel-2 (optyczne, wielospektralne) oraz Sentinel-3 (parametry hydrologiczne i klimatyczne). Na ich podstawie tworzone są produkty pochodne EO, takie jak wskaźniki wilgotności gleby, indeksy roślinności (np. NDVI, NDWI), mapy pokrycia terenu, uszczelnienia powierzchni czy zmienności sezonowej zbiorników wodnych.

Metodologia szacowania retencji polega na integracji tych produktów w środowisku GIS, gdzie możliwe jest łączenie danych satelitarnych z informacjami referencyjnymi (modele terenu, dane glebowe, hydrograficzne i meteorologiczne) oraz modelowaniem zjawisk. Analizy przestrzenne i czasowe pozwalają na identyfikację obszarów o podwyższonej lub obniżonej zdolności retencyjnej, ocenę wpływu zmian użytkowania terenu oraz modelowanie scenariuszy zarządzania wodą. Takie podejście umożliwia obiektywną, powtarzalną i skalowalną ocenę retencji wody, wspierając procesy decyzyjne na poziomie lokalnym i regionalnym.

W niniejszym zagadnieniu zostanie podjęta próba ilościowego i względnego oszacowania retencji wody dla całego obszaru województwa lubuskiego. Przyjęto rastrowy model przetwarzania geodanych określając rozdzielczość danych tak wejściowych, jak i wyjściowych na 20 m/piksel.

2. Wieloczynnikowy wskaźnik retencji wody

W celu oceny retencji krajobrazowej opracowano wielokryterialny wskaźnik oparty na wynikach modelu hydrologicznego SWAT oraz danych przestrzennych opisujących elementy na nią wpływające. Przyjęta metodologia umożliwia identyfikację obszarów o wysokiej i niskiej zdolności retencyjnej oraz pozwala analizować cechy strukturalne krajobrazu na nie wpływające. Model wykorzystuje trzy bazowe komponenty przestrzenne: hydrologiczny, krajobrazowy oraz terenowy.

2.1. Komponent hydrologiczny (SWAT)

W badaniach dotyczących retencji wody na obszarze województwa Lubuskiego wykorzystano model hydrologiczny SWAT+ (Soil and Water Assessment Tool Plus) (Texas A&M University, n.d.), działający w środowisku QGIS poprzez rozszerzenie QSWAT+. Narzędzie to należy do najczęściej stosowanych modeli hydrologicznych na świecie i stanowi rozwinięcie klasycznego modelu SWAT, używanego od lat w analizach zlewni, gospodarki wodnej oraz wpływu zmian klimatu na środowisko. SWAT+ został wybrany ze względu na dużą dojrzałość technologii, szerokie wsparcie społeczności naukowej oraz możliwość bardzo szczegółowego odwzorowania procesów zachodzących w zlewni przy zachowaniu stosunkowo przejrzystej struktury danych wejściowych i wynikowych. Model umożliwia symulowanie obiegu wody w środowisku, uwzględniając między innymi ukształtowanie terenu, typy gleb, sposób użytkowania gruntów oraz warunki pogodowe. 

Do przeprowadzenia symulacji wykorzystano kilka kluczowych źródeł danych przestrzennych i środowiskowych. Podstawą analizy był Numeryczny Model Terenu o rozdzielczości 20 metrów na piksel, pozwalający odwzorować rzeźbę terenu oraz kierunki naturalnego spływu wody. Informacje o właściwościach gleb pochodziły z bazy HWSD (Harmonized World Soil Database) (FAO/IIASA/ISRIC/ISSCAS/JRC, 2012), zawierającej dane o strukturze, przepuszczalności i pojemności wodnej gleb. W analizie uwzględniono również dane dotyczące użytkowania terenu, takie jak lasy, grunty rolne czy obszary zabudowane, przygotowane i udostępnione przez twórców modelu SWAT+. Istotnym elementem były także dane pogodowe generowane przez system pogodowy SWAT+, oparty na globalnej bazie CFSR (Climate Forecast System Reanalysis), zawierającej historyczne dane meteorologiczne. 

Na podstawie zgromadzonych danych z wykorzystaniem modelu SWAT+ przeprowadzona została symulacja procesów zachodzących w środowisku wodnym województwa Lubuskiego. Efektem działania modelu było wygenerowanie szeregu warstw tematycznych opisujących kluczowe parametry obiegu wody. Wśród nich znalazły się między innymi dane dotyczące opadów atmosferycznych, wilgotności gleby, ewapotranspiracji, czyli procesu oddawania wody do atmosfery przez glebę i roślinność, infiltracji odpowiadającej za wsiąkanie wody w grunt, a także spływu powierzchniowego opisującego przemieszczanie się wody po powierzchni terenu. Uzyskane warstwy stanowiły podstawę dalszych analiz związanych z oceną zdolności retencyjnych regionu oraz identyfikacją obszarów szczególnie narażonych na niedobory lub nadmiar wody. 

W niniejszym opracowaniu warstwy te zostały wykorzystane do budowy hydrologicznego komponentu wskaźnika retencji krajobrazowej. Przyjęto, że procesy hydrologiczne najlepiej opisujące zdolność środowiska do zatrzymywania, magazynowania i transformacji wody to:

• infiltracja (INF),
• zawartość wody w glebie (SW),
• odpływ powierzchniowy (SURQ),
• ewapotranspiracja (ET).

Infiltracja stanowi jeden z najważniejszych mechanizmów retencyjnych, ponieważ odpowiada za wnikanie wody do profilu glebowego oraz zasilanie retencji podpowierzchniowej. Obszary o wysokiej infiltracji charakteryzują się większą zdolnością do ograniczania szybkiego odpływu powierzchniowego i lepszego magazynowania zasobów wodnych. Zwiększona infiltracja umożliwia również skuteczniejsze zasilanie wód gruntowych oraz stabilizację bilansu wodnego w dłuższym okresie czasu.

Drugim istotnym parametrem jest zawartość wody w glebie, opisująca ilość wody zatrzymywanej w profilu glebowym. Parametr ten odzwierciedla pojemność wodną środowiska oraz zdolność krajobrazu do utrzymywania wilgotności w dłuższym okresie czasu. Wysokie wartości wilgotności gleby są charakterystyczne dla obszarów o korzystnych warunkach retencyjnych i zwiększonej odporności na okresowe niedobory opadów.

Czynnikiem ograniczającym retencję jest natomiast odpływ powierzchniowy. Wysokie wartości odpływu wskazują na szybkie opuszczanie systemu przez wodę opadową, ograniczoną infiltrację oraz zwiększoną podatność na erozję i zjawiska powodziowe. Intensywny odpływ powierzchniowy oznacza skrócenie czasu przebywania wody w krajobrazie i ograniczenie możliwości jej magazynowania. W modelu wskaźnika parametr ten został uwzględniony po odwróceniu skali, tak aby niższy odpływ odpowiadał wyższemu potencjałowi retencyjnemu.

Do komponentu hydrologicznego włączono również ewapotranspirację, opisującą sumaryczny proces parowania z powierzchni gleby i zbiorników wodnych oraz transpiracji roślin. Ewapotranspiracja jest jednym z podstawowych elementów obiegu wody i odgrywa istotną rolę w funkcjonowaniu krajobrazu. Wysokie wartości ewapotranspiracji często występują na obszarach charakteryzujących się dobrze rozwiniętą roślinnością, wysoką dostępnością wody i aktywnymi procesami wymiany pomiędzy atmosferą, glebą i biosferą. Z tego względu parametr ten może pośrednio wskazywać na dobrze funkcjonujące środowiska o wysokiej aktywności hydrologicznej i biologicznej. W krajobrazie naturalnym zwiększona ewapotranspiracja często współwystępuje z wysoką infiltracją, rozwiniętą pokrywą roślinną oraz korzystnymi warunkami retencyjnymi.

Wielkości powyższych cech wyrażono w tej samej jednostce ułatwiającej obliczenia: mm wody na metr kwadratowy. Do obliczenia wskaźnika retencji hydrologicznej wybrano ich średnie dla roku 2025.

Wybrane warstwy SWAT zostały znormalizowane do wspólnego przedziału [0…1], co umożliwiło ich integrację z komponentem reprezentującym strukturę krajobrazu. Takie podejście pozwala połączyć rzeczywiste procesy hydrologiczne z przestrzennymi uwarunkowaniami retencji, tworząc kompleksowy wskaźnik zdolności krajobrazu do zatrzymywania wody.

2.2. Komponent strukturalnej retencji krajobrazowej

Wybrane warstwy reprezentują potencjalną zdolność krajobrazu do zatrzymywania wody wynikającą z pokrycia terenu, struktury i gęstości roślinności oraz morfologii rzeźby terenu:

• Gęstość pokrywy drzew / Tree Cover Density (TCD),
• Niewielkie elementy krajobrazu / Small Woody Features (SWF),
• Gęstość terenów uszczelnionych / Impervious Density (IMD),
• Nachylenie zboczy rzeźby terenu (SLO).

Tree Cover Density (TCD) opisuje procentowy udział powierzchni pokrytej koronami drzew w analizowanym obszarze. Wskaźnik ten stanowi pośrednią miarę stopnia zalesienia i intensywności pokrywy drzewiastej, a tym samym pozwala ocenić wpływ roślinności wysokiej na funkcjonowanie procesów hydrologicznych. Obecność drzew istotnie wpływa na zdolność krajobrazu do zatrzymywania wody poprzez przechwytywanie części opadu przez korony drzew (intercepcję), zwiększanie infiltracji oraz poprawę właściwości fizycznych gleby. Rozbudowany system korzeniowy zwiększa porowatość gleby i tworzy dodatkowe drogi migracji wody do głębszych warstw profilu glebowego. Obszary charakteryzujące się wysokimi wartościami TCD często wykazują ograniczony odpływ powierzchniowy, większą pojemność retencyjną oraz większą odporność na okresowe deficyty wodne. Z tego względu wskaźnik TCD został potraktowany jako czynnik pozytywnie wpływający na potencjał retencji krajobrazowej.

Small Woody Features (SWF) opisuje udział niewielkich elementów roślinności drzewiastej i krzewiastej występujących poza zwartymi kompleksami leśnymi, takich jak zadrzewienia śródpolne, aleje, pasy zieleni, zakrzewienia, żywopłoty czy niewielkie skupiska drzew. Pomimo stosunkowo małej powierzchni elementy te pełnią istotną funkcję hydrologiczną i ekologiczną. Stanowią one naturalne bariery spowalniające przepływ powierzchniowy, ograniczają erozję oraz zwiększają infiltrację poprzez lokalną poprawę struktury gleby. Obecność niewielkich form roślinności drzewiastej wpływa również na zwiększenie szorstkości powierzchni terenu, co wydłuża czas przebywania wody w krajobrazie i sprzyja jej retencji. W krajobrazie rolniczym i silnie przekształconym antropogenicznie SWF często odgrywa istotną rolę jako element zwiększający lokalny potencjał retencyjny.

Impervious Density (IMD) określa stopień uszczelnienia powierzchni terenu wynikający z obecności elementów infrastruktury antropogenicznej, takich jak zabudowa, drogi, parkingi oraz inne powierzchnie nieprzepuszczalne. Wysokie wartości wskaźnika oznaczają ograniczenie naturalnych procesów infiltracji oraz zwiększenie udziału szybkiego odpływu powierzchniowego. Uszczelnienie powierzchni prowadzi do skrócenia czasu retencji wody w krajobrazie, ograniczenia zasilania wód gruntowych oraz zwiększenia podatności na występowanie gwałtownych odpływów po intensywnych opadach. W przeciwieństwie do pozostałych parametrów wykorzystanych w modelu, IMD nie został potraktowany jako równorzędny składnik wskaźnika, lecz jako czynnik ograniczający funkcjonowanie całego systemu retencyjnego. Przy wysokim stopniu uszczelnienia potencjał retencji krajobrazowej ulega znacznemu ograniczeniu niezależnie od korzystnych warunków środowiskowych występujących na danym obszarze.

Nachylenie zboczy (SLO) opisuje nachylenie powierzchni rzeźby terenu i stanowi jeden z podstawowych parametrów wpływających na dynamikę procesów hydrologicznych. Nachylenie terenu bezpośrednio oddziałuje na prędkość przemieszczania się wody po powierzchni oraz czas jej przebywania w krajobrazie. Obszary o niewielkich spadkach sprzyjają spowolnieniu odpływu powierzchniowego i zwiększeniu infiltracji, umożliwiając dłuższe magazynowanie wody w glebie i warstwach podpowierzchniowych. Z kolei wysokie wartości nachylenia zwiększają energię przepływu, przyspieszają odpływ oraz ograniczają możliwości zatrzymywania wody. Tereny o dużych spadkach są również bardziej podatne na procesy erozyjne, które mogą dodatkowo pogarszać warunki retencyjne. W modelu retencji krajobrazowej parametr spadku terenu został uwzględniony po odwróceniu skali wartości, tak aby niższe nachylenie odpowiadało korzystniejszym warunkom retencyjnym.

2.3. Komponent terenowy (TWI)

Jako składnik oraz element uzupełniający analizę retencji wodnej lubuskiego opracowano wskaźnik TWI (Topographic Wetness Index), czyli Wskaźnik Uwodnienia Topograficznego dla obszaru całego województwa. TWI jest jednym z najczęściej stosowanych wskaźników topograficznych wykorzystywanych w analizach hydrologicznych i geomorfologicznych do identyfikacji przestrzennego zróżnicowania potencjalnego uwilgotnienia terenu. Określa on skłonność danego obszaru do akumulacji wody wynikającą z lokalnych warunków rzeźby terenu i opiera się na zależności pomiędzy powierzchnią zasilającą dany punkt a lokalnym nachyleniem terenu. Wysokie wartości TWI wskazują obszary o zwiększonym potencjale gromadzenia i utrzymywania wilgoci, natomiast niskie wartości identyfikują miejsca predysponowane do szybszego odpływu wody (Beven, K.J., Kirkby, M.J., 1979).

W przeciwieństwie do komponentów wykorzystanych w konstrukcji wskaźnika retencji wodnej, TWI nie opisuje rzeczywistych procesów hydrologicznych modelowanych przez SWAT ani wpływu pokrycia lub nieprzepuszczalności jego powierzchni. Wskaźnik ten bazuje wyłącznie na parametrach morfometrycznych wyliczonych z numerycznego modelu terenu. Oznacza to, że TWI przedstawia potencjalne warunki spływu i koncentracji wody wynikające z geometrii rzeźby, bez uwzględniania wpływu użytkowania ziemi, rodzaju gleb, roślinności czy procesów infiltracyjnych. Jest to ważny aspekt procesów hydrologicznych, dlatego wskaźnik został włączony do obliczeń końcowego wskaźnika retencji.

Jednocześnie, sam stanowi cenną warstwę wspomagającą interpretację uzyskanych wyników. Może być wykorzystywany do weryfikacji przestrzennej zgodności obszarów o wysokim potencjale retencyjnym z lokalnymi predyspozycjami terenowymi do koncentracji wody. (Grabs, T., Seibert, J., Bishop, K., Laudon, H., 2009). Obszary o wysokim wskaźniku retencji oraz jednocześnie wysokich wartościach TWI mogą wskazywać lokalizacje szczególnie istotne z punktu widzenia funkcjonowania naturalnych procesów hydrologicznych. W praktyce TWI może więc pełnić rolę dodatkowego narzędzia wspierającego interpretację i walidację wyników modelu retencji wodnej.

Wskaźnik przyjmuje wartości od kilku do kilkudziesięciu, w zależności od specyfiki rzeźby terenu (tutaj: 13-32). Najwyższe wartości TWI wykazuje na obszarach sumarycznej akumulacji odpływu w obrębie danego dorzecza.

3. Normalizacja danych

Poszczególne warstwy wejściowe charakteryzują się różnymi jednostkami oraz zakresami wartości. W związku z tym wszystkie dane zostały przekształcone do wspólnej skali 0–1.

Dla kryteriów pozytywnie wpływających na retencję zastosowano normalizację rosnącą:

• infiltracja (INF’),
• zawartość wody w glebie (SW’),
• Tree Cover Density (TCD’),
• Small Woody Features (SWF’),
• wskaźnik TWI.

Dla kryteriów ograniczających retencję zastosowano normalizację malejącą:

• odpływ powierzchniowy (SURQ’),
• Impervious Density (IMD’),
• spadki terenu (SLO’).

Po normalizacji wszystkie warstwy interpretowane są jednolicie:

• wartości wysokie oznaczają korzystny wpływ na retencję,
• wartości niskie oznaczają ograniczony potencjał retencyjny.

4. Konstrukcja wskaźnika

W modelu przyjęto założenie równorzędnego wpływu wszystkich czynników wykorzystanych do konstrukcji wskaźników. Dla głównych komponentów nie zastosowano wag, ponieważ brak jest jednoznacznych podstaw empirycznych pozwalających określić proporcje oddziaływania poszczególnych procesów na retencję krajobrazową w tym przypadku. Takie podejście skutkuje uśrednieniem, jednak eliminuje arbitralność modelu i zwiększa przejrzystość metodologiczną, jak również ułatwia interpretację wyników oraz rozbudowę wskaźnika.

Wskaźnik retencji krajobrazowej został podzielony na dwa niezależne komponenty.

4.1. Obliczanie wskaźnika retencji hydrologicznej WRH

Zestawia rzeczywiste procesy obiegu wody wg przyjętej zależności:

WRH = [ ( INF’ + SW’ + ET’ ) / 3 ] – SURQ’

gdzie:

• INF — infiltracja,
• SW — zawartość wody w glebie,
• SURQ — odpływ powierzchniowy,
• ET — ewapotranspiracja.

Jednostka: mm/m² (wsad i wynik). Następnie znormalizowano do zakresu [0…1].

4.2. Obliczanie wskaźnika retencji krajobrazowej WRL

Opisuje przestrzenny potencjał retencyjny krajobrazu:

WRL = ( TCD’ + SWF’ + SLOPE’ ) / 3

gdzie:

• TCD — Tree Cover Density,
• SWF — Small Woody Features,
• SLOPE — nachylenie zboczy terenu.

4.3. Sumaryczny wskaźnik retencji wody WRI

Wynikowy wskaźnik obliczany jest w dwóch etapach. W pierwszym budowany jest raster „alfa” stanowiący bazę wskaźnika wg formuły:

WRI𝛼 = [ ( ( WRH + WRL ) / 2 ) + 0,5 × TWI ) / 2 ]

do którego następnie dodany jest raster CLMS IMD (Gęstość terenów uszczelnionych) w odwrotności, według założenia, że obszar w 100% uszczelniony posiada retencję równą 0. Współczynnik wagi TWI został ustalony według równych proporcji wszystkich komponentów:

WRI = [ WRI𝛼 + ( 1 – IMD’ ) ] * 100

Ostatnia część wzoru przeskalowuje wartości wskaźnika do wygodnego przedziału [0…100] i po konwersji do trybu UInt8 obraz przyjmuje finalną postać. Podobnie jak wszystkie rastrowe zbiory wykorzystane w analizie, obraz wynikowy ma rozdzielczość terenową 20 m/piksel, wystarczającą do analiz na poziomie skali 1:10 000.

5. Wyniki

Wynikiem rozpatrywanego zagadnienia jest zestaw map tematycznych przedstawiających komponent hydrologiczny, krajobrazowy, TWI oraz finalny wskaźnik retencji wodnej WRI. Dla wszystkich map zastosowano tę samą skalę barwną (mimo różnic w przedziałach wartości plików). Ułatwia to porównanie zależności i rozkładu przestrzennego analizowanych cech.

WRI wskazuje obszary, w których woda naturalnie gromadzi się i jest potencjalnie zatrzymana w zależności od czynników terenowych oraz krajobrazowych. Rzeźba terenu jest kluczowym czynnikiem regulującym obieg wody, dlatego wskaźnik ujawnia również wszystkie potencjalne drogi jej odpływu. Obraz ten jest oczywiście naturalnie tożsamy z istniejącą siecią powierzchniowych wód płynących.

Wskaźnik WRI istotny staje się również dla kwestii zagrożenia powodziowego – pozwala określić potencjalne drogi odpływu nadmiarowej wody na obszarach suchych. Właściwości te widać jeszcze wyraźniej na mapie wskaźnika TWI, który jest ściśle skorelowany z ukształtowaniem rzeźby terenu.

5.1. Interpretacja wskaźnika WRH

W odróżnieniu od pozostałych komponentów, wartości wskaźnika retencji hydrologicznej WRH są wyraźnie zdyskretyzowane.

Istotną cechą modelu SWAT jest sposób organizacji przestrzeni obliczeniowej. Model nie wykonuje obliczeń bezpośrednio dla pojedynczych pikseli rastra, lecz wykorzystuje tzw. HRU (Hydrologic Response Units), czyli Hydrologiczne Jednostki Odpowiedzi. Są to wydzielone obszary zlewni lub subzlewni o względnie jednorodnych cechach środowiskowych, definiowane na podstawie kombinacji użytkowania terenu, typu gleby i klasy nachylenia terenu.

Proces wyznaczania HRU stanowi jeden z kluczowych etapów budowy modelu, ponieważ wpływa na sposób reprezentacji procesów hydrologicznych w przestrzeni. Parametry hydrologiczne obliczane są dla każdej jednostki HRU oddzielnie, a następnie agregowane do jej poziomu. Ich wielkość przestrzenną można w jakimś zakresie zdefiniować z poziomu ustawień SWAT, jednakże generowanie ich większej liczby (przy malejącym areale) nie ma sensu w obliczu limitu szczegółowości danych wejściowych.

Oznacza to, że końcowe wyniki modelu są zawsze odniesione do HRU, stąd pewna „dyskretyzacja” przestrzennego rozkładu wskaźnika. Należy zwrócić jednak uwagę, że jego wartości wydają się być jak najbardziej zasadne i realne, przyjmując przedział wartości [-211…582] mm. Skąd wartości ujemne wskaźnika? Parametry hydrologiczne w modelu SWAT liczone są dla średniego opadu, w tym przypadku jest to 680-889 mm/rok dla województwa w 2025. Wskaźnik przyjmuje ujemne wartości dla uszczelnionych obszarów o niskiej retencji, nie rekompensującej ilości wody opadowej netto. W istocie więc ujemne wartości wskaźnika reprezentują odpływ z terenu uszczelnionego, co potwierdza jego poprawność i dokładność. Widać to w szczególności dla HRU obejmującej wysoce zurbanizowany obszar Zielonej Góry.

Zatem mimo sporej generalizacji obrazu cechy, jest on dobrą bazą wyjściową do konstrukcji wieloczynnikowego wskaźnika retencji wody.

5.2. Interpretacja wyników w aspekcie zagrożenia suszą

5.3. Interpretacja wyników w aspekcie zagrożenia powodzią

Wskaźnik jest dodatkowo samoistnym indykatorem zagrożenia powodziowego. O wysokim poziomie informatywności wskaźnika może świadczyć jego wysoka korelacja z zasięgami powodzi, które nawiedziły lubuskie jesienią 2024 (warstwa ta jest dostępna w serwisie mapowym w grupie „Uzupełniające warstwy tematyczne”).

5.4. Potencjał wykorzystania uzyskanych wyników

Opracowany wskaźnik może być wykorzystywany między innymi do:

• identyfikacji obszarów wymagających działań retencyjnych,
• wspierania planowania przestrzennego,
• analiz środowiskowych i klimatycznych,
• oceny skutków urbanizacji,
• analiz podatności na suszę,
• wspierania działań renaturyzacyjnych.

Uzyskane wyniki maja szansę stać się nowym, ważnym narzędziem w szeroko rozumianym planowaniu przestrzennym, gospodarce wodnej, urbanistyce, działaniach środowiskowych oraz agrarnych, wymieniając te najważniejsze.

Podsumowanie

Przedstawiona metodologia stanowi uniwersalne i przejrzyste podejście do oceny retencji krajobrazowej w środowisku GIS. Połączenie komponentu hydrologicznego i strukturalnego pozwala analizować zarówno rzeczywiste procesy obiegu wody, jak i przestrzenne uwarunkowania retencji.

Brak wagowania poszczególnych czynników ogranicza arbitralność modelu i zwiększa jego transparentność metodologiczną. Jednocześnie konstrukcja wskaźnika umożliwia dalszą rozbudowę o kolejne warstwy środowiskowe oraz kalibrację na podstawie danych terenowych lub wyników monitoringu hydrologicznego.

Metodologia może być stosowana zarówno w analizach lokalnych, jak i regionalnych, wspierając działania związane z adaptacją do zmian klimatu i racjonalnym gospodarowaniem zasobami wodnymi.

Bibliografia

Aloui S., Mazzoni A., Elomri A., Aouissi J., Boufekane A., Zghibi A. (2023). A review of Soil and Water Assessment Tool (SWAT) studies of Mediterranean catchments: Applications, feasibility, and future directions. Journal of Environmental Management, Volume 326, Part B, ISSN 0301-4797.
https://doi.org/10.1016/j.jenvman.2022.116799.

Arnold, J.G., Kiniry, J.R., Srinivasan, R., Williams, J.R., Haney, E.B., Neitsch, S.L. Soil and Water Assessment Tool – Input/Output Documentation. Texas Water Resources Institute, Texas A&M University.

Beven K.J., Kirkby M.J. (1979). A physically based, variable contributing area model of basin hydrology. Hydrological Sciences Bulletin, 24(1), 43–69.

FAO, IIASA, ISRIC, ISSCAS, & JRC. (2012). Harmonized World Soil Database (version 1.2). Food and Agriculture Organization of the United Nations. https://www.fao.org/soils-portal/data-hub/soil-maps-and-databases/harmonized-world-soil-database-v12/en/.

Gassman, P.W., Reyes, M.R., Green, C.H., Arnold, J.G. (2007). The Soil and Water Assessment Tool: Historical Development, Applications, and Future Research Directions. Transactions of the ASABE, 50(4), 1211–1250. https://doi.org/10.13031/2013.23637.

Grabs, T., Seibert, J., Bishop, K., Laudon, H. (2009). A comparison of the topographic wetness index and model-derived indices. Journal of Hydrology 373(1-2):15-23. https://10.1016/j.jhydrol.2009.03.031.

Mioduszewski W., Okruszko T. (2016). Naturalna, mała retencja wodna – Metoda łagodzenia skutków suszy, ograniczania ryzyka powodziowego i ochrona różnorodności biologicznej. Podstawy Metodyczne. ISBN: 978-83-944813-0-8.

Vandecasteele I, Marí i Rivero I, Baranzelli C, et al. (2018). The Water Retention Index: Using land use planning to manage water resources in Europe. Sustainable Development. 26:122–131. https://doi.org/10.1002/sd.1723

Texas A&M University. (n.d.). SWAT: Soil & Water Assessment Tool. Retrieved from https://swat.tamu.edu/