Studia i Prace z Geografii i Geologii nr 19, Poznań 2010, ISBN

Transkrypt

1 Zróżnicowanie podłużnego spadku zwierciadła wody w korycie Wisły poniżej Zbiornika Włocławskiego Diversity of longitudinal slopes of water surface on the Vistula Channel below Wloclawek reservoir Michał Habel 1 1 Uniwersytet Kazimierza Wielkiego, Instytut Geografii Zakład Hydrologii i Ochrony Wód Abstract: In this paper the results of measurements of the longitudinal slopes of water surface on the Vistula channel will be presented. The measurements were taken with a new instrument and using a new method, by which means it was possible to make a detailed characteristic of the longitudinal slopes of the water surface. The influence of the locally appearing channel forms on the changes in water surface inclination was assessed. It was, therefore, possible to pinpoint the river sections within which the movement of water tends to be nonmonotonous and may lead to intensive changes in the river channel morphology. All work was supported within the grant of MNiSW nr 2178/B/P01/2009/37 Key words: Vistula River, water surface slope, the longitudinal profile, the thresholds at the bottom of the trough. Streszczenie: W pracy zaprezentowano wyniki pomiarów spadków zwierciadła wody w korycie Wisły. Na podstawie szczegółowych badań terenowych prowadzonych na odcinku od Zapory Włocławek do Torunia, przeprowadzono analizę profil podłużnych zwierciadła wody w korycie średniej i niskiej wody. Wskazano przyczyny zróżnicowania spadków lokalnych i miejscowych. Do pomiarów terenowych wykorzystano odbiorniki GPS RTK i łódź motorową. W wynikach pracy wskazano odcinki rzeki o bardzo dużym spadku zwierciadła wody, w których występuje niejednostajny ruch wody, przez co może dochodzić do intensywnych zmian morfologii koryta. Badania zrealizowano w ramach grantu MNiSW nr 2178/B/P01/2009/37. Słowa kluczowe: spadek zwierciadła wody, profil podłużny, rzeka Wisła, zapora Włocławek, progi w dnie koryta. Wprowadzenie Przegrodzenie koryta rzecznego zaporą stanowi przejaw najsilniejszej ingerencji w system fluwialny, powodujący drastyczne zmiany zarówno w zjawiskach hydrologicznych, jak i w transporcie rumowiska klastycznego. Dzięki zaporze powstaje sztuczny zbiornik wodny, w którego cofce i czaszy głównej następuje akumulacja transportowanego przez rzekę rumowiska. Powstały w ten sposób deficyt w transporcie rumowiska klastycznego jest uzupełniany poniżej zapory w wyniku erozji wgłębnej (m.in.: Andrews 1986; Williams, Wolman 1984; Babiński 1982, 1992; Belyj i in. 2000; Veksler, Donenberg 1983). Jednym ze wskaźników tempa erozji wgłębnej koryta jest zmiana układu zwierciadła wody mierzona przy przepływie ustalonym. Według Babińskiego (1997) zmiany te można rozpatrywać w dwóch wymiarach: w odniesieniu do całego analizowanego odcinka oraz w ujęciu lokalnym. 36

2 Spadek podłużny zwierciadła wody przez OzgęZielińską i Brzezińskiego (1997) definiowany jest jako różnica rzędnych zwierciadła wody w dwóch punktach podzielona przez, mierzoną wzdłuż cieku, odległość między tymi punktami. Spadek wyrażany jest najczęściej w promilach (, m * km 1 ). Spadki dużych rzek są na ogół mniejsze niż małych. Spadek podłużny Odry wynosi 0,20, dolnej Wisły 0,18, Missisipi 0,05, Nigru powyżej Timbuktu 0,02 (Dębski 1970). Spadek zwierciadła wody ulega zmianie przede wszystkim wraz ze zmianą przepływów (stanów wody) w rzece, a wpływ na jego kształt ma morfologia dna (Dunne, Leopold 1978). Przy stanach niskich zbliża się do spadku dna koryta i jest bardziej zróżnicowany, przy stanach wysokich odpowiada przeciętnemu spadkowi rzeki, a czasie wezbrań nawet spadkowi doliny (Pasławski 1973). Dębski (1970) podaje, że profil spadku rzeki swoim kształtem podobny jest do paraboli, zwróconej wklęsłością ku górze, odbiega od tego idealnego kształtu tym bardziej im cieki są młodsze i im mniej jednolita jest budowa podłoża, w którą wcięte jest koryto. Houghtalen i in. (1996) opisują 5stopniową klasyfikację kształtu profilu podłużnego zwierciadła: a) łagodny (ang. mild slope), b) stromy, nagły (ang. steep slope), c) przełomowy, krytyczny (ang. critical slope), d) płaski (ang. horizontal slope), e) przeciwny (ang. adverse slope). Kornacki (1972) w swojej pracy poświęconej metodyce prowadzenia prac regulacyjnych wymienia następujące definicje charakterystycznych spadków zwierciadła wody dla koryt rzecznych: a) spadek miejscowy rzeki, jako spadek zwierciadła wody w rzece przy ustalonym przepływie, jaki ma rzeka w danym miejscu, na odcinku nie przekraczającym kilkaset metrów, b) spadek średni rzeki, jest on wyróżniany na określonym odcinku, jest to spadek średni ważony ze spadków miejscowych na tym odcinku, c) spadek wyrównany rzeki, jest to spadek na odcinku ograniczonym punktami wyraźnego załamania spadku rzeki, a wyznaczony w ten sposób, by jego linia tak przecinała linie spadków miejscowych, aby powierzchnia pól zawartych pomiędzy nimi była możliwie jednakowa po obu stronach linii spadku wyrównanego, d) spadek dopuszczalny, jest to spadek, przy którym prędkość wody nie przekracza prędkości dopuszczalnej (tzw. prędkość nierozmywająca jest to największa średnia prędkość wody w przekroju, przy której rzeka jeszcze nie porywa rumowiska z dna). Pasławski (1973) definiuje spadek lokalny, jako spadek profilu podłużnego dotyczący wybranego odcinka rzeki. Cel, zakres i metody badań Cel prowadzonych badań to próba scharakteryzowania profilu podłużnego zwierciadła wody w korycie średniej i niskiej wody Wisły oraz wskazania przyczyn zróżnicowania spadków lokalnych i miejscowych na odcinku od Zapory Włocławek do Torunia. Cel pracy obejmuje również wskazanie tych fragmentów koryta, które są narażone na wzmożoną działalność erozyjną wody płynącej, przez co może dojść do zniszczenia budowli hydrotechnicznych zlokalizowanych w dnie doliny Wisły. W ramach badań przeprowadzono trzykrotnie bardzo dokładną niwelację profilu podłużnego zwierciadła wody. 37

3 Obszar badań stanowił około 60kilometrowy odcinek koryta dolnej Wisły od profilu zapory we Włocławku km 674,9 do profil wodowskazu w Toruniu km 734,7 (rys. 1). Koryto Wisły w badanym odcinku ma zróżnicowaną szerokość. Od zapory do posterunku wodowskazowego w Silnie Wisła jest rzeką nieuregulowaną o zmiennej szerokości koryta (od m). Od wodowskazu w Silnie do Torunia koryto jest w pełni uregulowane o szerokości od 360 do 450 m. Podczas średnich przepływów wody, poniżej zapory i na dalszych 20 kilometrach w dół rzeki średnie głębokości w przekrojach poprzecznych koryta wynoszą około 3,5 4,0 m. Dno koryta jest na tym odcinku pozbawione większości drobnoziarnistych aluwiów, przez co lokalnie odsłonięte są kulminacje iłów trzeciorzędowych oraz w miejscach degradacji płytko zalegających glin czwartorzędowych pozostały w dnie osady residualne w postaci obrukowanych progów (strefa intensywnej erozji spowodowanej funkcjonowaniem zapory). W odcinku od około km 696 (okolice Bobrownik i Nieszawy) do około km 719 (Silno) średnie głębokości wynoszą od ok. 2,0 do 1,2 m, dno koryta jest ruchome, piaszczystożwirowe (strefa akumulacyjna poniżej czoła strefy erozji). Od Silna (km 719,8) do Torunia koryto osiąga znaczne średnie głębokości od około 2,5 do 5,0 m. Średni roczny przepływ Wisły, za okres we Włocławku wynosił 924 m 3. s 1, w Toruniu 1031 m 3. s 1 (KubiakWójcicka 2006). Na badanym odcinku rzeka otrzymuje wody z czterech niewielkich dopływów (Zgłowiączka, Mień, Tążyna, Drwęca), których objętość wnoszonej wody stanowi niewielki procent ogólnego jej przepływu. Rys. 1. Lokalizacja badanego obszaru (1) oraz projektowana lokalizacja zapory w Nieszawie (2), profile wodowskazowe (3) i kilometraż Wisły (4). Fig. 1. Localization of study area (1), planed localization of Nieszawa dam (2), gauging sites (3), kilometrage along of Vistula (4). Niwelację profilu podłużnego zwierciadła wody badanego odcinka rzeki prowadzono w trzech różnych terminach. Pierwszy pomiar, połączony z sondowaniem głębokości dna koryta, wykonano przy niskich stanach wody i przepływie przez stopień wodny równym 560 m 3. s 1 (wartość odpowiadająca przepływom średnim niskim w profilu wodowskazowym 38

4 Włocławek). Kolejny pomiar wykonano 3 listopada 2009 r. przy średnich stanach wody i przepływie równym 950 m 3. s 1 (wartość odpowiadająca przepływom średnim). Trzeci pomiar kontrolny dla niskich stanach wody wykonano 12 sierpnia 2009 r. przy przepływie 520 m 3. s 1. Potwierdził on wynik otrzymany w badaniach przeprowadzonych 19 maja 2009 r. Pomiary w terenie prowadzono przy wykorzystaniu technologii GPS RTK (ang. Real Time Kinematic). Odbiornik GPS RTK Trimble 5800 zamontowany był na łodzi motorowej. Urządzenie to korzystało w czasie pomiarów z poprawek wykorzystując transmisję danych GPRS za pośrednictwem wbudowanego modemu GSM i łączyło się ze stacjami referencyjnymi we Włocławku i Toruniu. Co 5,0 metrów odbiornik zapisywał swoją pozycję geograficzną oraz wysokość względem poziomu morza. Pomiar punktów trwał za każdym razem około 240 minut. Wysoką precyzję pomiarów (błąd wyznaczenia pozycji w poziomie i rzędnej w m n.p.m. w pionie rzędu 12 cm) osiągnięto dzięki korzystnym warunkom naturalnym panującym w szerokim korycie dużej rzeki nizinnej (dobra widoczności dla satelitów krążących na horyzoncie). Podczas pomiaru dostępność satelitów była na poziomie 79 sztuk. Po zakończeniu pomiarów użyto oprogramowania Trimble Survey Controller do wykonania raportu precyzji pomiarów. Raport wskazywał m.in. dla których punktów uzyskano mało precyzyjne wyniki. Zapis danych z odbiornika GPS możliwy był do odtworzenia w programie ArcGIS 9.0. W tym też programie dokonano wizualizacji profili podłużnych zwierciadła wody oraz wyeksportowano dane do pliku tekstowego w celu obliczenia spadków podłużnych i miejscowych zwierciadła wody. Sondowanie głębokości dna koryta Wisły prowadzono w profilu podłużnym rzeki, równolegle z pierwszą niwelacją zwierciadła wody. Pomiary wykonano echosondą Lowerance LM 522iGPS zamontowaną na łodzi motorowej. Podłużne profile zwierciadła wody pomierzono w wyznaczonym dla żeglugi szlaku nawigacyjnym Wisły (nurcie rzeki). Terminy pomiarów nie były przypadkowe. Prowadzono je w tym samym roku hydrologicznym, w odstępie pięciu miesięcy. Od 19 maja do 3 listopada 2009 r. nie wystąpiły żadne ekstremalne warunki przepływu wody. W dniach poprzedzających pomiary stopień wodny we Włocławku pracował w reżimie wyrównanego zrzutu wody oraz przy ustalonym przepływie wody. Informację o rytmie pracy elektrowni wodnej uzyskano od zarządcy stopnia wodnego RZGW Warszawa Inspektorat we Włocławku. Zróżnicowanie wielkości spadku zwierciadła wody w profilu podłużnym rozpatrywano w dwóch odrębnych analizach. Pierwsza polegała na podziale badanego odcinka rzeki na siedem charakterystycznych segmentów. Następnie porównano wartości podłużnych spadków obliczonych z różnicy rzędnych zwierciadła wody w dwóch punktach pomiarowych podzielonych przez odległość między tymi punktami. Druga analiza dotyczyła wyznaczenia średnich spadków miejscowych obliczonych ze średnich ważonych wyników niwelacji powierzchni zwierciadła prowadzonej co 5,0 m. Podział badanego odcinka rzeki na siedem części był następujący: 1. zapora we Włocławku wodowskaz Włocławek (km 674,9 679,4), 2. wodowskaz Włocławek wodowskaz Łęg Witoszyn (km 679,4 685,3), 3. wodowskaz Łęg Witoszyn wodowskaz Bobrowniki (km 685,3 695,8), 4. wodowskaz Bobrowniki wodowskaz Nieszawa (km 695,8 702,4), 5. wodowskaz Nieszawa wodowskaz Łęg Osiek (km 702,4 713,5), 6. wodowskaz Łęg Osiek wodowskaz Silno (km 713,5 719,8), 7. wodowskaz Silno wodowskaz Toruń (km 719,8 734,7). Powyższy podział badanego odcinka Wisły zaczerpnięto z prac Babińskiego (1992, 1997). Każdy z siedmiu odcinków rzeki reprezentuje odmienny charakter morfologiczny koryta Wisły. 39

5 Wyniki badań Wartości spadków podłużnych siedmiu charakterystycznych odcinków rzeki, pomierzone 19 maja i 3 listopada 2009 r. zaprezentowano na rysunku nr 2A. Z danych wynika, że najmniejsze wartości spadku występują w odcinku znajdującym się bezpośrednio poniżej zapory (km 674,9 685,3), a ich wartość niezależnie od zmiany natężenia przepływu ma wartość zbliżoną do 0,06. Wraz z oddalaniem się od zapory w dół rzeki wartość spadków podłużnych stopniowo wzrasta, osiągając wartość maksymalną przy przepływach niskich 0,221, w km 713,5 719,8, w strefie przejścia koryta nieuregulowanego w uregulowany, poniżej występowania licznych, piaszczystych, wynurzonych form korytowych. Dla pomiaru wykonanego przy średnim przepływie wody (3 listopada 2009) najwyższą wartość spadek miał w km 702,4 713,5 (0,199 ) w strefie agradacyjnej poniżej czoła odcinka o wymuszonej erozji wgłębnej Zbiornika Włocławskiego (rys. 2A). W odcinku uregulowanym Wisły, od Silna do Torunia (km 719,8 734,7), niezależnie od wielkości przepływów wody, wartość spadku podłużnego zmniejsza się osiągając poziom podobny dla odcinków uregulowanych koryta Wisły zlokalizowanych poniżej Torunia ok. 0,17 0,18 (np. jak w odcinku rzeki Fordon Grudziądz). Na rysunku nr 2 B zaprezentowano dwa profile podłużne z przeprowadzonych niwelacji zwierciadła wody na odcinku Zapora Włocławek Toruń. Dane w metrach n.p.m. zaprezentowano na tle wyrównanego profilu podłużnego dna wyznaczonego dla strefy nurtu Wisły. Takie wizualizacja profili pozwalają na ustalenie jak zmieniają się głębokość w profilu podłużnym koryta Wisły przy przepływach niskich rzędu 560 m 3. s 1 oraz przepływach średnich rocznych około 950 m 3. s 1. Największe głębokości, nie zależnie od wielkości przepływu występują w 18kilometrowym odcinku rzeki bezpośrednio poniżej zapory oraz w odcinku uregulowanym (od Silna w dół rzeki). Najmniejsze głębokości zaobserwowano w strefie intensywnej akumulacji rumowiska, w km 694 do 720. Średnia różnica w stanów wody w korycie Wisły dla przepływów 560 i 950 m 3. s 1 wynosiła 0,83 m. Porównując przebieg rzędnych zwierciadła wody dla obu sytuacji napełnienia koryta zauważyć można zależność, iż wraz ze zwiększaniem się głębokości przepływu wody zwiększa się różnica poziomu zwierciadła wody w korycie (rys. 2B). Szczególnie wyraźnie zaznacza się ta zależność dwa kilometry powyżej Silna (km 717,0), w dół Wisły (różnica poziomów wody wynosiła od 1,0 do 1,2 m) oraz w mniejszym stopniu w odcinku od zapory do pierwszego wyraźnego progu w dnie koryta na 682,8 km od 0,85 do 0,9 m (fot. 1). W odcinku od Nieszawy (km 702,4) do około 717,0 km różnica stanów wody była najmniejsza i wynosiła od 0,65 do 0,79 m. W tym też odcinku przy przepływach niskich wartości spadków podłużnych były większe niż w sytuacji większego napełnienia koryta (rys. 2A). Można więc na tym etapie analizy przyjąć, że przy niskim przepływie (stanie wody) w korycie Wisły w strefie intensywnej akumulacji rumowiska częściej przekroczone są prędkości dopuszczalne przepływu wody niż w warunkach średnich stanów wody (przepływów). Dzięki szczegółowemu prowadzeniu niwelacji poziomu zwierciadła wody (pikieta co 5,0 m) dane umożliwiają wizualizację kształtu profilu podłużnego zwierciadła wody w badanym odcinku rzeki. Szczególnie zróżnicowany jest kształt profilu wykonanego przy niskich stanach wody (rys. 2B). Na badanym odcinku rzeki wyróżnić można wszystkie z pięciu typów profili opisanych przez Houghtalena i in. (1996). Bezpośrednio poniżej zapory występuje profil łagodny, a miejscami nawet płaskim np. powyżej mostu drogowego we Włocławku km 679, czy na krótkich odcinkach koryta powyżej tzw. progów km 682,8, km 690,3; km 696,0; km. W rejonie kulminacji aluwiów trudnorozmywalnych, bądź dużych piaszczystych form korytowych tworzą się profile o kształcie stromym, czasami krytycznym i wtedy mamy do czynienia z rwącym ruchem wody (rys. 2 B; km 701; km 705; km 709). 40

6 Profile o kształcie przeciwnym, z ujemnymi wartościami spadków zwierciadła wody, występują bezpośrednio poniżej tzw. progów, czyli odcinków rzeki o bardzo dużym spadku zwierciadła wody (rys. 2B). Poniżej progu w 682,8 km Wisły (fot. 1) na około 200 metrowym odcinku rzeki zwierciadło wody ma spadek ujemny o wartości 0,064. Rys. 2. Zróżnicowanie spadku podłużnego zwierciadła wody w korycie Wisły pomiędzy zaporą we Włocławku a Toruniem, przy dwóch odmiennych wartościach przepływu wody. Pomiar dla Q=560 m 3. s 1 (stany wody niskie) wykonano 19 maja 2009 r., pomiar dla Q=950 m 3. s 1 (stany wody średnie) z 3 listopada 2009 r., A diagram opisujący spadki lokalne dla analizowanych siedmiu odcinków (linia ciągła oznacza wartości nachylenia zwierciadła przy Q=560 m 3. s 1, linia przerywana przy Q=950 m 3. s 1 ), B podłużne profile zwierciadła wody pomierzone w wyznaczonym dla żeglugi szlaku nawigacyjnym Wisły, na tle wyrównanego profilu podłużnego dna koryta pomierzonego 19 maja 2009 r. w szlaku nawigacyjnym (nurcie rzeki). Fig. 2. Diversity of longitudinal gradient of water surface in the channel of the Vistula River between the dam in Wloclawek and Torun,, with two different values of water flow. Measurement for Q = 560 m 3. s 1 (low water level) was performed 19 th May 2009, measurements for Q = 950 m 3. s 1 (average water level) of 3 November 2009 A Flowchart describing local water surface slopes for seven of the analyzed sections (solid line means the slope of the mirror at Q = 560 m 3. s 1, dashed line at Q = 950 m 3. s 1 ), B Longitudinal profiles of water surface measured at the designated route for inland navigation of the Vistula, on the background of uniform longitudinal profile measured bottom of the trough 19 May 2009 in the navigation route (current of the river). 41

7 Fot. 1. Próg w dnie koryta Wisły w km 682,8. Jest to kulminacjami podłoża aluwiów, zbudowana z gruntów o większej odporności na erozję (obrukowane iły trzeciorzędowe). Strefy te pełnią rolę lokalnej bazy erozyjnej. Próg stabilizuje w sposób naturalny spadek zwierciadła wody w dolnym stanowisku zapory (ok. 8 km odcinek Wisły). Fot. 10 lipiec 2008 r. (bardzo niskie stany wody). Phot. 1. "Threshold" at the bottom of the channel (km 682,8), consisting of land with greater resistance to erosion (Tertiary clays). This area will serve as a local base erosion. Stabilizes a natural lowering of the water downstream of the dam (about 8 km section of the Vistula River). Fig. July 10, 2008, the (very low water level). W tabeli nr 1 zamieszczono zestawienie lokalizacji ekstremalnych wartości miejscowych spadków zwierciadła wody dla niskich przepływów w korycie Wisły. Dane uzyskano dzięki bardzo szczegółowym pomiarom niwelacji powierzchni wody. Analizę wykonano dla każdego z siedmiu charakterystycznych odcinków rzeki. W kolumnie trzeciej porównano wyniki obliczeń spadków podłużnych ze spadkami średnimi (obliczonymi jako średnia ważona z wyników niwelacji powierzchni zwierciadła wody na danym odcinku). Niewielka różnica wartości spadków wyznaczonych dwiema metodami wskazuje, że wytypowane przez Babińskiego (1997) odcinki charakterystyczne wyznaczone są w sposób prawidłowy, a operowanie danymi dla tych odcinków jest bardzo wiarygodne. W kolumnach 4 i 5 tabeli 1 zestawiono wartości maksymalne i minimalne miejscowych spadków zwierciadła wody oraz podano ich lokalizację na profilu podłużnym. Spadki maksymalne odczytano z rysunku profilu podłużnego zwierciadła wody. Na wykresie profilu podłużnego ich zasięg zaznaczył się jako strome, nagłe zwiększenie się nachylenia zwierciadła wody. Najwyższą wartość spadku 0,664 pomierzono w Toruniu, dokładnie na wysokości mostu kolejowego (km 728,75). Największą częstotliwość występowania bardzo 42

8 wysokich spadów wody wyznaczono w odcinku intensywnego nagromadzenia materiału piaszczystego w korycie, na wysokości Nieszawy, Ciechocinka i Łęgu Osiek (km 702,4 713,5). W odcinki dwudziestu kilometrów poniżej zapory maksymalne wartości spadków zlokalizowane były w rejonie tzw. progów. Poniżej każdego z nich tworzyła się strefa o długości do 250 m o spadku ujemnym, dochodzącym nawet do 0,40. Tabela 1. Zestawienie wartości charakterystycznych miejscowych spadków zwierciadła wody (i) rzeki Wisły w promilach (, m. km 1 ) dla niskiego przepływu wody, pomiar z 19 maja 2009 r. Table 1. Summary of characteristic values of the local water surface slope the Vistula River in promiles (, m. km 1 ) for low water flow, the measurement of the May 19, Nr Lokalizacja i kilometraż posterunków pomiarowych Spadek podłużny, w nawiasach spadek średni Max. i Min i 1 Zapora wod. Włocławek (674,9 km 679,4 km) wod. Włocławek Łęg 2 Witoszyn (679,4 km 685,3 km) 3 Łęg Witoszyn Bobrowniki (685,3 km 695,8 km) 0,061 (0,051) 0,372 (675,5 675,75 km) 0,093 (0,099) 0,540 (682,75 683,0 km) 0,145 (0,147) 0,520 (691,5 691,75 km) 0,480 (693,75 694,0 km) 0,080 (678,0 678,25 km) 0,064 (681,75 682,0 km) 0,190 (691,0 691,25 km) 0,400 (694,0 694,25 km) 4 Bobrowniki Nieszawa (695,8 km 702,4 km) 5 Nieszawa Łęg Osiek (702,4 km 713,5 km) 6 Łęg Osiek Silno (713,5 km 719,8 km) 7 Silno Toruń (719,8 km 734,7 km) 0,154 (0,149) 0,199 (0,198) 0,221(0,213) 0,165 (0,166) 0,512 (696,0 696,25 km) 0,480 (700,75 701,0 km) 0,530 (703,5 703,75 km) 0,450 (705,0 705,25 km) 0,600 (708,5 708,75 km) 0,580 (709,25 709,75 km) 0,470 (711,0 711,25 km) 0,470 (714,75 715,0 km) 0,520 (716,5 717,0 km) 0,560 (717,5 717,75 km) 0,664 (728,75 729,0 km) 0,450 (730,0 730,25 km) 0,480 (733,5 733,75 km) 0,360 (701,0 701,25 km) 0,296 (705,25 705,5 km) 0,130 (717,25 717,5 km) 0,248 (730,5 730,75 km) 43

9 Dyskusja wyników Zróżnicowanie podłużnych spadków zwierciadła wody w profilu podłużnym badanego odcinka Wisły związane jest z przebiegiem procesów korytowych zachodzących w przeszłości i tych współczesnych. Procesy korytowe Wisły dotyczące głównie rozprzestrzeniania się strefy intensywnej erozji koryta poniżej stopnia wodnego, szczegółowo badane były przez Babińskiego (1982, 1992, 1997) oraz Babińskiego i Habla (2009). W pracy Babińskiego (1992) dotyczącej współczesnych procesów korytowym Dolnej Wisły opisane zostały zmiany spadków dna i zwierciadła wody w korycie Wisły na odcinku od stopnia wodnego Włocławek do Świecia, na przestrzeni ostatnich 190 lat. Jako przyczynę zmian Babiński (1992) podaje wpływ regulacji koryta przeprowadzonej pod koniec XIX wieku oraz wybudowanie zapory we Włocławku. Szersze opracowanie na temat zróżnicowania spadków lokalnych Wisły powstało przy okazji prac projektowych planowanego do wybudowania zbiornika w Nieszawie. Babiński (1997) prezentuje wyniki jednorazowych pomiarów spadków zwierciadła wody na wybranych odcinkach rzek pomiędzy zaporą we Włocławku a Toruniem, które wykonane zostały na specjalnie zainstalowanych w tym celu własnych wodowskazach oraz w nawiązaniu do istniejących wodowskazów IMGW. Babiński (1997) podaje, iż najmniejsze wartości spadek osiąga przy strefie przyzaporowej, a na zróżnicowanie spadków wpływ mają tzw. progi występujące w dnie koryta zbudowane z materiału ilastoglinastego. Podobne formy wyróżnił Falkowski (2004) na Wiśle Środkowej i nazwał je kulminacjami podłoża aluwiów i są one zbudowane z gruntów o większej odporności na erozję. Strefy te w jego ocenie pełnią często rolę lokalnych baz erozyjnych stabilizujących profil podłużny koryta. Na badanym odcinku Wisły progi również powodują spiętrzenie wody w korycie powyżej, w bliskim sąsiedztwie tych form spadki zwierciadła wody osiągają duże wartości do 0,54 na odcinku o długości nawet 250 m. Zaprezentowane badania w niniejszej pracy potwierdzają stwierdzenie Babińskiego (1997), że przy przepływie mniejszym niż średni roczny, spadki będą bardziej zróżnicowane, ujawniając tym samym wpływ budowy geologicznej dna koryta na kształt profilu podłużnego zwierciadła wody. Polak (1996) badał w latach wpływ istniejącej zabudowy regulacyjnej na przebieg erozji wgłębnej na 14kilometrowym odcinku koryta Wisły poniżej zapory. Opisał on postępujące obniżanie się spadków zwierciadła wody w strefie zlokalizowanej bezpośrednio poniżej zapory oraz ustalił, że tzw. progi zbudowane z utworów trudnorozmywalnych, podlegają rozmywaniu co powoduje dalsze zmiany spadków zwierciadła wody poniżej zapory. Polak (1996) przed piętnastu laty prowadząc badania wyróżnił poniżej zapory dwa progi zlokalizowane na km 680 i km 686. Obecnie wyżej wymienione progi są już w znacznej mierze rozmyte, a dominująca rolę w kształtowaniu spadków zwierciadła wody poniżej zapory odgrywa próg w km 682,8, nie opisany przez Polaka (1996). Podsumowanie Na wstępie podsumowania pragnę zaznaczyć, iż zastosowane nowoczesnego urządzenia podczas badań terenowych, w postaci odbiornika GPS RTK Trimble 5800, umozliwiło zebranie z wysoką precyzją danych topograficznych zwierciadła wody. Zróżnicowanie spadków zwierciadła wody w profilu podłużnym badanego odcinka Wisły związane jest przede wszystkim z oddziaływaniem stopnia wodnego we Włocławku na procesy rzeczne poniżej, w szczególności z rozprzestrzenianiem strefy erozyjnej i akumulacyjnej. 44

10 Przy stanach wody niskich i średnich najmniej stabilne koryto Wisły jest w odcinku intensywnej akumulacji materiału wyerodowanego poniżej zapory, t.j. od km 702,4 w Nieszawie do km 719,8 w Silnie. W tym fragmencie koryta spadki podłużne osiągają największe wartości (rys. 2A). Miejsca intensywnej akumulacji materiału piaszczystego w formie dużych łach przegradzających całą szerokość koryta zachowują się jak naturalne progi w dnie koryta. W rejonie czół tych form spadki miejscowe osiągają duże wartości, nawet 0,60. Sporadycznie, poniżej tych form, profil spadku przyjmuje kształt przeciwny, a spadki wartości ujemne nawet do 0,40 (km 694, km 701). Strome nachylenie zwierciadła wody na niewielkiej głębokości powoduje przekroczenie spadku dopuszczanego i uruchomienie ruch materiału w dnie koryta (Leopold 1982), co skutkuje rozcinaniem przez nurt rzeki form korytowych. Literaturze polskiej i światowej autor nie doszukał się informacji na temat występowania ujemnych spadków zwierciadła wody w korytach dużych rzek nizinnych. Może być to związane z tym, że nie prowadzono do tej pory podobnych badań, polegających na precyzyjnej niwelacji zwierciadła wody w profilu podłużnym, np. prowadzenie pikiet co 5 m. Z kolei ujemne spadki zwierciadła wody opisywane są w podręcznikach do hydrauliki. Czetwertyński, Szuster (1973), czy Sobota (2004) podają, że na pewnym odcinku koryta ze zmiennym spadkiem, pomiędzy krzywą depresji a krzywą spiętrzenia obserwuje się strefę silnych zaburzeń, w której głębokość wzrasta gwałtownie, a profil zwierciadła wody przybiera kształt przeciwny. Interesujący jest fakt, że w odcinku od km 702,4 w Nieszawie do km 719,8 w Silnie (strefa intensywnej akumulacji) zanotowano najmniejsze różnice w poziomie zwierciadła wody pomiędzy dwoma analizowanymi profilami podłużnymi (rys. 2B). Może być to związane ze zwiększaniem się retencyjności koryta w tym odcinku, spowodowane występowaniem wielu wynurzonych piaszczystych form korytowych zarówno przy wartościach przepływu wody odpowiadających przepływom średnim, jak i niskim. Dodatkowo na tym odcinku występują jeszcze częściowo drożne stare koryta za kępami. Występowanie w km 682,8 (fot. 1) kulminacji podłoża utworów trudnorozmywalnych przyczynia się obecnie do stabilizacji zwierciadła wody w górę rzeki aż do samej zapory. Zabezpiecza to z pewnością koryto i budowle hydrotechniczne zlokalizowane na odcinku rzeki powyżej tego progu, przed dalszą degradacją spowodowaną funkcjonowaniem zapory. Poniżej progu zachodzi jednak intensywna erozja wgłębna i boczna koryta, co stwarza zagrożenie dla zabudowy hydrotechnicznej tam zlokalizowanej. Literatura Andrews E. D. 1986: Downstream effects of Flaming Gorge Reservoir on the Green River, Colorado and Utah. Geol. Soc. Am. Bull., Babiński Z. 1982: Procesy korytowe Wisły poniżej zapory wodnej we Włocławku. Dok. Geogr., 12. Babiński Z. 1992: Współczesne procesy korytowe dolnej Wisły. Prace Geogr., 157. Babiński Z. 1992: Współczesne procesy korytowe dolnej Wisły. Prace Geograficzne, IGiPZ PAN, 157. Babiński Z. 2002: Wpływ zapór na procesy korytowe rzek aluwialnych ze szczególnym uwzględnieniem stopnia wodnego Włocławek. Wydawnictwo Akademii Bydgoskiej, Bydgoszcz. Babiński Z., Habel M. 2009: Dynamika strefy akumulacyjnej poniżej czoła strefy erozyjnej Zbiornika Włocławskiego. [w:] A.T. Jankowski, D. Absalon, R. Machowski, M. Ruman 45

11 (red.), Przeobrażenia stosunków wodnych w warunkach zmieniającego się środowiska, WNoZ UŚ, PTG oddz. Katowice, RZGW Gliwice, Sosnowiec. Babiński Z. 1997: Procesy erozyjnoakumulacyjne poniżej stopnia wodnego Włocławek, ich konsekwencje i wpływ na morfodynamikę planowanego Zbiornika Nieszawa. IGiPZ PAN, Toruń. Czetwertyński E., Szuster A. 1973: Hydrologia i hydraulika. PWSZ Warszawa. Dębski K. 1970: Hydrologia. Arkady Warszawa. Dunne S., Leopold L. 1978: Water in ervinomental planning, San Francisco. W.H. Freeman Co., 818 p Belyj B. V., Vinogradova I. I., Ivanov V. V., Nikitina Ł. N., Chalov R. S., Chernov A.V. 2000: Morfologia i deformacja rusla Verchnego Jeniseja, meżdu SajanoSzuszenskoj GES i Krasnojarskim Vodochraniliszczem, [w:] R. S. Chalov (red.) Erozja poczv i ruslovyje processy, 12, Moskwa. Falkowski T. 2004: Związek morfologii koryta i charakteru wspólczesnych osadów rzecznych z ukształtowaniem powierzchni i litologią podłoża aluwiów Wisły Środkowej. [w:] A. Kostrzewski (red.), Geneza, litologia i stratygrafia utworów czwartorzędowych, Seria Geografia nr 68, t. IV, Wyd. Naukowe UAM. Houghtalen R., Akan A., Hawang N. 1996: Fundamentals of Hydraulic Engineering Systems. Pearson Education Ltd. London. Kornacki Z. 1972: Regulacje rzek. Seria budownictwo wodne, Instytut Gospodarki Wodnej, Warszawa, nr 26. KubiakWójcicka K. 2006: Zmiany hydrograficzne i hydrologiczne w dolinie Wisły pomiędzy Włocławkiem a Bydgoszczą. UMK Toruń (maszynopis pracy doktorskiej). Leopold L. 1982: Water surface topography in river channels and implications for meander development. Gravelbed Rivers, Wiley and Sond Ltd. OzgaZielińska M., Brzeziński J. 1997: Hydrologia stosowana. PWN Warszawa. Pasławski Z. 1973: Metody hydrometrii rzecznej. IMGW, Warszawa. Polak K. 1996: Przyczyny postępującej erozji w dolnym stanowisku stopnia wodnego Włocławek na tle oceny przebiegu procesów erozyjnych koryta w latach 1988/1994. Kaskada, nr 96/3. Sobota J. 2004: Hydrologia i Hydraulika. Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu. Veksler A. B., Donenberg V. M. 1983: Pereformirovanie rusla v niżnich befach krupnych gidroelektrostancij, Energoatomizdat, Moskva. Williams G. P., Wolman M. G. 1984: Downstream effects of dams on alluvial rivers, Geol.Survey Profes. Paper, 1286, Washington. 46