Paweł Bik, Jacek Florek, Andrzej Strużyński OCHRONA PRZED POWODZIĄ OBSZARU DELTY ŚRÓDLĄDOWEJ RZEKI NIDY FLOOD PROTECTION IN MIDDLE DELTA OF NIDA RIVER

Transkrypt

1 Paweł Bik, Jacek Florek, Andrzej Strużyński OCHRONA PRZED POWODZIĄ OBSZARU DELTY ŚRÓDLĄDOWEJ RZEKI NIDY FLOOD PROTECTION IN MIDDLE DELTA OF NIDA RIVER Katedra Inżynierii Wodnej, Wydział Inżynierii Środowiska i Geidezji Akademii Rolniczej w Krakowie Kraków al. Mickiewicza 24/28 Departament of Water Engineering, Faculty of Environmental Engineering and Land Surveying, Agricultural University of Cracow, Cracow, al. Mickiewica 24/28 W artykule zastosowano program hydroinformatyczny Hec-Ras do symulacji przepływu katastrofalnego na odcinku rzeki Nidy w obszarze delty sródlądowej. Obszar ten został częściowo zmeliorowany w latach 80-tych XX-go wieku, co spowodowało oprócz licznych strat w ekosystemie, również zwiększenie zagrożenia powodziowego wsi znajdujących się w pobliżu doliny rzeki Nidy. Zaprezentowano wyniki modelowania dla przepływu w korycie i dolinie Nidy wód katastrofalnych w okresie jesiennym i wiosennym z uwzględnieniem zmiennych sezonowo współczynników szorstkości korytowo dolinowej. Uwzględniono wpływ roślinności sztywnej i miękkiej terenu zalewowego na wzrost oporów przepływu dla wydzielonych fragmentów zbadanych przekrojów poprzecznych. Ze względu na występowanie na tym obszarze licznych naturalnych i nie koszonych łąk, warunki przepływu wód wezbraniowych przez obszar doliny w obu porównywanych okresach stwarzają zagrożenia dla okolicznej ludności i inwentarza poprzez różnice w rozprzestrzenianiu się fali powodziowej oraz czasu zalegania wód w dolinie rzeki Nidy. Przedstawiono koncepcję polderu zalewowego o pojemności 2,4 mln m 3, w celu zwiększenia retencji dolinowej. SŁOWA KLUCZOWE: zalewy wiosenne i jesienne, dolina Nidy, parametry przepływu, polder, 1. CHARAKTERSTYKA ZLEWNI RZEKI NIDY Dolina Nidy rozciąga się od połączenia Czarnej i Białej Nidy koło miejscowości Żernik (ok. 210 m n.p.m.) aż po ujście do Wisły koło Nowego Korczyna (ok. 170 m n.p.m.). Szerokość doliny waha się od 1 do 10 km, a cechą charakterystyczną jest płaskie i podmokłe dno podlegające okresowym zalewom. Dolina Nidy to teren, na którym oprócz równin są płaty wyżynne osiągające wysokości względne m (np. Garb Pińczowski). Całkowita powierzchnia dorzecza zajmuje 3862,8 km 2. Całkowita długość Nidy to 151,2 km, przy czym na długości 124 km jest ona dostępna dla turystyki kajakowej. Nida przepływa przez Wyżynę Kielecko Sandomierską, Nieckę Nidziańską i Kotlinę Sandomierską, a poniżej Nowego Korczyna uchodzi do Wisły. Głównymi dopływami Nidy są Brzeźnica i Mierzawa. Bieg górny rzeki Nidy występuje od źródeł do połączenia Czarnej i Białej Nidy, a bieg średni do ujścia Mierzawy (5 km powyżej Pińczowa). Średnia roczna suma opadów w regionie Doliny Nidy wynosi ok. 600 mm. Przepływ WWQ określony w przekroju Pińczów z wielolecia wynosi 380 m 3 /s, a dla okresu jest znacznie mniejszy i wynosi 181 m 3 /s. Przepływy o prawdopodobieństwie wystąpienia Q 50%, Q 10% i Q 1% wynoszą w profilu Pińczów odpowiednio: 150, 280, 430 m 3 /s. Absolutne maksimum wynoszące 400 m 3 /s

2 zaobserwowane zostało w roku DOLINA DELTY ŚRÓDLĄDOWEJ Poniżej miejscowości Motkowice około 15 km w kierunku Pińczowa, uformowała się unikatowa struktura geomorfologiczna delta śródlądowa (Rys.1). Rys. 1. Badany odcinek doliny Nidy Fig. 1. Middle Nida River area of interest Nida wpływa tutaj do obszernego zagłębienia tektonicznego o płaskim dnie. Rzeka zwalnia bieg i dzieli koryto na kilka ramion płynących równolegle. Cały obszar jest poprzecinany siecią małych cieków, którymi woda przepływa między głównymi zbiornikami wody. Płaskie dno doliny podlega częstym zalewom. Tereny zalewowe pokrywają mady, na których występują zbiorowiska łąkowe i pastwiska. Nad tarasem zalewowym zachowały się miejscami fragmenty tarasów piaszczystych o względnej wysokości m. W okolicach Sobowic odnogi rzeczne łączą się ponownie ze sobą,

3 tworząc jedno koryto. Rzeka osadza niesiony materiał, który często wypłyca koryto lub je nawet zatyka, co owocuje zmianami jej biegu i zabagnieniem terasy zalewowej. Lewobrzeżną (wschodnią), nie zmeliorowaną część delty pokrywa kilka tysięcy hektarów bagien, rozlewisk i wilgotnych łąk. Jest to jedna z najważniejszych ostoi fauny na terenie Nadnidziańskiego Parku Krajobrazowego i jeden z większych, naturalnych obszarów bagien w Małopolsce. Część prawobrzeżna (zachodnia) została zmeliorowana i pokrywają ją w większej części, zwłaszcza w okolicach wsi Stawy, łąki i pastwiska. Ponieważ większość cieków na tym terenie należy do rzek o charakterze nizinnym, dominuje tutaj typ rzeki meandrującej PLANY ZAGOSPODAROWANIA DELTY ŚRODKOWEJ Dolina Nidy w niedalekiej przeszłości była w przeważającej części użytkowana rolniczo. W celu zwiększenia wydajności gruntów ornych wykonano w latach 80-tych XX-go wieku prace melioracyjne w korycie Nidy i na obszarze delty. W związku z wykonanymi pracami nastąpiło skrócenie Nidy o 6,9 km na odcinku Motkowice Pińczów. Tak wielka ingerencja człowieka spowodowała zachwianie równowagi hydraulicznej i biologicznej zarówno w korycie Nidy jak i na obszarze doliny. Obszar ten jest regularnie zalewany podczas roztopów wiosennych i dość często jesienią. Zjawisko to nie zapewnia jednak równowagi hydrodynamicznej i postępuje proces degradacji gleb bardzo silnie uzależniony od występowania poprawnych stosunków wodnych, co powoduje ich zapiaszczenie. Zalewy wiosenne i jesienne delty nie stanowią zagrożenia dla lokalnej fauny i flory a wręcz przeciwnie, zwiększają bioróżnorodność gatunków zamieszkujących na tym obszarze i użyźniają piaszczyste gleby doliny. Dziś na tym obszarze przeważają łąki, pastwiska i nieużytki. Niewielka część jest regularnie wykorzystywana pod uprawę. W związku ze zmianami użytkowania terenu planowane jest ponowne wydłużenie biegu rzeki, likwidacja lub przebudowa dużej części obwałowań przeciwpowodziowych i odtworzenie starorzeczy Nidy. Ze względu na bezpieczeństwo ludności lokalnej wsi Umianowice, która położona jest najniżej w dolinie delty ale także Motkowic, Imielna, Imielnicy, Stawów i Sobowic wykonano symulację zalewów wiosennych i jesiennych oraz zalewu wodą wielką Q 1%. W celu zwiększenia tzw. małej retencji bezpośrednio powyżej Motkowic rozpatrzono wpływ działania projektowanego polderu zlokalizowanego w okolicy wsi Kliszów, Motkowice i Rębów (Rys.1). 2. ZAŁOŻENIA DO PROGRAMU HEC-RAS 2.1. FORMOWANIE FAL POWODZIOWYCH Powierzchnia zlewni Nidy w przekroju Pińczów wynosi 3352 km 2. Przejście fali powodziowej na tym obszarze trwa od kilku dni do tygodnia. Dla celów niniejszego opracowania przyjęto następujący scenariusz: czas trwania powodzi wiosennych i jesiennych wynosi 3 dni z kulminacją jednodniową, powódź katastrofalna trwać będzie 5 dni, a kulminacja 2 dni. Przepływ występujący przy zalewach jesiennych i wiosennych sięga 80 m 3 /s, przepływ Q 50% wynosi 150, a Q 1% m 3 /s.

4 2.2. ODCINEK MOTKOWICE-SKOWRONNO GÓRNE Powierzchnia rozlewiska od Motkowic do Skowronna Górnego wynosić ma po wykonaniu renaturyzacji ok. 12 mln m 2, objętość przy przepływie Q 1% - ok. 7,0 mln m 3, a przy przepływie Q 50% - 3,0 mln m 3. Średnia głębokość zalewu zależy nie tylko od charakteru przepływu, lecz również od zmieniających się w ciągu roku oporów przepływu spowodowanych przez roślinność porastającą dolinę. Wyniki wykonania modelu zostały przedstawione w punkcie Wyniki symulacji WARUNKI RUCHU WODY NA TERENIE ZALEWOWYM Zbadanie zasięgu zalewu wodami wiosennymi i jesiennymi wymaga określenia rzeczywistych warunków hydraulicznych panujących na tym terenie z uwzględnieniem wpływu roślinności w tych dwóch różnych, z punktu widzenia rozwoju wegetacji, okresach. W dolinie rzeki dominują łąki i pastwiska, a znaczna część powierzchni objętej wezbraniami to nieużytki. Na takim obszarze wyróżnić można zespoły leśne, tereny zadrzewione i porośnięte krzewami oraz łąki i pastwiska, jako odmienne tereny z hydraulicznego punktu widzenia. Badanie ruchu wody w przekroju poprzecznym musi uwzględniać nie tylko szorstkość korytową wybranego odcinka rzeki ale również wynikającą ze zmiennych oporów opływu roślinności [Florek 2002] szorstkość terenu zalewowego na obszarach o zróżnicowanym poroście roślinnym. Opracowaniu poddano fragment doliny Nidy od miejscowości Stara Wieś koło Rębowa do Imielnicy, w którym wyodrębniono obszary objęte bogatą wegetacją (rys. 2.). Obecność roślinności i sposób użytkowania stanowi w nich o odmienności w stosunku do pozostałych terenów i prowadzi do wzrostu oporów ruchu wody. Wizja lokalna oraz analiza map i zdjęć lotniczych pozwoliła na określenie parametrów przekrojów poprzecznych z uwzględnieniem zróżnicowanego współczynnika szorstkości w poszczególnych częściach każdego z badanych przekrojów. Na badanym obszarze wydzielono fragmenty doliny o następującej charakterystyce: - las gęsty, - las rzadki, - zarośla gęste, krzewy i zadrzewienia, - zarośla, krzewy i zadrzewienia, - zarośla rzadkie, - nieużytki. Największy wzrost współczynnika szorstkości, ze względu na znaczne zagęszczenie roślinności i dużą liczbę rozgałęzień roślinnych wystąpi na terenie silnie porośniętym krzewami. Spodziewana względna zmiana napełnienia wywołana obecnością roślin jest tu największa, a współczynnik szorstkości n przekracza wartość 0,12. Łączna powierzchnia terenu o podwyższonej szorstkości nie przekracza kilku procent powierzchni całej doliny i kilkunastu procent w odniesieniu do zalewu wodą Q 1%. Same jednak nieużytki stanowią dominującą część powierzchni tego obszaru (rys.3.) i to ich roślinność wpływa na wzrost szorstkości w poszczególnych badanych przekrojach poprzecznych.

5 Rys.2. Fragment doliny Nidy z naniesionymi strefami roślinności Fig.2. The part of Nida River Valley with indicated plant zones

6 Rys. 3. Wody rozlane w dolinie środkowej Nidy wiosną 2005r. Fig. 3. The flooded area of Nida`s middle delta in spring 2005 W warunkach ruchu wody bezpośrednio po terenie porośniętym, roślinność można podzielić na niską, średnią i wysoką [Bretschneider i Schultz 1985]. Wysokość roślinności niskiej jest mniejsza niż głębokość przepływu i dlatego rozkład prędkości w pionie jest nadal zgodny z teorią warstwy granicznej. Roślinność średnia i wysoka zabudowuje przekrój poprzeczny, toteż wraz ze wzrostem głębokości przepływu w przekroju koryta pokrytym roślinnością średnią i wysoką zwiększa się udział hydraulicznych strat miejscowych wywołanych ich opływem. Podobne zjawisko zachodzi gdy roślinność przybrzeżna znajdzie się w obszarze ruchu wody. Największe opory ruchu wody pojawią się gdy wezbranie osiągnie poziom największego zagęszczenia roślinności, która ze względu na swoje parametry geometryczne i system korzeniowy jest nadal zdolna do zachowania stabilności, to znaczy, że nie ulega zniszczeniu i nie podlega istotnym odkształceniom na skutek naporu wody płynącej. Roślinność miękka, porastająca w dominującym stopniu łąki i nieużytki, spełnia powyższy warunek jedynie przy niskich napełnieniach rzędu kilkunastu centymetrów. Przy wyższym napełnieniu rośnie udział oporów wywołanych przez roślinność krzewiastą w całkowitych oporach ruchu wody badanych przekrojów poprzecznych, a roślinność miękka pełni wówczas rolę roślinności niskiej. Przy napełnieniach na terenie zalewowym wynoszących od kilkudziesięciu centymetrów do około 1 m, znaczący wzrost współczynnika szorstkości występuje na obszarach zdominowanych przez krzewy będące w tych warunkach roślinnością sztywną przesłaniającą znaczną część przekroju poprzecznego (rys. 4).

7 Rys. 4. Schemat fragmentu przekroju zajmowanego przez krzewy Fig.4. The part of crossection occupied by bushes Wychodząc z podstawowej formuły na współczynnik szorstkości n Rh I n v oraz z formuły opisującej całkowitą energię koryta równą energii zużytej na pokonanie oporów opływu dna szorstkiego i roślinności [Florek 2002] E vtmgi gdzie: R h promień hydrauliczny [m], I spadek hydrauliczny [-], v prędkość wody [ms -1 ], mgi siła naporu jednostkowego fragmentu wody w korycie [N], m masa wody na jednostkowym fragmencie dna [kg], zauważymy, że zarówno prędkość ruchu wody v jak i masa m, zależna od napełnienia, pozostają w funkcji promienia hydraulicznego R h. Tak więc względna zmiana napełnienia na terenie zalewowym wywołana obecnością roślinności poprzez wpływ na promień hydrauliczny R h pozwala na obliczenie, dla każdego z wyodrębnionych obszarów, porośniętych roślinnością miękką i sztywną, oraz, w danych warunkach modelowanego przepływu, roślinnością niską lub wysoką, odpowiadającego im współczynnika szorstkości n. Sezonowa zmienność współczynnika szorstkości wywołana wpływem wegetacji roślinnej prowadzi w efekcie do różnic w przepustowości badanych przekrojów poprzecznych i zmian w modelowanych strefach zalewu wód wezbraniowych POLDER Polder użytkowany będzie okresowo po przekroczeniu określonego stanu powodziowego. Zaprojektowany został w dolinie Nidy, czego powodem jest brak konieczności wykonania budowli ochronnych dla wsi Rębów i Kliszów. Rzędna obwałowań letnich poniżej jazu w Rębowie wynosi 198,5 m n.p.m. Napełnianie polderu rozpoczynać się będzie po przekroczeniu rzędnej 198,0 m n.p.m. Istniejący doprowadzalnik pozwala na napełnianie zbiornika maksymalnym przepływem 5,0 m 3 /s. Powierzchnia polderu wynosi 160 ha, a objętość 2,4 mln m 3, zostanie więc on napełniony

8 po około pięciu dniach. Najsilniejsze oddziaływanie polderu wystąpi przy zalewach wiosennych i jesiennych i spowoduje zmniejszenie przepływu w korycie głównym o 6,3%. Przy przepływach Q 50% i Q 1% odprowadzane jest odpowiednio 3,3% i 1,2% przepływu występującego podczas kulminacji fali powodziowej. Opróżnianie polderu po przejściu fali powodziowej pozwoli na poprawę stosunków wodnych w delcie środkowej. Rys. 4. Polder w Kliszowie (poj. 2.4 mln m 3, pow. 160 ha) Fig. 4. Dry valley polder in Kliszów (retention capacity of 2.4 mln m 3, area of 160 ha) 3. WYNIKI SYMULACJI Wykonano symulację w programie HEC-RAS. Jest to model opracowany przez US Army Corps of Engineers i należący do kategorii public domain. Dokładne wyniki obliczeń przedstawiono w Monografii [Bartnik i inni 2004]. Koryto główne Nidy na omawianym obszarze ma przepustowość ok. 30m 3 /s. Obwałowanie Nidy w okolicach Motkowic pozwala na bezpieczny przepływ wody Q 50%=150 m 3 /s. Działanie polderu jest niezauważalne podczas występowania przepływów katastrofalnych. Napełniania polderu z przepływem 5m 3 /s spowoduje obniżenie poziomu wody w przekrojach poniżej ujęcia wody o 3cm dla Q 50% i o 10 cm dla fali o przepływie 80 m 3 /s. Obszar delty poniżej Motkowic zalewany jest wodami występującymi z koryta, ponieważ nie został tam wykonany wał lewostronny. Na wysokości wsi Stawy odpowiada to rzędnej 193,9 m n.p.m.

9 Wyniki modelowania pozwalają stwierdzić, że względne napełnienie na obszarze delty środkowej przekracza 80 cm dla przepływu Q 1%. Przy tym poziomie zwierciadła wody warunek zachowania przez roślinność krzewiastą sztywności jest nadal spełniony. Szybkość zalewu falą o podobnych parametrach różni się nieco jesienią i wiosną z powodu zmian we właściwościach mechanicznych i geometrycznych roślin, szczególnie nie koszonych łąk i gęstych zarośli krzewiastych. Obliczona zmiana współczynnika szorstkości na tym obszarze wynosi średnio 33%, co spowoduje jego zmniejszenie wiosną w porównaniu z jesienią z n=0,045 do n=0,03. Największy wzrost napełnienia, wywołany obecnością roślinności nastąpił w trakcie przepływu wody katastrofalnej Q 1%, a jego wartość w okresie jesiennym w porównaniu z wiosną wyniosła 23cm. Prędkość przepływu wody na terenie zalewowym jesienią zawiera się w granicach 0,5-0,6 m/s, co powoduje złagodzenie narastania fali powodziowej w Pińczowie. Powstałe rozlewisko jest bardzo pożądane ze względów bezpieczeństwa powodziowego Pińczowa, ponieważ opóźnia jesienią kulminację fali powodziowej w rejonie tej miejscowości do łącznie około 4-5 godzin. Wiosną rozlewisko napełni się szybciej o około 0,25 godziny. Efektem oddziaływania stref z roślinnością [Kubrak i inni 1995] będzie również niewielka różnica w prędkości i czasie przemieszczania się szczytu fali wezbraniowej co skróci jej przejście wiosną. W przypadku zastosowania tylko jednego polderu o pojemności 2,4 mln m 3 należy rozważyć dostępne opcje jego wykorzystania i pod tym kątem zaprojektować istniejący system jego wypełniania. Opierając się na wynikach modelowania przepływu w przekroju poprzecznym odpowiadającym polderowi można stwierdzić, że zastosowanie rowu o przepustowości do około 5 m 3 s -1 pozwoli na znaczące obniżenie położenia zwierciadła wody jedynie podczas małych wezbrań. Podczas przepływu katastrofalnego Q 1% skutecznym rozwiązaniem mogłoby być zastosowanie pomocniczego przelewu bocznego do polderu na koronie wału lewobrzeżnego poniżej jazu w Rębowie. Możliwe są w takim przypadku następujące rozwiązania: - obniżenie szczytu fali wezbraniowej przepływu Q 1% trwającego 4 godzin o 51cm, podjęcie pracy przelewu przy przepływie Q=263 m 3 s -1, zagwarantowany nieprzekraczalny poziom zw. w. 198,6 m n.p.m, - obniżenie szczytu fali wezbraniowej przepływu Q 1% trwającego 12 godzin o 15cm, podjęcie pracy przelewu przy przepływie Q=374 m 3 s -1, zagwarantowany nieprzekraczalny poziom zw. w. 198,96 m n.p.m. Oczywiście celem stosowanych zabezpieczeń ochrony przeciwpowodziowej mogą być mniejsze wezbrania, wówczas przy niższym nakładzie środków można uzyskać efekt ochrony. Ze względu na to, że dolina chroniona jest wałami letnimi obliczonymi na wodę Q 20%, zabezpieczenie właśnie przed tym wezbraniem może być celem działań ochrony przeciwpowodziowej w dolinie rzeki Nidy. 4. WNIOSKI 1. Fala powodziowa tej samej wielkości występująca na wiosnę łatwiej i szybciej rozleje się na obszar delty, co jest korzystne zarówno dla samej doliny, warunków stabilności dna rzeki Nidy, jak również dla położonych poniżej miejscowości z Pińczowem włącznie opóźniając i obniżając poziom wezbrania. 2. Aby poprawić efekt działania polderu należałoby znacząco zwiększyć przepustowość rowu doprowadzającego, lub zaprojektować większą ilość polderów powyżej jazu w

10 Rębowie. Najkorzystniejszym rozwiązaniem byłoby zastosowanie przelewu bocznego do polderu z uwzględnieniem potrzebnej rzędnej stanowiącej maksymalne dopuszczalne położenie zwierciadła wody ze względu na konieczność zabezpieczenia przed zalaniem zurbanizowanego terenu w Pińczowie. 3. Na skutek znacznego wpływu roślinności, w okresie jesieni można spodziewać się większego zasięgu zwierciadła wody wezbraniowej niż wiosną. Szczególnie podczas przepływie wody katastrofalnej Q 1% nastąpi największy wzrost napełnienia. 4. W chwili obecnej rzędna stanowiąca maksymalne dopuszczalne położenie zwierciadła wody, sterowane pracą polderu w czasie szczytu wezbrania, powinna zostać ustalona na poziomie wody Q 20% ze względu na poziom zabezpieczenia istniejących wałów letnich w dolinie. Literatura Bartnik W., Deńko S., Strużyński A., Zając T., Renaturyzacja rzeki Nidy dla potrzeb ochrony przyrody w związku programem Natura Monografia Kraków Kielce. DRUKROL Kraków. Bretschneider H., Schultz A Anwendung von Fließformeln bei naturnahem Gewässerausbau. DVWK Schriften 72, Paul Parey, Hamburg Berlin. Florek J Wpływ roślinności przybrzeżnej na przepustowość potoków górskich. AR Kraków, rozprawa doktorska. Kubrak J., Żbikowski A., Bajkowski S., Popek Z., Kubrak E., Kuśmierczuk K., Pietraszek Z Przepustowość koryt wielodzielnych bez roślinności. Seminarium Hydrauliczne i Ekologiczne Problemy Inżynierii Rzecznej, SGGW w Warszawie. FLOOD PROTECTION IN MIDDLE DELTA OF NIDA RIVER S u m m a r y In this paper hydroinformatical application HEC-RAS was used to simulate catastrophic flow event along the Nida river in the part of a middle delta. This area was partially meliorated in the 80`s of XX century which caused despite numerous ecosystem losses also increase in flood danger for villages close to the Nida valley. The results of flow modeling were presented in river bed and in the Nida valley for catastrophic flood in autumn and spring taking into account different roughness coefficient of river bed and in the valley in those seasons. Influence of stiff and soft plants on flooded terrain was considered on increase of flow resistance for each fragments of investigated crossections. Due to the numerous appearance of natural and unmowed grasslands in this area the flow conditions in the valley during catastrophic floods create dangerous situation for people, their animals and other property while there are differences in flood wave spread and in the time periods of water residue in the Nida valley. In order to increase water retention, the conception of 2,4 mln m 3 capacity dry valley polder was introduced delivering flood reserve that can by implemented by use of existing discharge ditches system connected with the weir in Rębów. KEY WORDS: autumn and spring floods, Nida valley, flow parameters, polder,