Analysis of Selected Physicochemical Parameters and Degradation Process Assessment in a Two-Stage Reservoir Jezioro Kowalskie Using Field and Remote Sensing Data

Jaskuła, Joanna; Sojka, Mariusz; Wicher-Dysarz, Joanna

Artykuł - szczegóły

Tytuł artykułu

Analysis of Selected Physicochemical Parameters and Degradation Process Assessment in a Two-Stage Reservoir Jezioro Kowalskie Using Field and Remote Sensing Data

Autorzy

Jaskuła Joanna , Sojka Mariusz , Wicher-Dysarz Joanna

Treść / Zawartość

Pełne teksty:

Pobierz

Identyfikatory

Warianty tytułu

Analiza wybranych parametrów fizykochemicznych i procesu degradacji w dwustopniowym zbiorniku Jezioro Kowalskie na podstawie pomiarów in-situ i danych satelitarnych

Języki publikacji

Abstrakty

The paper presents the results of changes of water quality parameters in a two-stage reservoir, observed in the period 2015-2016. The primary objective of the study was to analyse the spatial changes of the water quality parameters in the two-stage reservoir Jezioro Kowalskie. The second purpose was to assess the dynamics of the vegetation process on the basis of Sentinel-2 satellite data. The study adopts the following research hypotheses: 1) the pre-reservoir limits the inflow of the biogenic compounds to the main reservoir, 2) the vegetation process in the pre-dam reservoir is greater than in the main reservoir. The Jezioro Kowalskie reservoir has two-stage construction – the main and the pre-dam zone. The main role of the pre-dam reservoir is to store sediments and water pollutants. In this study, 13 water quality parameters were analyzed: electrical conductivity (EC), chlorides (Cl^-), calcium (Ca²⁺), magnesium (Mg²⁺), iron (Fe³⁺), hardness (Hard), pH, total alkalinity (TAl), total acidity (TAc), ammonium nitrogen (N-NH₄), nitrate nitrogen (N-NO₃), nitrite nitrogen (N-NO₂), phosphate (PO₄^3-). The samples were collected from 4 points, including two points in the pre-reservoir and two points in the main part. In order to determine parts of the reservoir which are exposed to the degradation process, the spatio-temporal changes were analyzed on the basis of the Normalized Difference Vegetation Index (NDVI) spectral index. The analyses showed that the NDVI values in the period 2015-2018 in the pre-dam reservoir were higher than those recorded in the main reservoir. In the main reservoir, NDVI values were lower and characterized by similar variability. The study confirms the research hypothesis: the pre-reservoir protects the main part, limiting inflow of biogenic compounds which have an impact on the degradation process (overgrowth, eutrophication). The obtained results confirm that Sentinel-2 satellite imagery allows analysis of the vegetation process in retention reservoirs in terms of time and space.

W pracy przedstawiono zmiany wartości parametrów jakości wody w dwustopniowym zbiorniku retencyjnym w latach 2015-2016. Podstawowym celem pracy była analiza przestrzennych zmian jakości wody zachodzących w zbiorniku Jezioro Kowalskie. Drugim celem była ocena dynamiki degradacji zbiornika (zarastania, eutrofizacji) na podstawie danych satelitarnych Sentinel-2. W pracy przedstawiono hipotezy badawcze: 1) zbiornik wstępny ogranicza dopływ zanieczyszczeń do głównej części, skupiając związki biogenne we wstępnej części, 2) procesy degradacji (zakwitów, eutrofizacji) występują w zbiorniku wstępnym. Zbiornik Jezioro Kowalskie ma dwustopniową konstrukcję, wydzielono w nim część główną oraz wstępną. Do podstawowych zadań zbiornika wstępnego należy ograniczenie dopływu związków biogennych oraz sedymentacji do części głównej. Przeanalizowano wartości 13 parametrów jakości wody: przewodność elektr. (EC), chlorki (Cl^-), wapń (Ca²⁺), magnez (Mg²⁺), żelazo (Fe³⁺), twardość og. (Hard), pH, zasadowość og. (TAl), kwasowość og. (TAc), azot amonowy (N-NH₄), azot azotanowy (N-NO₃), azot azotynowy (N-NO₂), fosforany (PO₄^3-). Próbki pobierane były łącznie z 4 punktów pomiarowo-kontrolnych, dwa z nich zlokalizowane były w części wstępnej oraz dwa w zbiorniku głównym. Woda dopływająca do zbiornika retencyjnego charakteryzowała się wysokimi stężeniami związków biogennych. W celu dokładnego określenia części zbiornika narażonych na proces degradacji, do analizy zachodzących zmian wykorzystano indeks NDVI obliczony na podstawie zdjęć satelitarnych Sentinel-2. Przeprowadzone analizy wykazały, że wartości wskaźnika NDVI w miesiącach wegetacyjnych 2015-2018 były wyższe w zbiorniku wstępnym. Część główna zbiornika charakteryzowała się niższymi wartościami i większą stabilnością wskaźnika NDVI. Na podstawie uzyskanych wyników, potwierdzono, że część wstępna pełni funkcję ochronną zbiornika głównego, m.in. ogranicza dopływ związków biogennych, powodujących procesy degradacji (zarastania, eutrofizacji). Uzyskane wyniki potwierdzają możliwość zastosowania danych satelitarnych Sentinel-2 do analizy procesu wegetacji w zbiornikach retencyjnych w ujęciu czasowym i przestrzennym.

Słowa kluczowe

water quality biogenic compounds reservoir NDVI Sentinel-2

jakość wody związki biogenne zbiornik retencyjny NDVI Sentinel-2

Wydawca

Politechnika Koszalińska

Czasopismo

Rocznik Ochrona Środowiska

Rocznik

2019

Tom

Tom 21, cz. 1

Strony

439--455

Opis fizyczny

Bibliogr. 56 poz., tab., rys.

Twórcy

autor

Jaskuła Joanna

Poznań University of Life Sciences, Poland

autor

Sojka Mariusz

Poznań University of Life Sciences, Poland

autor

Wicher-Dysarz Joanna

joanna.wicher@up.poznan.pl

Poznań University of Life Sciences, Poland

Bibliografia

1. Agutu, N. O., Awange, J. L., Zerihun, A., Ndehedehe, C. E., Kuhn, M., & Fukuda, Y. (2017). Assessing multi-satellite remote sensing, reanalysis, and land surface models' products in characterizing agricultural drought in East Africa. Remote Sensing of Environment, 194, 287-302.
2. Álvarez-Cabria M., Barquín J., & Peñas F. J. (2016). Modelling the spatial and seasonal variability of water quality for entire river networks: Relationships with natural and anthropogenic factors. Science of The Total Environment, 545, 152-162.
3. Benndorf, J., & Pütz, K. (1987a). Control of eutrophication of lakes and reservoirs by means of pre-dams—I. Mode of operation and calculation of the nutrient elimination capacity. Water Research, 21(7), 829-838.
4. Benndorf, J., & Pütz, K. (1987b). Control of eutrophication of lakes and reservoirs by means of pre-dams II. Validation of the phosphate removal model and size optimization. Water Research, 21(7), 839-842.
5. Bohn, V. Y., Carmona, F., Rivas, R., Lagomarsino, L., Diovisalvi, N., & Zagarese, H. E. (2018). Development of an empirical model for chlorophyll-a and Secchi Disk Depth estimation for a Pampean shallow lake (Argentina). The Egyptian Journal of Remote Sensing and Space Science, 21(2), 183-191.
6. Borek, Ł. (2018). Eutrophication risk of water in the manor-park channels: different ways of evaluation. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 13(2), 409-421.
7. Bus, A., & Mosiej, J. (2013). Reason-result assessment of the Kupientyn pre-reservoirinfluence on the Cetynia River water quality. Acta Scientiarum Polonorum-Formatio Circumiectus, 12(2), 13-22.
8. Brown, M. E. (2015). Satellite remote sensing in agriculture and food security assessment. Procedia Environmental Sciences, 29, 307.
9. Chavez, P. S. (1996). Image-based atmospheric corrections-revisited and improved. PhotogrammetricEngineering and Remote Sensing, 62(9), 1025-1035.
10. Chen, H., Liang, Z., Liu, Y., Liang, Q., & Xie, S. (2017). Integrated remote sensing imageryand two-dimensional hydraulic modeling approach for impact evaluation of flood on crop yields. Journal of Hydrology, 553, 262-275.
11. Czamara, W., Czamara, A., & Wiatkowski, M. (2008). The use of pre-dams with plant filters to improve water quality in storage reservoirs. Archives of Environmental Protection, 34, 79-89.
12. Dąbrowska, J., Bawiec, A., Pawęska, K., Kamińska, J., & Stodolak, R. (2017). Assessing the Impact of Wastewater Effluent Diversion on Water Quality. Polish Journal of Environmental Studies, 26(1), 9-16.
13. Dąbrowska, J., Kaczmarek, H., Markowska, J., Tyszkowski, S., Kempa, O., Gałęza, M.,
14. Kucharczyk-Moryl, E., & Moryl, A. (2016). Shore zone in protection of water quality in agricultural landscape – the Mściwojów Reservoir, southwestern Poland. Environmental Monitoring and Assessment, 188(8), 467.
15. Dörnhöfer, K., Klinger, P., Heege, T., & Oppelt, N. (2018). Multi-sensor satellite and in situ monitoring of phytoplankton development in a eutrophic-mesotrophic lake. Science of The Total Environment, 612, 1200-1214.
16. Dysarz, T., & Wicher-Dysarz, J. (2011). Application of Hydrodynamic Simulation and Frequency Analysis for Assessment of Sediment Deposition and Vegetation Impacts on Floodplain Inundation. Polish Journal of Environmental Studies, 20(6), 1441-1451.
17. Dysarz, T., & Wicher-Dysarz, J. (2013). Analysis of flow conditions in the Stare Miasto Reservoir taking into account sediment settling properties. Rocznik Ochrona Środowiska, 15(1), 584-605.
18. Dysarz, T., Wicher-Dysarz, J., & Przedwojski, B. (2006). Man-induced morphological processes in Warta river, and their impact on the evolution of hydrological conditions. Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics, Taylor and Francis, 1301-1310.
19. El Saadi, A.M., Yousry, M.M., & Jahin, H.S. (2014). Statistical estimation of Rosetta branch water quality using multi-spectral data. Water Science, 28(1), 18-30.
20. Frankowski, M., Sojka, M., Zioła-Frankowska, A., Siepak, M., & Murat-Błażejewska, S.(2009). Distribution of heavy metals in the Mała Wełna River system (western Poland).Oceanological and Hydrobiological Studies, 38(2), 51-61.Gao Q., Li Y., Cheng Q., Yu M., Hu B., Wang Z., Yu Z. 2016. Analysis and assessment of the nutrients, biochemical indexes and heavy metals in the Three Gorges Reservoir, China, from 2008 to 2013. Water Research, 92, 262-274.
21. González-Márquez, L.C., Torres-Bejarano, F.M., Torregroza-Espinosa, A.C., Hansen-Rodríguez, I.R., & Rodríguez-Gallegos, H.B. (2018). Use of LANDSAT 8 images for depth and water quality assessment of El Guájaro reservoir, Colombia. Journal of South American Earth Sciences, 82, 231-238.
22. Hillel N., Geyer S., Licha T., Khayat S., Laronne J. B., Siebert, C. (2015). Water quality and discharge of the Lower Jordan River. Journal of Hydrology, 527, 1096-1105.
23. Huang L., Fang H., Reible D. (2015). Mathematical model for interactions and transport of phosphorus and sediment in the Three Gorges Reservoir. Water Research, 85, 393-403.
24. Jaskuła, J., & Sojka, M. (2019). Analysis of degradation processes in reservoirs based on remote sensing data. Acta Scientiarum Polonorum Formatio Circumiectus, 18(2), 23-37.
25. Jaskuła, J., Sojka, M., & Wicher-Dysarz, J. (2018). Analysis of vegetation process in the two-stage reservoir on the basis on satellite imagery – a case of study: Radzyny Reservoir on the Sama River. Rocznik Ochrona Środowiska, 20, 203-220.
26. Klein, I., Gessner, U., Dietz, A. J., & Kuenzer, C. (2017). Global WaterPack–A 250 m resolution dataset revealing the daily dynamics of global inland water bodies. Remote Sensing of Environment, 198, 345-362.
27. Martins, V. S., Kaleita, A., Barbosa, C. C., Fassoni-Andrade, A. C., de Lucia Lobo, F., & Novo, E. M. (2019). Remote sensing of large reservoir in the drought years: Implications on surface water change and turbidity variability of Sobradinho reservoir (Northeast Brazil). Remote Sensing Applications: Society and Environment, 13, 275-288.
28. Matthews, M. W., Bernard, S., & Robertson, L. (2012). An algorithm for detecting trophic status (chlorophyll-a), cyanobacterial-dominance, surface scums and floating vegetation in inland and coastal waters. Remote Sensing of Environment, 124, 637-652.
29. Mazur, A. (2013). Performance evaluation of the pre-dam reservoir on the Pow river. Infrastructure and Ecology of Rural Areas, 1(4), 299-310.
30. Murray, N. J., Keith, D. A., Bland, L. M., Ferrari, R., Lyons, M. B., Lucas, R., & Nicholson,E. (2018). The role of satellite remote sensing in structured ecosystem risk assessments. Science of the Total Environment, 619, 249-257.
31. Najar, I., Khan, A., & Hai, A. (2017). Evaluation of seasonal variability in surface water quality of Shallow Valley Lake, Kashmir, India, using multivariate statistical techniques. Pollution, 3(3), 349-362.Nicula, A, Roba, C., Piştea, I., & Roşu, C. (2017). Assessment of water quality from Brăteni Lake, Bistriţa-Năsăud County. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 12(2), 365-370.
32. Noori, R., Berndtsson, R., Adamowski, J. F., & Abyaneh, M. R. (2018). Temporal and depth variation of water quality due to thermal stratification in Karkheh Reservoir, Iran. Journal of Hydrology: Regional Studies, 19, 279-286.
33. Paul, L. (2003). Nutrient elimination in pre-dams: results of long term studies. Hydrobiologia, 504, 289-295.
34. Paul, L., & Pütz, K. (2008). Suspended matter elimination in a pre-dam with dischargedependent storage level regulation. Limnologica-Ecology and Management of Inland Waters, 38(3-4), 388-399.
35. Pekel, J. F., Cottam, A., Gorelick, N., & Belward, A. S. (2016). High-resolution mapping of global surface water and its long-term changes. Nature, 540(7633), 418.
36. Pérez-Gutiérrez, J. D., Paz, J.O., & Tagert, M.L.M. (2017). Seasonal water quality changes in on-farm water storage systems in a south-central US agricultural watershed. Agricultural Water Management, 187, 131-139.
37. Pikul, K., & Mokwa, M. (2008). Influence of pre-dams on the main reservoir silting process.Scientific Review Engineering and Environmental Sciences, 17(2), 185-193 [In Polish].
38. Policht-Latawiec, A., Kanownik, W., & Jurek, A. (2016). The effect of cooling water discharge from the power station on the quality of the Skawinka River water. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 11(2), 427-435.
39. Rouse Jr, J., Haas, R. H., Schell, J. A., & Deering, D. W. (1974). Monitoring vegetation systems in the Great Plains with ERTS. NASA Technical Reports Server, 309-317.
40. Siepak, M., & Sojka, M. (2017). Application of multivariate statistical approach to identify trace elements sources in surface waters: a case study of Kowalskie and Stare Miasto reservoirs, Poland. Environmental Monitoring and Assessment, 189(8), 364.
41. Simeonov, V., Stratis, J. A., Samara, C., Zachariadis, G., Voutsa, D., Anthemidis, A., Sofoniou, M., & Kouimtzis, T. (2003). Assessment of the surface water quality in Northern Greece. Water Research, 37(17), 4119-4124.
42. Sojka, M. (2009). Assessment of biogenic compounds eluted from the catchment of Dębina River. Rocznik Ochrona Środowiska, 11, 1225-1234.
43. Sojka, M. (2012). Preliminary assessment of the AGNPS model applicability for estimation
44. of nitrogen and phosphorus loads from agriculture catchments. Rocznik Ochrona Środowiska, 14, 856-865.
45. Sojka, M., Jaskuła, J., & Siepak, M. (2019). Heavy Metals in Bottom Sediments of Reservoirs in the Lowland Area of Western Poland: Concentrations, Distribution, Sources and Ecological Risk. Water, 11(1), 56.
46. Sojka, M., Jaskuła, J., & Wicher-Dysarz, J. (2016). Assessment of biogenic compounds elution from the Główna river catchment in the years 1996-2009. Rocznik Ochrona Środowiska, 18(1), 815-830.
47. Sojka, M., Jaskuła, J., Wicher-Dysarz, J., & Dysarz, T. (2017). Analysis of selected reservoirsfunctioning in the Wielkopolska region. Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus, 16(4), 205-215.
48. Sojka, M., Jaskuła, J., Wróżyński, R, & Waligórski, B. (2019). Application of Sentinel-2 satellite imagery to assessment of spatio-temporal changes in the reservoir overgrowth process – A case study: Przebędowo, West Poland. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 14, 39–50.
49. Sojka, M., & Murat-Błażejewska, S. (2009). Physico-chemical and hydromorphological state of a small lowland river. Rocznik Ochrona Środowiska, 11, 727-737.
50. Sojka, M., Siepak, M., & Gnojska, E. (2013). Assessment of heavy metal concentration in bottom sediments of Stare Miasto pre-dam reservoir on the Powa River. Rocznik Ochrona Środowiska, 15, 1916-1928.
51. Sojka, M., Siepak, M., Jaskuła, J., & Wicher-Dysarz, J. (2018). Heavy Metal Transport in a River-Reservoir System: a Case Study from Central Poland. Polish Journal of Environmental Studies, 27(4), 1725-1734.
52. Sojka, M., Siepak, M., Zioła, A., Frankowski, M., Murat-Błażejewska, S., & Siepak, J.(2008). Application of multivariate statistical techniques to evaluation of water quality in the Mała Wełna River (Western Poland). Environmental Monitoring and Assessment, 147(1-3), 159-170.
53. Xu, G., Li, P., Lu, K., Tantai, Z., Zhang, J., Ren, Z., Wang, X., Yu, K., Shi, P., & Cheng, Y. (2019). Seasonal changes in water quality and its main influencing factors in theDan River basin. Catena, 173, 131-140.
54. Yu, S., Xu, Z., Wu, W., & Zuo, D. (2016). Effect of land use types on stream water quality under seasonal variation and topographic characteristics in the Wei River basin, China. Ecological Indicators, 60, 202-212.
55. Villa, P., Mousivand, A., & Bresciani, M. (2014). Aquatic vegetation indices assessment through radiative transfer modeling and linear mixture simulation. International Journal of Applied Earth Observation and Geoinformation, 30, 113-127.
56. Zhou P., Huang J., Pontius R. G., & Hong H. (2016). New insight into the correlations between land use and water quality in a coastal watershed of China: Does point source pollution weaken it?. Science of The Total Environment, 543, 591-600.

Uwagi

Opracowanie rekordu ze środków MNiSW, umowa Nr 461252 w ramach programu "Społeczna odpowiedzialność nauki" - moduł: Popularyzacja nauki i promocja sportu (2020).

Typ dokumentu

Bibliografia

Identyfikator YADDA

bwmeta1.element.baztech-6f0f4a63-c501-42da-8df0-3db01931fbd4