Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce

Transkrypt

1 Dariusz Wrzesiński Uniwersytet im. Adama Mickiewicza w Poznaniu, Zakład Hydrologii i Gospodarki Wodnej Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce Wstęp Prawidłowości zmienności wszelkich zjawisk zachodzących w rzece definiuje ustrój (reżim) hydrologiczny. Określa on stan i reakcje systemu rzecznego w relacji do systemu klimatycznego i cech fizycznogeograficznych dorzecza (Gutry-Korycka 2001). Reżim rzeczny można zdefiniować również jako rodzaj i strukturę czasową przepływów rzecznych w normalnym cyklu rocznym. Elementami tej struktury są tzw. okresy hydrologiczne, które są narzędziem badania reżimu i podstawą jego charakterystyki (Rotnicka 1988). Charakterystyki reżimu odpływu mogą być traktowane jako preferowane stany systemu odpływu, które są mniej lub bardziej stabilne. Pod wpływem zmieniających się warunków klimatycznych i antropopresji reżim odpływu może ulec destabilizacji i zmienić się w inny, czasem z wyraźnie odmiennymi prawidłowościami sezonowości wysokich i niskich wód, zakłócając w ten sposób ustalone warunki hydroekologiczne i użytkowanie wody. Znaczenie takiej zmiany w oczywisty sposób zależy od wrażliwości poszczególnych charakterystyk reżimu na zmieniający się klimat (Krasovskaia i Gottschalk 2002) lub na intensywność i rodzaj ingerencji człowieka w stosunki wodne. Identyfikację zmian w każdej prawidłowości, bez względu na ich przyczynę, musi poprzedzić prawidłowe rozpoznanie i opisanie stanu wyjściowego. Do określenia reżimu hydrologicznego rzek stosowane są różnorodne metody. Rozpoznanie prawidłowości zmienności odpływu opiera się zarówno na podejściach nadzorowanych, jak i nienadzorowanych (Pardé 1957, Dynowska 1971, Lwowicz 1979, Gottschalk 1985, Haines i in. 1988, Rotnicka 1988, Wrzesiński 2010). Interesująca jest metoda analizy i charakterystyki reżimu rzecznego drogą rozpoznania struktury czasowej zjawisk hydrologicznych i ich zmian w cyklu rocznym, która znalazła zastosowanie nie tylko w badaniach teoretycznych, ale także w badaniach o charakterze aplikacyjnym (Rotnicka 1988, Gutry-Korycka i Rotnicka 1998). Może być ona przydatna także w detekcji zmian cech reżimu odpływu i w ustalaniu stabilności cech reżimu w zmieniających się warunkach klimatycznych, czy wywołanych działalnością człowieka. W dotychczasowych badaniach autora metoda ta została wykorzystana do oceny zmian cech reżimu odpływu rzek wywołanych zmiennym natężeniem Oscylacji Północnoatlantyckiej (Wrzesiński 2004, 2005, 2008, 2010).

2 60 Dariusz Wrzesiński Celem pracy jest detekcja zmian cech reżimu odpływu rzek w Polsce, ustalenie prawidłowości ich zmienności w okresie wieloletnim i w cyklu hydrologicznym oraz określenie ich przestrzennego zróżnicowania. W pracy zastosowano metodę identyfikacji zmian cech reżimu wodnego rzek na podstawie analizy podobieństwa rozkładu częstości przepływów wody w elementarnych jednostkach czasu (pentadach) w 20-letnich podokresach do wartości przeciętnych. Analizie poddano codzienne przepływy ze 159 profili hydrometrycznych zlokalizowanych na 94 rzekach w Polsce z lat (rys. 1). Rys. 1. Położenie profili Rys. hydrometrycznych 1. Położenie w Polsce profili hydrometrycznych w Polsce Metody badań W pracy zastosowano metodę określania zmian reżimu rzecznego drogą rozpoznania podobieństwa cech elementarnych jednostek czasowych roku hydrologicznego w okresach 20-letnich do wartości przeciętnych z możliwie długiego wielolecia, której merytoryczne podstawy zawiera praca Wrzesińskiego (2010b). Jako elementarną jednostkę czasową przyjęto pięciodniowy odcinek czasu, czyli pentadę, a jako cechę grupowania wartość przepływu. Cechę grupowania opisano zmienną x, którą przedstawiono w postaci rozkładu częstości przepływu wody. Rok kalendarzowy składa się z 73 pentad, a każdą z nich reprezentuje pięć wartości przepływu wody. W pierwszym etapie analizy określono rozkłady częstości przepływu wody w poszczególnych pentadach roku dla okresu wieloletniego ( ), a następnie dla okresów 20-letnich z przesunięciem o 1 rok. Przy uwzględnieniu 60-letniego okresu obserwacji uzyskuje się dla każdej pentady roku 300-elementowy zbiór wartości przepływów (5 dni x 60 lat), a dla okresów 20-letnich

3 Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce 61 odpowiednio zbiory stuelementowe. Zbiory te uporządkowano ustalając częstość występowania przepływu w kolejnych przedziałach wartości przepływu rzecznego. Następnie skumulowano częstości przepływu od wartości przedziału najwyższego do najniższego. Na podstawie skumulowanych częstości przepływów obliczono wartości empirycznych dystrybuant rocznego zbioru pentad. Wzajemne podobieństwa dwóch zbiorów składających się z 73 rozkładów przepływów wody (między zbiorem wieloletnim z lat a kolejnymi 20-letnimi) ustalono za pomocą nieparametrycznego testu zgodności Kołmogorowa-Smirnowa. Dla porównywanych rozkładów obliczono bezwzględne wartości różnic między dystrybuantami empirycznymi ( n, k n ) i wyznaczono charakterystykę p D, która jest różnicą maksymalną: Statystyka λ jest postaci λ = D D = max nk ( x) n p ( x) nk n p n, gdzie n =, n n + n k, n p liczebność prób, na podstawie których utworzono dystrybuanty empiryczne. Ma ona rozkład Kołmogorowa. Testując hipotezę H 0 o zgodności pary rozkładów, sprawdzano ją na poziomach istotności α = 0,05 i α = 0,01. Dla prób o liczebności odpowiednio 300 i 100 elementów podtrzymanie hipotezy H 0 uzyskuje się λα w przypadku, gdy λ < λ α, czyli D n < λ α, D <. Podstawiając z rozkładu Kołmogorowa wartości n krytyczne dla α = 0,05 i α = 0,01, otrzymujemy maksymalne różnice dla D odpowiednio: 0,05 1,36 D 0,157, n ,01 1,63 D 0, 188 n Jeżeli, to różnica mię Jeżeli D < 0, 157, to różnica między rozkładami jest nieistotna, a zatem rozkłady są podobne, gdy 0,157 D < 0, 188, to różnica między rozkładami jest prawdopodobnie nieistotna, a gdy D 0,188, to różnica między rozkładami jest istotna, a rozkłady są niepodobne. Przykład obliczania charakterystyki D dla dwóch okresów 20-letnich i przedstawiono w tabeli 1. k p

4 62 Dariusz Wrzesiński Tabela 1. Przykład obliczania charakterystyki D dla okresów 20-letnich i (Warta w profilu Poznań) Przedziały przepływów wody po standaryzacji Discharge intervals after standardisation Dystrybuanty empiryczne przepływów w wybranych pentadach roku Empirical distribution functions of water discharges for chosen pentades of the year Wartości charakterystyki D Value of D statistics n1 n2 n73 n1 n2 n73 n1 n2 n73 n1 n2 n73 n1 n2 n73 12,0 12, ,5 11, ,0 11, ,5 10, ,0 10, ,5 9, ,0 9, ,5 8, ,0 8, ,5 7, ,0 7, ,5 6, ,0 6, ,5 5, ,0 5, ,5 4,99 0, , , ,0 4,49 0,017-0, ,017-0,003 0,017-0,003 3,5 3,99 0,017 0,017 0, ,017 0,017 0,007 0,017 0,017 0,007 3,0 3,49 0,017 0,017 0, ,017 0,017 0,007 0,017 0,017 0,007 2,5 2,99 0,017 0,017 0, ,017 0,017 0,010 0,017 0,017 0,010 2,0 2,49 0,017 0,017 0, ,017 0,017 0,013 0,017 0,017 0,013 1,5 1,99 0,017 0,033 0, ,017 0,033 0,017 0,017 0,033 0,017 1,0 1,49 0,033 0,033 0, ,033 0,033 0,020 0,033 0,033 0,020 0,50 0,99 0,100 0,103 0,080 0,020 0,020-0,080 0,100 0,050 0,080 0,083 0,080 0,020 0,003 0, ,49 0,217 0,223 0,227 0,100 0,100 0,080 0,250 0,250 0,300 0,117 0,123 0,147 0,033 0,027 0,073-0,50 0,0 0,543 0,620 0,540 0,380 0,470 0,350 0,630 0,680 0,620 0,163 0,150 0,190 0,087 0,060 0,080-1,0-0,5 0,950 0,950 0,950 0,850 0,850 0,850 1,000 1,000 1,000 0,100 0,100 0,100 0,050 0,050 0,050-1,5-1,0 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Wartości maksymalne D zostały pogrubione.

5 Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce 63 Procedura testowania pozwala na ocenę skali podobieństwa rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach roku kolejnych okresów 20-letnich do okresu wieloletniego ( ). Brak podobieństwa rozkładów świadczy o istotnej statystycznie różnicy w strukturze przepływów obserwowanych w porównywanych pentadach roku okresu 20-letniego i wyjściowego, podstawowego okresu wieloletniego. Odstępstwo od przyjętej normy, prawidłowości wieloletniej, informuje zatem o zmianie i destabilizacji reżimu odpływu. Metoda ta pozwala również na procentowe określenie udziału rozkładów podobnych, prawdopodobnie podobnych i niepodobnych dla poszczególnych pentad roku, jak i dla kolejnych okresów 20-letnich. Dzięki temu można określić termin, w którym nastąpiły największe zmiany w rozkładach częstości przepływów wody (destabilizacja reżimu), zarówno w układzie sezonowym, jak i w całym analizowanym wieloleciu. Wyniki Analiza procentowego udziału rozkładów podobnych i prawdopodobnie podobnych dla poszczególnych pentad roku, jak i dla kolejnych okresów 20-letnich pozwoliła na ich porównanie i określenie rzek o najbardziej zmiennych i stabilnych parametrach cech reżimu odpływu w cyklu rocznym i w wieloleciu. W procedurze klasyfikacji badanych rzek wykorzystano metodę grupowania hierarchicznego Warda. Liczbę klas typologicznych ustalono na podstawie geometrii dendrogramu i krzywej odległości wiązania. Przedział poziomu grupowania w obu wariantach klasyfikacji wyniósł E.S.S. = 5. Badane rzeki podzielono na 8 grup ze względu na udział podobnych rozkładów przepływów w kolejnych okresach 20-letnich (rys. 2) oraz na 7 grup ze względu na udział podobnych rozkładów przepływów w 73 pentadach cyklu hydrologicznego (rys. 3). Rys. 2. Dendrogram grupowania rzek metoda Warda. Klasyfikacja rzek z punktu widzenia udziału podobnych rozkładów przepływów w kolejnych okresach 20-letnich

6 64 Dariusz Wrzesiński Rys. 3. Dendrogram grupowania rzek metoda Warda. Klasyfikacja rzek z punktu widzenia udziału podobnych rozkładów przepływów w 73 pentadach cyklu hydrologicznego Typologia rzek ze względu na udział podobnych rozkładów przepły Rys. 4. Typologia rzek ze względu na udział podobnych rozkładów przepływów w kolejnych okresach 20-letnich W pierwszym wariancie klasyfikacji najmniejsze zmiany cech reżimu odpływu w okresie wieloletnim reprezentują rzeki grup 6, 7 i 8 (121 analizowanych serii przepływów). Położone są na obszarze całego kraju, przy czym przestrzennie dużą koncentrację rzek o najbardziej stabilnych cechach reżimu (grupa 6) stanowią karpackie dopływy Wisły rys. 4. Rzeki pozostałych grup są rozproszone, a zmiany warunków odpływu zazwyczaj wynikają z ingerencji człowieka w obieg wody. Największe zmiany reżimu odpływu obserwuje się na nielicznych rzekach skupionych w grupie 3 (Kłodnica) i 4 (Biała Przemsza, Noteć Zachodnia). Położone są one na obszarach silnie

7 Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce 65 zurbanizowanych, uprzemysłowionych i przekształconych w wyniku gospodarczej działalności człowieka. Mniejsze zmiany reżimu w okresie wieloletnim dotyczą rzek grupy 1 (Brynica, Czarna Przemsza, Ina, Wda, Łasica) i 2 (Narew z dolną Biebrzą i Supraślą, Drwęca z rzeką Wel, Drawa, Ner), zlokalizowanych w różnych regionach kraju. Reprezentują one przemiany reżimu wynikające głównie z lokalnych przeobrażeń warunków odpływu na skutek m.in. melioracji czy technicznej zabudowy koryt rzek, ale także poboru i zrzutu wód w wyniku działalności gospodarczej, przemysłowej i komunalnej. Zaobserwowane zmiany przypadają na lata 60. i 70. XX wieku, a w przypadku rzek grupy 4 na lata oraz po roku 1975 rys. 5. Rys. 5. Zakres zmienności udziału podobnych rozkładów przepływów w kolejnych okresach 20-letnich w wyróżnionych grupach rzek (1,0 = 100%)

8 66 Dariusz Wrzesiński W drugim wariancie klasyfikacji większość rzek o stabilnej sekwencji okresów hydrologicznych w cyklu rocznym i wysokości odpływów (grupa 1 i 2) charakteryzuje się też stabilnym reżimem w okresie wieloletnim (grupa 6 w I wariancie klasyfikacji) rys. 6. Pozostałe grupy (3-7) skupiają rzeki charakteryzujące się zmianami przepływów w cyklu rocznym. O wyróżnieniu tych grup decydował głównie termin wystąpienia odchyleń od warunków przeciętnych i ich skala. Zaobserwowane zmiany cech reżimu odpływu przypadają na następujące terminy roku hydrologicznego: zima i wiosna rzeki grupy 4 (Narew, Biebrza, Supraśl), lato i jesień rzeki grupy 5 i 6 (np. Pilica, Brda, Drawa, Ina, dolna Nysa Kłodzka i Warta), jesień i zima rzeki grupy 7 (Barycz, Ołobok, Ner, Wda, Wełna, Łasica), cały rok rzeki grupy 3 (Noteć Zachodnia, Biała Przemsza) rys. 7. Rys. 6. Typologia rzek ze względu ypologia na udział rzek ze podobnych względu na rozkładów udział podobnych przepływów rozkładów w 73 pentadach przepływ cyklu hydrologicznego

9 Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce 67 Rys. 7. Zakres zmienności udziału podobnych rozkładów przepływów w 73 pentadach cyklu hydrologicznego (1,0 = 100%)

10 68 Dariusz Wrzesiński Wnioski W pracy dokonano analizy zmian cech reżimu odpływu rzek w Polsce, wykorzystując wcześniej zaproponowaną przez autora metodę ich detekcji. Stabilność charakterystyk reżimu odpływu polskich rzek jest przestrzennie i czasowo zróżnicowana. Zmiany warunków klimatycznych, a zwłaszcza antropopresja, destabilizują warunki odpływu, a zatem i cechy reżimu odpływu. Zmiany wywołane ingerencją człowieka w obieg wody są gwałtowniejsze i wyraźniejsze, przez co łatwiejsze do zidentyfikowania. Ustalenie charakteru transformacji reżimu odpływu wywołanych zmianami i zmiennością klimatu wymaga dalszych szczegółowych analiz bazujących na materiale synchronicznym, ale też statystycznie jednorodnym, odnoszącym się do obiektów o quasi-naturalnych warunkach odpływu. Zastosowana metoda pozwala na bezpośrednią detekcję zmian w reżimie odpływu, ale nie wskazuje na kierunek tych zmian. Szczególnie przydatna może być w analizie reżimu pojedynczych rzek lub grupy rzek o podobnych warunkach środowiskowych kształtowania odpływu. Analizę grupową należy przeprowadzać z zachowaniem jednorodności materiału hydrometrycznego, co ułatwi wykrycie zmian wywołanych zmiennością warunków klimatycznych. Należy spodziewać się, że zmiany reżimu odpływu wywołane czynnikiem klimatycznym są bardziej jednorodne, a przestrzenne zróżnicowanie wynika z regionalnej zmienności odpływu, wrażliwości systemu hydrologicznego i warunków fizycznogeograficznych zlewni, głównie pokrycia terenu, litologii utworów powierzchniowych i budowy hydrogeologicznej. Działalność człowieka wywołuje wielokierunkowe i przestrzennie zróżnicowane zmiany reżimu ze względu na różny charakter, termin i miejsce ingerencji w warunki odpływu. W przypadku rzek o reżimie zaburzonym merytorycznie uzasadnione wydaje się przyjęcie za okres kalibracji (reżimu wyjściowego), zamiast warunków przeciętnych z wielolecia, danych hydrometrycznych z lat sprzed ingerencji człowieka. Literatura Dynowska I Typy reżimów rzecznych w Polsce. Zeszyty Naukowe UJ, CCLXVIII, Prace Geogr., 28, ss Gottschalk L Hydrological regionalisation of Sweden. Hydrological Sciences Journal, 30: Gutry-Korycka M., Rotnicka J The hydrological regime of rivers in the light of scenarios of global climatic change, Geographia Polonica, Papers on Global Change, series 71: Gutry-Korycka M. (red.) Geograficzne uwarunkowania ustroju rzek. WGSR UW, Warszawa. Haines A.T., inlayson B.L., McMahon T.A A global classification of river regimes. Applied Geography, 8: Krasovskaia I., Gottschalk L River flow regimes in a changing climate. Hydrological Sciences Journal, 47(4): Lwowicz M.I Zasoby wodne świata. PWN, Warszawa, ss Pardé M Rzeki. PWN, Warszawa, ss Rotnicka J Taksonomiczne podstawy klasyfikacji reżimu rzecznego (na przykładzie zlewni Odry i rzek Przymorza), Wyd. UAM, Seria Geografia, 40, ss. 130.

11 Transformacje reżimu odpływu rzek w Polsce 69 Wrzesiński D low regimes of rivers of northern and central Europe in various circulation periods of the North Atlantic Oscillation (NAO). XXIII Nordic Hydrological Conference, NHP Report 48, Tallinn: Wrzesiński D Changes of the hydrological regime of rivers of northern and central Europe in various circulation periods of the North Atlantic Oscillation. Quaestiones Geographicae, 24: Wrzesiński D Typology of spatial patterns seasonality in European rivers flow regime. Quaestiones Geographicae 27A/1: Wrzesiński D Przestrzenne zróżnicowanie stabilności reżimu odpływu rzek europejskich. Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Seria Studia i Prace z Geografii i Geologii 3, Poznań, ss Wrzesiński D. 2010b. Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach W: Wrzesiński D. (red.), Odpływ rzeczny i jego regionalne uwarunkowania. Bogucki Wydawnictwo Naukowe, Poznań: low regime transformations in Polish rivers Keywords: hydrological regime, detection of changes, typological classification, Ward s hierarchical clustering method Summary This study sought to detect changes in the flow regime of rivers in Poland. Certain patterns were detected in the variability of river flow characteristics over a multi-year period and in a hydrological cycle; spatial patterns were evident as well. To identify changes in the features of the streamflow regime, the distribution of discharge frequencies in elementary time units (pentads) in the successive 20-year sub-periods was compared against the average values. This allowed to determine dates with the greatest changes in the distribution of streamflow frequencies (regime destabilisation), both in the seasonal pattern and in the multi-year period. The analysis embraced daily flows from the years recorded at 159 gauging stations located on 94 Polish rivers.