ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY I TECHNIKI GIS DO WYZNACZANIA CHARAKTERYSTYK ZALEWÓW NA OBSZARZE ŁĘGOWEJ DOLINY RZECZNEJ

Transkrypt

1 ZESZYTY PROBLEMOWE POSTĘPÓW NAUK ROLNICZYCH 2007 z. 519: ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY I TECHNIKI GIS DO WYZNACZANIA CHARAKTERYSTYK ZALEWÓW NA OBSZARZE ŁĘGOWEJ DOLINY RZECZNEJ Dorota Mirosław-Świątek, Jarosław Chormański, Robert Michałowski Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Wprowadzenie Stan ekosystemów fluwiogenicznych uzaleŝniony jest głównie od warunków zasilania ich wodami wezbraniowymi. MoŜliwość występowania na tych terenach określonego typu roślinności bagiennej związane jest z występowaniem na danym obszarze corocznych wezbrań o określonym czasie trwania i głębokości. Istnieje zatem silny związek pomiędzy skupiskami roślinności a warunkami hydrologicznymi sprzyjającymi ich rozwojowi. MoŜna zatem wyznaczyć charakterystyki hydro-ekologiczne, które określają stan ekosystemów fluwiogenicznych. Do najwaŝniejszych tego typu charakterystyk naleŝą: zasięg zalewów, średnia ich głębokość oraz częstość występowania [OKRUSZKO 2006]. W artykule wyznaczono powyŝsze charakterystyki dla Basenu Dolnego Biebrzy, połoŝonego w północno-wschodniej Polsce i obejmującego obszar ok. 350 km 2. Występujące tu corocznie zalewy są istotnym czynnikiem warunkującym rozwój ekosystemów fluwiogenicznych [OKRUSZKO 1990]. W analizowanym obszarze występuje roślinność łąkowa, turzyce (zbiorowiska turzyc luźnokępowych: Carex diandra, Carex lasiocarpa i Carex rostrata), turzyce kępowe (tworzące wysokie, zwarte karpy: Carex appropinquata i Carex elata), szuwar mannowy (zbiorowiska Phalaris arundinacea), szuwar trzcinowy (zbiorowiska Phragmites communis), krzewy (zakrzewienia wierzbowe) oraz olszyna bagienna i wysokopienny ols. Dane hydrologiczne w postaci obserwacji wodowskazowych z wielolecia dla Basenu Dolnego Biebrzy dostępne są tylko dla trzech wodowskazów: Osowiec - przekrój otwierający analizowany obszar, Burzyn stanowiący zamknięcie doliny oraz Czachy - opisujący zasilanie Biebrzy przez główny dopływ Wissę (rys. 1). W świetle tak niedostatecznej informacji o zmienności połoŝenia zwierciadła wody w dolinie rzeki, opracowanie modelu hydrodynamicznego, pozwalającego na wyznaczenie rzędnej zwierciadła wody zaleŝnie od połoŝenia i czasu oraz powiązanie tych danych z informacją o wysokości równiny zalewowej w postaci Numerycznego Modelu Terenu (NMT) za pomocą technik GIS, wydaje się być jedynym efektywnym narzędziem, pozwalającym na określenie zmienności przestrzennej oraz czasowej zalewów w tym obszarze.

2 212 D. Mirosław-Świątek, J. Chormański, R. Michałowski Model hydrodynamiczny i analizy GIS W obliczeniach symulacyjnych wykorzystano model jednowymiarowy, który rozwiązuje pełen układ równań St. Venanta [LIGGETT, CUNGE 1975]. W modelu geometrię rzeki oraz doliny zalewowej pomiędzy przekrojami Osowiec (bd1) i Burzyn (bd17) przedstawiono za pomocą trzynastu przekrojów (rys. 1). wodowskaz; gauge rzeka; river Rys. 1. Model wysokości terenu Basenu Dolnego Biebrzy oraz lokalizacja przekrojów obliczeniowych Fig. 1. Digital elevation model of the Lower Biebrza Basin and location of the cross sections km

3 ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY Przekroje korytowe zastałe wyznaczone w wyniku pomiarów terenowych, a geometrię terenów zalewowych pozyskano z NMT - [MIROSŁAW-ŚWIĄTEK i in. 2006]. NMT Basenu Dolnego Biebrzy opracowano przy uŝyciu programu komputerowego ArcGIS. Reprezentuje on topografię doliny w postaci mapy rastrowej o rozdzielczości 25 m. Podstawowym źródłem danych do stworzenia NMT były zdigitalizowane warstwice z mapy topograficznej w skali 1 : oraz wysokościowe punkty pomierzone na transektach prostopadłych do rzeki. NMT wygenerowany został za pomocą procedury interpolacyjnej TOPO, bazującej na algorytmie ANUDEM, zaproponowanym przez HUTCHINSONA [1996]. Opracowany NMT charakteryzuje się błędem (błąd średni kwadratowy), którego wartość nie przekracza 0,35 m [CHORMAŃSKI 2003]. PoniewaŜ średnia odległość pomiędzy przekrojami wynosi ok. 3 km, w obliczeniach ze względu na dokładność wyników przekroje były interpolowane z krokiem przestrzennym 500 m. Do określenia aktywnych części przekrojów dla przepływu wody na terenach zalewowych wykorzystano wyniki pomiarów terenowych uzyskane w ramach prowadzonego w latach monitoringu zalewów [CHORMAŃSKI, MIROSŁAW- ŚWIĄTEK 2006]. Corocznie w warunkach zalewów wiosennych przepływ na wodowskazie Burzyn jest znacznie większy niŝ suma dopływów z wodowskazów Osowiec i Czachy (rys. 2), co wskazuje na silne zasilanie ze zlewni róŝnicowej. Ze względu na brak opracowanego modelu hydrologicznego dla Basenu Dolnego Biebrzy, w modelu hydrodynamicznym dopływ ze zlewni róŝnicowej opisany jest następującą formułą: Q lateral (t) = Q Burzyn (t)-q Upstream (t)-q Wissa (t), gdzie: Q Burzyn (t) Q Wissa (t) Q Upstream (t) hydrogram przepływów w Burzynie, hydrogram przepływów w Czachach,, hydrogram przepływów w przekroju bd1. Rys. 2. Fig. 2. Hydrogramy dopływu i odpływu (Q) dla Biebrzy Dolnej Inflow and outflow discharges (Q) rate within reach of the Lower Biebrza river

4 214 D. Mirosław-Świątek, J. Chormański, R. Michałowski Tak opisany dopływ boczny jest następnie w modelu równomiernie rozłoŝony wzdłuŝ cieku. Warunki brzegowe określone są przez hydrogram przepływu dla przekroju bd1 oraz krzywą przepływu dla wodowskazu Burzyn. Zasilanie ze strony głównego dopływu Wissa opisane jest jako punktowy dopływ boczny w przekroju bd11 (rys. 1). Opracowany model został zidentyfikowany (wartości współczynników Manninga dla koryta oraz terenów zalewowych, aktywne części przekrojów na terenach zalewowych) dla wezbrania wiosennego w 1999 roku. Obliczony błąd średni kwadratowy dla przepływów dla wodowskazu Burzyn (RMSE) wynosił 6,98 - m 3 s -1 przy maksymalnym zarejestrowanym przepływie dla tego wezbrania 196 m 3 s -1. Dokładne odtwarzanie przez model przepływów w wodowskazie Burzyn, gdzie sformułowany jest dolny warunek brzegowy, nie gwarantuje poprawnej dokładności modelu w analizowanym odcinku rzeki. W tym celu wykorzystano dwa zdjęcia satelitarne, zarejestrowane podczas wezbrań wiosennych w roku 2000 i W ramach weryfikacji modelu porównano zasięgi zalewów obliczone za pomocą modelu oraz wyznaczone w wyniku analizy obrazów satelitarnych. Uzyskane rezultaty wskazują na zadowalającą poprawność opracowanego modelu [MIROSŁAW-ŚWIĄTEK, CHORMAŃSKI 2006]. Obliczone za pomocą modelu hydrodynamicznego rzędne zwierciadła wody dla wybranego czasu prognozy są następnie w wyniku zastosowania technik GIS i NMT przetwarzane numerycznie do postaci mapy obrazującej obszar doliny zalewowej znajdującej się poniŝej zwierciadła wody. W wyniku zastosowanych analiz dla kaŝdego rastra znana jest głębokość zalewu. Symulacje obliczeniowe wykonano dla ciągu danych historycznych, obejmujących 35 lat z okresu W kaŝdym roku obliczenia przeprowadzono dla okresu wegetacji od lutego do końca września. Dla kaŝdego dnia symulacji opracowano mapę zasięgu zalewu, w postaci sumy mnogościowej wszystkich rastrów, których rzędna terenu jest poniŝej zwierciadła wody, a głębokość zalegania zalewu obliczana jest jako róŝnica tych dwóch wielkości. W ten sposób powstała statystyka pozwalająca na dalsze analizy. W celu automatyzacji powyŝszych, czasochłonnych obliczeń, napisano program w języku VisualBasic, wbudowany w system ArcGIS. Program ten dołącza wyniki symulacji modelu numerycznego dla poszczególnych lat do przekrojów na mapie i w pętli wykonuje obliczenia dla poszczególnych dni okresu wegetacyjnego. Wynikiem są mapy zasięgu i głębokości zalewu dla poszczególnych dni. Na podstawie obliczonych wartości dziennych wyznaczono średnie wieloletnie z zimowej (od 1 lutego do 31 maja) oraz letniej (od 1 czerwca do 30 września) części okresu wegetacyjnego: - wysokości zalewów, - maksymalne wysokości zalewów, - ilości dni z zalewem, jako mapy częstotliwości. PowyŜsze obliczenia wykonano specjalnie napisanym w języki C# programem: ZALEWY Dokładność obliczeń głębokości dla map zalewów średnich i średnich maksymalnych z wielolecia wynosiła 0,01 m, natomiast dla map częstotliwości zalewów 1 dzień. Rezultaty obliczeń symulacyjnych Uzyskane wyniki zarówno mapy zasięgu i głębokości zalewu, jak i mapy

5 ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY częstotliwości zalewów potwierdzają, Ŝe w dolinie Biebrzy dominują zalewy wiosenne. Mapy średniego zalewu z wielolecia w półroczu zimowym (rys. 3a) i letnim (rys. 3b) wykazują znaczące róŝnice w półroczach i to zarówno w powierzchni i lokalizacji obszarów podtopionych, jak i rozkładu głębokości wody. Podobnie wygląda porównanie półroczy zimowego (rys. 4a) i letniego (rys. 4b) w przypadku map średnich maksymalnych zalewów. Rys. 3. Fig. 3. Średni z wielolecia zasięg zalewu i jego głębokości (m): a) półrocze zimowe, b) półrocze letnie Long-term annual mean of inundation extent and water depth (m): a) winter half-year, b) summer half-year Sumaryczna wielkość obszaru zalanego dla średniego zalewu z wielolecia wynosi ok. 75 km 2 zimą i ok. 45 km 2 latem (tab. 1). Podtopienia w przedziale głębokości 0,15 0,5 m przewaŝają w półroczu zimowym i stanowią 45% całkowitej powierzchni podtopień. Zalew o głębokości wody poniŝej 0,15 m zajmuje podobny obszar, ok. 44%. Więcej niŝ 10% obszaru określono jako zalew o głębokości w przedziale 0,5-1 m. W półroczu letnim powyŝej 90% obszaru to podtopienia poniŝej 0,15 cm, a tylko 6% mieści się w przedziale 0,15-0,5 m (tab. 1). Powierzchnia zalewów określonych jako średnie maksymalne z wielolecia jest znacznie większa i wynosi odpowiednio w półroczu zimowym 115 km 2, a w półroczu letnim 60 km 2 (tab. 1). W półroczu zimowym dominują głębokości

6 216 D. Mirosław-Świątek, J. Chormański, R. Michałowski w przedziale 0,5-1 m, występujące na 27% obszaru zalewu. Znaczny udział powierzchni zalanej - ok. 25% - przypada na przedział głębokości 0,15-0,5 m, zalew najgłębszy - powyŝej 1 m - zanotowano na 6% powierzchni, natomiast dwa przedziały głębokościowe poniŝej 0,15 m w sumie obejmują obszar ok. 40% zalewu. Średnie maksymalne w wieloleciu zalewy w półroczu letnim charakteryzowały niŝsze głębokości niŝ w półroczu zimowym. Prawie 50% obszaru zalewu określono jako naleŝące do przedziału 0,15-0,5 m, 9% do przedziału 0,5-1 m, a ok. 30% naleŝało do przedziału 0,05-0,15 m (tab. 1). Rys. 4. Średni maksymalny z wielolecia zasięg zalewu oraz jego głębokość (m): a) półrocze zimowe, b) półrocze letnie Fig. 4. Long-term annual maximum mean of inundation extent and water depth (m): a) winter half-year, b) summer half-year Analiza porównawcza częstotliwości występowania zalewów w poszczególnych półroczach wykazuje znaczny udział (43% powierzchni tab. 2) obszarów o częstotliwości zalewów większych niŝ 50% w półroczu zimowym (rys. 5a) w porównaniu do półrocza letniego (rys. 5b), gdzie przewaŝają częstotliwości niŝsze niŝ 50% (92% - tab. 2).

7 ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY Rys. 5. Fig. 5. Częstotliwość występowania zalewów (%): a) półrocze zimowe, b) półrocze letnie Long-term annual mean flood frequency (%): a) winter half-year, b) summer half-year Głebokość Depth (m) Tabela 1; Table 1 Statystki zalewu obliczone dla okresu wegetacyjnego dla lat Flood statistics calculated for vegetation seasons półrocze zimowe winter half-year Średnie zalewy Annual mean flood półrocze letnie summer half-year Średnie maksymalne zalewy Annual maximum mean flood półrocze zimowe winter half-year półrocze letnie summer half-year (km 2 ) (%) (km 2 ) (%) (km 2 ) (%) (km 2 ) (%) 0,01-0,05 15,92 21,31 27,38 60,39 30,94 26,84 8,54 14,31 0,05-0,15 17,24 23,08 15,13 33,38 17,27 14,98 17,51 29,35 0,15-0,5 33,63 45,02 2,79 6,15 28,35 24,60 28,09 47,07 0,5-1 7,79 10,43 0,03 0,07 31,56 27,39 5,41 9,06 1-2,5 0,12 0,16 0,01 0,02 7,13 6,19 0,12 0,20 Suma; Sum 74, , , ,67 100

8 218 D. Mirosław-Świątek, J. Chormański, R. Michałowski Tabela 2; Table 2 Częstotliwości występowania zalewów (%) w okresie wegetacyjnym Long-term annual mean flood frequency (%) in long-term vegetation seasons Częstotliwość (%) Frequency (%) Półrocze zimowe Winter half-year powierzchnia (km 2 ) area (km 2 ) Półrocze letnie Summer half-year (%) powierzchnia (km 2 ) area (km 2 ) ,07 25,24 36,46 54, ,50 9,96 21,10 31, ,92 21,94 8,59 12, ,26 31,73 1,10 1, ,61 11,12 0,15 0,23 Suma; Sum 95, , (%) Podsumowanie Uzyskane rezultaty ilościowe pokazują, Ŝe opracowany system, polegający na połączeniu wyników długoterminowych symulacji wykonanych modelem hydrodynamicznym z przestrzennymi analizami GIS, jest efektywnym narzędziem komputerowym, pozwalającym na określenie charakterystyk hydrologicznych zalewów dla dolin łęgowych. NaleŜy zaznaczyć, Ŝe zarówno dokładność modelu hydrodynamicznego, jak i numerycznego modelu terenu istotnie wpływają na wartości wyznaczanych głębokości częstotliwości zalewu. Opracowany system pozwala zarówno na wykonywanie symulacji dla ciągów danych historycznych, jak i dla danych prognostycznych, uwzględniających róŝne warianty gospodarowania wodą w zlewni. Basen Dolny Biebrzy posiada wszystkie cechy, które stanowią o tym, Ŝe moŝe być wzorcowym punktem odniesienia dla wielu przekształconych dolin rzecznych. Wyznaczone charakterystyki mogą być wykorzystywane jako warunki, które naleŝy odtwarzać przy analizie róŝnych scenariuszy zagospodarowywania doliny, będącej pod silną antropopresją w kierunku doliny naturalnej. Obliczone charakterystyki mogą być takŝe istotne dla prowadzenia efektywnej polityki ochrony walorów przyrodniczych na terenie Biebrzańskiego Parku Narodowego, szczególnie jeśli chodzi o funkcjonowanie ekosystemów fluwiogenicznych, których prawidłowy rozwój uzaleŝniony jest właśnie od istnienia i utrzymywania się długotrwałych zalewów. Literatura CHORMAŃSKI J Methodology for the flood extent determination in the Lower Biebrza Basin. Ph.D. thesis, Warsaw Agricultural University: 186 ss. CHORMAŃSKI J., MIROSŁAW-ŚWIĄTEK D Monitoring of the spring flood in the Lower Biebrza Basin, Polish J. Environ. Stud. 15(5D). Part I: HUTCHINSON M.F A locally adaptive approach to the interpolation of digital

9 ZASTOSOWANIE MODELU HYDRODYNAMICZNEGO PRZEPŁYWU WODY elevation model. Third International Conference/Workshop on Integrating GIS and Environmental Modelling, Santa Fe, NM, I Santa Barbara, CA: National Center for Geographic Information and Analysis. LIGGETT J., CUNGE J Numerical methods of solution of the unsteady flow equations, w: Unsteady flow in open channels. Vol. I, Chap. 4. Mahmood and Yevjevich (red.). Water Resource Pub., Fort Collins, CO, USA: 102 ss. MIROSŁAW-ŚWIĄTEK D., CHORMAŃSKI J Verification of the numerical river flow model by use of remote sensing. A.A. Balkema Publishers, w druku. MIROSŁAW-ŚWIĄTEK D. KUBRAK J. CHORMAŃSKI J Steady 1 D water surface model of natural rivers with vegetated floodplain: An application to the Lower Biebrza. Proceedings of the International Conference on Fluvial Hydraulics River Flow, Vol. 1: OKRUSZKO H Wetlands of the Biebrza Valley their value and future management. Polish Academy of Sciences, Warszawa: 107 ss. OKRUSZKO T Kryteria hydrologiczne w ochronie mokradeł. Wydawnictwo SGGW: 150 ss. Słowa kluczowe: model hydrodynamiczny, Numeryczny Model Terenu, obszary mokradłowe, hydroekologiczne charakterystyki zalewu Streszczenie Stan ekosystemów fluwiogenivcznych uzaleŝniony jest głównie od warunków zasilania ich wodami wezbraniowymi. W artykule wyznaczono dla obszaru Basenu Dolnego Biebrzy podstawowe hydroekologiczne charakterystyki zalewów. W tym celu zastosowano jednowymiarowy model hydrodynamiczny przepływu wód rzecznych. Model został zidentyfikowany dla danych pomiarowych z wezbrania w roku 1999, a następnie zweryfikowany za pomocą zasięgu zalewów otrzymanych z analizy zdjęć satelitarnych z lat 2000 i Opracowany model wykorzystano do obliczeń symulacyjnych dla okresu wegetacyjnego (luty-wrzesień) dla ciągu danych historycznych, obejmującego okres 35 lat ( ). Obliczone rzędne zwierciadła wody wykorzystano za pomocą technik GIS i Numerycznego Modelu Terenu do określenia zasięgu zalewów, częstotliwości ich występowania oraz średniej głębokości. Uzyskane rezultaty mogą być wykorzystane jako dane wejściowe do modeli ekologicznych prognozujących stan ekosystemów fluwiogenicznych w tym rejonie. APPLICATION OF THE HYDRODYNAMIC MODEL COUPLED WITH GIS FOR CALCULATING FLOOD CHARACTERISTICS IN RIPARIAN WETLAND Dorota Mirosław-Świątek, Jarosław Chormański, Robert Michałowski Department of Hydraulic Engineering and Environmental Restoration, Warsaw Agricultural University, Warszawa Key words: hydrodynamic modelling, Digital Elevation Model, riparian wetland, flood characteristics

10 220 D. Mirosław-Świątek, J. Chormański, R. Michałowski Summary Paper presents the application of hydrodynamic 1d unsteady model for calculation of the hydro-ecological flood characteristics in the Lower Biebrza river basin located in north-eastern Poland. The model based on Digital Elevation Model determines the flood extent. The model was calibrated using the measurements of flood extent performed during flood 1999, and verified comparing calculated flood extent with satellite images of 2000 and Consequently, the basic flood characteristics important for riparian wetland plant communities were calculated for vegetation seasons (February- September) of daily time series ( ). They were performed for the winter and summer periods of hydrological year. Dr inŝ. Dorota Mirosław-Świątek Katedra InŜynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego ul. Nowoursynowska WARSZAWA dorotams@levis.sggw.pl