WPŁYW ZACIENIENIA PRZEZ DRZEWA I KRZEWY NA ZMIANY WARUNKÓW PRZEPŁYWU W KORYCIE RZEKI NIZINNEJ

Transkrypt

1 ISSN DOI: Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 14 (4) 2015, WPŁYW ZACIENIENIA PRZEZ DRZEWA I KRZEWY NA ZMIANY WARUNKÓW PRZEPŁYWU W KORYCIE RZEKI NIZINNEJ Tomasz Kałuża Uniwersytet Przyroniczy w Poznaniu Streszczenie. W pracy przestawiono analizę wpływu zacienienia koryta rzeki przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu na wybranym ocinku rzeki Wełny. Do baań wybrano sąsiaujące ze sobą przekroje (jeen w niewielkim zagajniku, rugi na terenie otwartym, pozbawionym zarzewień i zakrzaczeń). Na postawie pomiarów terenowych określono wielkość przepływu i rozkłay prękości w przekrojach. Doatkowo wyznaczono spaek zwierciała woy oraz opracowano krzywe uziarnienia materiału na cieku. W ramach baań zmierzono ineks LAI roślinności w zagajniku oraz określono ilość i skła gatunkowy makrofitów występujących w baanych przekrojach. Na postawie wyników baań określono wpływ zacienienia koryta przez roślinność porastającą pasy brzegowe na kształtowanie geometrii i oporów przepływów w korycie cieku. Słowa kluczowe: zacienienie koryta rzeki, warunki przepływu, współczynnik szorstkości WSTĘP Drzewa i krzewy są naturalnym skłanikiem krajobrazu olin rzecznych. Czynniki mające wpływ na bogactwo roślinności otaczającej koryta i tereny zalewowe rzek nizinnych to użo mniejsza prękość przepływu woy, większa szerokość oliny zalewowej oraz proces meanrowania rzek i ocinania starorzeczy. Charakter roślinności w bezpośrenim sąsieztwie koryta cieku oraz terenów zalewowych zależy o rozaju użytkowania, poziomu wó gruntowych oraz częstotliwości występowania zalewów. Obszar nieużytkowany rolniczo to zazwyczaj teren, który porasta las łęgowy. Poział lasu łęgowego wg Matuszkiewicza [2001] na typy la sieliska o charakterze niżowym jest następujący: łęg jesionowo-wiązowy, łęg jesionowo-olszowy, łęg wiązowy z fiołkiem wonnym, łęg olszowy gwiaznicowy. Tereny z roślinnością nieleśną są to zazwy- Ares o koresponencji Corresponing Author: r hab. inż. Tomasz Kałuża, Katera Inżynierii Wonej i Sanitarnej, Uniwersytet Przyroniczy w Poznaniu, ul. Piątkowska 94A, Poznań, tomasz.kaluza99@gmail.com. Copyright by Wyawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, Kraków 2015

2 30 T. Kałuża czaj rozmaite typy łąk i pastwisk, a w miejscach wilgotniejszych szuwary turzycowe lub roślinność torfowisk niższych. Roślinność porastająca brzegi i tereny zalewowe znacząco oziałuje na kształtowanie warunków przepływu. Oprócz oczywistego wpływu czynników bezpośrenich na opory przepływu poczas przepływów wó wielkich (np. rumowisko, formy enne, lokalne przeszkoy), istotny jest także uział czynników pośrenich, np. poprzez cieniowanie koryta rzeki i hamowanie rozwoju roślinności wonych. Zmiany te przekłaają się również na morfologię koryta i rozkłay prękości [Florek 2006, Raecki-Pawlik 2011]. Celem pracy było określenie wpływu roślinności porastającej brzegi rzeki Wełny na zmiany warunków przepływu na stosunkowo krótkim ocinku rzeki. Baania wykonano w pełni sezonu wegetacyjnego. Pomiary terenowe polegały na ocenie zarówno parametrów hyrometrycznych cieku, jak i ilości oraz skłau gatunkowego roślinności porastającej no cieku. Na postawie wyników baań określono wpływ zacienienia koryta przez roślinność porastającą brzegi Wełny na kształtowanie geometrii i oporów przepływów w korycie cieku. METODYKA BADAŃ Baania terenowe przeprowazono w niach lipca 2014 na rzece Wełnie (ryc. 1). Wełna to prawy opływ Warty. Jej ługość wynosi 118 km, a powierzchnia zlewni 2621 km². Ciek wypływa z jeziora Wierzbiczany położonego w oległości 10 km na północny wschó o Gniezna. Wełna jest typem rzeki nizinnej. W celu przeprowazenia baań należało wytypować ocinek rzeki, gzie mięzy terenem zarzewionym a terenem bez rzew i krzewów nie bęą występować zbiorniki naturalne czy sztuczne, buowle wone oraz opływy innych cieków, gyż elementy te mogłyby mieć wpływ na zakłócenie przepływu mięzy poszczególnymi przekrojami. Na postawie analizy map, zjęć lotniczych i rozpoznania w terenie wybrano ocinek rzeki w pobliżu miejscowości Cotoń. W miejscu tym Wełna wyznacza granicę mięzy powiatem gnieźnieńskim i powiatem żnińskim, a jenocześnie granicę mięzy wojewóztwami wielkopolskim i kujawsko-pomorskim. Wytypowany o baań ocinek rzeki Wełny znajuje się na terenie Naleśnictwa Gniezno, Leśnictwo Kowalewko, obręb Popowo Poleśne. Wełna w tym miejscu przepływa przez oział leśny nr 32 o powierzchni 40,52 ha. W Naleśnictwie Gniezno pozyskano opis taksacyjny i mapę gospoarczo-przegląową la tego terenu. Z analizy opisów i mapy wynika, że prawy brzeg baanego ocinka rzeki graniczy z pooziałem 32a o powierzchni 0,17 ha. Powierzchnię stanowi pastwisko VI klasy weług systemu bonitacyjnego użytków zielonych. Drzewostan i krzewy występują w sąsieztwie rzeki. Dominującym gatunkiem jest olsza czarna (Alnus glutinosa). Wiek tego rzewostanu wynosi 69 lat. Występujące na tym terenie krzewy to wierzba szara (Salix cinerea). Przy lewym brzegu znajuje się pooział 32c o powierzchni 7,7 ha. Stanowi on graniczący z rzeką pas bagien o szerokości około 50 m. Drzewostan tu występujący to olsza czarna, a ominującym krzewem jest wierzba szara. W alszej oległości o brzegu znajuje się pooział 32 o powierzchni 12,35 ha. Jest to las mieszany z przewagą ębu i sosny. Wiok na ocinek rzeki w trakcie przeprowazania baań przestawia ryc. 2. Acta Sci. Pol.

3 Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki Ryc. 1. Lokalizacja zlewni rzeki Wełny Fig. 1. Location of Wełna River catchment Na wybranym ocinku wyznaczono 3 przekroje pomiarowe. Przekroje nr 1 i nr 2 wyznaczono w miejscach bez rzew i krzewów, natomiast przekrój nr 3 w miejscu z brzegami zarzewionymi i zakrzewionymi. Oległość mięzy przekrojem nr 1 a przekrojem nr 2 wynosi 13 m. Natomiast oległość mięzy przekrojami nr 2 i 3 to 80 m. Położenie przekrojów zaznaczono na mapie przegląowo-gospoarczej obrębu Popowo Poleśne (ryc. 3). W poszczególnych przekrojach wykonano pomiary przepływu. Do tego celu został użyty miniaturowy prąomierz ADCP StreamPro (ryc. 4). Dla każego przekroju wykonano pomiary geoezyjne polegające na wyznaczeniu rzęnych wysokościowych zwierciała woy, na i brzegów, zmierzeniu szerokości koryta oraz określeniu nachylenie skarp. Uzyskane wyniki pomiarów posłużyły o wykonania rysunków przekrojów poprzecznych koryta, a następnie o obliczenia obwou zwilżonego O, promienia hyraulicznego R h i spaku zwierciała woy I. Do pomiarów geoezyjnych wykorzystano niwelator optyczny oraz urzązenie TOPCON GRS-1 (GIS), co w znacznym stopniu ułatwiło okonanie pomiarów geoezyjnych. W przekroju nr 3, gzie występowały gęste zarzewienia i zakrzaczenia, wykonano pomiar ineksu LAI na obu brzegach rzeki. Pomiar wykonano urzązeniem LAI Formatio Circumiectus 14 (4) 2015

4 32 T. Kałuża Ryc. 2. Wiok na miejsce przeprowazenia baań na rzece Wełna Fig. 2. The view of the measurement section of the Wełna River Ryc. 3. Lokalizacja przekrojów pomiarowych na rzece Wełna na mapie leśnej Fig. 3. The location of the measurement section of the Wełna River on the forest map Acta Sci. Pol.

5 Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki Ryc. 4. Pomiar natężenia przepływu i rozkłau prękości w przekroju nr 3 wykonany za pomocą profilomierza opplerowskiego (ADCP) StreamPro Fig. 4. Measurement of flow an fiel velocities through a cross section 3 using a Acoustic Doppler Current Profiler (ADCP) StreamPro WYNIKI I ICH ANALIZA Wyniki pomiarów przepływu z miniaturowego prąomierza ADCP StreamPro zostały opracowane w programie WinRiverII [Koziński i Kasprzak 2005]. Na tej postawie określono wartość przepływu, ukłau na w przekrojach i rozkła prękości. Na postawie wyników z ADCP i pomiarów geoezyjnych wykonano rysunki przekrojów poprzecznych rzeki. Rysunki wykonano w programie AutoCa (ryc. 5 7). Ryc. 5. Przekrój poprzeczny nr 1 Fig. 5. Cross section 1 Formatio Circumiectus 14 (4) 2015

6 34 T. Kałuża Ryc. 6. Przekrój poprzeczny nr 2 Fig. 6. Cross section 2 Ryc. 7. Przekrój poprzeczny nr 3 Fig. 7. Cross section 3 Na potrzeby alszych obliczeń, na postawie powyższych rysunków obliczono la każego przekroju obwó zwilżony O i powierzchnię przekroju A. Poczas pomiarów wysokości rzęnych zwierciała woy okazało się, iż spaek zwierciała jest na tyle mały, że nie było możliwe wyznaczenie spaku na ocinku mięzy przekrojami poprzecznymi. Dla wyznaczenia spaku zwiększono oległość mięzy wykonanymi pomiarami wysokości rzęnych zwierciała woy o oległości 550 m. Na ocinku o tej ługości uzyskano wynik śreniego spaku hyraulicznego I = 0,18. Pomiar ineksu LAI wykonano na brzegach rzeki (ryc. 8). Zgonie z przyjętą metoyką [Kałuża 2009, Kałuża i Strzeliński 2009], pierwszy pomiar wykonano na otwartym terenie bez roślinności (pomiar referencyjny), a 12 następnych przy brzegach rzeki, gzie występowały rzewa i krzewy. Dla brzegu prawego uzyskano wynik współczynnika ulistowienia LAI 3,03 m 2 m 2, la brzegu lewego 3,06 m 2 m 2. W każym z trzech przekrojów przy użyciu grabi ogroniczych wygrabiono no w celu określenia gatunku roślinności ennej (ryc. 9). Szerokość pasa wygrabionego na wynosiła około 1 m. Za pomocą wagi zważono próbki roślin. Dla przekroju nr 1 waga pozyskanych roślin wynosiła 0,9 kg, a la przekroju nr 2 1,25 kg. W przekroju nr 3, z racji użego zacienienia, nie stwierzono obecności roślinności ennej. Pobrano również próbki roślinności pływającej i porastającej brzegi koryta. Oznaczenie gatunkowe próbek wykonano w Katerze Ekologii i Ochrony Śroowiska Uniwersytetu Przyroniczego w Poznaniu. Wyniki rozpoznania gatunków roślin la poszczególnych przekroi przestawia tabela 1. Acta Sci. Pol.

7 Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki... Ryc. 8. Pomiar ineksu LAI Fig. 8. Measuring of the inex LAI Ryc. 9. Próbki roślinności ennej Fig. 9. Samples of river bottom vegetation Formatio Circumiectus 14 (4)

8 36 T. Kałuża Tabela 1. Gatunki roślin w poszczególnych przekrojach pomiarowych Table 1. Plant species in the ifferent sections of the measurement Przekrój Cross section Roślinność enna Bottom vegetation Roślinność pływająca Floating vegetation Roślinność szuwarowa Rush vegetation 1 Restnica grzebieniasta (Potamogetan pectinatus) Żabiściek pływający (Hyrocharis morsus-ranae), Spiroela wielokorzeniowa (Spiroela polyrhiza) Jeżogłówka gałęzista (Sparganium erectum) 2 Restnica grzebieniasta (Potamogetan pectinatus) Żabiściek pływający (Hyrocharis morsus-ranae), spiroela wielokorzeniowa (Spiroela polyrhiza) Jeżogłówka gałęzista (Sparganium erectum), Trzcina pospolita (Phragmites australis) 3 Brak roślinności Lack of vegetation Brak roślinności Lack of vegetation Jeżogłówka gałęzista (Sparganium erectum) Z na rzeki pobrano próbki rumowiska. Próbki gruntu zostały poane analizie sitowej w celu określenia skłau granulometrycznego. Analizę sitową wykonano la próbek z przekrojów nr 1 i nr 2. Próbka z przekroju nr 3 nie naawała się o bezpośreniego wykonania baania metoą sitową ze wzglęu na znaczną zawartość materii organicznej. Wyniki analizy sitowej przestawia tabela 2. Tabela 2. Wyniki analizy sitowej gruntu z na rzeki Table 2. The results of sieve analysis of soil from the riverbe Zawartość cząstek o śrenicy większej niż: The content of particles having a iameter greater than: mm Próbka nr 1 Sample 1 % Próbka nr 2 Sample 2 % 2,5 2,66 2,24 1,25 4,23 3,82 1,0 2,39 1,42 0,5 13,82 10,63 0,25 49,16 49,51 0,1 23,56 29,74 0,071 2,84 1,9 > 0,071 1,34 0,74 Obliczenia wskaźnika różnoziarnistości gruntu C u i wskaźnika krzywizny C c. Przekrój nr 1: Cu = 60 = 04, 003, = Acta Sci. Pol.

9 Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki C C = , = = 52, 003, 0, 4 Przekrój nr 2: Cu = 60 = 04, 016 = 25,, 10 C C = , = = 18, 016, 0, 4 2 Dla próbki nr 1 otrzymano wynik wskaźnika różnoziarnistości C u kwalifikujący grunt jako różnoziarnisty (5 C u 15). Wskaźnik krzywizny uziarnienia C c wskazuje na grunt słabo uziarniony. Dla próbki nr 2 otrzymane C u opowiaa gruntowi równoziarnistemu (1 C u 5). Wartość C c opowiaa wartości z przeziału la gruntów obrze uziarnionych (C c = 1 3). Poszczególne próbki spalano w piecu w celu określenia zawartości materii organicznej. Uzyskano następujące wyniki: Próbka nr 1 2,61% MO Próbka nr 2 2,35% MO Próbka nr 3 26,48% MO Wartość procentowego uziału materii organicznej w próbce nr 3 jest znacznie większa niż w próbkach nr 1 i 2. Jest to spowoowane tym, że próbka nr 3 została pobrana z przekroju rzeki, w którym na obu brzegach rosły rzewa i krzewy. Obumierające części roślin wpaają o woy i osiaają na nie. Dla poszczególnych przekrojów poprzecznych obliczono śreni współczynnik szorstkości, korzystając ze wzoru Manninga [Kubrak i Nachlik 2003]. Otrzymane wyniki obliczeń przestawiono w tabeli 3. Tabela 3. Wyniki obliczeń współczynnika szorstkości i prękości Table 3. The results of calculation of the roughness an velocity Przekrój Cross section Przepływ Flow Q m³ h 1 Pole powierzchni Cross-sectional area A, m² Obwó zwilżony Wette perimeter O, m Promień hyrauliczny Hyraulic raius R, m Spaek hyrauliczny Hyraulic slope I Prękość śrenia Mean velocity v m s 1 Współczynnik szorstkości Roughness coefficient n m 1/3 s 1 1 0,74 3,91 7,28 0,537 0, ,19 0, ,74 4,69 8,454 0,555 0, ,16 0, ,74 6,63 10,79 0,614 0, ,11 0,0866 Formatio Circumiectus 14 (4) 2015

10 38 T. Kałuża Poczas wykonywania pomiarów w terenie zwierciało woy znajowało się w korycie głównym rzeki. W przekrojach poprzecznych nr 1 i nr 2 stwierzono obecność roślinności wonej porastającej brzegi koryta i na. Paraoksalnie wartości współczynników szorstkości la tych przekrojów są mniejsze o współczynnika otrzymanego la przekroju nr 3, gzie roślinność wona ani na nie, ani w strefie brzegowej nie występowała. Wynika to jenak z parametrów przekroju (większa szerokość) oraz wpływu popiętrzenia woy przez bęące w bezpośrenim sąsieztwie przekroje z użym uziałem roślinności. Powouje to zmniejszenie prękości przepływu, co przy przyjęciu stałej uśrenionej wartości spaku hyraulicznego aje większą wartość współczynnika szorstkości. Poobne zjawisko obserwowali Kozioł i Mirosław-Świątek [2005] w korycie Biebrzy. Duży uział roślinności brzegowej (rzew i krzewów), przesłaniającej praktycznie całe koryto rzeki powouje z jenej strony zacienienie eliminujące całkowicie uział roślinności wonej w korycie i na brzegach; z rugiej zaś strony obserwuje się znaczącą akumulację materii organicznej na tym ocinku. Wynika to także z niewielkich prękości przepływu. Przekrój nr 1 o największym uziale roślinności brzegowej i ennej powouje zmianę warunków przepływu. Obserwuje się w nim koncentrację prękości w części nurtowej, która skutkuje również nasileniem się zjawisk erozyjnych. Przekrój ten jest najbarziej zwarty. PODSUMOWANIE W pracy przestawiono przykła baań wpływu różnoronych, naturalnych czynników wpływających na warunki przepływu woy. Przestawiona analiza wskazuje, że lokalne uwarunkowania hyromorfologiczne oziałują na kształtowanie warunków przepływu. Wybrany ocinek rzeki Wełny charakteryzuje się użą zmiennością zacienienia koryta rzeki wynikającą z obecności zwartego kompleksu leśnego porastającego górny ocinek rzeki (ineks LAI na poziomie 3). Zaraz za granicą lasu rzeka płynie wśró łąk i pól uprawnych, gzie brak jest rzew. Warunki te wpływają na morfologię koryta i warunki przepływu. Na ocinku leśnym brak z kolei całkowicie roślinności ennej i brzegowej. Koryto jest szerokie, jenak z racji sąsieztwa rzew i krzewów w korycie następuje uża akumulacja materii organicznej (26,48% MO w przekroju nr 3 w porównaniu o 2,61% MO w przekroju nr 1). Sprzyja temu również niewielka prękość przepływu (prękość śrenia v = 0,11 m s 1 ). Prękość ta wynika z efektu popiętrzenia na skutek zarastania ocinka znajującego się zaraz za lasem. Ocinek olny charakteryzuje się użym uziałem roślinności porastającej brzegi i no rzeki. Przekrój jest barziej zwarty, a prękości przepływu w części nurtowej większe (prękość śrenia 0,19 m s 1 ). Warunki te przełożyły się na wartości współczynników szorstkości la ocinka leśnego przekrój nr 3, oraz ocinka gzie rzeka płynie tylko wśró łąk przekroje nr 1 i 2. W przekroju nr 3 współczynnik ten wyniósł n = 0,0866 m 1/3 s i był prawie wukrotnie większy niż w wypaku przekroju 1, gzie wynosił n = 0,0470 m 1/3 s. Acta Sci. Pol.

11 Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki PIŚMIENNICTWO Florek, J. (2006). Wpływ roślinności terenu zalewowego na przepustowość i stabilność koryta wielkiej woy. Infrastr. Ekol. Ter. Wiej., 4(2), 7 15 Kałuża, T. (2009). Zastosowanie zintegrowanej analizy optycznej w baaniach struktury roślinności krzewiastej terenów zalewowych. Nauka Przyr. Technol., 3(3), 86 Kałuża, T., Strzeliński, P. (2009). Teleetekcyjne narzęzia w baaniach roślinności wysokopiennej o oceny warunków przepływu na terenach zalewowych. Stuia i Materiały Centrum Eukacji Przyroniczo-Leśnej, 11, 2 (21) Koziński, M., Kasprzak, K. (2005). Akustyczny Dopplerowski Przepływomierz Profilujący. Elementarz praktyczny. IMiGW, Warszawa Kozioł, A., Mirosław-Świątek, D. (2005). Analiza przepustowości koryta i oliny rzeki Biebrzy w Basenie Dolnym. Nauka Przyr. Technol., 3(3), s. 88 Kubrak, J. Nachlik, E. (2003). Hyrauliczne postawy obliczania przepustowości koryt rzecznych. Wyawnictwo SGGW, Warszawa Matuszkiewicz, J. (2001). Zespoły Leśne Polski. Wyawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Raecki-Pawlik, A. (2011). Hyromorfologia rzek i potoków górskich. Wyawnictwo UR, Kraków. The influence of the trees an bushes shaow on the changes of flow conitions in the lowlan watercourse Abstract. The article presents the analysis of influence of river be shaing by the trees an bushes on flow conitions on the selecte section of the Wełna River. The research area were selecte as the lying mutually ajacently sections of the river (one in a small grove, an the secon in the open fiel without of trees an shrubs). The flow rate an velocity istributions were etermine in the cross sections base on of fiel measurements. Aitionally, there were measure the ecrease in water tablean grain size curves evelope. The LAI inex were measurein the grove an the number an macrophytesspecies composition was escribe in the investigate cross sections. Base on the results, the impact of river be shaing by plant community were etermine ue to the shaping the geometry an flow resistance in the riverbe. Key wors: shaing of riverbe, flow conitions, roughness coefficient Zaakceptowano o ruku Accepte for print: Do cytowań For citation: Kałuża, T. (2015). Wpływ zacienienia przez rzewa i krzewy na zmiany warunków przepływu w korycie rzeki nizinnej. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 14(4), Formatio Circumiectus 14 (4) 2015