Zmiany intensywności procesów fluwialnych pod wpływem zagospodarowania zlewni

Transkrypt

1 Zmiany intensywności procesów fluwialnych pod wpływem zagospodarowania zlewni Andrzej Strużyński, Andrzej Wałęga Uniwersytet Rolniczy w Krakowie XXIII OGÓLNOPOLSKA SZKOŁA GOSPODARKI WODNEJ Kraków 7-9 X 2013

2 Plan prezentacji: 1. Definicja procesów fluwialnych 2. Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek 3. Zmiany parametrów zlewni 4. Odpowiedź rzek na zmiany zagospodarowania zlewni 5. Możliwe scenariusze zagospodarowania zlewni w celu zahamowania nadmiernej erozji w korytach rzek 2 / 19

3 Definicja procesów fluwialnych Procesy fluwialne (rzeczne) proces rzeźbotwórczy związany z działalnością wód płynących (rzek). Procesy fluwialne dzieli się na: erozyjne, transportowe i akumulacyjne. Na ich siłę i charakter wpływa: nachylenie terenu, kształt koryta rzeki, budowa podłoża, wielkość rzeki i stopień pokrycia danego terenu przez szatę roślinną. Procesy fluwialne mogą zachodzić okresowo lub ciągle. Do procesów fluwialnych zaliczamy: erozję fluwialną, działalność transportową rzek i działalność akumulacyjną rzek. Efektem działania procesów fluwialnych jest rzeźba fluwialnodenudacyjna. Zaliczany jest do najważniejszych procesów morfogenetycznych. Źródło: Wikipedia Występowanie procesów erozyjnych, transportowych albo akumulacyjnych zależy od istnienia bądź nie równowagi hydrodynamicznej w korycie rzeki. 3 / 19

4 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek - przepływ korytotwórczy, - przepływ brzegowy, - przepływ katastrofalny - przepływy charakterystyczne Wolman i Muller 1965 metoda Lambora 4 / 19

5 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek przepływ szerokość koryta rzeki głębokość koryta rzeki prędkość średnia pojemność koryta wielkość materiału dennego szorstkość dna rzeki spadek promień hydrauliczny turbulencja i opory ruchu wody źródło: internet 5 / 19

6 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek W hydraulice koryt otwartych rozróżniamy bieg górny, środkowy i dolny W naturalny sposób następuje zmiana reżimu rzeki, któremu towarzyszy zmiana procesów fluwialnych gdzie: shredders - rozdrabniacze grazers - roślinożercy predators - drapieżniki collectors - zbieracze CPOM coarse particulate organic matter materia organiczna gruba (>1mm) FPOM - fine particulate organic matter materia organiczna drobna (50µm 1mm) UPOM - ultra-fine particulate organic matter materia organiczna drobna (<50µm) Vannote 1980 P/R gross primary productivity to community respiration stosunek brutto pierwotnej produkcji tlenu do oddychania organizmów żywych 6 / 19

7 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek Hjulstrøm 1939 Radecki-Pawlik 2010 za Ashley / 19

8 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek Bartnik i Strużyński / 19

9 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek Wołoszyn i inni 1994 Zachowanie stanu równowagi hydrodynamicznej pozwala rzece na utrzymanie odpowiedniego układu pionowego, poziomego i poprzecznego Popek i Żelazo 2002 Podstawowym warunkiem dla istnienia warunków zrównoważonych jest dostawa materiału wleczonego i dopasowana do wypadkowej przepływów wody Rzeki naturalne zwykle mają tendencje do migracji 9 / 19

10 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek próg-ploso step pool dno płaskie plane-bed bystrza-plosa pool-riffle fałdy-zmarszczki dune-ripple yto kor k ok ozt eow d ide bra wpływ roślinności vegetation influence dostawa rumowiska - sediment supply kaskady cascade wielkość - calibre e lne ialn ka s w u ol ial yto kor drock k. k colluv e be ialn k. koluwialne w u l colluvial o a vial t y r ko allu wielkość przewaga spływów rumowiska debris flow process domain ilość - volume topografia (dolina, spadek, zawężenie doliny) topography (valley, gradient, confinement) przepływ wody - streamflow szerokość, głębokość, krętość width, depth, sinusoity spadek koryta stream gradient rozmiar uziarnienia grain size Buffington 2012, Strużyński / 19

11 Naturalne czynniki kształtujące ciągłość rzek Podsumowanie - koryta rzeczne tworzone są w wyniku złożonych procesów fluwialnych - rzeki dążą do osiągnięcia stanu równowagi hydrodynamicznej - stan zrównoważony jest możliwy do osiągnięcia w przypadku dostawy rumowiska odpowiedniej do reżimu przepływu - w przypadku zakłócenia reżimu przepływu wody lub dostawy rumowiska z dna i brzegów, należy spodziewać się wystąpienia procesów fluwialnych o innej intensywności - zwykle zmiany antropogeniczne intensywności procesów fluwialnych prowadzą do niekorzystnych zmian w układzie rzek i potoków 11 / 19

12 Zmiany parametrów zlewni Zevenbergen i in / 19

13 Zmiany parametrów zlewni Metoda LCM Zlewnie zagrożone (do 10% powierzchni uszczelnionej) Hydrologia 10 do 30 % opadu jest przekształcana w odpływ powierzchniowy; przepływ maksymalny jest wyższy od przepływu Qmax1% o współczynnik rzędu 1.1 do 1.5 Geomorfologia woda brzegowa występuje z częstością 1.5 do 3 razy na rok; 60 do 90 % cieków jest w stanie naturalnym; 50 do 70 % przybrzeżnych drzewostanów jest nietknięta; 1 do 2 przekroi z obiektami inżynierskimi na ok 1,5 km długości cieku; powierzchnia przekroju poprzecznego koryta jest większa o 1.5 to 2.5 w stosunku do stanu naturalnego Jakość wody roczny ładunek biogenów jest o 1.2 do 2 razy większy niż z terenów naturalnych, częste występowanie bakterii w trakcie pogody mokrej; niewielka ilość substancji toksycznych dla środowiska wodnego; duża bioróżnorodność owadów wodnych; duża bioróżnorodność ryb 13 / 19

14 Zmiany parametrów zlewni Zlewnie zdegradowane - niezdolne do samodzielnego funkcjonowania (ponad 25 % powierzchni uszczelnionej) Hydrologia 60 to 90 % opadu jest przekształcana w odpływ powierzchniowy; przepływ maksymalny jest wyższy od przepływu Qmax1% o współczynnik rzędu 2,0 to 3,0 Geomorfologia woda brzegowa występuje z częstością 7 to 10 razy na rok; tylko 10 do 30% cieków jest w stanie naturalnym; poniżej 30% przybrzeżnych drzewostanów jest nietknięta; powierzchnia przekroju poprzecznego koryta jest większa o 6 do 12 w stosunku do stanu naturalnego Jakość wody roczny ładunek biogenów jest o 4 do 6 razy większy niż z terenów naturalnych; ciągłe występowanie bakterii w trakcie pogody mokrej i suchej; znaczna ilość substancji toksycznych w wodzie zarówno w czasie pogody suchej i mokrej; niewielka bioróżnorodność owadów i ryb roślinność brzegowa jest zdegradowana EPA / 19

15 Zmiany parametrów zlewni miejskich Tendencje: W 1900 r. 13% globalnej populacji zamieszkiwało obszary zurbanizowane r. wartość ta wzrosła do 49,4% a ludność ta była rozmieszczona na obszarze stanowiącym zaledwie 2,8% całkowitej powierzchni Według prognoz w 2050 r. 69,6% światowej populacji zamieszkiwać będzie tereny miejskie Skutki: Coraz większa ilość powierzchni uszczelnionej w zlewniach zurbanizowanych Pojawianie się na tych obszarach tzw. flash floods w odpowiedzi na deszcze nawalne Wpływ uszczelnienia powierzchni zlewni na wielkość przepływów Qmax1% dla różnych czasów trwania deszczu [Wałęga i in. 2012] 15 / 19

16 Zmiany parametrów zlewni wiejskich (i miejskich) Tendencje: a) zamiana powierzchni rolnych na nieużytki i lasy, b) zabudowa nowych powierzchni, często przekwalifikowanych z użytków rolnych, c) budowa utwardzonych (często asfaltowych) dróg dojazdowych do posesji, d) silne parcie na zabudowę obszarów dolin rzecznych, e) pobór rumowiska z koryt i łożysk rzecznych. Efekty: - zwiększenie uszczelnienia zlewni, - potrzeba regulacji rzek i wykonania technicznej infrastruktury w dolinie rzek (ubezpieczenia brzegów, przegrody rzek, mosty), - rezygnacja z obszarów naturalnej migracji rzek, obwałowania rzek, - zmiany intensywności procesów fluwialnych poprzez zmianę intensywności przepływu wody i rumowiska Skutki: ad a) zmniejszenie dynamiki przepływów podczas deszczy nawalnych, zmniejszenie dostawy rumowiska do rzek, ad b, c i d) zmniejszenie retencji dolinowej, przyspieszenie odpływu ze zlewni, rzeki są wtłaczane bądź wytwarzają koryta zbyt wąskie i wcięte, ad a, e) w korytach rzek brakuje rumowiska i płyną one w korytach skalnych 16 / 19

17 Odpowiedź rzek na zmiany zagospodarowania zlewni Czarny Dunajec 100 pomiary h 0.8 [m] h Q50% h 2/3Qb 1.29 h Q25% h Qb 1.6 h Q10% h Q5% h Q1% h Qt d [m] Strużyński, Kulesza, Strutyński / 19

18 Odpowiedź rzek na zmiany zagospodarowania zlewni 18 / 19

19 Możliwe scenariusze zagospodarowania zlewni w celu zahamowania nadmiernej erozji w korytach rzek 1. Masowa budowa zbiorników retencyjnych (zapory wodne), regulacje techniczne rzek wyrównanie przepływów w rzekach, zmniejszenie deficytu rumowiska wleczonego, koryta obrukowane 2. Kompleksowe wdrożenie programu małej retencji w zlewniach miejskich i wiejskich (zbiorniki na wody deszczowe przy posesjach, parkingi o powierzchniach chłonących wodę, zielone dachy?, retencjonowanie wody z dróg, zamiana dróg w pełni asfaltowych na ażurowe lub inne o zwiększonej chłonności wody zaprzestanie poboru rumowiska z rzek (szczególnie górskich), rezygnacja z regulacji technicznych umożliwienie rzekom zmiany biegu, erodowania brzegów, zalewania terasy zalewowej tworzenie mokradeł i obiektów małej retencji 19 / 19