1/23. Ocena intensywności erozji wodnej w zlewniach potoków: - Czerniawki i Płuczki, - Ciekonia

Transkrypt

1 Ocena intensywności erozji wodnej w zlewniach potoków: - Czerniawki i Płuczki, - Ciekonia Andrzej Strużyński Praca wykonana na zlecenie IBL w Warszawie 1/23

2 1. Identyfikacja obszarów zlewni w/w cieków Góry Izerskie leżą w tzw. bloku karkonosko-izerskim. Wraz z Karkonoszami stanowią część Sudetów Zachodnich. Od zachodu ograniczone są Brama Żytawską, a od wschodu, na wysokości Przełęczy Szklarskiej, Karkonoszami i Kotliną Jeleniogórską. Północna część Gór Izerskich utworzona jest z tzw. metamorfiku izerskiego, masywu utworzonego ze starych skał przeobrażonych i poprzecinanych żyłami kwarcowymi. Ze względu na powstałe w latach 8-tych XX wieku wylesienia, szczególną uwagę poświęcono w opracowaniu rejonowi Wysokiej Kopy (1126 m n.p.m.), szczytowi znajdującemu się na zachód od kamieniołomu Stanisław. Karkonosze stanowią centralną część Sudetów Zachodnich. Od wschodu graniczą ze Wzgórzami Bramy Lubawskiej. Karkonosze wraz z Górami Izerskimi należą do bloku karkonosko-izerskiego. Zbudowane są głównie z granitów wieku karbońskiego. Chociaż Karkonosze nie należą do gór wysokich, klimat w nich panujący odpowiada europejskim górom wysokim. Średnia roczna temperatura na Śnieżce wynosi,4 C, na Szrenicy 1,9 C. W Karpaczu i Szklarskiej Porębie, temperatura osiąga 6, C. Roczna suma opadów na Śnieżce przekracza 12 mm, na Szrenicy i Wielkim Szyszaku osiąga 14 mm. Dodatkowo występują tu silne wiatry i huragany, zjawiska fenowe, a także gwałtowne zmiany pogody [źródło: wikipedia]. W niniejszym opracowaniu interpretacji zdjęć satelitarnych poddany został niewielki obszar Karkonoszy znajdujący się w bezpośrednim sąsiedztwie Gór Izerskich Obszar badań Zlewnie Płuczki (Ryc. 1 z prawej) i Czerniawki (Ryc. 1 z lewej) [łączna powierzchnia.97 km2 *powierzchnie zlewni i długości Płuczki, Czerniawki i Ciekonia zmierzone zostały przy zastosowaniu oprogramowania CAD jako rzut poziomy tych zlewni, dla porówniania patrz: Pierzgalski 27] leżą na obszarze Karkonoskiego Parku Narodowego u podnóży Śnieżnych Kotłów. Zlewnie te sąsiadują ze sobą. Długość Czerniawki do połączenia z Płuczką wynosi 1.9 km, a Płuczki do połączenia ponad 1.6 km. Połączone cieki pokonują odległość około 3m, a następnie wpadają do Szrenickiego Potoku. Źródła Płuczki leżą na wysokości 85 m n.p.m., a Czerniawki 927 m n.p.m. Ujście Czerniawki, wpadającej do Płuczki, leży na wysokości 653 m n.p.m., a Płuczki 648 m n.p.m. Pomiary terenowe na obu ciekach wykonano w rejonie Drogi Pod Reglami (Fot. 1). Na tym odcinku są to dobrze wykształcone potoki stale prowadzące wodę. 2/23

3 Ryc. 1. Zlewnia Płuczki i Czerniawki (rycina wykonana na podstawie danych zaczerpniętych z portalu gov.pl]. 3/23

4 Woda posiada rudawe zabarwienie, lecz w dnie potoków nie występują cząstki humusu, lecz otoczaki i pewna ilość świeżego materiału skalnego oraz żwir. Cieki te zwykle prowadzą niewielką ilość wody, co pozwala na porost mchów na większych otoczakach wystających ponad zwierciadło wody. Fot. 1. Płuczka w rejonie Drogi pod Reglami. 4/23

5 Ciekoń (Ryc. 2) rozpoczyna swój bieg u podnóży Wysokiej Kopy i wpada do rzeki Kamiennej. Powierzchnia zlewni tej małej rzeki wynosi 3.35 km2, a długość 3.25 km. Źródła Ciekonia znajdują się na wysokości 11 m n.p.m, a ujście 84 m n.p.m.. Ryc. 2. Zlewnia Ciekonia (rycina wykonana na podstawie danych zaczerpniętych z portalu Ze względu na rodzaj gleb i podłoża skalnego [Strużyński 28, Bartnik W. i inni 1998] Ciekoń prowadzi wody zakwaszone (Fot. 2a). Zasoby wodne cieku u podnóży Wysokiej Kopy są jeszcze niewielkie, co powoduje zarastanie koryta na obszarach o zmniejszonym spadku (Fot. 2b). Na tym obszarze potok nie wykazuje tendencji do degradacji dna, 5/23

6 chociaż duża ilość nierozłożonych szczątków roślinnych znajdujących się w korycie (widoczna na zdjęciu 2) może świadczyć o intensywnej erozji liniowej na wschodnim stoku Wielkiej Kopy. a.) b.) Fot. 2. Ciekoń w odcinku kotła zbiorczego u podnóży Wielkiej Kopy (fot. A. Strużyński). a.) widok koryta, b.) zarośnięte koryto Ciekonia Poniżej, około 5 m wzdłuż linii cieku, Ciekoń staje się dobrze wykształconym potokiem. Rumowisko wleczone składa się z często transportowanych frakcji piaszczystych i żwirowych oraz grubszych: świeżego materiału skalnego i dłużej zalegających grubszych otoczaków. Szerokość łożyska waha się od.5 do kilku (3-5) metrów. W odcinku ujściowym w Ciekoniu spotykane są małe ryby, choć ich ilość jest niewielka ze względu na wykonaną na tym odcinku korekcję progową. W uregulowanym korycie tego odcinka spotykane są sekwencje zbystrzeń i plos. 6/23

7 2. Metodyka i materiały poddane interpretacji Materiały użyte do wykonania oceny intensywności erozji wodnej w zlewniach potoków Czerniawki, Płuczki i Ciekonia składają się z: danych pikiet terenowych o oczku 25 metrów z których wykonane zostało opracowanie w skali 1:1. Dane wykonane zostały w układzie PUWG 1996 z poziomem odniesienia Kronsztadt 86. Z danych tych wykonano numeryczny model terenu i model spadków z pikselem 1 metrowym, profile podłużne cieków i określono spadki cieków i doliny w wyznaczonych odcinkach, map topograficznych uzyskanych z portalu przekrojów poprzecznych, podłużnych i spadków lokalnych uzyskanych za pomocą pomiarów bezpośrednich metodą geodezyjną, ciągów napełnień i przepływów za okres , danych prędkości chwilowych i średnich wykonanych w dniach 24 i 25 czerwca 28, krzywych przesiewu wykonanych metodą fotograficzną poprzez pomiar średnic przesiewanych przez sito. Zgromadzone dane umożliwiły określenie rodzaju transportu rumowiska wleczonego w ciekach, a także erozyjności stoków w poszczególnych zlewniach. Transport materiału wleczonego obliczony został w programie TRANS metodą MPM z uwzględnieniem efektu klinowania, sortowania i ukrycia ziaren [Bartnik W., Michalik A. 1994], a erozyjność stoków metodą Korelewskiego [Korelewski K. 1984]. Ilość materiału wynoszonego ze zlewni obliczono za pomocą programu USLE [Ciepielowski 1995]. 7/23

8 3. Zestawienie cech hydromorfologicznych wybranych cieków 3.1. Czerniawka i Płuczka Przekroje poprzeczne, podłużne i spadki potoków Badane cieki są niewielkimi potokami co powoduje, że ich łożyska i koryta są wąskie i niezbyt głębokie. Zlewnie potoków są dobrze zalesione (wsp. lesistości ponad 97%) [Pierzgalski 27]. Płyną one w widłach znacznie większych rzek: Szrenickiego Potoku i Płucznika, wykształcając mniej strome zlewnie w porównaniu z w/w ciekami (Ryc. 3). Ryc. 3. Model wysokości numeryczny terenu z zaznaczonymi dolinami Płucznika i Szrenickiego Potoku i korytami Czerniawki (kolor biały z lewej) oraz Płucznika (kolor biały z prawej). W przekrojach pomiarowych głębokość koryta Płuczki wahała się pomiędzy 5 a 92 cm, a szerokość od 1.2 do 2.3 metra. Zmiany głębokości koryta Czerniawki zawierały się w granicach 54 i 94 cm, a szerokość koryta zmieniała się pomiędzy 2 a 3.5 m. Potoki te charakteryzuje duży spadek podłużny. Pomiary geodezyjne wykonano 5 metrów powyżej ujścia, a więc na odcinku o najmniejszym spadku tych cieków. Pomimo to zmierzony spadek Płuczki wynosi 2.9 %, a Czerniawki 4.1 %. Na rycinie 3 zamieszczone 8/23

9 zostały przekroje i profile zmierzone na obu potokach. Podane spadki są spadkami średnimi i nie uwzględniają następujących po sobie sekwencji zbystrzeń lub naturalnych progów i plos. Czerniawkę charakteryzują spadki w odcinku górnym, środkowym i dolnym odpowiednio: 21%, 15% i 5%, a Płuczkę: 17%, 15% i 5%. Są to więc potoki charakteryzujące się dużym spadkiem na całym swoim biegu. Profil podłużny Czerniawki od źródeł do połączenia z Płuczką zamieszczony został na rycinie 4, a Płuczki na rycinie 5. a.) b.) Ryc. 3. Wizualizacja pomiarów geodezyjnych koryt potoków w postaci profili i widoku przekrojów poprzecznych. a.) Płuczka, b.) Czerniawka. 9/23

10 Ze względu na duże stromizny na obszarze zlewni tych potoków erozja potencjalna na obszarze tych zlewni w górnych partiach kwalifikowana jest stopniami zagrożenia 3 i 4, a w dolnym odcinku 1 (najmniejszym), 2 i 3 [Korelewski 1983]. Czerniawka Profil podłużny 95 rzędne [m n.p.m.] odległości [m] Ryc. 4. Profil podłużny Czerniawki od źródeł do połączenia z Płuczką. Płuczka Profil podłużny 85 rzędne [m n.p.m.] odległości [m] Ryc. 5. Profil podłużny Płuczki od źródeł do połączenia z Czerniawką. 1/23

11 Uziarnienie dna potoków Krzywe granulometryczne potoków wykonane zostały w odcinku ujściowym, 5 m powyżej ich wspólnego ujścia. Zarówno w Czerniawce jak i Płuczce zdjęcia pomiarowe wykonano w korytach tych cieków. W Czerniawce wykonanych zostało 4 fotografie (pomiar 699 ziaren), a w Płuczce wykonano 5 fotografii (pomiar 74 ziaren). Przykładowe fotografie uziarnienia zamieszczone zostały poniżej (Fot. 3.). a.) b.) c.) d.) Fot. 3. Fotografie uziarnienia wykonane na potokach a, b) Czerniawka, c, d) Płuczka. 11/23

12 Wyniki zostały przedstawione w postaci krzywych granulometrycznych (Ryc. 6 i 7). Krzywa Przesiewu Czerniawka fot Spi [%] di [cm] Ryc. 6. Krzywa granulometryczna zmierzona w nurcie Czerniawki. Krzywa Przesiewu Płuczka fot Spi [%] di [cm] Ryc. 6. Krzywa granulometryczna zmierzona w nurcie Płuczki. 12/23

13 Na podstawie wykonanych pomiarów granulometrycznych określone zostały parametry zebrane w tabeli 1. Tab. 1. Parametry uziarnienia rumowiska wleczonego w potokach Płuczce i Czerniawce. Czerniawka Płuczka d5 [m].9.37 d84 [m] d16 [m].3.7 dm [m] δ [-] Rumowisko wleczone zarówno w Płuczce, jak i w Czerniawce jest przemieszane. Stan ten uwidaczniają zarówno: kształt krzywych granulometrycznych jak i duże wartości odchylenia standardowego δ. Duża zawartość frakcji drobnych (małe wartości frakcji d16 i d5) w pokrywie świadczy o dużej zdolności transportowej i erozyjnym charakterze tych potoków. Ruchliwość dużych ziaren (frakcje kamienne i głazy) wydaje się być dość niewielka z powodu na dużą ilość otoczaków, które często obrośnięte są częściowo mchem. Dla obu potoków charakterystyczne jest, że pomiędzy znacznych rozmiarów głazami znajdują się duże ilości drobnego materiału, nawet frakcji piaszczystych zaobserwowane w jednym z przekrojów (Fot. 4). a.) b.) Fot. 4a. Czerniawka, 4b. Płuczka 13/23

14 Fale wezbraniowe. Dane przepływu i stanów wody wykonywane są na interpretowanych ciekach od 1 listopada 1992 do 31 października 28. Do oceny wybrano rok 26, w którym wystąpiły bardzo silne wezbrania w okresie roztopów wiosennych, w miesiącach letnich, a także późną jesienią i zimą. Poniżej zestawiono wykresy przepływów zaobserwowanych na badanych ciekach (Ryc. 7). Płuczka Q maks przeplyw [m3/s].5.4 CZERNIAWKA PŁÓCZKA czas [dni] Ryc.7. Przepływy zaobserwowane w odcinkach ujściowych Płuczki i Czerniawki. Krzywe konsumcyjne opracowane dla obu cieków w roku 26 przedstawiono na osobnych wykresach (Ryc 8 i 9). O ile dla Czerniawki dobranie właściwej krzywej trendu nie stanowiło problemu, o tyle dla Płuczki nie było to możliwe. Dane obserwacyjne układają się w co najmniej trzy przebiegi. Autor dokonał wykreślenia dwóch krzywych, a przepływy minimalne pozostały nie zgeneralizowane. Taki rozrzut zależności napełnienia od przepływu może świadczyć o dużej dynamice położenia dna Płuczki. Związane to może być z dużą dostawą materiału unoszonego lub intensywnym transportem rumowiska wleczonego podczas wykonywania ciągu obserwacyjnego w roku 26. Możliwe, że sama nazwa potoku wskazuje na duże zdolności transportowe Płuczki. Grupa danych opisująca duże napełnienia przy małych przepływach wskazują na częstą akumulację materiału 14/23

15 wleczonego bądź unoszonego w przekroju pomiarowym Płuczki. Ciekawi fakt, że pomimo wyższego położenia źródeł Czerniawki jej większej długości, zlewnia Płuczki jest większa i bardziej zasobna w wodę, co powoduje, że przepływy zanotowane w wieloleciu wskazują na znacznie większe przepływy występujące w Płuczce (patrz ryc. 7 z roku 26) H = 16*Q^ stan [cm] przepływ [m3/s] Ryc. 8. Czerniawka - krzywa konsumcyjna i dane obserwacyjne z roku obserwacje H = 94*Q^ H = 24*Q^ stan wody [cm] przepływ [m3/s] Ryc. 9. Płuczka - krzywe konsumcyjne i dane obserwacyjne z roku /23

16 3.2. Ciekoń Przekroje poprzeczne, podłużne i spadki potoku W porównaniu ze zlewniami Płuczki i Czerniawki, zlewnia Ciekonia jest słabiej zalesiona. Lesistość zlewni wynosi 85.4%. Zagrożenie erozyjne na tym obszarze opisane za pomocą pięciostopniowej skali Korelewskiego [1983] mieści się w granicach od 1 do 2, a gdzieniegdzie wynosi 3. Wygenerowany Numeryczny Model Terenu z zamieszczonym Ciekoniem (z lewej) i jego głównym dopływem Ciekońkiem (z prawej) przedstawiony został na rycinie 1. Ryc. 1. Ciekoń i Ciekoniek na tle Numerycznego Modelu Terenu. Stworzony model umożliwił wykreślenie i interpretację profilu podłużnego rzeki i określenie spadków w poszczególnych odcinkach Ciekonia. Podobnie jak Płuczka i Czerniawka, Ciekoń jest rzeką o dużym spadku. W odcinku ujściowym spadek zmierzony wynosi 3.1%. W odcinku górnym, w rejonie Wysokiej Kopy jest to niewielki strumień o średnim spadku 1.6%. W odcinku środkowym spadek średni zmniejsza się do wartości 6.9%, a w dolnym jest niewiele mniejszy i wynosi 6.5%. Jest to więc ciek o spadkach znacznie mniejszych od zmierzonych na Płuczce i Czerniawce, jednak w dalszym ciągu 16/23

17 świadczących o wyraźnie erozyjnym charakterze tej rzeczki. Szerokość koryta Ciekonia w poszczególnych przekrojach pomiarowych wahała się od 2 do 3.5 metra ( Ryc.11 ). Profil podłużny przedstawiony został na rycinie 12. Ryc. 11. Schemat koryta i profilu Ciekonia wykonany na podstawie pomiarów w odcinku ujściowym. Ciekoń Profil podłużny rzędne dna [m n.p.m.] odległości [m] Ryc. 12. Profil podłużny Ciekonia wykreślony przy zastosowaniu NMT. 17/23

18 Uziarnienie Ciekonia Krzywe granulometryczne zostały wykonane w odcinku ujściowym. Wykresy 3 krzywych granulometrycznych wykonane zostały w oparciu o nieinwazyjny pomiar 652 ziaren tworzących pokrywę (Ryc. 13 i 14). Przykładowe zdjęcia zamieszczono na fot. 5. Krzywa Przesiewu fot 4-6 fot 7 Spi [%] di [cm] Ryc. 13. Ciekoń pomiar pokrywy z nurtu. Krzywa granulometryczna Ciekoń pomiar f Spi [%] di [cm] Ryc. 14. Ciekoń pomiar pokrywy z odsypiska. 18/23

19 Fot. 5. Wybrane zdjęcia zmierzonych ziaren pokrywy Ciekonia. Dane uzyskane z pomiarów pozwoliły na obliczenie średnic charakterystycznych zestawionych i odchylenia standardowego krzywych przesiewu w tabeli 2. Tab. 2. Parametry charakterystyczne uziarnienia dennego Ciekonia. Ciekoń koryto 1 Ciekoń koryto 2 Ciekoń odsypisko d5 [m] d84 [m] d16 [m] dm [m] δ [-] Wartości odchylenia standardowego świadczą o mniejszym przemieszaniu materiału dennego w porównaniu z Płuczką i Czerniawką. Szczególnie mała wartość δ materiału znajdującego się na przybrzeżnym odsypisku wskazuje na obrukowanie tego materiału Fale wezbraniowe. Podobnie jak w przypadku Płuczki i Czerniawki, dane do wykreślenia wykresu i interpretacji wybrano z wielolecia dla roku 26 z powodu dużych i częstych wezbrań. Z powodu niewielkich odległości pomiędzy zlewniami Płuczki-Czerniawki i Ciekonia wezbrania zdarzyły się w podobnych okresach, lecz zapewnie m.in. z powodu 19/23

20 większej powierzchni i mniejszych spadków w zlewni Ciekonia część opadająca fali wezbraniowej była bardziej rozciągnięta w czasie (Ryc. 15). Krzywa konsumcyjna opracowana dla przekroju Jakuszyce została przedstawiona na rycinie 16. Q maks przeplyw [m3/s] czas [dni] Ryc. 15. Przepływy zaobserwowane w przekroju Jakuszyce w okresie od 1 marca do 31 grudnia 26. H = 32.4*Q^ stany wody [cm] przepływ [m3/s] Ryc. 16. Krzywa konsumcyjna wykreślona na podstawie pomiarów wykonanych w przekroju Jakuszyce. 2/23

21 4. Interpretacja wyników 4.1. Transport rumowiska wleczonego Obliczenia transportu rumowiska wykonane zostały dla trzech wezbrań; wiosennego, letniego i jesienno-zimowego. Wprowadzone dane wezbrania wiosennego obejmują czas od 24 marca do 6 czerwca 26. Wybrane dane wezbrania letniego określono okresem czasowym od 1 sierpnia do 15 września 26. Wezbranie jesiennozimowe wprowadzono od 1 listopada do 2 grudnia. Aby wykonać obliczenia transportu programem TRANS, przygotowane zostały dale opisujące: przebieg wezbrania, zmiany spadku zwierciadła wody, przekrój poprzeczny i procentowy opis zawartości frakcji wleczonych. Do dyspozycji autora opracowania były stany i przepływy dobowe. Do obliczenia transportu rumowiska przyjęto, że stany te trwały przez 24 godziny. W wyniku pracy programu TRANS, ilość transportowanego materiału określona została w jednostce ciężaru [kn], a następnie przeliczona przez autora na jego objętość [m3]. Cieki górskie prowadzą rumowisko wleczone głównie podczas wezbrań, w związku z tym można przyjąć, że obliczone fale prowadzą cały transport w ciągu roku 26. Wprowadzone wezbranie wiosenne trwało 5 dni, a letnie 46 dni. 5 kroków czasowych jest to największa liczba, którą akceptuje program TRANS, jednakże w przypadku wezbrania wiosennego ilość ta jest wystarczająca. Również ostatnie wprowadzone wezbranie oparto na 5 danych fali. Wyniki obliczeń transportu rumowiska wleczonego zebrane zostały w tabeli 3. Tabela 3. Zestawienie ilości przetransportowanego materiału w czasie wezbrań w roku 26. ciek Czerniawka Płuczka [m ] [kn *1 ] [m ] [kn *13] [m3] wiosna '623 1'35 39'841 1'447 55'651 lato 266 1' ' '98 jesień 532 2' ' 57 21'934 1'751 67'34 1'459 56'123 2'93 111'683 rok Ciekoń [kn *1 ] jednostka 3 3 Wizja lokalna przeprowadzona w czerwcu 28 na wszystkich trzech ciekach pozwoliła na stwierdzenie, że występuje w ich korytach transport zrównoważony. 21/23

22 Szczególnie w korycie Płuczki i Czerniawki występują duże głazy obrośnięte mchem, które stabilizują koryto. Jednocześnie odnaleziono wiele lokalizacji (zakola i inne strefy cienia ), w których występowały odsypiska piasku i drobnego żwiru Płuczka i Czerniawka Przekroje pomiarowe na Płuczce i Czerniawce zlokalizowane były około 3-5 metrów poniżej Drogi Pod Reglami, w związku z tym odzwierciedlały parametry lokalne profilu tych rzek. Należy się spodziewać, że w związku z podobnym spadkiem dolnego odcinka potoków w rzeczywistości transport występujący w Płuczce i Czerniawce może być podobny, choć wyniki obliczeń wskazują na pewne różnice jego natężenia. Obliczenia pozwoliły również na określenie udziału procentowego poszczególnych frakcji w transporcie. Obliczenia potwierdzają obserwacje przeprowadzone w terenie. Największy udział w transporcie podczas wezbrań mają frakcje drobne. Dla przykładu zamieszczono wykres udziału procentowego frakcji wleczonych w transporcie Czerniawki (Ryc. 17) transport udzał frakcji [%] 5 4 wiosna lato zima di [m] Ryc. 17. Udział poszczególnych frakcji w transporcie na przykładzie Czerniawki. 22/23

23 Ciekoń 4.2. Transport rumowiska unoszonego 5. Podsumowanie Literatura: Strużyński A., 28, Ocena intensywności erozji wodnej w Sudetach i porównanie z wynikami z roku 1997, IBL Sękocin, maszynopis, Bartnik W., Michalik Al Fluvial Hydraulics of Streams and Mountain Rivers with Mobile Bed, Hydraulics Conference 1994, Buffalo, USA, American Society of Civil Engineers, N.York, pp , Bartnik W., Michalik A., Niemtur S., Strużyński A., 1998, Przebieg procesów wylesienia w Górach Izerskich na podstawie zdjęć satelitarnych, Las i Woda, Referaty i Materiały Pokonferencyjne, Międzynarodowa Konferencja Naukowa, Las i Woda, Politechnika Krakowska, IBL w Warszawie, s , Ciepielowski A. red., 1995, Metodyka zagospodarowania zasobów wodnych w małych zlewniach rzecznych, SGGW, Warszawa, s , Korelewski K., 1983, Przyrodnicze podstawy użytkowania rolniczej przestrzeni produkcyjnej, Akademia Rolnicza w Krakowie, skrypt, Pierzgalski E., 27, Stałe obserwacje procesów hydrologicznych i erozyjnych w leśnych obszarach górskich, IBL, Sękocin Stary, maszynopis, 23/23