Wpływ użytkowania na transport zawiesiny

Transkrypt

1 VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Wpływ użytkowania na transport zawiesiny w małych zlewniach na przykładzie silnicy i sufragańca (kielce) W pracy przedstawiono wyniki badań nad przestrzennym i czasowym zróżnicowaniem transportu zawiesiny przez rzekę Silnicę i Sufraganiec. Zlewnia rzeki Silnicy jest w znacznym stopniu zurbanizowana, natomiast Sufragańca cechuje się przewagą obszarów rolniczo-leśnych z rosnącym w dół zlewni udziałem terenów zurbanizowanych. Dotychczasowe polskie prace z zakresu transportu i źródeł dostawy zawiesiny w małych zlewniach dotyczą głównie wpływu lasu lub użytkowania rolniczego (m.in. Froehlich 1975, 1982, 1992; Ciupa 1991, Krzemień 1991, Biernat, Ciupa 1992; Kostrzewski, Mazurek, Zwoliński 1994; Świeca 1998, Święchowicz 2002). Natomiast pomimo szybkiego wzrostu terenów zurbanizowanych ich wpływ na procesy dostawy i transportu sedymentu jest nadal słabo poznany. Niektóre aspekty tego zagadnienia przedstawiają, m.in. L. Trząski, T. Molenda, R. Kupka (2000), T. Ciupa (2001). Badane zlewnie położone są w obrębie strefy miejskiej i podmiejskiej Kielc. Cechują się podobną powierzchnią, budową geologiczną, rzeźbą terenu, natomiast różnią się użytkowaniem ziemi. Powierzchnia zurbanizowanej zlewni Silnicy wynosi 49,40 km 2, a rolniczo-leśnej zlewni Sufragańca 62,01 km 2. W obrębie tych zlewni występują zlewnie cząstkowe o różnym sposobie użytkowania (ryc. 1). W górnej części zlewni Silnicy, po profil Dąbrowa, lasy zajmują 72,9% ogólnej powierzchni zlewni. Poniżej zmniejsza się udział lasów, a wzrasta powierzchnia terenów zakrytych (nieprzepuszczalnych lub bardzo słabo przepuszczalnych), które cechują się przewagą przyspieszonego spływu powierzchniowego. Zaliczam do nich różnego rodzaju drogi, utwardzone parkingi oraz zabudowania. Po profil Pakosz, położony poniżej centrum Kielc, udział terenów zakrytych wynosi 30,2%. W dół zlewni po profil Białogon, wzrasta powierzchnia lasów i łąk, a tereny zakryte zmniejszają się do 27,6%. Między profilami Piaski i Jesionowa znajduje się zbiornik retencyjny o powierzchni 10,5 ha i pojemności m 3.

2 78 Ryc. 1. Położenie i użytkowanie zlewni rzeki Silnicy i Sufragańca 1 dział wodny główny; 2 działy wodne do wodowskazów; 3 cieki; 4 wodowskazy obserwacji dobowych; 5 wodowskazy obserwacji okresowych; 6 zbiornik wodny; 7 drogi główne; 8 drogi drugorzędne; 9 tereny zabudowane; 10 lasy.

3 Wpływ użytkowania na transport zawiesiny w małych zlewniach W zlewni Sufragańca udział lasów zmniejsza się w dół zlewni. W zlewni cząstkowej po Grzeszyn udział ten wynosi 65,5%, a w zlewni po profil Pietraszki, który położony jest w odcinku ujściowym, zmniejsza się do 46,7%. Natomiast powierzchnie słabo przepuszczalne lub nieprzepuszczalne zwiększają się odpowiednio od 1,7% do 6,7%. W latach hydrologicznych w ośmiu profilach hydrometrycznych, w tym w zlewni Silnicy pięciu i trzech w zlewni Sufragańca, pobierano o godzinie 7 00 próby wody do analiz koncentracji zawiesiny, a w położonym poniżej centrum Kielc profilu Pakosz dodatkowo o godz W tych profilach oraz w przekrojach: obwodnica na Silnicy zamykającym zalesioną górną część zlewni Silnicy; rów przydroży i kanał zakryty z wodą płynącą) wykonywano również okresowe pomiary koncentracji zawiesiny. Ponadto, w wybranych okresach wezbraniowych, we wszystkich profilach prowadzono pomiary koncentracji zawiesiny z częstotliwością co 1-2 godziny. Koncentrację zawiesiny określano standardową metodą sączkową. W poszczególnych profilach badawczych stwierdzono duże zróżnicowanie średnich rocznych wartości koncentracji zawiesiny (tab. 1). W zlewni Silnicy w profilu Dąbrowa (13,78 km biegu rzeki) średnia roczna koncentracja zawiesiny wynosiła 11,6 mg/dm 3, a maksymalna zarejestrowana 93,3 mg/dm 3. Zalesienie zlewni po ten profil jest wysokie, ale występują tu liczne drogi, w tym szybkiego ruchu Kraków-Warszawa i wylotowa z Kielc do Warszawy oraz pojawia się zabudowa strefy podmiejskiej Kielc. Jest to obszar wydajnej dostawy drobnoziarnistego sedymentu do koryta. W profilu Piaski (9,27 km) średnia roczna koncentracja zawiesiny wynosiła 15,2 mg/dm 3, a maksymalna 209,8 mg/dm 3. W profilu położonym poniżej zbiornika retencyjnego (Jesionowa) zaznaczył się spadek średniej rocznej koncentracji o 11,2%, natomiast maksymalna stwierdzona wartość osiągnęła jedynie 139,2 mg/dm 3, co związane jest z sedymentacją transportowanego materiału w zbiorniku. W okresie 30 lat funkcjonowania zbiornika powstała tu delta o długości ok. 100 m. Poniżej centrum Kielc, w profilu Pakosz (3,56 km), stwierdzono skokowy wzrost koncentracji zawiesiny, której średnia wynosiła 38,0 mg/dm 3, a maksymalna obserwowana 846,4 mg/dm 3. Powyżej tego profilu udział terenów zakrytych (słabo przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych) wzrasta do 30,2%. Położony w centrum Kielc czterokilometrowy odcinek koryta rzeki Silnicy, który znajduje się poniżej zapory przy ul. Jesionowej, pełni w transporcie fluwialnym głównie funkcję tranzytową. Na tym odcinku koryto posiada bardzo szerokie przekroje hydrauliczne, a brzegi umocnione są betonowymi płytami. Wysokie brzegi dość skutecznie ograniczają wystąpienia wód Tab. 1. Charakterystyczne koncentracje zawiesiny w profilach badawczych rzeki Silnicy i Sufraganiec w latach z godz. 7 00, a w profilu Pakosz dodatkowo z godz

4 80 rzecznych z koryta. Odcinek ten jest znacznie przekształcony przez człowieka. Znajdują się tu liczne mosty i kładki oraz około 90 wylotów rur kanalizacji burzowej jak również rynny powierzchniowego odprowadzania nadmiaru wód, itd. Dominuje tu zatem linijny charakter dostawy sedymentu do transportu fluwialnego. Wiadomo, że w zlewni zurbanizowanej, woda deszczowa lub roztopowa wraz z sedymentem systemem kanałów burzowych zakrytych i odkrytych bardzo szybko dopływa do koryt rzecznych. Już od dawna na znaczne przyspieszenie obiegu wody na terenach zurbanizowanych zwracało uwagę wielu polskich hydrologów (m.in. Jankowski 1986, Dynowska 1988, Jankowski, Kaniecki 1996; Absalon 1998, Czaja 1999). Podczas wydajnych opadów atmosferycznych lub intensywnych roztopów sedyment transportowany w zawiesinie jest również dostarczany powierzchniowo bezpośrednio z dróg, chodników i parkingów. Bezpośrednio do koryt rzecznych dopływają także ścieki komunalne i przemysłowe, które pochodzą najczęściej z nielegalnych zrzutów, a przede wszystkim zanieczyszczenia komunikacyjne. Te ostatnie w znacznej mierze mają charakter sezonowy i związane są ze stosowaniem piasku do zimowego utrzymania dróg (Sawicka-Siarkiewicz 2004). Poniżej profilu Pakosz koryto Silnicy jest uregulowane budowlami kamiennymi, a miejscami brzegi są zadarnione. Zmniejszenie spadku i znaczne przeciążenie rzeki na tym odcinku powoduje wydajną sedymentację rumowiska. Tworzą się tutaj łachy które, w okresie wegetacyjnym są bardzo szybko zasiedlane przez roślinność. Podczas wezbrań i podwyższonych stanów wody przechwytuje ona znaczną część sedymentu transportowanego w postaci zawiesiny i rumowiska wleczonego. Łachy te, na długich odcinkach, tworzą śródkorytowy poziom zalewowy o szerokości 1-3 m i wysokości 0,2-0,5 m. Narastanie łach przyczynia się do zmniejszania przekrojów hydraulicznych koryta nawet o 35-40%, a zatem jego pojemności prowadzącej do podnoszenia stanów wody. Łachy te okresowo są usuwane przez człowieka. Zaobserwowano, że w tych samych miejscach już po upływie roku tworzyły się nowe (Ciupa 2001). Skutkiem sedymentacji w odcinku ujściowym w przekroju Białogon stwierdzono spadek średniej rocznej koncentracji transportowanej zawiesiny o 20,9%. Należy podkreślić, że po profil Białogon zmniejsza się do 27,5% udział powierzchni zakrytych przy jednoczesnym wzroście powierzchni lasów. W profilu Pakosz o godz średnia roczna koncentracja zawiesiny wynosiła 43,7 mg/dm 3, a maksymalna obserwowana 996,2 mg/dm 3. W godzinach popołudniowych była ona często wyższa niż o godz Latem było to efektem większej częstotliwości ulew w godzinach popołudniowych. Natomiast zimą, w położonym w obrębie miasta korycie rzeki, obserwowano wyraźny dobowy cykl zmian koncentracji zawiesiny nawiązujący do przebiegu temperatur powietrza i wody. Największe dobowe zróżnicowanie koncentracji zawiesiny miało miejsce w okresach odwilży śródzimowych i w początkowej fazie roztopów. Zlewnia Sufragańca cechuje się znacznym zalesieniem, dużym udziałem łąk i terenów rolniczych, a małą gęstością dróg. W górnej części w profilu Grzeszyn (11,63 km biegu rzeki), koncentracja zawiesiny była bardzo mała i wynosiła średnio 6,1 mg/dm 3, a maksymalna obserwowana 47,0 mg/dm 3. W poniżej położonym profilu Niewachlów (6,44 km) rejestrowano już dość znaczny wzrost koncentracji zawiesiny

5 Wpływ użytkowania na transport zawiesiny w małych zlewniach (śr. 10,2 mg/dm 3 ; max. 89,30 mg/dm 3 ). W tej części zlewni zmniejsza się udział powierzchni zalesionych, ale wzrasta gęstość dróg. na tym odcinku następuje dostawa zanieczyszczeń komunikacyjnych i komunalnych. Z biegiem rzeki następował dalszy wzrost koncentracji zawiesiny, który w pobliżu ujścia w przekroju Pietraszki (0,25 km) wynosił średnio15,1 mg/dm 3 ; a maksymalnie stwierdzono tu 263,7 mg/dm 3. Stwierdzono, że w latach średnie roczne wartości koncentracji zawiesiny były podobne w poszczególnych profilach pomiarowych (ryc. 2). Natomiast dużym zróżnicowaniem w cyklu rocznym charakteryzowały się średnie miesięczne koncentracje zawiesiny (ryc. 3). Ryc. 2. Średnie roczne wartości koncentracji zawiesiny (Cs) w profilach pomiarowych Silnicy i Sufragańca w latach (dane z godz ) Ryc. 3. Średnia miesięczna koncentracja zawiesiny (Cs) w profilach pomiarowych na rzece Silnicy i Sufragańcu w latach (dane z godz )

6 82 W profilach Dąbrowa i Grzeszyn, które zamykają zlewnie w znacznym stopniu zalesione z małą gęstością dróg i małym udziałem powierzchni zurbanizowanych, koncentracja zawiesiny utrzymywała się przez cały rok na podobnym niewysokim poziomie. W pozostałych profilach najwyższe koncentracje występowały w miesiącach półrocza zimowego, a najniższe w maju i jesienią. Prawidłowość ta najwyraźniej zaznaczała się w profilach Pakosz i Białogon, które zamykają zlewnie cząstkowe o największym stopniu zurbanizowania. Znacząca przewaga transportowanych ładunków zawiesiny w półroczu zimowym, związana była z bardzo dużą dostawą materiału piaszczystego używanego do zimowego utrzymania dróg. Wielokrotnie obserwowano, że podczas odwilży i roztopów śródzimowych koncentracja zawiesiny w wodach spływających z dróg i odpływających kanałami burzowymi była dziesiątki razy większa niż w tym samym czasie w rzece. W tym okresie dostawa materiału z innych źródeł odgrywała znacznie mniejszą rolę. Przestrzenne zróżnicowanie koncentracji zawiesiny w badanych zlewniach nawiązuje do charakteru użytkowania i zagospodarowania poszczególnych ich części. (ryc. 4, 5). Koncentracja zawiesiny w badanych profilach wykazuje wyraźny związek z powierzchnią terenów nieprzepuszczalnych (zakrytych) oraz gęstością dróg w poszczególnych zlewniach cząstkowych. Na rolę dróg w dostawie materiału do transportu fluwialnego zwracało uwagę wielu autorów (Froehlich 1982, 1992; Froehlich, Słupik 1986; Ciupa 1991, Święchowicz 2002). Koncentracja zawiesiny w profilu Jesionowa, który jest położony poniżej przepływowego zbiornika wodnego, wykazuje największe Ryc. 4. Związek miedzy powierzchnią terenów zakrytych (nieprzepuszczalnych) w zlewniach cząstkowych rzeki Silnicy i Sufragańca, a średnią roczną koncentracją zawiesiny (Cs) w poszczególnych profilach badawczych w latach

7 Wpływ użytkowania na transport zawiesiny w małych zlewniach Ryc. 5. Związek miedzy gęstością dróg w zlewniach cząstkowych rzeki Silnicy i Sufragańca, a średnią roczną koncentracją zawiesiny (Cs) w poszczególnych profilach pomiarowych w latach odchylenia od linii trendu (ryc. 4, 5), co wiąże się głównie z sedymentacją rumowiska w czaszy zbiornika. Stwierdzono, że użytkowanie gruntów, a w szczególności udział powierzchni słabo przepuszczalnych i nieprzepuszczalnych (dróg, parkingów, dachów, itd.), gęstość sieci drenażowej (drogi, kanały burzowe, itd.), zbiorniki wodne, regulacja koryt rzecznych oraz sezonowa działalność człowieka, warunkują oraz istotnie modyfikują rozkład przestrzenny i czasowy koncentracji transportowanej zawiesiny. Obszary miejskie w porównaniu do analogicznej wielkości innych typów użytkowania gruntów produkują bardzo dużo drobnoziarnistego sedymentu transportowanego w postaci zawiesiny. Duża gęstość dróg, kanałów burzowych zakrytych i odkrytych stanowi system przyśpieszonej dostawy do koryt wody i sedymentu. System fluwialny związany z miejską zabudową sprzyja występowaniu rozległych obszarów linijnej dostawy sedymentu, który w wielu przypadkach może bezpośrednio sięgać wododziału. Ponadto powierzchnie słabo przepuszczalne lub nieprzepuszczalne sprzyjają szybkiemu tworzeniu się spływu powierzchniowego i spłukiwaniu cząstek stałych gromadzących się w okresach bezdeszczowych. Literatura Absalon D., 1998, Antropogeniczne zmiany odpływu rzecznego w zlewni Rudy, Wyd. UŚ, Katowice. Biernat T., Ciupa, T., 1992, Denudacja mechaniczna i chemiczna we wschodniej części pasa wyżyn południowopolskich, [w:] A. Kotarba (red.) System denudacyjny Polski, Prace Geogr. IGiPZ PAN,155,

8 84 Ciupa T., 1991, Współczesny transport fluwialny w zlewni Białej Nidy, Wyd. WSP, Kielce. Ciupa T., 2001, Funkcjonowanie systemu fluwialnego Silnicy i Sufragańca w strefie miejskiej Kielc, [w:] A. Karczewski, Z. Zwoliński (red.), Funkcjonowanie geoekosystemów w zróżnicowanych warunkach morfoklimatycznych, Monitoring-Ochrona-Edukacja, Czaja S., 1999, Zmiany stosunków wodnych w warunkach silnej antropopresji (na przykładzie konurbacji katowickiej), Wyd. UŚ, Katowice. Dynowska I., (red.), 1988, Antropogeniczne uwarunkowania zmian odpływu i reżimu rzek w różnych regionach Polski, Dokum. Geogr., 4, Wyd. PAN, Warszawa. Froehlich W., 1975, Dynamika transportu fluwialnego Kamienicy Nawojowskiej, Prace Geogr. IGiPZ PAN, 114. Froehlich W., 1982, Mechanizm transportu fluwialnego i dostawy zwietrzelin w górskiej zlewni fliszowej, Prace Geogr. IGiPZ PAN, 143. Froehlich W., 1992, Mechanizm erozji i transportu fluwialnego w zlewniach beskidzkich, [w:] A. Kotarba (red.), System denudacyjny Polski, Prace Geogr. IGiPZ PAN,155, Jankowski A. T., 1986, Antropogeniczne zmiany stosunków wodnych na obszarze uprzemysławianym i urbanizowanym (na przykładzie Rybnickiego Okręgu Węglowego), Wyd. UŚ, Katowice. Jankowski A. T., Kaniecki A. (red.), 1996, Dziejowe przemiany stosunków wodnych na obszarach zurbanizowanych, PTG, UM, Poznań-Sosnowiec. Kostrzewski A., Mazurek M., Zwoliński Z., 1994, Dynamika transportu fluwialnego górnej Parsęty jako odbicie funkcjonowania systemu zlewni, SGP Poznań, ss.165. Krzemień K., 1991, Dynamika wysokogórskiego systemu fluwialnego na przykładzie Tatr Zachodnich, Rozpr. habil., UJ, 215. UJ, Kraków. Sawicka-Siarkiewicz H., 2004, Ograniczanie zanieczyszczeń w spływach powierzchniowych z dróg, Ocena technologii i zasady wyboru, Dział Wydawnictw IOŚ, Warszawa, ss Świeca A. 1998, Wpływ czynników antropogenicznych na rzeczny odpływ roztworów i zawiesin na międzyrzeczu Wisły i Bugu, Wyd. UMCS, Lublin. Święchowicz J., 2002, Współdziałanie procesów stokowych i fluwialnych w odprowadzaniu materiału rozpuszczonego i zawiesiny ze zlewni Podgórskiej, Przemiany środowiska na Pogórzu Karpackim, 3. Wyd. IGiGP UJ, Kraków. Trząski L., Molenda T., Kupka R., 2000, Renaturyzacja miejskiego potoku program dla Ślepooki, Problemy Ekologii, 4, 1. Instytut Geografii Akademia Świętokrzyska im. Jana Kochanowskiego ul. Świętokrzyska Kielce