225 lat Wisły dzień po dniu. Naukowcy stworzyli unikatową bazę danych

Ponad 82 tys. codziennych pomiarów poziomu Wisły w Warszawie – od 1799 do 2024 roku – połączyli i ujednolicili naukowcy z Instytutu Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN i Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego. Powstała jedna z najdłuższych tego rodzaju serii pomiarowych w Europie. Obejmuje 225 lat historii największej polskiej rzeki i może być wykorzystana m.in. w badaniach hydrologicznych, klimatycznych i środowiskowych.

Efektem pracy zespołu jest baza obejmująca dokładnie 82 453 dobowe obserwacje poziomu Wisły w Warszawie z lat 1799–2024. Wyniki wraz z opisem metodologii zostały opublikowane w czasopiśmie „Earth System Science Data”, a sam zbiór danych został udostępniony w otwartym dostępie.

Tak długa, ujednolicona seria pomiarowa należy w Europie do rzadkości. Pozwala spojrzeć na funkcjonowanie Wisły w perspektywie obejmującej ponad dwa stulecia – od schyłku małej epoki lodowej, przez okres intensywnej industrializacji i przekształcania warszawskiego odcinka rzeki, aż po współczesne zmiany klimatu.

– Wskutek ujednolicenia pomiarów uzyskaliśmy unikalny w skali europejskiej ciąg dobowy dla dużej rzeki – mówi dr Łukasz Sobechowicz z Instytutu Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN. Podobnie długie serie danych dostępne są jedynie dla kilku europejskich rzek, m.in. Renu.

Od drewnianego mostu do elektronicznego wodowskazu

Historia systematycznych obserwacji Wisły w Warszawie sięga końca XVIII wieku. Pierwszy wodowskaz znajdował się w pobliżu mostu Ponińskiego, na przedłużeniu dzisiejszej ulicy Bednarskiej. Po wybudowaniu mostu Kierbedzia w 1864 roku miejsce pomiarów przeniesiono na jego filar. W kolejnych dekadach odczyty prowadzono m.in. przy warszawskich bulwarach i w Porcie Praskim. Dziś pomiary ponownie wykonywane są w rejonie zbliżonym do miejsca dziewiętnastowiecznych obserwacji.

Przez ponad dwa stulecia zmieniały się nie tylko lokalizacje wodowskazów, lecz także techniki pomiarowe, punkty odniesienia i stosowane jednostki. Zanim upowszechnił się system metryczny, poziom rzeki zapisywano m.in. w stopach i calach należących do różnych systemów miar. Jednolity system metryczny zaczęto stosować dopiero w XX wieku.

Dodatkowym wyzwaniem było zmieniające się koryto Wisły. Warszawski odcinek rzeki był przez lata przekształcany przez rozwój miasta, budowę infrastruktury i zabezpieczeń przeciwpowodziowych. Istotny wpływ miało również wydobywanie piasku i żwiru, przyczyniające się do pogłębiania koryta.

Oznacza to, że odczytu zapisanego ponad 200 lat temu nie można po prostu zestawić z dzisiejszym wskazaniem wodowskazu.

– Nie wolno wziąć całego zestawu danych z 225 lat i bezpośrednio porównywać poziomów wody sprzed dwóch wieków z dzisiejszymi – podkreśla dr Sobechowicz.

Jak połączyć dane z trzech stuleci?

Stworzenie spójnej bazy wymagało od naukowców odtworzenia historii warszawskich pomiarów i sprowadzenia bardzo różnych źródeł do wspólnego standardu.

Badacze uwzględnili m.in. zmiany położenia wodowskazów i ich punktów zerowych, historyczne systemy miar, różnice związane ze stosowaniem kalendarza juliańskiego i gregoriańskiego, a także zmieniające się w czasie sposoby prowadzenia obserwacji.

Najstarsze zachowane warszawskie pomiary z lat 1799–1860 zostały w XIX wieku zestawione przez inżyniera Wilhelma Kolberga, zaangażowanego m.in. w budowę Kanału Augustowskiego i Kolei Warszawsko-Wiedeńskiej. Wśród wykorzystanych materiałów znajdują się także historyczne arkusze obserwacyjne – zachował się na przykład dokument z lutego 1800 roku zawierający obok danych meteorologicznych również odczyt poziomu Wisły.

Tam, gdzie w historycznej serii brakowało pojedynczych danych, naukowcy wykorzystali również nowoczesne metody obliczeniowe. Do rekonstrukcji części luk zastosowano model uczenia maszynowego typu Long Short-Term Memory (LSTM). Wykorzystano przy tym zależności między poziomem Wisły w Warszawie a historycznymi odczytami ze stacji położonych w Toruniu i Cyplu Mątowskim.

Autorzy zaznaczają przy tym, że rekonstrukcje mają określony poziom niepewności. Szczególnej ostrożności wymagają niektóre dane z okresów zimowych na początku XIX wieku, kiedy na zależności pomiędzy poszczególnymi odcinkami rzeki mogły wpływać zjawiska lodowe.

Baza do badań nad Wisłą i zmianami klimatu

Powstały zbiór otwiera nowe możliwości badania długookresowej zmienności hydrologicznej Wisły. Może pomóc m.in. w analizowaniu występowania wezbrań i niżówek oraz zmian zachodzących w rzece w kolejnych okresach historycznych.

Sama wysokość lustra wody nie mówi jednak jeszcze, ile wody rzeczywiście przepływało Wisłą. Do odtworzenia historycznych przepływów potrzebne są także informacje o geometrii koryta oraz prędkości nurtu. To właśnie dalsze prace w tym kierunku naukowcy wskazują jako kolejny etap badań.

– Aby to osiągnąć, potrzeba jeszcze dużych nakładów pracy – zaznacza prof. IGiPZ PAN dr hab. Dariusz Brykała.

Już teraz dane pozwalają jednak prowadzić analizy dla okresów, w których geometria koryta pozostawała względnie stabilna. W dłuższej perspektywie baza może służyć badaniom nad relacjami między zmianami klimatu, działalnością człowieka a funkcjonowaniem największej polskiej rzeki.

– Dlatego przygotowaliśmy spójny materiał obejmujący 225 lat, który posłuży nie tylko nam, ale i kolejnym pokoleniom badaczy – podsumowuje dr Łukasz Sobechowicz.

Zespół badawczy

Autorami publikacji są: dr Łukasz Sobechowicz i prof. IGiPZ PAN dr hab. Dariusz Brykała z Laboratorium Interdyscyplinarnych Badań Antropocenu IGiPZ PAN, dr hab. Jacek Wolski z IGiPZ PAN, dr hab. Ewa Kaznowska i dr Michał Wasilewicz ze Szkoły Głównej Gospodarstwa Wiejskiego oraz Marcin Noras i Wojciech Aleksander Siwek.

Artykuł A 225-year (1799–2024) homogenized daily water level series of the Vistula River in Warsaw ukazał się w czasopiśmie „Earth System Science Data”. Zbiór danych jest dostępny publicznie w repozytorium Zenodo.

Źródła: publikacja w „Earth System Science Data”, PAP/Wirtualna Polska, Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN.