Modely parametrů kvality vody na základě družicových dat

All languages except Czech are machine translanted. Use the flag on the top right to change language.

Experimentální aplikace ve vývoji, výsledky bez záruky
Tomáš Brunclík, Univerzita Pardubice, UECHI, Tomas.Brunclik@upce.cz

Navigace: Hodnoty vs. kvalita vody | Použití mapy | Výhody a omezení | Literatura

Poslední změny

17.9.2024

14.8.2024

22.7.2024

21.7.2024

15.7.2024

11.7.2024

18.6.2024

7.6.2024


Navigace: Nahoru | Hodnoty vs. kvalita vody | Použití mapy | Výhody a omezení | Literatura

Co mapa zobrazuje

Tato mapa zobrazuje parametr kvality vody chlorofyl-a na základě modelu [1] vytvořeného z družicových snímků družice Sentinel-2 ESA/Copernicus. Jak mapu interpretovat si přečtěte níže. Každá mapová vrstva modelu zobrazuje rozložení koncentraci chlorofylu-a při hladině vodní plochy pro daný den v jednotkách µg/l. Postupně budu přidávat další mapy, takže bude možné si udělat představu o vývoji kvality vody v průběhu roku. Sledovaná oblast je přibližně vymezena červeným obdélníkem, případně levým lichoběžníkem (vrstvy mapy "Rozsah..."). Tyto oblasti jsou dány pokrytím území snímky z družice Sentinel-2 v zájmovém regionu cca 100x100 km se středem mezi Pardubicemi a Hradcem Králové (převážně východní Čechy). Modely lze ovšem aplikovat na širším území, toto je jen ukázka.
Jde o výsledky výzkumu, o kterém se další podrobnosti případně dozvíte v materiálech na mém profilu Researchgate. Postupy, kterými byly družicové snímky zpracovány a vytvořeny modely jsou popsány v publikaci [1]. V mapách od srpna roku 2022 jsou pro každé datum dva modely, označené "RRN2018" a "experimental_2022". První z nich je model popsaný v publikaci [1], druhý je novější, ale dosud nepublikovaný a stále ne finální model trénovaný na větším množství dat. Měl by být, zejména pro více znečištěné/zakalené vody, přesnější, než starší model, který na takových vodách odhady chlorofylu-a nadhodnocuje. V nejbližší době bude nahrazen finálním ověřeným modelem a publikovány jeho detaily. 

Hodnoty chlorofylu-a vs. kvalita vody

Pokud se nechcete zabývat podrobnostmi, z hlediska obsahu chlorofylu-a zjednodušeně a bez záruky platí:

Každý model platí pouze pro daný den, mezi jednotlivými zobrazenými daty se může situace postupně, ale i skokově měnit. Záleží to především na počasí a reakci řas a sinic na jeho změny.

A nyní trochu podrobněji:
Je třeba si uvědomit, že chlorofyl-a je sice důležitým, nicméně nikoli jediným parametrem kvality vody. Dále, že hodnoty jsou výsledkem modelu a nikoli měření. Také to, že jde o situaci v jedné chvíli daného dne (kolem poledne letního času) a zejména při prudkých změnách počasí se koncentrace chlorofylu-a (a zejména zastoupení některých sinic) u hladiny mohou rychle měnit. Chlorofyl-a je parametrem kvality vody vypovídajícím o celkovém rozvoji řas díky obsahu rostlinných nutrientů a zároveň nepřímým indikátorem rizika zvýšeného výskytu sinic a jejich toxinů a s tím spojených možných zdravotních rizik při koupání i jiném využití vody. Nicméně nízký obsah chlorofylu nezaručuje, že voda neobsahuje např. koliformní bakterie a naopak vysoký obsah chlorofylu nemusí nutně ještě znamenat vysoký výskyt škodlivých sinic, i když ve většině případů tomu tak je. Při vědomí toho pak lze vyjít ze stupnice znečištění vody ke koupání z hlediska obsahu chlorofylu-a ve vyhlášce [2]:

Stupeň znečištění
 I. stupeň II. stupeň III. stupeň
Chlorofyl-a [µg/l] 10 50 100

Této stupnici je přizpůsobena barevná škála znázorňující koncentrace chlorofylu-a v mapě. Voda vhodná ke koupání by neměla překročit limit I. stupně znečištění (tmavomodrá barva v mapě), při jeho překročení (azurová) jde již o zhoršené vlastnosti vody, kdy platí:

"Mírně zvýšená pravděpodobnost vzniku zdravotních problémů při vodní rekreaci, u některých vnímavých jedinců by se již mohly vyskytnout zdravotní obtíže, po koupání se doporučuje osprchovat."

Další zhoršování kvality vody je znázorněno zelenou barvou a při dosažení limitu II. stupně (žlutá) jde o vodu vyloženě nevhodnou ke koupání:

"Voda neodpovídá hygienickým požadavkům a pro uživatele představuje zdravotní riziko, koupání a provozování vodních sportů nelze doporučit zejména pro děti, těhotné ženy, osoby trpící alergií a osoby s oslabeným imunitním systémem."

až po vodu s překročením limitu III. stupně (červená až purpurová), zákaz koupání:
"Voda neodpovídá hygienickým požadavkům a hrozí akutní poškození zdraví, vyhlašuje se zákaz koupání."

Považuji za vhodné dodat, že v případě extrémního rozvoje sinic se zdravotními riziky rozhodně nemyslí jen možnost vyrážky [3] a jsou zdokumentovány i případy akutní otravy a dokonce úhynu hospodářských zvířat od vody s extrémně vysokým obsahem sinic (zvířata pravděpodobně vodu i pila, ale toxiny sinic prochází do těla také pokožkou) [4] [5].

Navigace: Nahoru | Hodnoty vs. kvalita vody | Použití mapy | Výhody a omezení | Literatura

Použití mapy

Najděte si na mapě vodní plochu, která vás zajímá a přibližte si ji. To lze udělat také fulltextovým vyhledáním názvu vodní plochy, blízké obce či jiného objektu pomocí ikony lupy v levé horní oblasti mapy. 
Pomocí ikony menu vpravo nahoře aktivujte vrstvu s datem modelu, které vás zajímá a také odpovídající vrstvu oblačnosti, pokud je dostupná. Vždy mějte zapnutou pouze jednu vrstvu vypočtených koncentrací chlorofylu a oblačnosti, pokud nechcete míchat hodnoty z několika různých dat (někdy to může být žádoucí, viz dále). 
Podle barevné škály v legendě vidíte náhled celkového stavu, vhodný například pro rychlé vizuální porovnání vodních ploch v okolí zvoleného místa. Pro každé datum modelu je dostupná také mapa oblačnosti - v jejím okolí výsledkům raději příliš nevěřte. 

Přehled ovládání mapy:
Srovnání situace v jedné oblasti pro dvě různá data: Je samozřejmě možné se přiblížit pohybem v mapě na dané místo a přepínáním modelů pro dvě data v seznamu vrstev (tyrkysová ikona vpravo nahoře) porovnávat situaci. To však není možné, pokud chcete srovnávat situaci v různých kalendářních letech a také přepnutí vrstev není úplně okamžité, zejména pokud chcete zároveň přepnout i vrstvu oblačnosti mezi jednotlivými daty - pro tyto případy doporučuji použít následující postup s přepínáním dvou panelů webového prohlížeče. Postup si popíšeme na příkladu, kdy chceme porovnat situaci na Bohdanečském rybníku a okolních vodních plochách v přibližně stejném období na začátku srpna let 2021 a 2022 na PC:

  1. Otevřete si mapu modelů pro rok 2022 (viz ovládání mapy výše).
  2. Najděte pomocí ikony lupy vlevo nahoře Bohdanečský rybník tím, že jeho název vepíšete do políčka po kliknutí na lupu, pak zvolte výsledek hledání - mapa se přiblíží na Bohdanečský rybník
  3. Několika kliknutími myši na ikonu "minus" vlevo nahoře oddalte mapu tak, aby zobrazovala požadovanou oblast s okolními rybníky a písníky (v tomto případě 3x). Zapamatujte si počet kliknutí.
  4. Pomocí ikony seznamu mapových vrstev vpravo nahoře si zapněte model a oblačnost pro první srpnové datum roku 2022, tj, pro 3.8.2022, ostatní vrstvy chlorofylu a oblačnosti vypněte.
  5. Otevřete si modely 2021 přes hlavní stránku (buď ji již máte otevřenou v jiném panelu, nebo použijte odkaz v legendě mapy). Tím se vám otevřou mapy pro rok 2021 v novém panelu.
  6. Postup v bodech 2-4 zopakujte v novém panelu s tím, že v posledním kroku zobrazíte model pro první srpnové datum 2021, tj. pro 13.8.2021

To je vše, nyní přepínáním mezi oběma panely můžete porovnávat situaci v obou letech. Kromě koncentrací chlorofylu můžete posoudit třeba také postup těžby štěrkopísku východně od Starých Ždánic v severovýchodní části mapy, či který rybník zůstal v roce 2022 nenapuštěný v oblasti západně od Lázní Bohdaneč. Podrobněji k tomu jak správně mapy číst je shrnuto v kapitole Kdy modelu nelze zcela věřit a jak to poznat níže.



Výhody a omezení družicového monitoringu

Výhodou sledování kvality vody pomocí družic je především to, že umožňuje sledovat velký počet vodních ploch najednou - prakticky všechny vodní plochy o rozměrech řádově od asi 50x50 m a větších v daném území. To by klasickým monitoringem s odběrem vzorků a jejich analýzou nebylo z kapacitních důvodů vůbec možné (jen v uvedeném zájmovém území je více než 1500 takových vodních ploch).

Je třeba si však uvědomit též omezení - především jde o model, jehož přesnost je obecně nižší, než u přímého měření a v některých případech může snížená kvalita družicového snímku v daném místě způsobit její další zhoršení. Dále je monitoring silně závislý na počasí a zejména oblačnosti - v obdobích, kdy je převážně zataženo, nemusí být monitoring možný vůbec, a i při poměrně jasné obloze se sem-tam nějakým mrakem vodní plochy jím zakryté, nebudou ve výsledcích obsaženy. V neposlední řadě pak lze sledovat pouze některé parametry kvality vody (v této chvíli chlorofyl-a, další (např. průhlednost, teplota) budou přidány později.

Kdy modelu nelze zcela věřit a jak to poznat

Přesnost modelu koncentrací chlorofylu je různá podle kvality družicového snímku, ze kterého byl vytvořen. Pokud byl snímek pořízen za zcela jasného počasí při vysoké dohlednosti, jsou výsledky relativně přesné a spolehlivé v celé ploše mapy. Bohužel, takové podmínky u nás nastávají poměrně zřídka, většinou se vyskytuje alespoň lokální či rozptýlená vysoká oblačnost a ta může výsledky ovlivnit. Míra tohoto ovlivnění je nejvyšší v blízkém okolí této oblačnosti - proto od modelu pro datum 3.9.2019 přidávám do mapy také mapovou vrstvu ve snímku rozpoznané oblačnosti a jejích stínů (tyto oblasti jsou v mapě šedé), pokud nebylo zcela jasno. Je-li taková oblačnost velmi blízko vodní plochy, nebo dokonce zakrývá její část, lze předpokládat sníženou spolehlivost výsledků pro celou tuto vodní plochu (Nicméně novější modely TBDO_2022 a TBDO_2023 jsou proti těmto vlivům mnohem odolnější, než předchozí). Spolehlivost výsledků může být nižší u snímku s pokrytím jen poloviny zájmové oblasti také v okolí východního okraje zobrazované oblasti (vymezené šikmou linií červeného lichoběžníku mapové vrstvy Rozsah/Extent R022), protože v pásu asi 1km u tohoto východního okraje může být kvalita snímku zhoršená (opět, díky zlepšení kvality snímků zhruba od roku 2023, je tento vliv již pravděpdobně nevýznamný).
Spolehlivost výsledků mohou ovlivnit také různé plovoucí nečistoty na hladině, jako je větší množství listí, na jaře povlak pylu, zejména v období práce na polích různý prach, případně koagulované kolonie řas, či vodní rostliny dosahující k hladině. Ve všech těchto případech se to na výsledném zobrazení koncentrací zpravidla projeví skvrnitou nebo zrnitou strukturou zobrazených koncentrací chlorofylu. Vizuálně se pak čistší vody v průměru barví v mapě více do zelena - nicméně i v těchto případech obvykle lze dobře odhadnout koncentrace chlorofylu-a ve vodě, pokud se zaměříme na místa odpovídající nejnižším koncentracím z této "mozaiky" na hladině.
Specifické jsou také zimní snímky. Např. na snímku ze 6.3.2021 byly části některých vodních ploch zamrzlé. Místa rozpoznaného sněhu a ledu byla přidána do vrstvy oblačnosti a na takto šedě označených částech vodních ploch není chlorofyl vypočítán. Dobře je to vidět na v.n. Rozkoš (východní část). Oblasti tenkého nebo tajícího ledu na okraji těchto míst jsou ale rozpoznány jako voda a tím pádem je na nich chlorofyl vypočítán. V těchto místech zřejmě budou vypočtené hodnoty nespolehlivé. Toto bude platit i pro další zimní snímky.

Navigace: Nahoru | Hodnoty vs. kvalita vody | Použití mapy | Výhody a omezení | Literatura

Chybějící a nadbytečné vodní plochy

Pokud chybí nějaká Vám známá vodní plocha celá, nebo její podstatná část, je to proto, že byla v době přeletu družice zakryta oblačností (která ne vždy je vidět ve vrstvě oblačnosti), zamrzlá, vypuštěná, nebo zarostlá vegetací. Nebo může být také příliš malá, spolehlivě jsou rozpoznány vodní plochy o rozměrech okolo 50m a více, např. většina vodních toků kromě největších řek u nás je příliš úzká.
Zájmová oblast je pokryta dvěma drahami přeletu družice Sentinel-2, přičemž jedna z těchto drah pokrývá pouze západní polovinu zájmové oblasti. Pokrytí snímkem je vyznačeno dvěma mapovými vrstvami, v mapě je pokrytá oblast viditelná jako tenkou červenou čarou vykreslený obdélník, či lichoběžník.
Na snímcích pokrytých částečně oblačností se  mohou vyskytnout místa s barevnou oblastí vypočtených hodnot chlorofylu i tam, kde není žádná vodní plocha - jde zpravidla o stín mraku nesprávně rozpoznaný jako vodní plocha algoritmem pro zpracování družicového snímku. Tomu se nedá na 100% zabránit, ale při zapnutí vrstvy oblačnosti je zpravidla zřejmé, která místa to jsou, bývají na okraji správně rozpoznané oblasti oblačnosti. Naopak např. po silných deštích nebo po povodních může být družicí zachycena a modelem zpracována zatopená oblast nebo velká louže, takže ne všechny neobvyklé vodní plochy musí být nutně chybou.

Použitá data

Modely byly vytvořeny na základě vlastních odběrů a analýzy vzorků vod a družicových dat z družice Sentinel-2 autorem [1]. Družicová data jsou volně dostupná komukoli v rámci projektu ESA/Copernicus. 



Tomáš Brunclík
Univerzita Pardubice, FCHT
Ústav environmentálního a chemického inženýrství

Navigace: Nahoru | Hodnoty vs. kvalita vody | Použití mapy | Výhody a omezení | Literatura

Literatura

  1. T. Brunclík, K. a. B. Danquah, Relativní radiometrická normalizace pro monitoring chlorofylu-a ve vodách pomocí družice Sentinel-2, Chemické listy. 112 (2018) 866–869. https://www.chemicke-listy.cz/ojs3/index.php/chemicke-listy/article/view/3244
  2. VYHLÁŠKA ze dne 10. srpna 2011 o stanovení hygienických požadavků na koupaliště, sauny a hygienické limity písku v pískovištích venkovních hracích ploch, 2011. https://aplikace.mvcr.cz/sbirka-zakonu/ViewFile.aspx?type=z&id=23128.
  3. M. Chvátalová, P. Pumann, F. Kožíšek, a H. Jeligová, „Onemocnění z přírodních koupacích vod v české republice", in Sborník  konference  Vodárenská  biologie, Praha, 2013. https://www.szu.cz/uploads/documents/chzp/voda/pdf/VB2013_nemoci_www.pdf.
  4. R. Linville, N. Butler, a B. Washburn, „MICROCYSTINS: A Brief Overview of their Toxicity and Effects, with Special Reference to fish, Wildlife and Livestock", 2009. https://www.cityofwatsonville.org/DocumentCenter/View/1926/OEHHA-Guidance-Microcystins-PDF
  5. B. Maršálek, Vliv toxinů sinic na teplokrevné obratlovce a člověka. Živa. 5 (2004) 198-199. https://ziva.avcr.cz/2004-5/vliv-toxinu-sinic-na-teplokrevne-obratlovce-a-cloveka.html