Ocena wpływu zbiornika włocławskiego

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Ocena wpływu zbiornika włocławskiego na transport zawiesiny wisłą Piotr Gierszewski, Jacek B. Szmańda 1. Wprowadzenie Jedną z konsekwencji spiętrzenia wód Wisły zaporą we Włocławku jest zmiana warunków transportu fluwialnego. Ilościowym i jakościowym transformacjom podlegają substancje transportowane w formie rozpuszczonej (Gierszewski 2003), zawiesin (m.in. Babiński 1994, Łajczak 1999) i rumowiska wleczonego (Babiński 1994). Skutkiem zmniejszenia prędkości przepływu wody, który w warunkach średniego dopływu do zbiornika wynosi od 0,5 do 0,7 m s -1 w strefie cofki i poniżej 0,1 m s -1 w części przyzaporowej, jest intensywna sedymentacja materiału klastycznego w czaszy zbiornika. Naturalną konsekwencją procesów sedymentacyjnych zachodzących w strefie spiętrzenia jest spadek koncentracji zawiesiny w wodzie. Wielkość dostawy zawiesiny jak i warunki przebiegu procesów jej sedymentacji decydują o tempie zamulania zbiornika. Wiąże się z tym również szereg innych zmian w funkcjonowaniu ekosystemu zbiornikowego. 2. Cel i zakres badań Zasadniczym celem badań, których syntetyczne wyniki przedstawione zostaną w tym opracowaniu było ustalenie przyczyn wieloletniej i sezonowej zmienności koncentracji zawiesiny ogólnej w Zbiorniku Włocławskim. Główną uwagę zwrócono na źródła i mechanizm dostawy materiału oraz związek koncentracji z warunkami hydrologicznymi. W analizie wykorzystane zostały wyniki oznaczeń zawiesiny ogólnej wykonane przez WIOŚ w Warszawie i Bydgoszczy w czterech punktach kontrolnych. Lokalizacja punktów poboru prób odzwierciedla zróżnicowanie warunków hydrologicznych w Zbiorniku Włocławskim. Stanowisko pomiarowe Wyszogród położone w odległości 88 km od zapory

2 140 Piotr Gierszewski, Jacek B. Szmańda charakteryzuje odcinek rzeki swobodnie płynącej, kolejne w Płocku (42,5 km od zapory) położone jest w górnej, wykazującej jeszcze cechy rzeczne, części zbiornika, przejściową strefę charakteryzuje stanowisko pomiarowe Brwilno (34 km od zapory), a limniczną -dolną punkt pomiarowy zlokalizowany na zaporze. Materiał analityczny obejmuje 364 oznaczenia koncentracji zawiesiny z lat w punkcie zlokalizowanym na zaporze i po 288 wyników z lat w pozostałych punktach kontrolnych (z luką czasową przypadającą na lata ). W analizach porównawczych wykorzystane zostały serie danych obejmujące jednolity okres. Dane dotyczące wielkości przepływu wody przez zaporę pochodzą z RZGW we Włocławku. Wykorzystano również wyniki badań własnych, na które składa się sześć serii pomiarowych przeprowadzonych w półroczach letnich Próby wody pobierano w przekrojach Brwilno (34 km od zapory), Dobrzyń n./wisłą (13 km od zapory) i przy zaporze. Z każdego przekroju wzięto trzy próby reprezentujące dawną część nurtową i korytową Wisły oraz zalewową zbiornika. Celem tych badań było określenie składu i tekstury zawiesiny. 3. Zróżnicowanie koncentracji zawiesiny ogólnej w osi zbiornika w wieloleciu Zmiany koncentracji zawiesiny w poszczególnych punktach kontrolnych odzwierciedlają naturalną tendencję do spadku jej wartości w kierunku zapory (tab. 1). Różnica koncentracji zawiesiny między Wyszogrodem a zaporą we Włocławku, wyrażona średnią arytmetyczną z wielolecia wynosi około 25%. Na wielkość tą wpływają jednak stosunkowo rzadko pojawiające się okresy o ekstremalnych, głównie maksymalnych, wartościach koncentracji zawiesiny, które występowały w dolnej i środkowej części zbiornika. Dlatego lepiej niż średnia arytmetyczna charakter zmienności koncentracji zawiesiny wyraża mediana. Porównanie zmącenia w dolnej części zbiornika (stanowisko Włocławek-zapora) z górnym fragmentem zbiornika i odcinkiem rzecznym uwidacznia istotne różnice w jego przebiegu (ryc. 1). W Wyszogrodzie i Płocku oraz w nieco mniejszym stopniu w Brwilnie zmienność średnich rocznych koncentracji zawiesiny była podobna. Odmienność przebiegu zmącenia w dolnej-przyzaporowej części zbiornika wyraża się obecnością w analizowanym wieloleciu przynajmniej dwóch faz. W pierwszej, obejmującej lata , Tab. 1. Charakterystyki koncentracji zawiesiny w wieloleciu

3 Ocena wpływu Zbiornika Włocławskiego na transport zawiesiny Wisłą 141 Ryc. 1. Średnie roczne wartości koncentracji zawiesiny Punkty pomiarowe: 1 Wyszogród, 2 Płock, 3 Brwilno, 4 Włocławek-zapora. w dolnej części zbiornika występowały bardzo wysokie koncentracje zawiesiny z dwoma wyraźnie zaznaczonymi kulminacjami. Faza druga charakteryzowała się zdecydowanie niższymi wartościami, które od 1993 r. nie przekraczały 20 g m -3 i były wyraźnie niższe w porównaniu z pozostałymi stanowiskami. O ile niskie koncentracje zawiesiny i ich mała zmienność w końcówce wielolecia ( ) jest efektem sedymentacji części transportowanego materiału to ich wartości i przebieg w początkowej części wielolecia wymaga wyjaśnienia. Znaczny wzrost koncentracji zawiesiny w dolnej-limnicznej części zbiornika spowodowany został pojawieniem się w tym okresie nowego źródła dostawy materiału, którym były brzegi zbiornika. Spiętrzenie wód Wisły uaktywniło ruchy masowe na wysokim brzegu zbiornika oraz spowodowało pojawienie się abrazji jako istotnego czynnika niszczącego strefę brzegową. Według M. Banacha (1994) procesy te zachodziły szczególnie intensywnie w pierwszych latach po spiętrzeniu, później ich natężenie słabło i było przerywane cyklicznie pojawiającymi się okresami wzrostu. Okazuje się, że lata o wysokich koncentracjach zawiesiny w Zbiorniku Włocławskim nawiązują do okresów zwiększonej aktywności procesów niszczenia brzegów. 4. Skład i cechy teksturalne zawiesiny Sedymentująca w zbiorniku zawiesina składa się w różnej proporcji z części organicznych i mineralnych, (bio- i abiosestonu). Wyniki badań przeprowadzonych

4 142 Piotr Gierszewski, Jacek B. Szmańda w latach wykazały, że ich udział zmieniał się w szerokim zakresie. Najmniejszy był w Brwilnie (8-38%, średnio 22%) większy w dolnej części zbiornika w Dobrzyniu i Włocławku (8-59%, średnio 38%). Sezonowa zmienność udziału biosestonu w zawiesinie ogólnej przeważa nad zróżnicowaniem przestrzennym. Stwierdzono jego wzrost, szczególnie w dolnej części zbiornika w czasie przepływów niżówkowych ( m 3 s -1 ). W odróżnieniu od składowej mineralnej koncentracja zawiesiny organicznej wykazuje również większe zróżnicowanie w poszczególnych przekrojach poprzecznych. Zasadniczo wyższe koncentracje zawiesiny organicznej notowano w części pozanurtowej. Mimo istotnego wzrostu udziału biosestonu w zawiesinie ogólnej w limnicznej części zbiornika jej koncentracja zmieniała się w niewielkim zakresie w miarę zbliżania się do zapory. Najczęściej występował niewielki jej spadek z wyjątkiem serii przypadającej na okres głębokiej niżówki, kiedy to czas retencji wody w zbiorniku wzrósł do 25 dni. Zaistniały wówczas warunki do rozwoju fitoplanktonu o cechach jeziornych. Należy zaznaczyć, że takie warunki nie występują w Zbiorniku Włocławskim często. W czasie funkcjonowania zbiornika było tylko 15% miesięcy o czasie wymiany wody dłuższym od 10 dni. Wartość ta przyjmowana jest jako konieczna do wykształcenia w zbiorniku własnego fitoplanktonu (Puchalski 1994). W okresach o krótkim czasie retencji zachodzi sedymentacja dopływającego do zbiornika fitoplanktonu rzecznego. Charakter uziarnienia zawiesiny mineralnej dobrze ilustrują przykłady z niżówki (Q=250 m 3 s -1 ) we wrześniu 2003 r. oraz końca niewielkiego wezbrania (Q=1200 m 3 s -1 ) w kwietniu 2004 r. W próbach zawiesiny pobranych w czasie niżówki rozkłady uziarnienia są jednomodalne (ryc. 2). Dominuje frakcja mułkowa z udziałem od 51% do 72% (średnio 58,3%). Duży udział ma także frakcja piaszczysta o frekwencji od 25% do 47% (średnio 39,4%). Uziarnienie zawiesiny mineralnej w próbkach pobranych w kwietniu 2004 r. ma odmienny Ryc. 2. Krzywe uśrednionej frekwencji uziarnienia zawiesiny mineralnej charakter. Rozkłady uziarnienia są dwumodalne (ryc. 2). Pierwsza moda występuje w zakresie frakcji grubomułkowej o przeciętnej frekwencji 9%. Druga, o większej częstości, w zakresie frakcji drobnomułkowej i przeciętnej frekwencji 10,9%. W próbkach pobranych w tym czasie zwiększa się udział frakcji mułkowej, który zawiera się w przedziale 52-95% (średnio 76,2%). Spada natomiast udział frakcji piaszczystej średnio do 22% (w zakresie od 3-46%). Porównanie rozkładu uziarnienia zawiesiny mineralnej i osadów dennych wykazało, że w zawiesinie ziarna frakcji grubomułkowej (4-4,25 phi) stanowią frakcje podstawowe, a w osadach dennych zaznacza się ich niedobór (Gierszewski, Szmańda 2005). Na tej podstawie można przypuszczać, że główne źródło dostawy frakcji gru-

5 Ocena wpływu Zbiornika Włocławskiego na transport zawiesiny Wisłą 143 bomułkowej w zawiesinie stanowi erozja dna. Pochodzenie drobnomułkowej frakcji w próbkach zawiesiny pobranych w kwietniu 2004 r. można wiązać z erozją brzegów lub ze wzrostem erozji osadów dennych w czaszy zbiornika w czasie wysokoenergetycznych przepływów. Ze wzrostem energii prądów wodnych podczas wezbrań z erodowanego dna zbiornika do zawiesiny przechodzą także ziarna frakcji drobnomułkowej (5-5,25 phi) stanowiącej główny składnik osadów zbiornika. 5. Mechanizm przebiegu zmącenia wody w Zbiorniku Włocławskim Głównym źródłem dostawy unosin jest koryto Wisły. W okresie niskich przepływów są to przede wszystkim osady z rozmywania dna koryta i licznych na tym odcinku Wisły odsypów. Ze wzrostem przepływu dostawa frakcji transportowanych w suspensji odbywa się także z podcięć brzegowych. Należy podkreślić, że w okresach niskich przepływów często dominującą formą transportowanych unosin jest bioseston. W związku z dużą zmiennością źródeł dostawy zawiesiny w badanych stanowiskach pomiarowych nie stwierdzono istotnego statystycznie związku między natężeniem przepływu wody a koncentracją zawiesiny. Często bardzo wysokie wartości zmącenia notowano przy przepływach niższych od średnich, niskie natomiast przy przepływach przekraczających 2000 m 3 /s -1. Analiza zebranego materiału pozwoliła wyróżnić trzy, a w przypadku dolnej części zbiornika cztery cykle w rocznym przebiegu zmącenia (ryc. 3). Pierwszy (A) zimowy w czasie, którego przepływy wzrastają nie przekraczając wartości średnich, a dostawa zawiesiny kontrolowana jest przebiegiem zjawisk lodowych. Już w momencie pojawienia się lodu brzegowego ograniczona zostaje dostawa z brzegów koryta. Dalszy rozwój zjawisk lodowych, których charakterystycznym elementem są na tym odcinku Wisły występujące praktycznie każdego roku zatory śyżowo-lodowe (Grześ 1991), dochodzi do zmniejsza przekroju poprzecznego koryta skutkiem, czego jest przyrost prędkości przepływu wody, a w konsekwencji uruchomienie materiału dennego. Z procesami tymi wiązać można wzrost koncentracji zawiesiny w styczniu, szczególnie dobrze widoczny w punktach Płock i Brwilno. W tym samym okresie w dolnej części zbiornika w warunkach zalegania pokrywy lodowej (bez spiętrzeń zatorowych) zmącenie zmniejsza się. Drugi cykl (B), kończący się w kwietniu związany jest z wiosennym wezbraniem roztopowym. W tym czasie koncentracja zawiesiny wzrasta, nie osiągając jednak wartości maksymalnych. Źródłem zmącenia jest wówczas materiał dostarczany z brzegów koryta oraz zawiesina tranzytowa. Faza trzecia (C) nawiązuje do sezonowego cyklu rozwoju fitoplanktonu, którego maksimum przypada zwykle na okres od maja do czerwca/lipca. Wpływ letniego maksimum rozwoju fitoplanktonu pokrywa się w analizowanych punktach z wysokimi koncentracjami zawiesiny ogólnej występującymi w czerwcu i lipcu. Ostatni, czwarty cykl (D), zaznacza się tylko w środkowej i dolnej części zbiornika. Wzrost zmącenia przy niezmiennych zasadniczo przepływach jest wynikiem dostawy materiału brzegowego w okresach znacznego jesienią falowania sztormowego.

6 144 Piotr Gierszewski, Jacek B. Szmańda Ryc. 3. Średnie miesięczne z wielolecia ( ) wartości zmącenia (Cs) na tle średnich miesięcznych przepływów (Q) 1 Wyszogród, 2 Płock, 3 Brwilno, 4 Włocławek-zapora, A-D sezonowe cykle zmącenia opisane w tekście.

7 Ocena wpływu Zbiornika Włocławskiego na transport zawiesiny Wisłą 145 Literatura Babiński Z., 1994, Transport rumowiska unoszonego i wleczonego dolnej Wisły w okresie eksploatacji stopnia wodnego Włocławek, Przegl. Geogr., 67, 3-4, Banach M., 1994, Morfodynamika strefy brzegowej zbiornika Włocławek, Prace Geogr. IGiPZ PAN, ss Gierszewski P., 2003, Ocena i przyczyny hydrochemicznego zróżnicowania dolnej Wisły, [w:] A. Kostrzewski, J. Szpikowski (red.), Funkcjonowanie geoekosystemów zlewni rzecznych, 3, Wyd. Nauk., Poznań, Gierszewski P., Szmańda J.B., 2005, Cechy litologiczne osadów dennych Zbiornika Włocławskiego, w tym tomie. Grześ M., 1991, Zatory i powodzie zatorowe na dolnej Wiśle, mechanizmy i warunki, IGiPZ PAN, Warszawa. Łajczak A., 1999, Współczesny transport i sedymentacja materiału unoszonego w Wiśle i głównych dopływach, Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN, 15, Warszawa. Puchalski W., 1994, Czynniki regulujące zagęszczenie i dynamikę fitoplanktonu w zbiornikach zaporowych, [w:] M. Zalewski (red.), Zintegrowana strategia ochrony i zagospodarowania ekosystemów wodnych, WIOŚ w Łodzi, Uniw. Łódzki, Opracowanie wykonane w ramach projektu badawczego KBN: 3 P04E Piotr Gierszewski Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania Polska Akademia Nauk ul. Kopernika Toruń Jacek B. Szmańda Instytut Geografii Uniwersytet Mikołaja Kopernika ul. Fredry 6/ Toruń

8