Uzupełnienie zasad parametryzacji rzek i potoków dla potrzeb Ramowej Dyrektywy Wodnej

Transkrypt

1 WDRAśANIE RAMOWEJ DYREKTYWY WODNEJ: OCENA STATUSU EKOLOGICZNEGO WÓD W POLSCE Uzupełnienie zasad parametryzacji rzek i potoków dla potrzeb Ramowej Dyrektywy Wodnej Wojciech Bartnik, Jacek Florek, Andrzej StruŜyński Katedra InŜynierii Wodnej Łódź, 7 9 grudnia 2005r

2 Plan prezentacji: Wstęp - zjawiska zachodzące w korytach rzek górskich i nizinnych strefy wymiany wody, charakterystyka koryt, zbystrzenia i plosa, przekrój hydraulicznie korzystny, p. stabilny I Charakterystyka rzek górskich i podgórskich II Charakterystyka rzek nizinnych Wnioski Literatura

3 Wstęp ekologia cieków Strona WWW 1. dynamika i wielkość przepływów, 2. kształt koryta i terasy zalewowej, 3. parametry rumowiska, 4. inne. śelazo, Popek 2002

4 Wstęp ekologia cieków Lambor 1971 Rozkłady prędkości w poszczególnych pionach pomiarowych charakteryzują się lokalnym zróŝnicowaniem

5 Wstęp ekologia cieków Lambor 1971 Rozkłady prędkości w poszczególnych pionach pomiarowych charakteryzują się lokalnym zróŝnicowaniem

6 Wstęp ekologia cieków Aberle 2005 Pomiary pól prędkości metoda podwójnego uśredniania prędkości

7 Wstęp ekologia cieków Strefy przepływu wody pomiędzy korytem rzeki a terasą zalewową Shiono i Knight 1991; Kubrak, Nachlik i inni 2003

8 Wstęp ekologia cieków plosa bystrza zagłębienia terenu, materiał drobny głęboczyzny, mniejsze prędkości przepływu, mały spadek zwierciadła wody wzniesienia dna, materiał gruby płycizny, duŝe prędkości przepływu, duŝy spadek zwierciadła wody Radecki 2005 Zarówno w rzekach górskich jak i nizinnych występują następujące po sobie strefy zbystrzeń i plos.

9 Wstęp ekologia cieków Radecki-Pawlik 2005 Radecki-Pawlik 2005 Zarówno w rzekach górskich jak i nizinnych występują następujące po sobie strefy zbystrzeń i plos.

10 Wstęp ekologia cieków Określenie poprawnych warunków hydrodynamicznych: - przepustowość koryt rzecznych, - zmienność przepływów (niŝówki, wezbrania), - zmienność biegu rzeki i przekrojów - stabilność dna i brzegów (strefy erozji i akumulacji) - transport rumowiska unoszonego (profil koncentracji) i wleczonego (początek ruchu, zmiany konfiguracji dna) ilość transportowanego materiału, - bezpieczeństwo ludności, - rolnictwo, - agroturystyka, - walory krajobrazowe.

11 Wstęp ekologia cieków? wymagania siedliskowe poszczególnych gatunków ich wpływ na bieg rzek Radecki-Pawlik 2005

12 I cieki górskie i podgórskie Potok Tenczyński po powodzi w 1997r. Fot. A. StruŜyński Cieki górskie mogą charakteryzować się duŝą zmiennością przekroju Bartnik, StruŜyński 1998

13 I cieki górskie i podgórskie Rzeka Skawa podczas wezbrania w roku 2003 Fot. A. Radecki-Pawlik Nawet niewielkie wezbrania powodują zmiany konfiguracji dna, brzegów i przemieszczenie łach

14 I cieki górskie i podgórskie brzeg wklęsły rzeki Skawy poniŝej Zembrzyc Materiał polodowcowy łatwo podlega erozji Fot. W. Bartnik

15 I cieki górskie i podgórskie potok Krzczonowski - górny bieg Podstawowymi patametrami wpływającymi na zdolności transportowe cieku są: spadek, napełnienie, ładunek materiału unoszonego, średnica chrakterystyczna rumowiska wleczonego oraz jej kształt, ułoŝenie i stopień wysortowania Fot. A. StruŜyński Utwory Fliszu Karpackiego brzeg zniszczony podczas powodzi latem 2001r.

16 I cieki górskie i podgórskie próba rumowiska wleczonego pomiary metodą tradycyjną próba rumowiska wleczonego zamraŝania próby [Bartnik i inni 1996] Fotografie L. KsiąŜek

17 I cieki górskie i podgórskie Badania na Rabie Fot. A. Michalik Fot. L. KsiąŜek Zastosowanie badań radioznacznikowych do określenia parametrów początku ruchu

18 I cieki górskie i podgórskie Współczynnik klinowania klinowania ziaren charakteryzuje róŝne cieki. Kształt ziaren wpływa równieŝ na zjawisko ukrywania ziaren i decyduje o moŝliwym stopniu wysortowaniu ziaren. Fot. W. Bartnik Michalik 2000 Bartnik 1992 Bartnik 1998

19 I cieki górskie i podgórskie materiał wielofrakcyjny wymaga rozróŝnienia napręŝeń bezwymiarowych dla poszczególnych frakcji. Równania opisujące napręŝenia graniczne zostały przystosowane do warunków Podkarpacia.

20 I cieki górskie i podgórskie pomiary laboratoryjne - fotografie A. StruŜyński Zmiany konfiguracji dna towarzyszące procesom ukrywania, sortowania i obrukowania ziaren. Zmianom tym odpowiadają zmiany szorstkości dna. 1 K N = = h n n H 1 n 1 2 StruŜyński 2001

21 I cieki górskie i podgórskie W. Bartnik, J. Florek, L. KsiąŜek, A. StruŜyński, 2001 pomiary laboratoryjne rys. J. Florek Dno podczas przepływu wody ulega dynamicznym zmianom, co wpływa m.in. na zmiany wartości szorstkości przepływu Maninga. Rys. A. StruŜyński

22 I cieki górskie i podgórskie Istnieje wiele prób opisania rozkładu prędkości wody w pionie. Najbardziej rozpowszechnione jest równianie Prantl'a von Karmana. Przypadkowy ruch strug wody układających się w przekroju poprzecznym przyczynia się do tego, Ŝe ruch rumowiska wleczonego moŝna opisać metodami stochastycznymi. StruŜyński 2001

23 I cieki górskie i podgórskie Wypadkowa parametrów opisujących materiał denny wpływa na kształt profilu prędkości. U U 5,75 log k y * s 8,5 StruŜyński 2001 Przypadkowy ruch strug wody układających się w przekroju poprzecznym przyczynia się do tego, Ŝe ruch rumowiska wleczonego moŝna opisać metodami stochastycznymi.

24 I cieki górskie i podgórskie Metoda stochastyczna została zastosowana do opisu zmian krzywej przesiewu po przejściu fali powodziowej [Bartnik, StruŜyński 1999] Metoda Gesslera posłuŝyła do opracowania programu komputerowego ARMOUR. StruŜyński 2001 Przypadkowy ruch strug wody układających się w przekroju poprzecznym przyczynia się do tego, Ŝe ruch rumowiska wleczonego moŝna opisać metodami stochastycznymi.

25 I cieki górskie i podgórskie Obrukowanie dna moŝe zostać zerwane, wówczas odkryte zostają warstwy materiału przemieszanego o drobnej granulacji. Odchylenie standardowe opisujące krzywą granulometryczną przy pełnym uzbrojeniu dna osiąga wartość ok. 1.3, natomiast w pełni przemieszane rumowisko opisane jest liczbą większą i moŝe osiągnąć wartości większe niŝ 4.5 Bartnik, StruŜyński 2001 Bartnik 1998!!!! Przypadkowy ruch strug wody układających się w przekroju poprzecznym przyczynia się do tego, Ŝe ruch rumowiska wleczonego moŝna opisać metodami stochastycznymi.

26 I cieki górskie i podgórskie Jacek Fot. J. Florek Fot. A. StruŜyński Roślinność korytowa i przybrzeŝna ma bezpośredni wpływ na przepustowość koryt. W ciekach odznaczających się wartkim nurtem zarastanie dna jest utrudnione. Pojawia się ono w ciekach zeutrofizowanych. Fot. J. Florek

27 I cieki górskie i podgórskie energia wody płynącej w korycie opory przepływu wytworzone przez rośliny opory przepływu wytworzone przez dno szorstkie straty energii powstałe od dnie z roślinnością współczynnik oporów opisujący dno porośnięte Florek 2002

28 I cieki górskie i podgórskie Arkusz oceny Bartnik, Florek 2000 Na podstawie wieloletnich badań terenowych i laboratoryjnych wykonano arkusz oceny hydrodynamicznej cieków górskich

29 I cieki górskie i podgórskie Bartnik, Florek 2000 Wybrane parametry oceny hydrodynamicznej dla rzek Podkarpacia

30 II cieki nizinne Fot. A. StruŜyński

31 II cieki nizinne Fot. W. Bartnik

32 II cieki nizinne Odmienny charakter rzek nizinnych wyraŝa się... Fot. A. StruŜyński

33 II cieki nizinne y / H [ - ] V [m*s -1 ] 0,80 R 2 = 0,7327 R 2 = 0,8709 h [m] 0,70 0,60 koryto naturalne koryto uregulowane 0,50 0,40 0,30 0,20 0,000 0,002 0,004 0,006 Q [kg/s] Bartnik i inni 2005

34 II cieki nizinne Odmienny charakter rzek nizinnych wyraŝa się m.in. w dynamice przepływów, ciągłości transportu rumowiska wleczonego i większej roli roślinności korytowej i znajdującej się w trasie zalewowej. Fot. A. StruŜyński

35 II cieki nizinne Smugi piaszczyste Fot. A. StruŜyński

36 II cieki nizinne Fot. A. StruŜyński

37 II cieki nizinne Formy denne Fot. A. StruŜyński

38 II cieki nizinne Formy denne Fot. A. StruŜyński

39 II cieki nizinne Analiza układu poziomego cieku wsp. rozwinięcia trasy krzywoliniowość łuku Fot. W. Bartnik

40 II cieki nizinne Układ poziomy cieku poddanego regulacji Bartnik i inni 2005

41 II cieki nizinne Układ poziomy cieku naturalnego Bartnik i inni 2005

42 II cieki nizinne Odcinki uregulowane - Nida koryto główne Współczynnik krzywoliniowości Sl [-] WARTOŚĆ ŚREDNIA Krzywizna 1/R [m -1 ] Koryto Starej Nidy II Współczynnik krzywoliniowości Sl [-] Wartość po renaturyzacji Wartość średnia Stara Nida II Krzywizna 1/R [m -1 ] Analiza wymiarowa koryt rzecznych Bartnik i inni 2005

43 II cieki nizinne Odcinki renaturyzowane - Nida koryto główne 250 y = 0.738x Długość łuku L [m] Koryto Starej Nidy II Promień łuku R [m] 200 y = x Długość łuku L [m] Promień łuku R [m] Analiza wymiarowa koryt rzecznych Bartnik i inni 2005

44 II cieki nizinne Ochrona przeciwpowodziowa na onszarach nizinnych Bartnik i inni 2005

45 II cieki nizinne Fot. P. Bik

46 II cieki nizinne Fot. P. Bik

47 II cieki nizinne Bartnik i inni 2005

48 II cieki nizinne Bartnik i inni 2005

49 II cieki nizinne Bartnik i inni 2005

50 Wnioski Arkusz oceny hydrodynamicznej moŝe stanowić metodę parametrycznej oceny odcinków cieku poprzez przydanie im wartości liczbowych opisujących charakter badanej rzeki. Tak wykonana ocena będzie reprezentatywna a jej wyniki mogą zostać przeniesione na inne badania bądź opracowania. Jednym z zastosowań arkusza jest wykonanie oceny stabilności rzek i potoków. System oceny liczbowej parametrów moŝe zostać poszerzony o dalsze badania a sam arkusz wykorzystany równieŝ interdyscyplinarnie przez róŝne zespoły badawcze.

51 Spis Literatury Aberle, J. 2005, Double-averaged flow field over static armour layers, prezentacja PowerPoint, Seminarium Katedralne, Kraków, 19 Lipiec 2005, Aberle, J., Koll, K., 2004,Double-averaged flow field over static armor layers. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics RiverFlow - Naples, Italy, Vol.1, , Bartnik W. 1992, Hydraulika potoków i rzek górskich z dnem ruchomym Początek ruchu rumowiska wleczonego, Zesz. Nauk. AR w Krakowie nr 171, Kraków, Bartnik W., KsiąŜek l., Michalik A., Niziołek A., 1996, Badania składu granulometrycznego rumowiska w rzekach górskich metodą zamraŝania próby i situ. Zesz. Naukowe Akademii Rolniczej, Seria InŜynieria Środowiska, nr 306, 79-92, Bartnik W. 1998, Określenie warunków obrukowania dna w potokach górskich podstawą przeprowadzenia regulacji BliŜej Natury. Konferencja "Bliskie naturze kształtowanie rzek i potoków". IMGW, Politechnika Krakowska, 53-62, W. Bartnik, S. Deńko, A. StruŜyński, T. Zając, 2005, Renaturyzacja obszaru zlewni Nidy - Koncepcja opracowana dla potrzeb ochrony zasobów przyrodniczych w związku z planami realizacji programu NATURA 2000 Wydawnictwo Drukrol s.c., Kraków, Bartnik W, Florek J. 2000, Ocena warunków równowagi hydrodynamicznej potoku górskiego na podstawie analizy hydraulicznych parametrów przepływu. Zesz. Nauk. AR w Krakowie nr 20, , BartnikW., Florek J., KsiąŜek L., StruŜyński A., 2001,Zmiana szorstkości dynamicznej w rzekach i potokach górskich, Zesz. Nauk. AR w Krakowie, ser. InŜynieria Środowiska, nr 21, , Bartnik. W, StruŜyński A., 1999,Determining hydrodynamic balance in Mountain stream floods, 3rd International Symposium on Ecohydraulics, IAHR and Utah State Unversity, wersja CD_ROM, Salt Lake City,

52 Spis Literatury Bartnik W., StruŜyński A, 1998,Deformacja koryta cieku po przejściu fali powodziowej na przykładzie potoku Tenczyńskiego, Konferencja Naukowa Powódź w dorzeczu górnej Wisły w lipcu 1997, PAN, , Church M., 1992,Channel morphology and typology, Monografia p. red. Calow P., Peets G., The river handbook vol. 1, Beckwell Scientific Publications, Oxford, Florek J. 2002,Wpływ roślinności przybrzeŝnej na przepustowość potoków górskich, AR Kraków, rozprawa doktorska, Kubrak J., Nachlik E., 2003,Hydrauliczne podstawy obliczania przepustowości koryt rzecznych, Wydawnictwo SGGW, Lambor J., 1971,Hydrologia inŝynierska, Arkady, Warszawa, Michalik, A., 2000,Bedload transport in mountain rivers measurements and results, 10th International Conference on Transport and Sedimentation of Solid Particles, Zeszyty Naukowe Akademii Rolniczej we Wroclawiu, No 382, Wroclaw, Poland, Radecki-Pawlik A, 2005,Riffle and pool sequences - important features of the river bed morphology, PowerPoint presentation, Sediment transport in Rivers and transitional Waters, CEM-IBW PAN Seminar, Gdańsk, Maj, Shiono K., Knight D.W., 1991,Turbulent open channel flows with variable depth across the channel. Journal of Fluid Mechanics, vol. 222, , StruŜyński A., 2001,Ocena warunków równowagi dna w korytach cieków o duŝej szorstkości, rozprawa doktorska, AR Kraków, Wang F. Y., 1977,Bed load transport in open channels, Proc of IAHR, Baden-Baden A9, 63-69, śelazo J., Popek Z., 2002,Podstawy renaturyzacji rzek, Wydawnictwo SGGW.

53 Zagadnienia problemowe Jakie wady mają obecnie stosowane zabiegi hydrotechniczne? W jakim przypadku moŝna pogodzić potrzeby ludzkie z potrzebami przyrody? Kiedy poprawnie zaprojektowane koryto rzeki stanowi dobre siedlisko? Czy moŝliwe jest pogodzenie potrzeb róŝnych gatunków roślin i zwierząt podczas wykonywania renaturyzacji cieków? Czy jesteśmy w stanie ocenić moŝliwość odtworzenia populacji po przejściu fali powodziowej lub pojawienia się niŝówek? Czy istnieje jednoznaczna moŝliwość parametryzacji watunków hydraulicznych i hydrodynamicznych na podstawie badań gatunków wskaźnikowych?