Strona główna „Forum Akademickiego”

Archiwum z roku 2004

Spis treści numeru 2/2004

Jak zarządzać środowiskiem

Poprzedni Następny

Badania naukowe

Niebawem działania zmierzające ku ochronie wód podziemnych i gleb będzie można wspomagać Systemem Informacji Geograficznej (GIS).

Mariusz Karwowski

 Jego tworzenie trwa już od roku w Instytucie Meteorologii i Gospodarki Wodnej. Prace nie koncentrują się jedynie na teorii. Za obiekt modelowy służy wysypisko odpadów komunalnych pod Warszawą, zlokalizowane w bliskim sąsiedztwie Wisły i jednego z jej dopływów – Świdra. W czasie opadów deszczu zanieczyszczenia z wysypiska przedostają się do gruntu i zaczynają wsiąkać, a następnie przemieszczać się do wód powierzchniowych, powodując w konsekwencji znaczne pogorszenie ich jakości. W trakcie tego przepływu stężenie zanieczyszczeń ulega zmianom. Aby je dokładnie określić, stosuje się najczęściej modelowanie matematyczne. W jego wyniku powstaje masa liczb, które w poszczególnych punktach badanej przestrzeni określają rozkład zanieczyszczeń. Tylko jak to przedstawić?

– Moim założeniem było umieszczenie wyników modelowania w ramach GIS-u, jako szeregu kolejnych map, które umożliwią mi wnioskowanie. Jednolita baza danych, w której umieszczone są informacje o terenie, jego zagospodarowaniu, opadach, parowaniu, a nade wszystko dane z punktów badawczych, czyli z wywierconych studzienek, z których pobiera się próbki wody jako podstawę do modelowania, pozwoliłaby na zaobserwowanie, co dzieje się w danym punkcie badanego obszaru – wyjaśnia dr inż. Marek Ślesicki z IMGW.

DLA POLICJANTA I METEOROLOGA

W przypadku wysypisk, ocena ich wpływu na środowisko i określenie ewentualnych działań, jakie należy podjąć, by ten wpływ zmniejszyć, staje się już wymogiem obligatoryjnym. Do tego, by go wypełnić, najbardziej przydatny wydaje się być właśnie GIS (Geographical Information System), czyli System Informacji Geograficznej. To bardzo wygodne narzędzie, gdyż umożliwia łączenie szeregu różnorodnych informacji. Im jest ich więcej, tym trafniejsza diagnoza i większe prawdopodobieństwo opracowania efektywnego planu działań.

– Można stworzyć mnóstwo map opisujących las: mapę jego ukształtowania, mapę drzew, mapę poszycia, mapę grzybów itd. Oprogramowanie GIS daje możliwość jednoczesnego rozpatrywania wszystkich informacji zawartych na tych mapach. Kiedy interesuje nas to, czy np. borowiki rosną wśród dębów, to wystarczy zakreślenie odpowiedniego zakresu danych i mapa jest stworzona. Jeśli te obszary okażą się niespójne, znaczy to, iż borowiki nie rosną wśród dębów – tłumaczy obrazowo dr Ślesicki.

To, ile takich map zostanie utworzonych, zależy wyłącznie od... zapotrzebowania. Także ograniczenia przestrzenne nie grają roli – to już tylko kwestia szczegółowości. GIS da się stosować zarówno do wysypiska śmieci, jak i do terenu całego kraju, a nawet kontynentu. Amerykańscy uczeni zastosowali go np. do obserwacji przelotów ptaków w całych Stanach Zjednoczonych i Kanadzie. Za oceanem system jest często stosowany, bo posiada szerokie spektrum zastosowań. Najważniejsze, aby zjawiska, do których GIS jest odnoszony, miały przestrzenną zmienność. To generalna zasada Systemu Informacji Geograficznej.

– W jednym z amerykańskich filmów policjant przyjechał do Waszyngtonu i zakładał tam komórkę policyjną. Miał asystentkę, która prowadziła mu centrum komputerowe. Kiedy rano robił odprawę, korzystał z tej bazy danych, dopytując się np. gdzie ostatniej nocy było najwięcej włamań. Asystentka miała plan miasta i naniesione nań włamania z ostatniej nocy. To był klasyczny przykład GIS-u.

Właściwa konfiguracja oprogramowania umożliwia właśnie połączenie informacji zawartych w bazie danych z wizualizacją wybranych parametrów. Dane w formie tabelarycznej i graficznej często wykorzystywane są wspólnie do przeprowadzenia analizy przestrzennej, nie tylko w geografii czy meteorologii, ale w każdej dziedzinie życia, która operuje informacją przestrzenną. GIS jest tylko narzędziem, ale za to w wielu odmianach. W IMGW używa się programu ArcView. Jest on nieco uproszczony w porównaniu ze standardowym ArcInfo, ale wystarczy do realizacji tego projektu.

– Stosowanie GIS-u jest w tej chwili powszechne, ale nie słyszałem, by ktoś w Polsce zajmował się za jego pomocą ochroną wód podziemnych i gleby. Aczkolwiek mam świadomość, że mój pomysł nie jest zupełnie oryginalny, bo tego typu prace prowadzi się głównie jednak w USA.

GDZIE ZAWIEDZIE CIEKAWOŚĆ?

Mój rozmówca przyznaje, że impulsem do rozpoczęcia projektu była... ciekawość naukowa. Zagadnienie ma bardziej charakter poznawczy, a sam GIS nie jest tu celem samym w sobie, lecz jedynie narzędziem do jego realizacji. Fakt, że niezwykle praktycznym. Swój cel dr Ślesicki definiuje w nieco inny sposób. Jest nim stworzenie systemu wspomagania decyzji, który mógłby znaleźć zastosowanie choćby przy badaniu wpływu składowisk odpadów na środowisko wodno-glebowe.

– Proszę wyobrazić sobie ten teren jako wycięty z całości i spojrzeć w głąb bryły – instruuje mnie dr Ślesicki, pokazując na kartce formatu A4 mapkę okolic Warszawy z zaznaczonym na niej wysypiskiem. – Składa się ona z wielu warstw, grunt nie jest jednorodny: są piaski, gliny, iły, muły itd. Zawieszone jest tu także zwierciadło wody gruntowej. Kiedy na powierzchni znajduje się składowisko, zanieczyszczenia przedostaną się w głąb. Ich przepływ i transport można zobaczyć, posługując się GIS-em.

Aby stworzyć mapę danego terenu, potrzeba najpierw danych wyjściowych. To początek całego systemu, a GIS jest tylko jednym z elementów. Faza zbierania i porządkowania informacji pochłania blisko 10 proc. czasu poświęconego na cały projekt. Później przychodzi pora na obliczenia, a na końcu – wnioski. Obecnie kończy się już pierwszy etap projektu. Zebrano z punktów badawczych informacje o glebach, hydrologii rzek, opadach, parowaniu, szacie roślinnej. Dokonano też wstępnego rozpoznania budowy geologicznej oraz ukształtowania się zwierciadła wody. W trakcie wykonywania są analizy prób jakościowych zanieczyszczenia w tych punktach. Wszystkie te wartości są charakterystyczne, to minima lub maksyma, nie prowadzi się stałych obserwacji, bo nie ma takiej potrzeby. Cały proces zachodzi bardzo powoli.

– Te wszystkie informacje posłużyły mi do stworzenia wielu map, z tym że jednak na papierze. Dopiero po nadaniu im formy cyfrowej, zostały przeniesione do GIS-u i połączone ze sobą. Powstała jedna mapa, na której teraz pewne niepotrzebne mi w danej chwili informacje mogę wyłączać i odwrotnie – włączać te, które są niezbędne.

Większość danych jest już opracowana. Teraz następny krok, czyli stworzenie algorytmu, a więc wzoru, który będzie pasował nie tylko do terenu testowego, ale każdego innego miejsca. Dr Ślesicki przyznaje, że wybór okolic pod Warszawą był nieco przypadkowy – wymuszony po prostu możliwościami finansowymi. Projekt kosztuje 150 tys. zł. Środki w całości pochodzą z KBN. Trudno jednak dziś pokusić się o analizę ekonomiczną zysków, bo te pojawią się dopiero w przyszłości. Projekt ma walor czysto naukowy, a jego wymiernym efektem będzie jedynie opracowanie algorytmu. Dopiero jego wykorzystanie przy podejmowaniu wiążących decyzji, odnoszących się do ochrony kompleksów wodno-glebowych, będzie mogło być rozpatrywane w kategoriach zysków.

CZWARTY WYMIAR SYSTEMU

Tworzenie GIS-u trwa już prawie rok i, jak sugeruje dr Ślesicki, to praca bardziej rzemieślnicza niż artystyczna. Sam siebie określa jako alfę i omegę tego projektu. Jest jego autorem, technikiem, jednym słowem – wszystkim. I sam musi na tym statku rozbijać się o pojedyncze rafy. A problemy pojawiają się co rusz. Jednym z nich jest CADD, oprogramowanie służące wspomaganiu projektowania. GIS-y są z definicji dwuwymiarowe. Tymczasem CADD to program umożliwiający tworzenie rysunków, również przestrzennych. Elementy tych rysunków mogą być oglądane w nieograniczonej wręcz liczbie planów, powierzchni, przekrojów i widoków perspektywicznych. Program CADD nie ma specjalnego wpływu na funkcjonowanie GIS-u, jest jedynie jego rozszerzeniem, ale bardzo praktycznym.

– To jest czasza tego wysypiska, tu jest droga, a tu płynie rzeka – dr Ślesicki pokazuje mi ten sam teren, który oglądaliśmy na mapie, ale tym razem w formie przestrzennej. – Prawda, że lepiej widać? Dzięki CADD z tego obrazka powstanie wycięta bryła, składająca się z szeregu poziomów. Zakładając, że część bryły jest przezroczysta, będę widział to, co dzieje się pod ziemią, a więc także plamę zanieczyszczeń, która się przemieszcza. Z szeregu takich brył, powstałych w różnych momentach czasowych, za pomocą oprogramowania do tworzenia animacji, powstanie film.

Wszystko po to, by osoba, który będzie w przyszłości podejmować decyzje, zrozumiała o co w tym wszystkim chodzi. Można przypuszczać, że ani liczby z modelowania matematycznego, ani utworzone na ich podstawie mapy z mnogością informacji nie przemówią tak do jej wyobraźni, jak komputerowa animacja.

– Analiza przestrzenna GIS jest w głównej mierze narzędziem do wizualizacji trendów i zależności, dotyczących wielkości i procesów, takich jak przepływ hydrologiczny, migracja zanieczyszczeń czy ryzyko środowiskowe związane z ich źródłem. Pokazuje np. lokalizację źródła oraz plamy zanieczyszczenia względem położenia ujęcia wód podziemnych do celów komunalnych – zachwyca się dr Ślesicki.

Nie byłby jednak sobą, gdyby poprzestał tylko na tym. Postanowił włączyć do tego wszystkiego kolejny, czwarty już wymiar. Wszystko bowiem zmienia się nie tylko w przestrzeni, ale i w czasie. To taka czysta fanaberia, niemniej pożyteczna. Wykonując obliczenia, można bowiem określić horyzont czasowy i zobaczyć, co będzie się działo za np. 20 lat.

– Ideą systemu, który tworzę, jest to, że umożliwia on uzyskanie informacji bieżącej, ale jednocześnie jest żywy. Kiedy więc przychodzą nowe informacje z punktów badawczych, to poprzez kolejne obliczenia posuwam się w czasie. Dlatego też nazwałem to systemem wspomagania decyzji – wyjaśnia.

Co więcej, system pozwala również weryfikować decyzje, sprawdzać ich słuszność, a przez to dokonywać wyboru najlepszych scenariuszy działań. Procesy przemieszczania się zanieczyszczeń są tak powolne, że reagując w stosownym momencie można uniknąć katastrofy ekologicznej. Potrzeba jednak do tego wiedzy, a przede wszystkim odpowiednich narzędzi. Jednym z nich jest właśnie GIS.

– Te informacje, tabele, liczby będzie mógł zrozumieć jedynie ktoś obdarzony dużą wyobraźnią. A nie chcę zawężać grupy odbiorców mojego systemu. Dlatego chodzi mi o wizualizację. Uzyskane z modelowania matematycznego dane trzeba przedstawić w formie strawnej dla zwykłego człowieka.

Jeszcze dwadzieścia lat temu, kiedy powszechnie używano modeli analogowych, było to nie do pomyślenia. Jednak przy takim postępie technologicznym, to już prahistoria. Prędzej czy później musiało się to dokonać, bo waga i złożoność problemów badawczych, związanych z użytkowaniem i ochroną zasobów wód podziemnych, po prostu tego wymaga. Moc obliczeniowa sprzętu komputerowego jest obecnie tak duża, że wręcz nieopłacalne jest korzystanie z modeli analogowych. Wszystko idzie ku doskonaleniu numerycznych. A te najnowsze pozwalają nie tylko na diagnozowanie, ale również, a może przede wszystkim, na prognozowanie efektów działania systemów rekultywacji, a tym samym minimalizację kosztów zaproponowanego rozwiązania. I na tym polega ich efektywność.

FASCYNACJA TECHNIKĄ

Jest jeszcze za wcześnie, by mówić o wnioskach wynikających z projektu dr. Ślesickiego. Na razie trwa przygotowanie danych do wykonania obliczeń. Pierwsze pojawią się już w lutym.
– Najpierw trzeba będzie określić warunki ruchu wody gruntowej, a potem obliczyć do tego zanieczyszczenia. Te dane będą sukcesywnie wprowadzane do GIS-u, który już powstał i tworzy ramy całego systemu.

Kiedy informacje zostaną wpisane, będzie można zacząć projektować i wyciągać konkretne wnioski. Na to pozostało jeszcze półtora roku, bo finansowanie projektu kończy się w maju 2005. Co później? Na razie pewne jest tylko to, że okolice wysypiska pod Warszawą są jedynie terenem testowym. Mój rozmówca ma nadzieję, że opracowany przez niego algorytm uda się upowszechnić i stosować w innych miejscach. Każde wysypisko ma jakiś wpływ na środowisko, ale nie wszyscy wiedzą, że ten wpływ jest kroczący, a więc zanieczyszczenie z tego źródła przeniesie się w inny obszar. Trwa to latami. System Informacji Geograficznej może zapobiec wybuchowi takiej bomby z opóźnionym zapłonem. Ale GIS to nie tylko wysypiska.

– Wystarczy, że zbiornik na stacji benzynowej jest choć odrobinę nieszczelny i to też jest potencjalne źródło zanieczyszczeń. To mogą być też fabryki, a nawet pole, na którym stosuje się nawozy. Pobierane są one przez rośliny, ale częściowo wnikają też w ziemię. I do takich terenów też będzie pasował opracowany przez mnie algorytm.

Sytuację można zresztą odwrócić. Jeśli w pewnym miejscu jest ujęcie wody w postaci wywierconej studni, to gdzieś obok może znajdować się potencjalne źródło zanieczyszczenia. Wówczas celem jest ochrona tego ujęcia. I temu też może służyć GIS.

Zastosowań jest zresztą wiele. Dr Marek Ślesicki podkreśla, że jeżeli GIS będzie mądrze „nakarmiony”, dane zostaną wprowadzone „z głową”, to wystarczy, aby uzyskać syntetyczną informację. Wtedy czarno na białym będzie widać na mapie, że coś jest albo czegoś nie ma. Informacja jest jasna i czytelna. Ale czy to oznacza wyeliminowanie ryzyka błędu?

– To jest przyroda i trzeba wobec niej być pokornym. I tak wszystkiego nie da się przewidzieć. Istnieje oczywiście możliwość błędu, ale nie demonizowałbym tego.

GIS w dużym stopniu polega na symulacji. Na podstawie danych historycznych przewiduje się to, co będzie w przyszłości. Innego sposobu nie ma. Prognozy wykonywane na podstawie wyników obliczeń symulacyjnych mogą być używane zarówno jako podstawa do podejmowania decyzji o rekultywacji, jak i do formułowania strategii zapobiegania zanieczyszczeniom.
– Jeżeli warunki radykalnie ulegną zmianie, to oczywiście prognoza bierze w łeb. Ale z kolei trudno zakładać w tej chwili, że pod Warszawą nastąpi globalne ocieplenie klimatu i że w ciągu najbliższego półwiecza zmieni się rozkład opadów.

Na razie mój rozmówca jest zafascynowany możliwościami, jakie daje technika. To specyfika pracy naukowej – człowiek poznaje, cały czas się uczy. Jeśli ktoś to lubi, może to być fascynujące. Dr Ślesicki czeka na końcowe wyniki swoich prac z niecierpliwością, ale i pewnym niepokojem. Obawy związane są z tym, czy badania nie pójdą na marne i GIS uda się sprzedać.

– Nie jesteśmy naukowcami stricte teoretycznymi. Realizujemy projekty, które powinny właśnie fascynować, ciekawić, interesować, a często znikają w głębi naszych szaf. Cały czas liczę, że z GIS-em nie będzie tak samo – dr inż. Marek Ślesicki z optymizmem kończy naszą rozmowę.

Komentarze