WPŁYW ZALESIENIA NA ODPŁYWY WEZBRANIOWE W PUSZCZY ZIELONKA

Transkrypt

1 Poznańskie Towarzystwo Przyjaciół Nauk Wydział Nauk rolniczych i leśnych Prace komisji nauk rolniczych i komisji nauk leśnych Tom WPŁYW ZALESIENIA NA ODPŁYWY WEZBRANIOWE W PUSZCZY ZIELONKA THE INFLUENCE OF AFFORESTATION ON FLOOD OUTFLOWS FROM THE PUSZCZA ZIELONKA FOREST Abstract. An estimation of the influence of afforestation on flooding was calculated based on the SCS-CN method. The main parameter of this method CN (Curve Number) is a function e.g. of land use. The parameter combines the properties of land cover and soil, including the antecedent soil moisture conditions preceding the runoff event. Although the model was developed on the basis of rich empirical material collected across the USA, local physiographic conditions determined the final effect. Thus, effective rainfall modeling using the SCS-CN procedure does not often produce acceptable results if the original model version is employed. The paper covers the implementation of an altered and modified SCS-CN procedure, which enables the utilization of the method in forest conditions in Poland. The empirical values of parameter C Nemp were calculated based on hydro-meteorological data of flood outflows in two small catchments (with afforestation at 89% and 15%) located in the Puszcza Zielonka Forest. This forest is situated in the middle part of the Warta river basin, in the centre of the Wielkopolska region. The natural landscape is of postglacial type with morainic plateaus plain or rolling, and gravel and sandy soils as the main features. Pine and oak are the dominant tree species in the forest stands. The dependence between the empirical value of parameter C Nemp and its equivalent value from the original CN method is the basic idea of adaptation method SCS-CN to the characteristics of the catchment. It therefore provides the opportunity to predict how a change of land use (e.g. forest stand reconstruction, afforestation, deforestation, change of field culture, a significant change in infrastructure etc.) would influence flood outflows (a change to water retention). Therefore, the values of C Nemp indicated how changes of land use were influencing flooding (changing water retention). Conclusions: 1) the adaptation of parameter CN value obtained in the original method to the geographical conditions is relatively simple; 2) the values of parameter C Nemp can be the basis of calculating more objective (in relation to different methods) scenarios of land use change to water condition stands; 3) Quasi representation of studied catchments for the Puszcza Zielonka Forest shows empirical values CN on whole area of this forest.. Key words: SCS-CN procedure, afforested catchments, prognosis of retention changes Wstęp Metoda SCS-CN (Soil Conservation Service Curve Number) opracowana została w połowie ubiegłego wieku [National Engineering Handbook 1956; Chow 1964]. Przyjęto w niej, iż opad efektywny, odpowiadający objętości fali wezbraniowej, można wyrazić prostą funkcją opadu całkowitego i maksymalnej potencjalnej retencji, która zwią-

2 96 zana jest z bezwymiarowym parametrem CN (0, 100]. Zatem opad efektywny w tej metodzie wyrażony jest funkcją opadu całkowitego i parametru CN. Parametr ten zestawiany jest zazwyczaj tabelarycznie i ujmuje kategorię użytkowania (rodzaj pokrycia, formę zagospodarowania) terenu oraz grupę glebową (skład granulometryczny). Wartość opadu efektywnego zależy również od aktualnych warunków wilgotnościowych w zlewni. Wskaźnikiem reprezentującym te warunki jest zazwyczaj suma opadów w okresie 5 dni poprzedzających analizowany opad wezbraniowy [National Engineering Handbook 1985]. Oryginalne zestawy wartości parametrów CN opracowano dla warunków USA [Mishra i Singh 2003a]. Metoda była pierwotnie opracowana i testowana głównie dla obszarów użytkowanych rolniczo. Próby zastosowania metody dla obszarów leśnych były nieliczne, także w Polsce [Ciepielowski i in. 2002]; [Okoński 2006]; [Okoński, Miler 2010]; [Miler 2012]). Celem pracy jest przedstawienie oceny wpływu zmian w zalesieniu terenu na wielkości odpływów wezbraniowych poprzez estymację empirycznego parametru CN emp w metodzie SCS-CN. Przykładowe obliczenia dotyczą dwóch małych zlewni o odmiennym zalesieniu położonych w Puszczy Zielonka. METODYKA Dla każdego z wezbrań można obliczyć maksymalną potencjalną retencję (S i ), wynikającą bezpośrednio z równania podstawowego metody SCS-CN: gdzie: P i opad całkowity dla i-ego wezbrania [mm], Pe i opad efektywny dla i-go wezbrania, równy wskaźnikowi odpływu bezpośredniego [mm], S i maksymalna potencjalna retencja odpowiadająca parze (P i, Pe i ) [mm] [Okoński 2006; Okoński, Miler 2010]. Dalej dla przeciętnej maksymalnej potencjalnej retencji (S sr ) oblicza się odpowiadający jej przeciętny parametr CN sr [Hawkins 1979]: (1) (2) gdzie: CN sr przeciętny parametr CN [-], S sr przeciętna maksymalna potencjalna retencja [mm]. Z założeń metody SCS-CN wynika, że wartości skrajne parametru: CN=1 i CN=100 nie są związane z kategorią użytkowania. Pierwsza z tych wartości odpowiada po-

3 Wpływ zalesienia na odpływy wezbraniowe w Puszczy Zielonaka 97 wierzchni doskonale przepuszczalnej, a druga odpowiada powierzchni całkowicie nieprzepuszczalnej [Mishra, Singh 2003a]. Uwzględniając powyższe założenie oraz przyjmując, że wartość empiryczna parametru CN emp (dla warunków badanej zlewni) odpowiada CN sr, można określić 3 pary korespondujących ze sobą wartości. Pozwala to na obliczenie parametrów a, b w równaniu (3) opracowanym do przeliczania parametru CN według metody oryginalnej na wartości CN emp dostosowane do warunków badanej zlewni [Woodward i in. 2003]: (3) gdzie: CN emp empiryczny parametr CN, CN parametr według metody oryginalnej (np. National Engineering Handbook [1985]), a, b współczynniki. Bazując na równaniu (3) przelicza się parametry CN według metody oryginalnej (tj. wartości z całej tabeli) na parametry CN emp uwzględniające warunki odpływu z badanej zlewni. Będące przedmiotem analiz dwie mikrozlewnie Hutki i Potaszki położone są około 20 km na północny-wschód od Poznania, w Puszczy Zielonka oraz na jej skraju. Obszar ten można określić za Kondrackim [2001] jako znajdujący się w obrębie podprowincji 315 w mezoregionie Przy opracowywaniu charakterystyki hydrologicznej badanych zlewni wykorzystano zarówno materiały opublikowane [Kosturkiewicz 1976, Kosturkiewicz i in. 1999, Miler i in. 2001, 2003], jak i cześć dotychczas niepublikowaną materiałów archiwalnych zebranych przez Andrzeja Kosturkiewicza w czasie 20-letnich ( ) badań terenowych w tych zlewniach. WYNIKI Mikrozlewnia cieku Hutka do przekroju Huta Pusta (położona w centrum Puszczy Zielonka) o powierzchni 52 ha jest w 89% zalesiona (wg stanu z 1974 roku). Pozostałe 11% powierzchni zajmują głównie zabagnienia i nieużytki (5,5%) oraz grunty orne (5,5%). Na obszarze zlewni Hutki można wyróżnić zasadniczo dwa typy gleb: gleby słabo zbielicowane 89,8% oraz gleby bagienne 10,2% powierzchni zlewni. Te ostatnie podzielić można na gleby torfowe i murszowe, odpowiednio 9,5 i 0,7% powierzchni zlewni. Gleby bielicowe występują przeważnie na piaskach luźnych, rzadziej na słabo gliniastych. Dominującym gatunkiem jest sosna, ale występują także dąb, ols, modrzew i w niewielkiej ilości świerk. Przeważające siedliska to: bór mieszany świeży (umiarkowanie świeży), bór świeży (umiarkowanie) oraz ols (mokry).

4 98 Data Date Tab. 1. Syntetyczna charakterystyka wezbrań w badanych zlewniach Tab. 1. Short characteristics of flood in the analysed catchments Profil pomiarowy Gauge station q max [l s -1 km -2 ] P [mm] Pe [mm] S [mm] VIII 1970 Huta Pusta 1,42 9,0 0,10 35,3 Potasze 8,28 24,0 1,64 64,4 IV 1973 Huta Pusta 1,04 30,7 0,13 132,4 Potasze 7,72 28,5 1,26 86,9 IV 1973 Huta Pusta 1,37 19,6 0,22 76,9 Potasze 8,28 26,1 1,25 77,9 VI 1973 Huta Pusta 3,77 63,0 1,18 229,7 Potasze 13,06 57,5 7,61 117,7 VII 1974 Huta Pusta 2,29 40,6 0,28 168,0 Potasze 15,22 32,8 2,97 79,4 X 1974 Huta Pusta 2,48 66,9 0,51 274,1 Potasze 24,80 21,9 3,76 38,9 V 1977 Huta Pusta 31,52 111,1 1,78 415,1 Potasze 72,88 64,4 26,96 53,4 VII 1977 Huta Pusta 6,19 63,4 1,28 228,3 Potasze 35,56 65,5 5,70 161,1 VIII 1977 Huta Pusta 5,04 40,5 4,34 91,4 Potasze 15,64 67,4 1,14 249,7 VIII 1977 Huta Pusta 8,75 50,0 1,77 161,0 Potasze 30,05 116,2 4,34 369,6 Średnia 181,2 Mean 129,9 Zaznaczone efekty są istotne gdy p<0,05 Wykaz oznaczeń w tab. 1: (List of the symbols in tab. 1:) q max maksymalny jednostkowy odpływ (maximum of specific discharge) [l s -1 km -2 ], P opad całkowity, flood total rainfall, Pe opad efektywny, effective rainfall, S maksymalna potencjalna retencja, obliczana wg. metody SCS-CN, maximum potential storage, calculated by SCS-CN method: CN wartość parametru według metody oryginalnej, parameter value according to original method [np. e.g. National Engineering Handbook 1985]. Opady efektywne utożsamiano ze wskaźnikami odpływu fal wezbraniowych, po odjęciu wskaźników odpływu związanych z podstawami fal. (4)

5 Wpływ zalesienia na odpływy wezbraniowe w Puszczy Zielonaka 99 Mikrozlewnia Potaszki do przekroju Potasze (położona na skraju Puszczy Zielonka, oddalona od zlewni Hutki jedynie o około 7 km) ma powierzchnię 133 ha. Lasy zajmują 14,7% ogólnej powierzchni zlewni. Natomiast grunty orne i użytki zielone zajmują odpowiednio 75% i 10,3% powierzchni zlewni. Lasy położone są w południowej części zlewni na glebie bielicowej porolnej. Przeważającą część zlewni zajmują grunty orne położone na glebach piaszczystych. Dominujące uziarnienie gleb stanowią piaski słabo gliniaste 87,4%. Na terenach zalesionych zlewni Potaszki dominującym gatunkiem jest sosna, występująca na siedliskach: boru mieszanego świeżego, boru wilgotnego i boru świeżego. Do analiz wybrano po 10 fal wezbraniowych (tab. 1), wywołanych deszczami o wydajności 9,0 111,1 mm w zlewni Hutki i 21,9 116,2 mm w zlewni Potaszki. Wybrane fale prezentowane są odpowiednio parami w profilach w Hucie Pustej i Potaszach. Charakterystykami fal wezbraniowych, odpowiednio w zlewniach Hutki i Potaszki, są następujące wartości średnie: czas opóźnienia fali wezbraniowej (różnica w czasie pomiędzy środkami ciężkości hietogramu i hydrografu) 74 i 52 godz., objętość fali wezbraniowej (odpowiadająca opadowi efektywnemu) 1.160,2 i 5.662,0 m 3 km -2, maksymalny jednostkowy odpływ 6,39 i 23,15 l s -1 km -2, przyrost odpływu jednostkowego (ponad podstawę fali wezbraniowej) 5,75 i 19,52 l s -1 km -2, czas trwania fali wezbraniowej 152 i 154 godz., współczynnik odpływu wezbraniowego 2,4 i 11,1% oraz 5-dobowy opad poprzedzający wezbranie 8 i 11 mm. Wszystkie fale wezbraniowe odpowiadały poziomowi I (AMC I gleby suche ) AMC (Antecedent Moisture Conditions) warunków wilgotnościowych [np. Mishra i Singh 2003b]. Wartości parametru CN według metody oryginalnej dla badanych zlewni Hutki i Potaszki wynoszą odpowiednio 37,3 i 63,3 (dla przeciętnych warunków wilgotnościowych AMC II ). Natomiast obliczone wartości CN śr (równanie 2) dla tych zlewni wynoszą odpowiednio 58,4 i 66,2 (dla AMC I ). Po przeliczeniu na przeciętne warunki wilgotnościowe (AMC II ), według równania (5) [Mishra i Singh 2003b]: (5) wartości CN śr wynoszą: dla zlewni Hutki 76,2, a dla zlewni Potaszki 81,7. Wartości te są tzw. empirycznymi wartości parametru CN (CN emp ) i są podstawą dla adaptacji metody oryginalnej do warunków badanych zlewni. Wartości CN i CN emp pozwalają na obliczenie parametrów a i b w równaniu (3), które dla zlewni Hutki i Potaszki wynoszą odpowiednio: a H =0, b H =1, oraz a P =0, b P =1, Wartości parametru CN według metody oryginalnej SCS-CN dla przeciętnych warunków wilgotnościowych (AMC II ) podają m.in. Okoński i Miler [2010]. Bazując na zidentyfikowanych równaniach (3) dla badanych zlewni, przeliczono odrębnie dla każdej z nich wartości parametru CN, odnoszące się do metody oryginalnej SCS-CN, na wartości empiryczne CN emp, a następnie wartości te uśredniono (tab.2).

6 100 Tab. 2. Empiryczne wartości parametru CN emp dla Puszczy Zielonka (dla AMC II ) Tab. 2. Empirical values of CN emp parameter for the Puszcza Zielonka Forest (for AMC II ) Drzewostany Forest stand Kategoria użytkowania Land use Zadrzewienie Density of trees Grupy glebowe Soil group A B C D 0,1 74,1 89,1 94,1 96,2 0,2 72,2 88,6 93,7 95,9 0,3 70,2 87,5 93,3 95,5 0,4 66,9 86,9 92,9 95,2 0,5 64,5 85,7 92,5 94,8 0,6 62,0 85,1 92,0 94,8 0,7 59,3 84,4 92,0 94,5 0,8 55,0 83,8 91,5 94,5 0,9 52,0 83,1 91,5 94,1 1 48,7 82,4 91,1 94,1 Uprawy leśne do 3 lat Forest planting till 3 years 80,1 91,1 95,5 97,1 Uprawy leśne powyżej 3 lat Forest planting more 3 years 75,1 89,1 94,1 96,2 Halizny do 3 lat Failplaces till 3 years 76,8 90,1 94,8 96,5 Halizny powyżej 3 lat Failplaces more 3 years 71,2 88,0 93,3 95,5 Powierzchnie wiatrołomów i wiatrowałów Areas of windfalls and windthrows Pożarzyska leśne (pożar całkowity) Burned forest area (total burn) 73,2 88,6 91,5 95,9 0,1-0,3 74,1 89,1 94,1 96,2 0,4-0,6 66,9 87,5 92,9 95,2 0,7 62,0 84,4 92,0 94,5 Murawy przemysłowe Industrial swards 79,3 91,5 95,5 96,8 Zarośla przemysłowe Industrial shrubs 72,2 88,6 93,7 95,9 Ugory trawiaste Grassy fallows 78,6 91,1 95,2 96,5 Uprawy roślin okopowych niska kultura uprawy Row crops poor cultivation Uprawy roślin okopowych wysoka kultura uprawy Row crops good cultivation 92,0 95,5 97,6 98,4 89,6 94,5 96,8 97,9 Uprawy zbożowe niska kultura uprawy Small grain poor cultivation 88,6 93,7 96,5 97,6 Uprawy zbożowe wysoka kultura uprawy Small grain crops good cultivation 87,5 93,3 96,2 97,4 Pastwiska Pastures 77,7 90,6 94,8 96,5 Obszary osiedlowe wiejskie Rural settlements 85,1 92,9 95,9 97,1 Bagna Swamps 99,8 Wody otwarte Surface water 100,0

7 Wpływ zalesienia na odpływy wezbraniowe w Puszczy Zielonaka 101 DYSKUSJA Zakładając celową przebudowę drzewostanów, wylesienia, zalesienia terenów porolnych albo wystąpienie klęsk ekologicznych na terenach Puszczy Zielonka, takich jak pożary, gradacje owadzie, wiatrołomy i wiatrowały etc., których skutkiem są znaczne zmiany poszycia leśnego, można przewidywać zmiany stosunków wodnych zdolności retencyjnych w danych wydzieleniach, bazując na ocenie zmian przedmiotowego parametru CN. Empiryczne wartości parametru CN zestawione w tabeli 2, obliczone dla zlewni quasi-reprezentatywnych pod względem warunków fizyczno-geograficznych dla puszczy, pozwalają na ilościową ocenę odpływów wezbraniowych przy różnych scenariuszach zmian użytkowania terenu, a tym samym na ocenę zmian stosunków wodnych. Ograniczenie badania wpływu zmian parametrów fizyczno-geograficznych na stosunki wodne do użytkowania terenu, głównie jego zalesienia, wynika z dominującej roli, jaką odgrywa las na kształtowanie potencjalnych zdolności retencyjnych [Miler 1998]. Obecnie w Puszczy Zielonka przeciętne zadrzewienie wynosi 0,7 dla drzewostanów na glebach zaliczanych do grupy glebowej A [Miler i in. 2001], co implikuje wartość parametru CN emp =59,3 (tab. 2). W przypadku całkowitego wylesienia spowodowanego np. pożarami, a następnie założeniem nowej uprawy leśnej (do 3 lat) parametr CN emp przyjmie wartość 80,1. Gdyby po pożarach grunty te zastały ekstensywnie zagospodarowane rolniczo (uprawy roślin okopowych z niską kulturą uprawy), to parametr CN emp przyjąłby wartość 92,0. Dla powierzchni z wiatrołomami i wiatrowałami, gdyby takie zdarzenie miało miejsce, CN emp równe jest 73,2, podobną wartość CN emp (74,1) przyjmuje dla powierzchni uszkodzonych np. w wyniku pojawienia się szkodników pierwotnych, gdzie zadrzewienie może spaść do 0,1. Przyjmując przykładowo, opad całkowity (P) na poziomie 100 mm, przy poziomie przeciętnym warunków wilgotnościowych (AMC II ), współczynnik odpływu wezbraniowego (α w =Pe/P), ulega ponadczterokrotnemu (4,38 razy) wzrostowi przy zmianie użytkowania, odpowiednio z CN emp =59,3 na 92,0. WNIOSKI 1. Adaptacja wartości parametru CN przyjętych w metodzie oryginalnej do warunków fizyczno-geograficznych danej zlewni, w założeniu utylitarnym reprezentatywnej np. dla większego kompleksu leśnego, jest stosunkowo prosta. 2. Wartości parametru CN emp mogą być podstawą opracowywania bardziej obiektywnych, w stosunku do innych metod np. zlewni analogów, scenariuszy zmian stosunków wodnych, zdolności retencyjnych wynikających ze zmian w użytkowaniu terenu, np. związanych z wylesieniami/zalesieniami, przebudową drzewostanów, klęskami ekologicznymi etc. 3. Quasi-reprezentatywność dla Puszczy Zielonka badanych zlewni wskazuje na zasadność uogólnienia uzyskanych empirycznych wartości CN na cały obszar puszczy.

8 102 LITERATURA Ciepielowski A., Wójcik J., Banasik K. (2002): Adaptation of the SCS unit hydrograph method to the conditions in Polish forests. Proceedings of the 5 th International Conference on Hydro-Science and Engineering (ICHE), Warsaw: Ch o w V.T. (1964): Handbook of Applied Hydrology. McGrow-Hill, New York. Dobija A., Dynowska I. (1975): Znaczenie parametrów fizjograficznych zlewni dla ustalenia wielkości odpływu rzecznego. Fol. Geogr. Ser. Geographica-Physica 9: Haw k i n s R.H. (1979): Runoff curve numbers from partial area watersheds, Proc. American Society of Civil Engineering, 105(IR4). Ko n d r a c k i J. (2001): Geografia regionalna Polski. Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa. Ko s t u r k i e w i c z A. (1976): Zmienność odpływów z małych zlewni o różnym stopniu lesistości. PTPN, Wydz. Nauk Rol. i Leś. T. 42: Kosturkiewicz A., Miler A., Liberacki D., Plewiński D. (1999): Wezbrania deszczowe w mikrozlewniach nizinnych o zróżnicowanym użytkowaniu terenu na przykładzie zalesionej zlewni Hutki i użytkowanej rolniczo zlewni Potaszki. Rocz. AR Pozn. 310, Melior. Inż. Środ. 20, cz. I: Miler A. (1998): Modelowanie obszarowych zmienności różnych miar retencji. Wyd. AR Poznań (monografia). Mi l e r A.T., Ok o ń s k i B., Gr a j e w s k i S. (2001): Stosunki wodne w wybranych ekosystemach Puszczy Zielonka. Wyd. AR Poznań (monografia). Mi l e r A.T., Gr a j e w s k i S., Ok o ń s k i B. (2003): Kompleksowa charakterystyka stosunków wodnych w Puszczy Zielonka. Cz. A, Rozdz. 13 w monografii pt. Kształtowanie i ochrona środowiska leśnego. Red. A.T. Miler, Wyd. AR Poznań: Miler A.T. (2012.): Wpływ zmian użytkowania terenu na odpływy wezbraniowe z obszarów o znacznym zalesieniu Roztocza Środkowego. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich. Nr 2/I/2012, PAN, Oddz. Kraków: Mi s h r a S.K., Si n g h V.P. (2003a): Soil Conservation Service Curve Number (SCS-CN) Methodology, Kluwer Academic Publishers, Dordrecht. Mishra S.K., Singh V.P. (2003b): SCS-CN Method. Part I: Derivation of SCS-CN-Based Models. Acta Geophys. Pol. 51, 1: National Engineering Handbook. (1956): Hydrology, Section 4, US Dept. of Agriculture, Soil Conservation Service, Washington D.C. National Engineering Handbook. (1985): Hydrology, Section 4, US Dept. of Agriculture, National Resources Conservation Service, Washington D.C. Oko ń s k i B. (2006): Modelowanie odpływu bezpośredniego w zależności od stanów pokrycia zlewni leśnej. Seria Rozpr. Nauk. Zesz., 374, Wyd. AR Poznań (monografia). Ok o ń s k i B., Mi l e r A.T. (2010): Adaptacja metody SCS-CN dla obliczania opadu efektywnego w zlewniach leśnych. Monografie Komitetu Inżynierii Środowiska PAN, vol. 68, tom 1, Hydrologia w inżynierii i gospodarce wodnej (red. B. Więzik): Wo o d wa r d D.E., Haw k i n s R.H., Ji a n g R., Hj e l m f e lt A.T., Va n Mu l l e m J.A., Qu a n D.Q. (2003): Runoff Curve Number Method: Examination of the Initial Abstraction Ratio [w:] (P. Bizier, A. DeBarry eds.) World Water and Environmental Resources Congress Proceedings, Philadelphia , A.S.C.E./ E.W.R. I. Adres do korespondencji Coresponding address: prof. dr hab. inż. Antoni T. Miler amiler@up.poznan.pl dr inż. Sylwester Grajewski sylgraj@up.poznan.pl dr inż. Anna Krysztofiak-Kaniewska annakrysztofiak@wp.pl Uniwersytet Przyrodniczy w Poznaniu Katedra Inżynierii Leśnej ul. Mazowiecka Poznań, Poland