UŁOŻENIE I KSZTAŁT OTOCZAKÓW A MIKROFORMY KORYTOWE TYPU PEBBLE CLUSTER. Dorota Giriat, Karolina Kosieradzka, Urszula Roszczęda **

Transkrypt

1 Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 9 (3) 2010, 3 22 UŁOŻENIE I KSZTAŁT OTOCZAKÓW A MIKROFORMY KORYTOWE TYPU PEBBLE CLUSTER Dorota Giriat, Karolina Kosieradzka, Urszula Roszczęda ** Uniwersytet Warszawski Streszczenie. Określenie stanu systemu korytowego wymaga rozpoznania zależności pomiędzy siłą transportową wody, morfologią koryta oraz cechami sedymentologicznymi materiału dennego i ich właściwościami hydraulicznymi. Celem badań było poznanie relacji między ułożeniem i kształtem otoczaków a typem mikroform na powierzchni odsypów korytowych i w rezultacie ustalenie, czy mogą one być pomocne w ocenie stabilności koryta na danym odcinku oraz dynamiki środowiska sedymentacyjnego. Pomiary wykonano na wybranych odcinkach badawczych wzdłuż biegu koryt potoków Rycerki i Danielki w Beskidzie Żywieckim. Na powierzchni wynurzonych odsypów udokumentowano fotograficznie mikroformy korytowe oraz zmierzono ułożenie i kształt we frakcjach mm, mm, mm i mm. Stwierdzono, że w osadach korytowych dominują głównie klasty spłaszczone i wydłużone. Największe badane frakcje zachowują ułożenie z transportu w trakcji i są uruchamiane jedynie podczas dużych wezbrań. Inicjują również tworzenie mikroform typu obstacle clast. Ułożenie poprzeczne klastów świadczy o gwałtownym opadaniu fali wezbraniowej. Ziarna frakcji mm układają się dachówkowato. W czasie transportu przemieszczają się saltacyjnie, a w wyniku spadku siły transportowej ulegają reorientacji. Imbrykację stwierdzono w brzeżnej strefie odsypów. Mikroformy płaskiego dna (open bed), zlokalizowane w części środkowej i dystalnej odsypów, tworzą najdrobniejsze frakcje. Otoczaki zorientowane podłużnie lub chaotycznie leżą płasko. Ze względu na małą prędkość przepływu zachowują one w znacznym stopniu pozycję z transportu, stąd ich bezkierunkowe ułożenie. Badania sedymentologiczne w nawiązaniu do parametrów hydraulicznych koryta mogą pomóc określić rozkład naprężeń działających na dno i lokalny reżim przepływu. Słowa kluczowe: rumowisko, ułożenie, kształt, formy denne małej skali WSTĘP Funkcjonowanie systemu korytowego jest jednym z kluczowych geomorfologicznych problemów badawczych i podstawą w planowaniu prac, np. regulacyjnych lub renaturyzacyjnych [Rosgen 1994, Bojarski i in. 2005]. Koncepcja geometrii hydraulicznej Adres do korespondencji Corresponding author: dr Dorota Giriat, Zakład Geomorfologii Wydział Geografii i Studiów Regionalnych, Uniwersytet Warszawski, ul. Krakowskie Przedmieście 30, Warszawa, e mail: dagiriat@uw.edu.pl.

2 4 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda umożliwia opis aktualnego stanu koryt, pozwala również rekonstruować minione procesy i przewidywać tendencje rozwoju koryt rzecznych [Zwoliński 1989]. Określenie stanu koryta według zasad geometrii hydraulicznej wymaga rozpoznania jego parametrów morfologicznych i hydraulicznych. Często jednak, w zależności od problemu i podejścia badawczego (hydrauliczne, hydrologiczne, geomorfologiczne, sedymentologiczne), zachowania wody i rumowiska są analizowane jako zjawiska odrębne, co może utrudniać pełne wyjaśnienie dynamiki procesów korytowych. W badaniach transportu rumowiska powszechnie stosowany jest parametr wielkości ziarna (klastów, otoczaków), wiadomo przy tym, że na mobilność poszczególnych frakcji wpływ wywiera nie tylko ich średnica, lecz również kształt, obtoczenie, ułożenie, występowanie i rodzaj obrukowania [Nawara 1964, Froehlich 1982, Bartnik 1992, Schmidt i Ergenzinger 1992, Powell 1998, Wyżga 2004, Malarz 2005, Owczarek 2007]. Każdy typ koryta rzecznego ma także charakterystyczne formy depozycyjne dużej i małej skali, np.: riplemarki, pręgi, odsypy [Gradziński i in. 1986, Zieliński 1998]. Rozwój form korytowych jest dobrze rozpoznany w przypadku rzek piaskodennych [Schumm 1977, Miall 1985, Carling i in. 1992, Zieliński 1998]. Typowymi formami depozycyjnymi w korytach żwirodennych są odsypy: językowe, listwowe, półksiężycowe, zakolowe [Teisseyre 1991, Montgomery i Buffington 1997]. Z uwagi na transportowany przez te rzeki gruboziarnisty materiał nie można wyróżnić form małej skali. Występują natomiast nagromadzenia pojedynczych lub kilku otoczaków różnych frakcji na powierzchni większych form depozycyjnych lub na dnie samego koryta. Skupiska owe nazywane są microforms, cluster bedforms lub pebble clusters [Dal Chin 1968, Teisseyre 1977, Brayshaw 1984, Reid i in. 1992, de Jong i Ergenzinger 1995, Wittenberg 2002]. Rozwój tych struktur prowadzi do zróżnicowania warunków hydraulicznych i oporów ruchu [Dąbkowski i in. 1982, Bartnik 1992, Radecki-Pawlik 2002]. Teisseyre [1977] uznawał występowanie nagromadzeń otoczaków typu cluster bedform we współczesnych korytach rzecznych za wskaźnikowe dla stwierdzenia warunków przepływu nadkrytycznego. W świetle istniejących poglądów można założyć, że na stabilność koryta, kształtowanie warunków przepływu, proces sortowania osadów, włączanie materiału do transportu (sediment entrainment, sediment motion), a także na warunki biologiczne znaczący wpływ mają właśnie formy typu cluster bedform [Brayshaw 1984, Hassan i Reid 1990, Church i in. 1998, Radecki-Pawlik 2002]. Celem prezentowanych badań było poznanie relacji pomiędzy ułożeniem i kształtem otoczaków a typem mikroform na powierzchni odsypów korytowych w korytach żwirodennych, w rezultacie zaś ustalenie, czy mogą one być pomocne w ocenie stabilności koryta na danym odcinku oraz w jakim stopniu zdołają być wskaźnikowe dla określania procesów morfodynamicznych w korycie. MATERIAŁ I METODY Badania terenowe cech sedymentologicznych korytowych osadów gruboklastycznych przeprowadzone zostały w dwu wybranych potokach Beskidu Żywieckiego Rycerce i Danielce (rys. 1). Zlewnie obu potoków graniczą ze sobą i wykazują podobieństwo pod względem parametrów zlewni oraz budowy geologicznej i zagospodarowania (tab. 1). W osadach korytowych potoków wyraźnie dominują otoczaki piaskowcowe (ok. 76%), zlepieńce (ok. 10%) i łupki (ok. 3%) [Roszczęda 2008]. Acta Sci. Pol.

3 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 5 Rys. 1. Obszar badań A, klasyfikacja sieci rzecznej wg Hortona [1945] Fig. 1. Study area A, river classification acc. to Horton [1945] Morfologię badanych koryt potoków według typologii Montgomeryego i Buffingtona [1997] można określić następująco: źródłowe odcinki reprezentują typ koryt koluwialnych (colluvial), górny kaskadowo-basenowych (alluvial, step pool-cascade), a środkowe wymuszonych, progowo-basenowych (forced plane bed-step pool) oraz żwirowych płaskich (alluvial pool riffle-plane bed); w dolnym biegu dominuje układ wymuszony odsypowo-przemiałowy (forced riffle bar) [Giriat i in. 2008, Kosieradzka 2009]. W badanym terenie wysokość średnich opadów w półroczu zimowym wynosi mm, w półroczu letnim zaś mm. Półrocze letnie skupia 64% opadów, zimowe 36%, dlatego wezbrania notowane są zazwyczaj dwukrotnie w ciągu roku: wiosną oraz latem [Dynowska 1989, Malarz 2005, Roszczęda 2008]. Pomiary i obserwacje terenowe prowadzone były od lipca 2006 do maja 2008 roku i obejmowały wyłącznie strefę korytową. Badania wykonano w warunkach niskich stanów wody, na wynurzonych odsypach listowych, zakolowych i śródkorytowych. Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

4 6 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda Tabela 1. Charakterystyka fizyczna badanych zlewni i potoków Table 1. Physical characterisation of catchments and streams under study Rzeka River Powierzchnia zlewni Catchment area A, km 2 Długość zlewni Catchment length L, km Szerokość zlewni Catchment width B, km Forma zlewni Catchment form C f Wydłużenie zlewni Catchment elongation C w Zwartość zlewni Catchment compactness C z Rycerka 21,5 7,09 3,03 0,43 0,74 1,35 Danielka 11,9 8,62 1,38 0,16 0,45 1,54 Rzeka River Wysokość zlewni, m n.p.m. Catchment elevation, m a.s.l. H max H min Deniwelacja zlewni Catchment altitude difference H, m Spadek zlewni Catchment slope R, Krętość rzeki River sinusoity Średni spadek rzeki Mean river slope, Rycerka ,10 1,14 71,33 Danielka ,94 1,19 45,23 Analizy kształtu i ułożenia przeprowadzano we frakcjach: mm, mm, mm, mm. Każda próbka składała się z pięćdziesięciu otoczaków, przy czym mierzono jedynie otoczaki piaskowcowe. W przypadku braku dostatecznej liczby klastów z danej frakcji mierzono wszystkie znajdujące się na danym poletku badawczym. Starano się, aby minimalna liczba zmierzonych otoczaków wynosiła nie mniej niż trzydzieści dwa. Kształt określono poprzez pomiar trzech osi każdego otoczaka: a osi długiej, b osi średniej, c osi krótkiej, oraz zastosowanie klasyfikacji Sneeda i Folka [1958]. Obliczono również wskaźniki spłaszczenia (a + b)/2c i wydłużenia (c + b)/a [Wentworth 1922]. Na każdym stanowisku badawczym na powierzchni wynurzonych odsypów zmierzono azymut i upad otoczaków z danego przedziału frakcji, a wyniki przedstawiono na stereogramach równokątowych (półkula górna) programu StereoNett. Zarówno azymut, jak i upad były mierzone względem najdłuższej osi a otoczaków; jedynie w przypadkach, gdy głaziki były wyraźnie pochylone krótszą osią, mierzono upad osi średniej b. Aby rozpoznać mikroformy korytowe zlokalizowane w obrębie większych form depozycyjnych wykonano szczegółowe kartowanie struktury koryta oraz dokumentację fotograficzną. Rozpoznanie mikroform: comet cluster rozerwane pierścieniowe nagromadzenie otoczaków, complex cluster, C kompleks otoczaków, heap cluster chaotyczne nagromadzenie otoczaków, imbrications, IM ułożenie dachówkowate podłużne, line cluster dachówkowate ułożenie poprzeczne otoczaków, mega cluster, MCl przeszkoda głazowa, Acta Sci. Pol.

5 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 7 multiple obstacle cluster, MOC złożona przeszkoda otoczakowa, obstacle clast, OC pojedyncza przeszkoda otoczakowa, ring-shaped cluster pierścieniowe nagromadzenie otoczaków, transverse ribs, TR progi poprzeczne, unclustered bedforms, OBN, OBI nieuporządkowane płaskie dno, przeprowadzono wg typologii przedstawianych w pracach Teisseyre a [1977], de Jonga i Ergenzingera [1995], Wittenberg [2002] oraz Stroma i Papanicolaou [2007]. Przedstawione wyżej polskojęzyczne określenia różnych typów mikroform są jedynie propozycją. Do chwili obecnej terminologia polska dotycząca nagromadzeń otoczaków nie została jednoznacznie opracowana. Aby usprawnić badania i opis mikroform, zastosowano symbole opracowane przez Wittenberg [2002], przy czym w przypadku imbrykacji krótszą osią (b) do oznaczenia IM dodano literę k : IMk. WYNIKI Kształt otoczaka determinowany jest przede wszystkim petrografią, a jego wielkość nie ma wpływu na przybieranie danej formy [Unrug 1957, Rutkowski 2007]. Podczas transportu może on jednak poprzez proces sortowania ulegać przekształceniom i wraz z obtoczeniem być wskaźnikiem, np. długości drogi transportu. W potokach Rycerka i Danielka kształt rumowiska w wybranych frakcjach analizowano tylko na ziarnach piaskowcowych. W potoku Danielka dominują otoczaki spłaszczone i wydłużone (klinga VB, very bladed), jednakże ich udział z biegiem rzeki stopniowo maleje i jedynie we frakcji mm następuje wzrost udziału z 38,3% w odcinku górnym D4 do 50% w odcinku dolnym D1 (rys. 2A). We wszystkich badanych frakcjach z biegiem rzeki zaznacza się wzrost udziału otoczaków o kształtach ekstremalnych, np. bardzo spłaszczonych (VP very platy, lub VE very elongated). Zmiana formy jest najbardziej widoczna we frakcji mm pomiędzy odcinkiem górnym D4 (2% dysków P) i środkowym D2 (56% P) (rys. 2A). Otoczaki wydłużone (kształt walca E, elongated) wykazują ogólnie również z biegiem rzeki pewną tendencję spadkową na korzyść ziaren bardzo wydłużonych (VE), osiągając w dolnym biegu potoku D1 nawet 24%. Ziarna izometryczne (C compact, CP, CB, CE) prawie nie występują, a największy ich udział (ok. 6 8%) notowany jest wyłącznie we frakcji mm. W potoku Rycerka spłaszczone i wydłużone otoczaki (P, B lub E) we wszystkich badanych frakcjach stanowią 10 23% ziaren (rys. 2B, R3). Charakterystyczny jest następujący z biegiem rzeki spadek udziału otoczaków bardzo płaskich i wydłużonych (VP, EB i VE), np. we frakcji mm o ok. 10%, we frakcji mm o ponad 15%, a we frakcji mm o ok. 30% (rys. 2B). Otoczaki o kształcie klingi (B) prawie nie wykazują zmian w najmniejszej badanej frakcji, osiągając wzdłuż całego potoku 31 35%. Ich udział natomiast dość znacznie wzrasta we frakcji mm: z 22 % w odcinku górnym R1 do 48% w odcinku dolnym R5. W największej frakcji dominują otoczaki o kształcie VB (ok. 60%). Podobnie jak w Danielce, otoczaki o kształcie kuli mają mały udział i wykazują również spadek w miarę przechodzenia w dół rzeki. Najwięcej otoczaków sferoidalnych, lecz lekko wydłużonych (CE) zanotowano we frakcji mm (ok. 4 8%) (rys. 2B). Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

6 8 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda Rys. 2. Kształt otoczaków wg klasyfikacji Sneeda i Folka [1958]; A Danielka, B Rycerka, R1 R5, D1 D5 odcinki pomiarowe, D5 bez wyróżniania frakcji, podcięcie brzegowe terasy o wys. 3,2 m i dł. 6 m, R4 bez wyróżniania frakcji, odcinek przełomowy Acta Sci. Pol.

7 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 9 Fig. 2. Pebble shape acc. Sneed and Folk [1958]; A Danielka, B Rycerka, R1 R5, D1 D5 measurement reaches, D5 all pebble sizes, terrace cut-bank of 3.2 m height and 6 m length, R4 all pebble sizes, water gap reach Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

8 10 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda Analiza wskaźników spłaszczenia, wydłużenia oraz kulistości potwierdziła cechy kształtu rumowiska w obu potokach określone wg klasyfikacji Sneeda i Folka [1958]. Osady obu potoków: Danielki i Rycerki, cechują się wysokim spłaszczeniem, a najwyższe wartości wskaźnika mają frakcje mm w górnych odcinkach potoków. Jednocześnie wszystkie badane otoczaki charakteryzują się znacznym wydłużeniem (powyżej 1,5) (rys. 3). Rys. 3. Średnie wartości wskaźników kształtu; 1 wskaźnik spłaszczenia, 2 wskaźnik wydłużenia [Wentworth 1922]; A Danielka, B Rycerka Fig. 3. Mean values of shape indices; 1 flatness index, 2 elongation index [Wentworth 1922]; A Danielka, B Rycerka Orientacja otoczaków w obu badanych potokach wskazuje na przewagę ułożenia podłużnego, jednak pewną tendencję do zmiany orientacji na poprzeczną obserwuje się w dolnych odcinkach rzek, szczególnie w przypadku większych frakcji (wzrost udziału o ok %) (rys. 4A B). Najwyższy udział otoczaków zorientowanych podłużnie zauważono w górnym biegu obu potoków, we frakcjach i mm. Cechą charakterystyczną jest również chaotyczne ułożenie wzdłuż całego biegu potoków, szczególnie wśród drobnych frakcji. Średnie wartości upadu otoczaków w obu analizowanych potokach wynoszą (rys. 4A B). Najniższe wartości pochylenia zanotowano we frakcji mm. W obu potokach można także zauważyć tendencję do wzrostu stopnia pochylenia, w tej frakcji Acta Sci. Pol.

9 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 11 Rys. 4. Ułożenie otoczaków; A Danielka, B Rycerka (diagram równokątowy, górna półkula); Fig. 4. Pebble orientation; A Danielka, B Rycerka (equal-angle projection, upper hemisphere); Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

10 12 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda z biegiem rzeki, np. pomiędzy odcinkami pomiarowymi D3 i D2 oraz R1 i R3, oraz ponowne zmniejszenie upadu w odcinkach ujściowych obu rzek (rys. 4A B). Największe pochylenie w obu potokach mają największe badane frakcje, ale z tendencją spadkową w dół rzeki. Najwyższe wartości upadu zanotowano w odcinkach górnych potoków, np. D4 29,6, oraz R1 32,8 (rys. 4A B). Charakterystyczny jest również znaczny udział otoczaków leżących płasko, od kilkunastu w największych frakcjach do ponad 50% we frakcjach najmniejszych. Zauważono ponadto w każdym odcinku badanych potoków i w każdej z analizowanych frakcji występowanie otoczaków ustawionych pionowo (pochylenie 90 ), jednak brak jest jakiejkolwiek tendencji do przyjmowania takiego upadu osią najdłuższą a, lub pośrednią b. Depozycyjne formy dna małej skali w rzekach żwirodennych tworzą nagromadzenia otoczaków zwane pebble clusters [Teisseyre 1977]. Jedną z typowych form jest imbrykacja, czyli ułożenie dachówkowe otoczaków, z najdłuższą osią lub płaszczyzną największego przekroju zapadającą pod prąd [Pettijohn 1957, Johansson 1963, Gradziński i in. 1986, Teisseyre 1977]. W analizowanych potokach Beskidu Żywieckiego wielokrotnie zauważono nagromadzenia otoczaków ułożonych dachówkowato, jednak z dominującą tendencją do zapadania pod prąd osią krótszą b. Ponadto stwierdzono również występowanie w górnym biegu (D4 i R1) różnej wielkości form obstacle clast pojedynczych przeszkód otoczkowych (OC), mega luster przeszkód głazowych (MC), line cluster ułożenia dachówkowatego poprzecznego na brzegach koryt oraz, na środku lub w części dystalnej odsypów listwowych, nieuporządkowanych form płaskiego dna z piaskiem open bed interlocked with sand (OBIS) (rys. 5A B). W środkowym biegu potoków (D4 i R2) na powierzchni odsypów również występowała imbrykacja krótszą osią (IMk) oraz formy OBIS. W proksymalnej (doprądowej) części odsypu stwierdzono heap cluster otoczaki ułożone chaotycznie, luźno, jedne na drugich, nietworzące wyraźnej jednolitej powierzchni, oraz ring cluster otoczaki zorganizowane w zwartą formę koła, którego środek wypełniały osady drobniejszych frakcji (rys. 6A B). Były to jednak formy pojedyncze, często słabo rozwinięte i dlatego trudne do jednoznacznego sklasyfikowania. W odcinkach środkowych potoków (D2 i R3) wyraźnie zwiększała się liczba mikroform. Występowało niezmiennie ułożenie dachówkowate IMk oraz IM, a także chaotyczne nagromadzenia otoczaków heap cluster, kompleksowe nagromadzenia otoczaków complex cluster (CC), i formy płaskiego dna open bed non interlocked (OBN) na środku lub w części zaprądowej odsypów. W tych odcinkach potoków zauważono ponadto pojawianie się wynurzonych ponad lustro wody pojedynczych mikroform depozycyjnych, które nie stanowiły części odsypów. Jedną z nich tworzyła niepełna forma pojedynczej otoczakowej przeszkody obstacle clast (OC), bez strefy zaprądowej (wake), na odcinku R3. Innym przykładem może być odcięta od łachy śródkorytowej forma przeszkody głazowej mega cluster, której podstawą były dwa większe otoczaki. Na tym odcinku dostrzeżono także istnienie line cluster ułożenia dachówkowatego poprzecznego na brzegach odsypów, oraz progów poprzecznych transverse ribs, zarówno w obrębie samego koryta, jak i na powierzchni wynurzonych łach. Acta Sci. Pol.

11 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 13 kierunek przepływu flow direction Rys. 5. Mikroformy korytowe w górnym biegu potoków; A Danielka: 1 OC, IMk, 2 OC, IMk, pebble cluster, 3 OBIS, OC; B Rycerka: 1 OBIS, IMk, 2 OBI, 3 OBN Fig. 5. Pebble clusters in the upper reach of streams; A Danielka: 1 OC, IMk, 2 OC, IMk, pebble cluster, 3 OBIS, OC; B Rycerka: 1 OBIS, IMk, 2 OBI, 3 OBN W dolnym biegu rzeki (D1 i R5) stwierdzono dominację chaotycznego nagromadzenia otoczaków heap cluster, imbrykację osią krótszą IMk, formy typu przerwanego pierścienia comet cluster, kilka pojedynczych przeszkód otoczakowych obstacle clast, i przeszkody głazowe mega cluster, oraz formy płaskiego dna: open bed non interlocked (OBN) (rys. 7A B). Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

12 Rys. 6. Mikroformy korytowe w środkowym biegu potoków; A Danielka: 1 IM, 2 IMk, 3 OBN, line cluster, 4 IMk, IM, OBN, heap cluster; B Rycerka: 1 IM, heap cluster, 2 OBN, heap cluster, 3 OC, 4 MC, pebble cluster, 5 CC, OBI Fig. 6. Pebble clusters in middle reach of streams; A Danielka: 1 IM, 2 IMk, 3 OBN, line cluster, 4 IMk, IM, OBN, heap cluster; B Rycerka: 1 IM, heap cluster, 2 OBN, heap cluster, 3 OC, 4 MC, pebble cluster, 5 CC, OBI kierunek przepływu flow direction 14 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda Acta Sci. Pol.

13 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 15 kierunek przepływu flow direction Rys. 7. Mikroformy korytowe w dolnym biegu potoków; A Danielka: 1 IMk, 2 IMk, heap cluster, 3 MC, 4 OBI, IMk, 5 OC, IMk, OBN, 6 OC, comet cluster; B Rycerka: 1, 2 OC, IMk, OBN, comet cluster Fig. 7. Pebble clusters in lower reach of streams; A Danielka: 1 IMk, 2 IMk, heap cluster, 3 MC, 4 OBI, IMk 5 OC, IMk, OBN, 6 OC, comet cluster; B Rycerka: 1, 2 OC, IMk, OBN, comet cluster Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

14 16 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda DYSKUSJA Stabilność koryt żwirodennych lub ich dostosowanie do zmian kooperacji przepływowej (przepływu wody wraz z całkowitym ładunkiem transportowanego przez rzekę rumowiska) jest w dużym stopniu zależna od obrukowania i charakterystycznych form dna występujących na danym odcinku rzeki. Ich rozwój i obecność warunkują parametry hydrauliczne koryta, m.in. głębokość (przy przepływie pełnokorytowym), spadek, kształt przekroju poprzecznego, prędkość przepływu, ale także cechy teksturalne rumowiska. Chociaż w przeważającym stopniu zarówno wysokość, jak i wielkość odsypów determinuje głębokość i spadek koryta, parametry rumowiska, takie jak wielkość ziarna, wysortowanie, kształt, upakowanie i ułożenie, wpływają także w istotny sposób na rozwój danej formy depozycyjnej, a tym samym na szorstkość, strukturę turbulencji i rozkład prędkości granicznych w profilu hydrometrycznym [Bartnik 1992, Zwoliński, 1998]. Zamierzeniem niniejszej pracy było poznanie relacji pomiędzy wybranymi parametrami tekstualnymi (ułożeniem i kształtem otoczaków) a typem form depozycyjnych małej skali w korytach żwirodennych. Pytanie badawcze brzmiało: Czy badania sedymentologiczne rumowiska są pomocne w ocenie stabilności koryta na danym odcinku oraz w jakim stopniu mogą być wskaźnikowe dla określania procesów morfodynamicznych w korycie? Analiza kształtu według Sneeda i Folka [1958] wykazała, że wzdłuż obu badanych potoków we wszystkich frakcjach dominują otoczaki spłaszczone i wydłużone (zdecydowana przewaga P, B oraz E). Jest to wyraźnie uwarunkowane litologią zlewni (wychodnie piaskowców grubo- i cienkoławicowych) oraz istotnie wpływa na orientację i tworzenie charakterystycznych form depozycyjnych małej skali w obu potokach. Ogólnie w geomorfologii przyjmuje się, że w rzekach żwirodennych dominuje imbrykacja z upadami największych powierzchni ziaren skierowanych pod prąd, a pochylenie maleje w dół rzeki. Dominujące ułożenie podłużne mają otoczaki największe, frakcje średniej wielkości układają się poprzecznie, a najmniejsze chaotycznie [np. Gradziński i in. 1986]. Uzyskane w Beskidzie Żywieckim wyniki wskazują jednak, że chociaż spłaszczone otoczaki zorientowane są w większości podłużnie, to tendencję taką wykazują mniejsze frakcje, tj mm i mm, które także często są ułożone bezkierunkowo i płasko. Ułożenie poprzeczne przyjmują natomiast wszystkie większe ziarna. Pochylenie wszystkich badanych frakcji wynosi ok. 20, w obu badanych potokach zauważono jednak wzrost pochylenia otoczaków drobnych z biegiem rzeki. Wpływ na to ma występowanie naturalnych przeszkód, np. wychodni skalnych, morfologia koryta na danym odcinku oraz właśnie dominująca spłaszczona forma ziaren. Orientacja otoczaka, tj. jego azymut i pochylenie, wiązana jest ze sposobem transportu i tempem sedymentacji. Największe badane frakcje zachowały zatem pozycję z transportu poprzez wleczenie lub toczenie. Gwałtowny spadek prędkości przepływu sprawił, że takie ziarna wydłużone i spłaszczone (typ B i P) osadziły się najszybciej, tworząc mikroformy dna typu mega clusters i obstacle clast. Inne stwierdzone w Danielce i Rycerce formy dna heap cluster oraz complex cluster, odnajdywane w części proksymalnej odsypów, głównie na odcinkach koryta o dużej krzywiźnie lub w dolnym biegu rzeki, również wykazywały podobną charakterystykę tekstualną. W pobliżu tych form lub w ich obrębie pochylenie mniejszych frakcji wzrastało. Zależność ta wyraźnie wskazuje na proces Acta Sci. Pol.

15 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 17 utykania ziaren i dostosowywania kąta nachylenia do wielkości przeszkody. Jeśli na powierzchni odsypu występowały formy typu heap, comet lub ring oraz IMk i tworzyły je otoczaki frakcji mm, to punkt podparcia pozostałych ziaren musiał znajdować się bliżej ich środka ciężkości, co w efekcie dawało wyższe wartości pochylenia. Azymut największych badanych frakcji odzwierciedla z kolei główny kierunek nurtu podczas przepływu pełnokorytowego. Ziarna te wprowadzone są do transportu rzadko. Według badań Granta i in. [1990] oraz Chin [2003] może to następować co ok. 50 lub nawet 100 lat. Przeprowadzony dodatkowo pomiar długości transportu otoczaków (metodą malowania ziaren) w potoku Danielka wykazał, że zostały one przemieszczone na ok. 100 metrów. Najdalej spośród wszystkich odnalezionych ziaren przemieściły się otoczaki płaskie (dysk), o osi pośredniej b od 230 do nawet 950 mm. Dystans ok. 60 m pokonały ziarna wydłużone (walec), a najbliżej od miejsca reperowego odnaleziono klingi (ziarna elipsoidalne) [Roszczęda 2008]. Formy typu obstacle clast to również stabilne przeszkody wpływające na depozycję mniejszych frakcji przed i za nimi. Mniejsze otoczaki zatrzymują się na wcześniej osadzonych klastach i utykają pomiędzy innymi. Może o tym świadczyć bezkierunkowe ułożenie otoczaków oraz ich pochylenie (znaczne wartości we frakcjach drobniejszych) oraz stwierdzone ustawienie pionowe ziaren. Takie zorganizowanie dna powoduje znacznie podwyższenie szorstkości w korycie, a także oporów przepływu. Orientację poprzeczną mają również formy IMk i line clusters. Zaobserwowano je głównie na brzegach (stronie odwodnej) odsypów środkorytowych lub listwowych. Ułożenie poprzeczne z fazy transportu zostaje w tych miejscach zachowane, ponieważ podczas wezbrania, na granicach stref o różnej szorstkości i głębokości wymuszana jest gwałtowna depozycja materiału. W strefie brzeżnej odsypu, nawet jeśli pierwotnie otoczak jest ułożony podłużnie, to pod wpływem siły ciężkości może także obsunąć się po stoku łachy i wtórnie przyjąć ułożenie poprzeczne lub zbliżone do niego. Podczas stopniowego opadania fali wezbraniowej możliwe jest jednak obrócenie się otoczaka tak, aby stawiał jak najmniejszy opór czyli ułożenie podłużne [Johansson 1963]. W potokach beskidzkich tendencję taką wykazują frakcje z przedziału mm. Typową imbrykację stwierdzono na powierzchni odsypów (w ich części środkowej), w kanałach przelewowych. Takie mikroformy mogą więc być wskaźnikiem przebiegu trasy niskoenergetycznego nurtu, gdy opada wezbranie. Należy jednak pamiętać, że reorientację ziarna z ułożenia poprzecznego na podłużne mogą również wywołać mniejsze ziarna, które uderzając w powierzchnię zalegającego poprzecznie otoczaka, obracają go [Gradziński i in. 1986]. Jedną z prawidłowości w korytach żwirodennych jest częste bezkierunkowe ułożenie drobnych otoczaków. W przedstawionych badaniach również to stwierdzono. Orientację taką przybierały najczęściej ziarna mm zlokalizowane w środkowej lub dystalnej części odsypów, tworzące formy unclustered bedforms, np.: open bed non interlocked OBN, lub open bed interlocked OBIS, czyli ziarna ułożone swobodnie, bez wzajemnego blokowania się, kontaktujące się jedynie swoimi krawędziami. Dla tych form dna typowe było także ułożenie podłużne, jednak najczęściej otoczaki leżały płasko. Efekt bezpośredniego oddziaływania dużej formy na przepływu i dno może sięgać nawet na odległość 9 15 razy większą niż wysokość ziarna [Buffin-Bélenger i Roy 1998]. Jeśli weźmiemy pod uwagę, że przepływ w rzekach żwirodennych podczas wezbrania jest Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

16 18 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda bardzo turbulentny, nagromadzenia otoczaków zwiększają efekt pulsacyjny przepływu. W okolicach przeszkody, jaką stanowi duży otoczak, i nad nią dochodzi do separacji strumienia (recirculation) i utworzenia poniżej strefy silnej turbulencji reattachment zone [Buffin-Bélenger i Roy 1998]. Jeśli za otoczakiem zdeponowane były wcześniej mniejsze frakcje, efekt ten jest słabszy. Tym niemniej poniżej obstacle clast ziarna zalegające na powierzchni odsypu mogą być łatwiej podrywane (upwelling motion) i wprowadzane w transport saltacyjny lub nawet suspensję. Duży udział otoczaków płaskich, tak jak w przypadku badanych potoków, ułatwia ten proces. Chociaż nie zostało to do tej pory wyjaśnione, być może lokalizacja form heap, ring i comet cluster (rejestrowanych zwykle w części proksymalnej odsypów) jest właśnie zapisem oddziaływania owych silnych turbulencji i komórek wirowych. Tworzenie się obrukowania i charakterystycznych nagromadzeń otoczaków w korycie wpływa na stabilizację dna koryta i powierzchni odsypów, ale również determinuje włączanie rumowiska do transportu. Duże skupiska ziaren są odpowiedzialne za proces sortowania poprzez warunkowanie możliwości włączania ziaren o danej wielkości do ruchu, m.in. w zależności od stopnia ich zablokowania przez inne otoczaki [Teisseyre 1977, Brayshaw 1984, Hassan i Reid 1990, Wittenberg i Newson 2005]. Ponadto, jeśli przyjmiemy za Bradshawem [1984], że nawet 10 20% powierzchni koryta w danym przekroju hydrometrycznym może być zajmowane przez te formy, to niezaprzeczalnie poniżej dużych mikroform korytowych może dochodzić do częstszej niż w innych strefach koryta lub nawet odcinkach redepozycji rumowiska [Hassan i Reid 1990, Kikbridge 1993, Buffin-Bélenger i Roy 1998, Wittenberg i Newson 2005]. Częstość wprowadzania ziaren w ruch zależy jednak od wielkości i kształtu ziarna, jego ułożenia, a także obtoczenia. Badania przeprowadzone w Beskidzie Żywieckim potwierdziły istnienie zależności pomiędzy poszczególnymi parametrami tekstualnymi rumowiska. Stwierdzone w potokach Danielka i Rycerka typy mikroform korytowych oraz ich cechy tekstualne wskazują na ustalony stan dynamicznej równowagi badanych potoków. Ze względu na morfologię i strukturę koryta górne odcinki można zaliczyć do erozyjno-tranzytowych, natomiast środkowe i dolne do tranzytowo-depozycyjnych. W okresie od 2006 do 2008 roku nie zanotowano znaczących zmian w strukturze koryta i cechach tekstualnych materiału. PODSUMOWANIE Na powierzchni wynurzonych odsypów na wyznaczonych odcinkach badawczych potoków Danielka i Rycerka w Beskidzie Żywieckim stwierdzono, że w osadach korytowych dominują głównie klasty spłaszczone i wydłużone. Uwagę zwraca poprzeczna orientacja największych badanych frakcji, co wskazuje na zachowanie ułożenia z transportu w trakcji. Frakcje te inicjują także rozwój mikroform typu obstacle clast, które z kolei wpływają na możliwość i częstotliwość uruchamiania materiału znajdującego się poniżej nich. Ułożenie poprzeczne największych badanych klastów świadczy o gwałtownym opadaniu fali wezbraniowej. Ziarna frakcji mm układały się dachówkowato. Ze względu na dominujący spłaszczony kształt otoczaków są one prawdopodobnie przemieszczane saltacyjnie, a w wyniku spadku siły transportowej osadzają się na dnie i następnie ulegają reorientacji. Typowe ułożenie dachówkowate Acta Sci. Pol.

17 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 19 występowało w środkowej i bocznej części odsypów. Ich lokalizacja na łasze może wskazywać na przebieg niskoenergetycznego nurtu. Imbrykację i jednoczesne ułożenie poprzeczne stwierdzono natomiast w brzeżnej strefie łach. Mikroformy typu open bed zlokalizowane w części środkowej i dystalnej odsypów tworzą najdrobniejsze frakcje. Otoczaki zorientowane podłużnie lub chaotycznie leżały płasko. Ze względu na małą prędkość przepływu zachowały w znacznym stopniu pozycję z transportu i stąd ich bezkierunkowe ułożenie. Występujące mikroformy korytowe, ich cechy tekstualne oraz struktura koryta pozostawały niezmienne przez cały okres badań, z czego należy wnosić, iż stabilność koryta jest w dużym stopniu determinowana ich obecnością. Wydaje się, że szersze i dokładniejsze uwzględnienie opisanych parametrów sedymentologicznych rumowiska pozwoli lepiej określić intensywność i przebieg procesów fluwialnych w korytach żwirodennych. PIŚMIENNICTWO Bartnik W., Hydraulika potoków górskich z dnem ruchomym początek ruchu ruch rumowiska wleczonego. Zesz. Nauk. AR Krak., Rozprawy 171. Bojarski A., Jeleński J., Jelonek M., Litewka T., Wyżga B., Zalewski J., Zasady dobrej praktyki w utrzymaniu rzek i potoków górskich. Min. Środow. DZW Warszawa. Brayshaw A.C., The characteristics and origin of cluster bedforms in coarse-grained alluvial channels. [W:] Koster E.H., Steel R.J. (red.). Sedimentology of Gravel and Conglomerates. Canadian Society of Petroleum Geologists. Calgary 10, Buffin-Bélenger T., Roy A.G., Effect of a pebble cluster on the turbulent structure of a depthlimited flow in a gravel-bed river. Geomorphology 25, Carling P., Kelsey A., Glaister M.S., Effects of bed roughness, particle shape and orientation on initial motion criteria. [W:] P. Billy, R.D. Hey, C.R. Thorne, P. Tacconi (red.). Dynamics of Gravel Bed Rivers. John Wiley Chichester, Chin A., The geomorphic significance of step-pools in mountain streams. Geomorphology 55, Church M., Hassan M.A., Wolcott J.F., Stabilizing self-organized structures in gravel-bed stream channels: Field and experimental observations. Water Resour. Res. 34(11), Dal Cin R., Pebble clusters, their origin and utilization in the study of paleo-currents. Sediment. Geol. 2, Dąbkowski Sz.L., Skibiński J., Żbikowski A., Hydrauliczne podstawy projektów wodnomelioracyjnych. PWRiL Warszawa. de Jong C., Ergenzinger P., The interrelations between mountain valley form and river-bed arrangement. [W:] E.J. Hickin (red.). River Geomorphology. Wiley and Sons Chichester New York, Dynowska I., Przestrzenna zmienność przepływów rzek polskich. Prz. Geogr. 61(3), Froehlich W., Mechanizm transportu fluwialnego i dostawy zwietrzelin do koryta w górskiej zlewni fliszowej. Prace Geogr. IGiPZ PAN 143. Giriat D., Kosieradzka K., Roszczęda U., Morfologia koryta a ułożenie otoczaków w potoku Rycerki (Beskid Żywiecki). [W:] E. Smolska, D. Giriat (red.). Rekonstrukcja dynamiki procesów geomorfologicznych formy rzeźby i osady. UW Kom. Badań Czwartorzędu PAN Warszawa, Gradziński R., Kostecka A., Radomski A., Unrug R., Zarys sedymentologii. Wyd. Geol. Warszawa. Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

18 20 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda Grant G.E., Swanson F.J., Wolman M.G., Pattern and origin of stepped-bed morphology in high-gradient streams, Western Cascades, Oregon. GSA Bull. 102, Hassan M.A., Reid I., The influence of microform bed roughness elements on flow and sediment transport in gravel bed rivers. Earth Surf. Proc. Land., 15, Horton R.E., Erosional development of streams and their drainage basins: hydrophysical approach to quantitative morphology. GSA Bull. 56: Johansson C.E., Orientation of pebbles in running water. A laboratory study. Geogr. Annaler 45, Kikbridge A.D., Observations of the influence of bed roughness on turbulence structure in depth limited flows over gravel beds. [W:] N.J. Clifford, J.R. French, J. Hardisty (red.). Turbulence: Perspectives on Flow and Sediment Transport. Wiley Chichester New York, Kosieradzka K., Struktura i typy koryt potoków w Beskidzie Żywieckim. Praca magisterska. WGiSR UW, Warszawa. Leopold L.B., Maddock T. Jr., The hydraulic geometry of stream channel and some physiographic implications. US. Geol. Surv. Prof. Paper 252, Malarz R., Effects of flood abrasion of the Carpathian alluvial gravels. Catena 64, Miall A.D., Architectural-element analysis: A new method of facies analysis applied to fluvial deposits. Earth-Sci. Rev. 22, Montgomery D.R., Buffington J.M., Channel-reach morphology in mountain drainage basins. GSA Bull. 109(5), Nawara K., Transport i sedymentacja współczesnych żwirów Dunajca i niektórych jego dopływów. Prace Muz. Ziemi 6, Owczarek P., Transformacja koryt rzecznych w warunkach dostawy grubofrakcyjnego materiału stokowego. Wyd. UŚ Katowice. Pettijohn F.J., Sedimentary rocks. Harper New York. Powell D.M., Patterns and processes of sediment sorting in gravel-bed rivers. Progr. Physical Geogr. 22(1), Radecki-Pawlik A., Wybrane zagadnienia kształtowania się form korytowych potoku górskiego i form dennych rzeki nizinnej. Zesz. Nauk. AR Krak., Rozprawy 281. Reid I., Frostick L.E., Brayshaw A.C., Microform roughness elements and the selective entrainment and entrapment of particles in gravel-bed rivers. [W:] P. Billi, R.D. Hey, C.R. Thorne, P. Tacconi (red.). Dynamics of Gravel-Bed Rivers. Wiley Chichester, Rosgen D.L., A classification of natural rivers. Catena 22, Roszczęda U., Cechy sedymentologiczne gruboklastycznych osadów korytowych rzek górskich w Beskidzie Żywieckim. Praca magisterska. WGiSR UW, Warszawa. Rutkowski J., Petrografia żwirów możliwości badawcze i podstawy interpretacji wyników. [W:] E. Mycielska-Dowgiałło, J. Rutkowski (red.). Badania cech teksturalnych osadów czwartorzędowych i wybrane metody oznaczania ich wieku. Wyd. SWPR. Warszawa Schmidt K.H., Ergenzinger P., Bedload entrainment, travel lengths, step lengths, rest periods studied with passive (iron, magnetic) and active (radio) tracer techniques. Earth Surf. Proc. Landf. 17, Schumm S.A., The fluvial system. Wiley Interscience New York. Sneed E.D., Folk R.L., Pebbles in a lower Colorado River, Texas: A study in particle morphogenesis. J. Geol. 66(2), Strom K.B., Papanicolaou A.N., Morphological characterization of cluster microforms. Sedimentology 55, Teisseyre A.K., Pebble cluster as a directional structure in fluvial gravels: Modern and ancient examples. Geol. Sudet. 12(2), Acta Sci. Pol.

19 Ułożenie i kształt otoczaków a mikroformy korytowe typu pebble cluster 21 Teisseyre A.K., Klasyfikacja rzek w świetle analizy systemu fluwialnego i geometrii hydraulicznej. Pr. Geol.-Mineral. 22, Wyd. Uniw. Wrocł. Wrocław. Unrug R., Współczesny transport i sedymentacja żwirów doliny Dunajca (zachodnie Karpaty). Acta Geol. Pol. 7(2), Wentworth C.K., A field study of the shapes of river pebbles. US Geol. Surv. Bull. 730-C, Wittenberg L., Structural patterns in coarse gravel river beds: typology, survey and assessment of the roles of grain size and river regime. Geogr. Annaler 84, A, Wittenberg L., Newson M.D., Particle clusters in gravel-bed rivers: an experimental morphological approach to bed material transport and stability concepts. Earth Surf. Proc. Landf. 30(11), Wyżga B., Wybrane metody badania przepływów wezbraniowych: ich częstotliwości oraz związków z przebiegiem procesów fluwialnych. Przykłady zastosowania dla rzek południowowschodniej Polski. Wyd. IOP Kraków. Wyżga B., Zapis dynamiki przepływu wody i transportu rumowiska w cechach teksturalnych żwirowych osadów korytowych i możliwości jego wykorzystania w interpretacjach peleogeograficznych. Pr. Kom. Paleogeogr. Czwartorzędu 2, Zieliński T., Litofacjalna identyfikacja osadów rzecznych. [W:] E. Mycielska-Dowgiałło (red.). Struktury sedymentacyjne i postsedymentacyjne w osadach czwartorzędowych i ich wartość interpretacyjna. WGiSR UW Warszawa, Zwoliński Z., Geomorficzne dostosowanie się koryta Parsęty do aktualnego reżimu rzecznego. IGiPZ PAN. Dokument. Geogr ORIENTATION AND SHAPE OF GRAVELS VS. CLUSTER BEDFORMS Abstract. Assessment of contemporary state of a fluvial system requires recognition of a relationship between transport capacity, channel morphology and sedimentological properties of a bedload and its hydraulic effect. The objectives of study are: (1) to describe relationship between pebble shape and orientation, and cluster bedforms visible on a surface of emerged channel bars, and (2) to provide an answer on question, whither textural properties of gravel bedload can help estimate channel stability, and dynamics of sedimentary environment (in a given channel reach). The measurements we done in a few chosen sections of two mountain streams Rycerka and Danielka, in Beskid Żywiecki (South Poland). On a surface of emerged channel bars, at first was made photographic documentation of pebble cluster, and then pebble orientation and shape was measured in fractions: 30 50, , and mm. The bed material is composed of a range of oblate and prolate gravel size particles. Sparse boulders and cobble size material usually prevent its orientation form the transportation phase and remain immobile during most flows (or smaller flood events, also). These particles initiate development of other sedimentary structures, i.e. obstacle clasts. The orientation of particles with a-axis transverse to flow is associated with traction carpet and indicates a high bedload transport rate and quite abrupt deposition. Particles of mm were imbricated (a-axis parallel to flow). During transport, that particles move by sliding or in saltation, but even slight decrease of flow can cause its settling, and reorientation. Typical imbrication developed on a side of channel bars. Unclustered bedforms (i.e. open bed non-interlocked) were located in middle and distal part of channel bars and build with finer particles: pebbles and granules. Their orientation was plane or chaotic. Due to the low flow we can assume that they prevent its position from transportation phase. This study showed that orientation of particles and their arrangement in characteristic sedimentary structures is highly dependent on lithology of bed material. Flat and elongated Formatio Circumiectus 9 (3) 2010

20 22 D. Giriat, K. Kosieradzka, U. Roszczęda pebbles (abundant in investigated streams) are most susceptible to form imbrication, and clustered bedforms, like: obstacle clasts or complex clusters. Such sedimentary structures can develop very quickly, and hence increase stability of gravel-bed stream. Key words: gravel-bed rivers, orientation, shape, cluster bedforms Zaakceptowano do druku Accepted for print: Acta Sci. Pol.