Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów osuwiskowych na obszarze beskidu niskiego Badania nad osuwiskami w Państwowym Instytucie Geologicznym prowadzono od początku jego istnienia, a rejestracja skutków uaktywnienia się ruchów masowych w ostatniej dekadzie XX w. i w latach jest wykonywana na bieżąco (Rączkowski, Mrozek 2002; Rączkowski i in. 2004). Prowadzony jest też monitoring powierzchniowy ruchów masowych oparty na dokładnych pomiarach topograficznych odbiornikami GPS (Rączkowski i in. 2002; Rączkowski i in. 2004), a na wybranych osuwiskach prowadzony jest też monitoring wgłębny w oparciu o badania inklinometryczne i pomiary piezometryczne (Zabuski i in. 2003; Thiel i in. 2004). Badania te prowadzono m.in. w ramach projektu Rejestracja osuwisk na terenie Karpat (monitoring zdarzeń katastrofalnych na obszarze polskich Karpat fliszowych) (Rączkowski i in. 2004) oraz w ramach projektu ALARM w V Programie Ramowym Unii Europejskiej. Niniejsze prace prowadzone są natomiast w oparciu o grant badawczy KBN 4T12B Zastosowanie analizy dendrogeomorfologicznej do monitoringu obszarów osuwiskowych w Beskidzie Niskim oraz jego praktyczne wykorzystanie oraz temat PIG Dendrogeomorfologiczny monitoring zagrożeń osuwiskowych Karpat oraz jego praktyczne wykorzystanie (Krąpiec, Rączkowski 2005). Katastrofy wywołane procesami osuwiskowymi w ostatnich latach przyczyniły się do powstania szkód liczonych w milionach złotych (Poprawa, Rączkowski 2003; Rączkowski 2004, Ziętara 2004). Ograniczenie zagrożeń i zniszczeń stało się koniecznością, a prace badawcze m.in. nad sposobami monitorowania ruchów masowych są jednym z najważniejszych zagadnień oczekujących szybkiego rozwiązania. Zastosowanie monitoringu dendrogeomorfologicznego jest próbą uzupełnienia metodyki badań osuwisk w celu ograniczania ich niekorzystnych skutków dla gospodarki człowieka. Pozwala on na odtworzenie historii rozwoju (okresów odnawiania się osuwisk,

2 232 intensywności ruchów potomnych) oraz opisu stanu aktualnego i oceny ewentualnych zagrożeń (Krąpiec i in. 2004). Metodyka oraz zakres badań dendrogeomorfologicznych prowadzonych w ramach niniejszych prac stanowi nową jakość zarówno w badaniach polskich jak i europejskich, przejawiając się unikalnymi możliwościami zastosowania na osuwiskach monitorowanych klasycznie w latach 70. i 90. i w początkach XXI w. (Dauksza, Kotarba 1973; Kotarba, Gil 1977; Gil, Kotarba 1979; Gil, Bochenek 1998; Rączkowski i in. 2002; Rączkowski i in. 2004). Pierwsze badania nad osuwiskami metodą dendrochronologiczną przeprowadzono w latach (Alestalo 1971). W latach i 80. określano związek okresów aktywności osuwisk z warunkami klimatycznymi (Shroder 1975, 1978, 1980; Giardino i in. 1984). W Europie badania tego typu wykonywano m.in. w Szwajcarii (Schmid, Schweingruber 1994), Hiszpanii (Corominas i in. 1994; Moya, Corominas 1996) i we Włoszech (Pelfini, Orombelli 1997; Fantucci, McCord 1997; Fantucci, Sorriso Valvo 1999; Santilli, Pelfini, 2001; Delfini, Santilii 2002; Pelfini i in. 2003; Santilli i in. 2002a, b). W Szwajcarii zaczynają one stanowić składnik standardowych opracowań obszarów mobilnych wykonywanych w celu oceny zagrożeń. W Polsce badania prowadzono w celu wskazania uwarunkowań klimatycznych osuwisk oraz identyfikację faz ich aktywności w ostatnich stuleciach (Krąpiec, Margielewski 1991, 2000). Dowiodły one przydatności tego typu analiz w obszarach podlegających ruchom grawitacyjnym. W przyrostach rocznych drzew, zapisane są informacje dotyczące warunków środowiska naturalnego panujących w trakcie ich życia. Sekwencje słojów stanowią ciągły zapis zjawisk towarzyszących wzrostowi drzewa, ograniczony jedynie ich wiekiem. Na podstawie analizy zmienności szerokości, i sposobie wykształcenia słojów, można wnioskować o charakterze zmian klimatycznych (Fritts 1976, Zielski, Krąpiec 2004) oraz presji czynników zewnętrznych wpływających na wzrost drzewa (Shroder 1975, 1980, Schweingruber 1996, Krąpiec 1998). Szerokość słojów zależy od czynników wewnętrznych, związanych z biologicznymi własnościami drzewa oraz od czynników zewnętrznych. Wśród czynników zewnętrznych, obok klimatu, istotny wpływ na rozwój przyrostów rocznych drzew posiadają procesy związane z destabilizacją podłoża (Alestalo 1971, Shroder 1975, 1978, 1980; Giardio i in. 1984; Krąpiec, Margielewski 1991, 2000). Zmiany w morfologii słojów drzew porastających tereny mobilne pozwalają na identyfikację okresów, w których dochodzi do uruchamiania podłoża z dokładnością roczną, a niekiedy również na określenie sezonu, w których ten ruch zachodzi. W obrębie przyrostów rocznych drzew zasiedlających tereny mobilne, obserwowane są zmiany powodowane reakcją drzewa na nagłe uruchomienie podłoża. Drzewo pochylane wskutek osuwania podłoża, wracając do położenia pionowego, wykształca charakterystyczny dekoncentryczny rozkład słojów związany z procesami prostowania pnia (ryc. 1). W efekcie, w odstokowej stronie pnia znacznej części drzew porastających osuwisko, obserwowana jest nagła redukcja szerokości słojów przy równoczesnym powiększaniu szerokości słojów w dostokowej partii pnia u gatunków drzew iglastych, odwrotnie natomiast u liściastych. Pozwala to na datowanie z dokładnością roczną epizodów ruchu podłoża w różnych fragmentach stoków mobilnych (ryc. 2). Badania dendrogeomorfologiczne przeprowadzono na osuwisku L. Sawickiego w Szymbarku: a w przyszłości zostaną nimi objęte kolejne osuwiska na obszarze Beskidu

3 Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów osuwiskowych Ryc. 1. Sposób reakcji drzewa na wychylenie z pozycji pionowej wskutek nagłego uruchomienia podłoża, wraz z rozkładem przyrostów rocznych (wg: M. Krąpiec, W. Margielewski 2000) Ryc. 2. Rozkład szerokości przyrostów rocznych na przekroju poprzecznym pnia drzewa poddanego presji ruchomego podłoża A przykładowy wywiert obejmujący wszystkie przyrosty, B para krzywych dendrochronologicznych dla części odstokowej (linia przerywana) i dostokowej (linia ciągła) pnia: obszar zakreślony oznacza pole rozejścia się krzywych, charakterystyczne dla uruchomienia podłoża (wg. M. Krąpiec, W. Margielewski 2000).

4 234 Niskiego i jego przedpola: Kawiory, Zapadle, Huciska, osuwisko na północnym stoku Miejskiej Góry (ryc. 3) oraz na osuwiskach w innych częściach Beskidów np. osuwisko w Dukli na górze Zaśpit. Dotychczasowe rozpoznanie budowy geologicznej i rzeźby tego obszaru jest wystarczające, a wnioski wyciągane z badań wcześniejszych wskazują, że osuwiska występują na różnorodnych ogniwach fliszu (łupkowego, piaskowcowo-łupkowego i piaskowcowego) tak w obszarze charakteryzującym się górskim jak i pogórskim charakterem rzeźby. Dzięki reprezentatywności terenu badań możliwe jest też zastosowanie opracowanych procedur badawczych i ekstrapolacja ich wyników na inne tereny Karpat. Na stacji Badawczej IG i PZ PAN w Szymbarku istnieje też posterunek meteorologiczny z serią pomiarów sięgającą lat (Dauksza i in. 1970; Gil 1994, 1996, 2004). Szereg stacji meteorologicznych w Beskidzie Niskim i na jego przedgórzu posiada serie obserwacji meteorologicznych sięgających końca XIX w. (Cebulak 2002). Wspomniane dane meteorologiczne potrzebne są w interpretacjach przyczyn rozwoju osuwisk w ostatnich dziesięcioleciach. Do badań wybrano formy osuwiskowe porośnięte przez drzewa różnych gatunków: jodła, modrzew, klon, jawor, sosna, świerk, charakteryzujące się występowaniem wyraźnych elementów rzeźby i śladami wyraźnych ruchów, wskazujących na aktywność osuwisk. Przy typowaniu form starano się wybrać osuwiska ze starodrzewem. W obrę- Ryc. 3. Rozmieszczenie osuwisk w okolicy Szymbarku (za W. Rączkowski i in. 2004) oraz osuwisk monitorowanych dendrogeomorfologicznie 1 osuwiska; 2. obszary leśne; 3. osuwiska monitorowane dendrogeomorfologicznie.

5 Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów osuwiskowych bie poszczególnych form, opróbowane były głownie osobniki o najsilniej odkształconym pniu charakteryzującym się krzywulcowym kształtem porastające partie osuwisk potencjalnie najbardziej podatne na oddziaływanie ruchów potomnych. W dokładnej lokalizacji poszczególnych drzew w obrębie osuwisk, zostały użyte lokalizatory GPS - PATFINDER i GARMIN. Z każdego badanego drzewa pobierane są świdrem przyrostowym Presslera odwierty zorientowane w kierunku maksymalnego wygięcia pnia, opróbowując jego odstokową i dostokową część. W pobliżu badanych form osuwiskowych opróbowane zostały również drzewa porastające tereny stabilne. Próby te są wykorzystywane w analizie porównawczej jako repery dendroklimatyczne. Każdy z pobranych z drzew rdzeni po wklejeniu w specjalnie podstawki z drewna, jest poddawany preparacji mającej na celu uzyskania czytelnej struktury anatomicznej na przekroju poprzecznym oraz pomiarom szerokości przyrostów z dokładnością rzędu 0,01 mm na specjalistycznym urządzeniu pomiarowym z komputerową rejestracją wyników. Do opracowania pomierzonych sekwencji wykorzystywany jest pakiet programów TREE-RINGS. Uzyskane krzywe dendrochronologiczne wydatowano bezwzględnie w oparciu standardy dendrogeomorfologiczne (Krąpiec 1998, Szychowska-Krąpiec 2000) (ryc. 4). W kolejnym etapie analiz zestawiono parami dendrogramy z odstokowej i doskokowej strony poszczególnych osobników co pozwoliło na określenie początku ruchu podłoża w poszczególnych partiach osuwiska w okresie ostatnich dziesięcioleci (ryc. 5). Efektem dotychczas przeprowadzonych badań są zidentyfikowane okresy przemieszczeń podłoża w poszczególnych partiach osuwiska (tab. 1). Okresy te porównano z rekordami danych klimatycznych (Cebulak, Limanówka 2002; Gil 2004). Porównania te wskazują, że przemieszczenie podłoża miało związek ze zdarzeniami pogodowymi, a w szczególności można stwierdzić, że zmiany zaobserwowane w przyrostach rocznych poszczególnych osobników występują w latach termicznie bardzo chłodnych i bardzo wilgotnych (1980, 1985) i latach termicznie normalnych i lekko chłodnych ale bardzo wilgotnych (1970, 1974, 2001), przy czym sam ruch mas w osuwiskach odzwierciedlił się z pewnym opóźnieniem (por. tab. 1). Zastosowanie w badaniach sprzętu GPS pozwala na łatwą lokalizację badanych drzew. Dlatego realne stały Ryc. 4. Datowanie dendrochronologiczne prób pobranych z jodeł porastających osuwisko L. Sawickiego w oparciu o standard jodły 3ABIES1 (Szychowska-Krąpiec 2000)

6 236 Tab. 1. Datowanie początków okresów ruchu podłoża na osuwisku L. Sawickiego się nie tylko ustalenia dotyczące datowania przesunięć poszczególnych partii osuwisk, ale również wykreślenia map pokazujących przesunięcia podłoża na znacznych obszarach. Przestrzenna analiza uzyskanych wyników po ich uzupełnieniu o rezultaty dla kolejnych drzew umożliwi wykreślenie map przemieszczeń podłoża w obrębie osuwiska L. Sawickiego w Szymbarku.

7 Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów osuwiskowych Ryc. 5. Przykład analizy dendrogeomorfologicznej wykonanej dla par krzywych dendrogeomorfologicznych jodeł z osuwiska L. Sawickiego. Szrafurą oznaczono okresy charakterystyczne dla zmian zachodzących w strukturze przyrostów rocznych w pniu po uruchomieniu podłoża. Próba S12 takich zmian nie wykazuje

8 238 Literatura Alestalo J., 1971, Dendrochronological interpretation of geomorphic processes, Fennia, 105, Cebulak E., Limanówka D., 2002, Charakterystyka opadów atmosferycznych na obszarze Beskidu Niskiego i jego przedpola ze szczególnym uwzględnieniem prawdopodobieństwa opadu na tym obszarze polskich Karpat fliszowych, Opracowanie końcowe wykonane dla OK PIG. CAG Archiwum OK PIG, Kraków. Corominas J., Moya J., Vilaplana M., Baeza C., Furdada G, Gili J.A. & Serrat D., 1994, Temporal occurrence of landslides in Eastern Pyrenees, Sci. Res. Develop., 2, Dauksza L., Gil E., Kotarba., Słupik J., Starkel L., 1970, Investigations of the Research Station of the Institute of geography of the Polish Academy of Sciences at Szymbark near Gorlic, Studia Geomorph. Carpatho-Balc., 4, Dauksza L., Kotarba., 1973, An analysis of the influence of fluvial erosion on the development of landslide slope, Studia Geomorph. Carpatho-Balc., 7, Fantucci R., McCord A., 1997, Reconstruction of landslide dynamic with dendrochronological methods, Dendrochronologia, 13, Fantucci R., Sorriso Valvo M., 1999, Dendrogeomorphological analysis of a landslide near Lago, Calabria, Italy, Geomorphology, 30, Fritts H., C., 1976, Tree rings and climate, Academic Press, London, ss Giardino J.R., Shroder J.F., Lawson M.P., 1984, Tree ring analysis of movement of a rock-glacier comlex on Mount Mestas, Colorado, USA. Arctic and Alp. Research, 16, Gil E., 1994, Meteorologiczne i hydrologiczne warunki ruchów osuwiskowych, Mat. Konf., IGiPZ PAN, 20. Gil E., 1996, Monitoring ruchów osuwiskowych, [w,] R. Soja, P. Prokop (red.), Zintegrowany Monitoring Środowiska Przyrodniczego, Monitoring Geosystemów Górskich, Szymbark, 1995, Gil E., 2004, Warunki meteorologiczne w latach dla obszaru Szymbarku i okolic, Opracowanie w ramach grantu KBN 4T , Maszynopis, Archiwum OKPIG. Gil E., Bochenek W., 1998, Raport Stacji Bazowej Zintegrowanego Monitoringu Środowiska Przyrodniczego IG i PZ PAN w Szymbarku za lata hydrologiczne , [w,] A. Kostrzewski (red.), Zintegrowany Monitoring Środowiska Przyrodniczego, Stan Geoekosystemów w latach , Biblioteka Monitoringu Środowiska. Warszawa, Gil E., Kotarba A., 1979, Model dynamicznego stoku osuwiskowego w obszarze fliszowym (Przykład z polskich Karpat), Zeszyty Probl., Postępów Nauk Roln., 222, Kotarba A., Gil E., 1977, Model of slide slope evolution in flysch Mountains, Catena, 4, 3. Krąpiec M., 1998, Oak dendrochronology of the Neoholocene in Poland, Folia Quatern., 69, Krąpiec M., Margielewski W., 1991, Zastosowanie analizy dendrogeomorfologicznej w datowaniu powierzchniowych ruchów masowych, Kwart. AGH, Geologia, 17 (1-2), Krąpiec M., Margielewski W., 2000, Analiza dendrogeomorfologiczna ruchów masowych na obszarze polskich Karpat fliszowych, Kwart. AGH, Geologia, 26, 2, Krąpiec M., Rączkowski W., Gil E., Kłusek M., Janicki T., Kowalski Z., Zabuski L., 2004, Zastosowanie analizy dendrogeomorfologicznej do monitoringu obszarów osuwiskowych w Beskidzie Niskim oraz jego praktyczne wykorzystanie, Grant KBN nr 4T12B

9 Dendrogeomorfologiczny monitoring ruchów osuwiskowych Krąpiec M., Rączkowski W., 2005, Dendrogeomorfologiczny monitoring zagrożeń osuwiskowych Karpat oraz jego praktyczne wykorzystanie, Maszynopis. Opracowanie końcowe tematu CAG Archiwum OK. PIG w Krakowie. Moya J. & Corominas J., 1996, Determination of the spatial and temporal activity of landslides based on tree-ring analysis, [w,] Kaare Sennest (red.), Proceed. of the 17 Int. Symp. On landslides, Trondheim, June 1996, A. Balkema, Rotterdam, Pelfini M., Orombelli G., 1997, Variazioni recenti dell ambiente alpino registrate nelle serie di anelli di accrescimento delle conifere. Applicazioni della dendrogeomorfologia, Acqua & Aria, 6, Pelfini M., Santilli M., D agata C., Diolaiuti G., Smiraglia C., 2003, Dendroclimatic trend and glacial fluctuations in the Central Italian Alps, European Geophysical Society, EGS-AGU- EUG, Joint Assembly. Nice, France, 6-11 April 2003, Geophysical Research Abstract, 5, 2003, EAE03-A Poprawa D., Rączkowski W., 2003, Osuwiska Karpat, Przegl. Geol. Rączkowski W., 2004, Landslide Hazard in the Carpathians during the recent 10 years, Global Change, 10, Rączkowski W., Kowalski Z., Janicki T., 2002, Prace przygotowawcze do realizacji projektu badań geologicznych pn. Rejestracja osuwisk na terenie Karpat monitoring zdarzeń katastrofalnych na terenie polskich Karpat fliszowych, Opracowanie końcowe tematu CAG Archiwum OK PIG, Kraków. Rączkowski W., Mrozek T., 2002, Acting of landsliding in the Polish Flysch Carpathians by the end of the 20 th century, Studia Geomorph. Carpatho-Balc., 36, Rączkowski W., Wójcik A., Mrozek T., Nescieruk P., Zimnal Z., Janicki T., Kowalski Z., 2004, Opracowanie dokumentacji na podstawie prac geologicznych dla tematu: Rejestracja osuwisk na terenie Karpat (monitoring zdarzeń katastrofalnych na obszarze polskich Karpat fliszowych) p.pl Opracowanie końcowe, Archiwum OK. PIG, Kraków. Santilli M., Pelfini M., 2001, Debris flows in the Central Italian Alps, an example of a dendrogeomorphological study to date recent events, Abstract Eurodendro 2001, International Scientific Conference of Dendrochronology, Gozd Martuljek, Slovenia, 6-10 giugno 2001 e a, Tree Rings and People. International Conference on the Future of Dendrochronology, Davos, Switzerland, Settembre 22-26, Santilli M., Pelfini M., 2003, Dendrogeomorphological analysis and dating of debris flows in Valle del Gallo Central Alps Italy, Dendrochronologia 20, 3, Santilli M., Pelfini M., Caccianiga M., Comolli R., Ravazzi C., 2002, Late Holocene environmental evolution of the upper Valle del Gallo (Central Alps), an interdisciplinary study, Il Quaternario 15, 2, Santilli M., Pelfini M., Piantelli E., Villa P.P., 2002, Studi dendrogeomorfologici in Valle del Gallo (alta Valtellina), datazione di colate di detrito e influenze sulla crescita degli alberi, Abstract Conservazione dell ambiente e rischio idrogeologico, Convegno Nazionale, Assisi, dicembre 2002, ss. 56. Schmid D., Schweingruber F.H., 1995, Datierung und Nachweis von Rutschungen mit Hilfe von Jahrringen, Schweiz. Z. Forstwes., 146, Schweingruber F.H., 1996, Tree Rings and Environment, Dendroecology. P. Haupt, Bern, ss. 609 Shroder J.F., 1975, Dendrogeomorphologic analysis of mass movement, Procc. Assoc. Amer., Geograph. 7,

10 240 Shroder J.F., 1978, Dendrogeomorphological Analysis of Mass Movement Table Cliffs Plateau Utah, Quatern, Research, 9, Shroder J.F., 1980, Dendrogeomorphology, review and techniques of tree-ring dating, Progress in Phys., Geography, 4, Szychowska-Krąpiec E., 2000, Późnoholoceński standard dendrochronologiczny dla jodły Abies alba Mill. z obszaru południowej Polski, Kwartalnik AGH, Geologia, 26, Stefanini M.C., Chelli A., 2001, Spatio-temporal analysis of mass movements by means of dendrochronology (preliminary results), Poster abstract 193, Conference Tree Rings and People September 2001, Davos, Switzerland. Zabuski L., Rączkowski W., Wójcik A., Gil E., 2003, Badania reprezentatywnego procesu osuwiskowego w masywie fliszu karpackiego, Wyniki grantu KBN 8T12B , Maszynopis. Zielski A., Krąpiec M., 2004, Dendrogeomorfologia, PWN Warszawa, ss Ziętara T., 2004, Problemy prognozowania i stabilizacji ruchów osuwiskowych w Karpatach, Mat. Konf., Sympozjum hydrotechnika VI 2004, Marek Krąpiec Państwowy Instytut Geologiczny Oddział Karpacki ul. Skrzatów Kraków Wojciech Rączkowski Państwowy Instytut Geologiczny Oddział Karpacki ul. Skrzatów Kraków