INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH Nr 4/1/2006, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddzał w Krakowe, s. 143 174 Komsja Techncznej Infrastruktury Ws Wojcech Bartnk CHARAKTERYSTYKA HYDROMORFOLOGICZNA RZEK I POTOKÓW GÓRSKICH Streszczene Tworzene sę warstwy obrukowana dna przedstawono zmany morfologcznych dna ceku na podstawe bezpośrednch pomarów granulometrycznych (średnca rumowska dennego wzrasta po przejścu fal popowodzowej), oraz na podstawe symulacj komputerowej zman uzarnena dennego. Ta procedura oblczenowa bazuje na założenach Gesslera dla określena prawdopodobeństwa neruszena sę zaren w funkcj nadwyżk naprężeń krytycznych. Krytyczne naprężena ścnające były oblczone na podstawe funkcj Wanga określonej dla rzek potoków Podkarpaca. Obrukowane dna jest formowane przez ta część rumowska dennego która ne jest wymywana w czase przepływu. Wzrost naprężeń krytycznych jest wynkem wzrostu średncy marodajnej. Mąższość warstwy obrukowanej jest w przyblżenu równa wymarow najwększego kamena w pokrywe. Ten proces jest różny w rzekach naturalnych w rzekach ponżej przegród. W tym wypadku proces formacj warstwy obrukowana dna jest wynkem wyboju towarzyszy mu zmana spadku zwercadła wody głębokośc. Proces ten może być uważany jako zjawsko stochastyczne. Zgodne z Gesslerem prawdopodobeństwo neruszena sę zarna zależy od relatywnych krytycznych wartośc naprężeń krytycznych. Tworzena sę obrukowana dna w rzekach potokach możemy określć poprzez oblczene następujących parametrów: współczynnk ukrywana sę zaren początek ruchu rumowska określony na podstawe początku ruchu materału drobnego grubozarnstego, kształt zaren jako bezwymarowe naprężena w zależnośc od współczynnka kształtu zaren, transport rumowska wleczonego jako suma transportu poszczególnych frakcj, 143
zmana naprężeń krytycznych funkcj odchylena standardowego krzywej przesewu, prognoza obrukowana dna, analza równowag hydrodynamcznej przepływu dla którego zostaje zerwane obrukowane dna. Dyrektywa UE określa metody gospodark wodnej. Jednym z głównych celów regulacj rzek renaturyzacj jest poprawne oblczene równowag hydrodynamcznej w odnesenu do analzy krytycznych naprężeń ścnających dla poszczególnych frakcj rumowska dennego oraz masy przetransportowanej rumowska wleczonego. Poprawne określene krytycznych naprężeń ścnających, głębokośc wody, grancznej prędkośc ruchu materału dennego pownno być powązane z określenem warunku początku ruchu. Artykuł przedstawa równeż pomary zalecena które są ważne dla opsu warunków renaturyzacj Określene warunków równowag hydrodynamcznej stwarza podstawę do określena parametrów renaturyzowanych rzek. Słowa kluczowe: transport rumowska wleczonego, naprężena krytyczne, równowaga hydrodynamczna, regulacja rzek renaturyzacj WSTĘP Rzek potok górske są dynamcznym zróżncowanym ekosystemam, a w ostatnch latach ch wykorzystane mało charakter jedyne gospodarczy. Spowodowało to w głównej merze degradacją równowag ekologcznej oraz wymuszonym przebegem procesów morfologcznych. Odzolowane rzek od reszty dolny w wynku regulacj spowodowało w sposób znaczący odcęce retencj dolnowej. Jak sę ostatno ocena, negatywny wpływ dzałalnośc człoweka był tak znaczący, że wększość dużych rzek w Europe została uregulowana. Powszechne panuje przekonane, że dzałana te tj. budowa zbornków retencyjnych, regulacja rzek, obwałowana ne zapewnły pełnej ochrony przed powodzą. Ramowa Dyrektywa Wodna rozwja nowy typ zarządzana w tym zakrese, które w przyszłośc będą mały na celu zmnejszene ryzyka powodz, a jej zasady wprowadzana są dokumentem prawnym dotyczącym środowska wodnego arbtralne najważnejszym w Polsce od klkunastu lat. Zapewna ona klasyfkuje środk na kontrolę czynnków odzaływających na jakość wód powerzchnowych. Montorng ocena zman hydromorfolgcznych wymagają opracowana obektywnej oceny parametrycznej. Będą to następujące elementy hydromorfologczne, które należy opsać lub montorować: reżm przepływu welkość dynamka przepływu, 144
cągłość rzek mgracja organzmów wodnych, transport sedymentacja materału dennego (równowaga hydrodynamczna), warunk morfologczne długość, głębokość, prędkość przepływu, rodzaj rumowska dennego (podłoża), struktura funkcje strefy brzegowej. Rzek potok górske to cek o znacznym spadku, o dużej szorstkośc dennej o wysokej dynamce zjawsk zwązanych z ruchem wód wezbranowych. W takch warunkach koneczne jest kerowane sę aktualnym tendencjam zwązanym z regulacją renaturyzacją rzek potoków górskch w zgodze z Ramową Dyrektywą UE, Prawem Wodnym, Ustawą o Ochrone Środowska nnym ustawam dotyczącym dzałań prowadzących do zapewnena stablnych warunków przejśca przepływów wysokej wody. Regulacja renaturyzacja rzek potoków wymagają dogłębnej kompleksowej analzy ch parametrów hydrodynamcznych w szerokm ujęcu, to jest z uwzględnenem zjawsk towarzyszących przepływom wezbranowym, procesów dynamcznych zwązanych z początkem ruchem rumowska. Ulepszene struktury koryta w procese regulacj oraz zmana struktury koryta w procese renaturyzacj będą słą napędową dla zrównoważonego dzałana mającego ma celu przywrócene zdegradowanych ekosystemów rzecznych. OCENA HYDRODYNAMICZNA Rumowsko wleczone występujące w rzekach potokach górskch charakteryzuje sę znaczną nejednorodnoścą uzarnena oraz asymetrą kształtu zaren. Transport tych zaren odbywa sę przy domnującym wpływe sł cężkośc. Tylko duże prędkośc strumena rzecznego mogą spowodować ruch cząstek w warstwe przydennej ceku. Utrzymane rumowska w zaweszenu ne jest możlwe w zakrese prędkośc występujących w rzekach. Domnuje węc ruch potoczysty, posuwsty lub saltacyjny zaren, przy czym okres spoczynku trwa z reguły znaczne dłużej nż okres ruchu. Transport rumowska obserwuje sę podczas powodz (wezbrana), przy czym najperw wymywane są drobne, a potem coraz wększe zarna. Tworzące sę wskutek tego obrukowane dna powoduje zwększene odpornośc dna na dzałane strumena opóźnene masowego transportu rumowska. Natomast po zerwanu obrukowana wprawona zostaje w ruch warstwa denna o znacznej mąższośc. Kształt rumowska grubozarnstego 145
dennego w rzekach potokach górskch jest slne asymetryczny, przy czym domnują zarna o kształce płaskm (dachówkowatym, elpsodalnym). Take cząstk rumowska ne układają sę wyłączne pozomo na dne ceku, lecz często ustawają sę pod kątem do pozomu dna wyraźne wystają. Jego ułożene powoduje m.n. obnżene wartośc grancznych bezwymarowych naprężeń ścnających (f). Wartośc bezwymarowych naprężeń ścnających dla cząstek asymetrycznych w cekach górskch są wyraźne nższe od klasycznych już wartośc podanych przez Sheldsa, które zostały określone dla rumowska o uzarnenu jednorodnym kształce kulstym [Bartnk n. 1996]. Wyznaczene parametrów równowag hydrodynamcznej koryta, przy której w przekroju ceku ne mamy do czynena an z akumulacją, an z erozją materału dennego, stanow ważny problem przy rozwązywanu zagadneń zwązanych z oddzaływanem strumena na dno. Wynk nektórych autorów badań wskazują, że podzał pomędzy ruchem a spoczynkem ne może przebegać na podstawe określena tylko jednego wybranego parametru. W przypadku materału nejednorodnego, a tak występuje w potokach rzekach górskch, rumowsko denne jako materał nejednorodny scharakteryzowany przez odchylene standardowe δ > 1,3, będze mało tendencję do tworzena obrukowana zwanego też opancerzenem dna [Bartnk 1992]. Przebeg zman morfodynamcznych wymaga określena oporów przepływu, wartośc parametrów grancznych dla warunków początku ruchu rumowska, charakterystyk pokrywy dna szorstkego, kształtu zarna charakteru zjawsk zwązanych z przejścem wód wezbranowych. Jednoczesna analza wymenonych parametrów wymaga ch zborczego ujęca przedstawena na zasadach porównawczych tak, by móc wykazać wpływ poszczególnych czynnków dla określena warunków koryt stablnych. Przedstawona w nnejszym opracowanu propozycja oceny równowag hydrodynamcznej na podstawe określena hydraulcznych parametrów przepływu wody ruchu materału dennego wychodz naprzecw założenom RDW. Ocena parametryczna pozwala na scharakteryzowane odcnków proflu podłużnego ceku z przewagą transportu rumowska, odcnków w równowadze pomędzy dostawą a odprowadzenem wreszce odcnków potoku górskego o przewadze akumulacj. Przeprowadzona ocena pozwol na wybór właścwej regulacj ceku lub deregulacj na podstawe analzy równowag hydrodynamcznej. 146
Tabela 1. Ocena hydrodynamczna rzek górskch potoków Table 1. Hydrodynamc evaluaton of mountan rvers and streams Ocena hydrodynamczna rzek górskch potoków Hydrodynamc evaluaton of mountan rvers and streams Uzależnene położena grancy pomędzy ruchem Współczynnk a spoczynkem zarna w materale różnozarnstym klnowana sę zaren od efektu klnowana sę zaren Gran-sze hdng factor Relatng the lmt between movement and mmoblty to cloggng effect n materal of varous gran-sze Początek ruchu rumowska dennego Begnnng of the bedload movement Kształt zaren Gran shape Transport rumowska Bedload transport Prognoza procesów obrukowana Predcton of armourng process Naprężena granczne Crtcal shear stresses Analza równowag hydrodynamcznej Analyss of hydrodynamc balance Określene grancy pomędzy ruchem a spoczynkem dla drobnych grubych frakcj na podstawe naprężeń bezwymarowych Determnng the lmt between movement and mmoblty for fne- and coarse-graned fractons based on dmensonless stresses Uzależnene naprężeń bezwymarowych od współczynnka kształtu zaren Relatng dmensonless stresses to gran shape coeffcent Transport całkowty rumowska wleczonego, jako suma transportów cząstkowych frakcj przy zmennych naprężenach grancznych, w funkcj odchylena standardowego krzywej przesewu Total dragged bedload transport, as a sum of partal fracton transports at changng crtcal stresses, as a functon of seve curve standard devaton Prawdopodobeństwo neruszena sę zaren w zależnośc od nadwyżk sły wleczena jako funkcja naprężeń grancznych do naprężeń normalnych Probablty of gran mmoblty related to drag force surplus as a functon of crtcal stresses to normal stresses relaton Spadek granczny Napełnene granczne Crtcal slope Crtcal depth Przepływ zrywający obrukowane wększy od przepływu marodajnego: stan stablzacj Flow n whch the armour layer s destroyed, hgher than base flow (stable condton) Przepływ zrywający obrukowane mnejszy od przepływu marodajnego: erozja wgłębna Flow n whch the armour layer s destroyed, lower than base flow (deep eroson) 147
Metodyka oblczeń. Projektowane parametrów przekroju poprzecznego można określć wg następujących kryterów oceny stablnośc: dopuszczalnych prędkośc przepływu, dopuszczalnych sł unoszena. Dla ceków, w których mamy do czynena ze zmennym natężenem przepływu wody rumowska podstawowym zagadnenem jest wyznaczene marodajnego natężena przepływu na podstawe lośc transportowanego rumowska w danym przekroju oraz określene zdolnośc transportowej ceku. Jeżel te welkośc będą sobe równe to mamy do czynena z równowagą hydrodynamczną ceku. Dla takego założena będą określone parametry hydraulczne koryta ceku na podstawe kryterum dopuszczalnej sły unoszena, na podstawe oblczeń przekroju regulacyjnego na podstawe naprężeń dopuszczalnych oraz na podstawe dopuszczalnej prędkośc przepływu. Parametry koryta ceku dla przeprowadzonej regulacj blżej natury pownny sę operać na oblczenu zdolnośc przepustowej koryta ze względu na mało jeszcze rozpoznane warunk przepływu przez zarośnęte częśc koryta. O natężenu przepływu przez zarośnęte częśc koryta będze decydował współczynnk szorstkośc koryta określony dla częśc nezarośnętych, w koryce wody marodajnej, w ln rozdzału pomędzy obszarem porośnętym a neporośnętym oraz w terene zalewowym porośnętym. Naprężena granczne. Badana ruchu rumowska wleczonego były prowadzone w klku kerunkach mały na celu wnklwe rozpoznane zjawska w określenu warunków stablnośc koryta rzecznego. Rozwój badań wąże sę ścśle z doskonalenem metod pomarowych oraz znalezenem równań opsujących ruch rumowska wleczonego początek ruchu materału dennego [Bartnk, Mchalk 2000]. Zastosowane metody radozotopowej, jako nemającej praktyczne żadnych ogranczeń, poza spełnenem wymagań ze względu na ochronę radologczną było podstawą do wyznaczena grancznych wartośc naprężeń ścnających dla różnych frakcj. Poneważ w potokach rzekach górskch spotyka sę materał welofrakcyjny, ruch, takego materału zależy od udzału poszczególnych frakcj w meszanne. Np. początek ruchu dużych kamen może być przyspeszony, gdy ch procentowy udzał w krzywej przesewu jest newelk. Może równeż wystąpć odwrotne zjawsko, tj. opóźnene ruchu drobnych frakcj, przy przewadze frakcj żwrowych kamenstych. Do takch warunków hydraulcznych należało opracować 148
metodę, która pozwolłaby na zmerzene natężena transportu masy przetransportowanego rumowska w fal powodzowej oraz początku ruchu dla rzek potoków górskch [Mchalk 1990; Bartnk 1992]. Na rysunku 1. przedstawono wykres zapsu natężena promenowana, które spada do welkośc tła po odejścu zaren spod detektora. Lczby oznaczają numer kanału w analzatorze częstość zlczeń w [s -1 ]. Rysunek 1. Pomar początku ruchu rumowska wleczonego Fgure 1. Measurement of ncpent bed load movement Jako wynk pomarów otrzymuje sę krytyczne naprężena styczne dla każdej merzonej frakcj, zgodne ze wzorem: τ = γ w hi [Nm -2 ] (1.a) gdze; h głębokość strumena wody [m], I spadek podłużny, γ w cężar objętoścowy wody. 149
Znając welkość naprężeń, można wyznaczyć parametr Sheldsa f (tab.1) dla frakcj o średncy d: τ gr = f gδρ d [Nm -2 ] (1.b) Na podstawe wszystkch pomarów początku ruchu na górskch odcnkach rzek (bez ujścowych odcnków Wsłok Dunajca) otrzymano zależnośc parametru Sheldsa f : s 0.9 f = 0,033 ( d / d50 ) (1.c) Tabela 2. Pomary grancznych parametrów ruchu materału dennego na rzekach potokach [Bartnk 1992] Table 2. Measurement of bed load movement on rvers and streams Rzeka d [m] f τ okr [Nm -2 ] V * [ms -1 ] Targanczanka Raba Wsłoka Dunajec 0,02 0,057 18,296 0,135 0,04 0,036 23,358 0,153 0,06 0,032 30,852 0,176 0,08 0,029 37,582 0,194 0,10 0,027 43,802 0,209 0,12 0,025 49,639 0,223 0,18 0,022 65,550 0,256 0,0025 0,069 28,057 0,167 0,02 0,104 33,805 0,183 0,04 0,045 29,224 0,171 0,06 0,032 31,529 0,178 0,08 0,026 33,688 0,183 0,18 0,012 38,750 0,197 0,00275 0,029 1,295 0,032 0,0045 0,025 1,844 0,038 0,009 0,019 2,845 0,050 0,018 0,014 3,934 0,062 0,0225 0,014 4,944 0,070 0,0025 0,028 1,246 0,035 0,0075 0,023 2,757 0,052 0,0205 0,014 4,787 0,069 0,0265 0,013 5,641 0,075 150
Wynk badań wskazują, że podzał pomędzy ruchem a spoczynkem ne może przebegać na podstawe określena tylko jednego wybranego parametru. W przypadku materału nejednorodnego, a tak występuje w potokach rzekach górskch, używany dotychczas dagram Sheldsa w dotychczasowej forme jest w zasadze neprzydatny pownen uwzględnać pełną charakterystykę zjawska zwązanego z ruchem materału dennego. Opory przepływu. Opory przepływu zmenają sę z głębokoścą wody w koryce. W zależnośc od loczynu welkośc sły poruszającej naprężeń krytycznych mogą wystąpć następujące zjawska: erozj, transportu, akumulacj lub też może wystąpć stan równowag hydrodynamcznej koryta, kedy to sła cężkośc poruszająca wodę w koryce będze zrównoważona przez słę tarca. W przypadku ruchu rumowska, szorstkość w koryce ulega zmane wartość n dla dna sztywnego przechodz w wartość n dla dna ruchomego. Przedstawene welkośc n jako funkcj ntensywnośc transportu może stanowć rozwązane tego problemu. W tym celu autor zastosował parametr ntensywnośc transportu Bogard [1978]. W bezwymarowym kształce równane to ma postać: Φ s ( τ ) = qb/τ0v 1 gr/τ 0 (2) gdze qb ntensywność transportu została oblczona wzorem Meyera-Petera Müllera z rozszerzoną modyfkacją [Bartnk 1992]. Welkość naprężeń ścnających τgr wyznaczono z pomaru początku ruchu na Targanczance, Wsłoce, Dunajcu Rabe. dla n > 0,46: dla n < 0,046: ( 1 τ ) 1,0 Φs = qb /τ0 v gr /τ0 = (3) ( 1/21,3 ) 4,63 Φ s = n (4) Pozwolło to na oblczene szorstkośc n dla dna ruchomego w funkcj ntensywnośc transportu: n = 0,046 (5) -0,218 Φ s Po podstawenu bezwymarowego parametru transportu, szorstkość dynamczna jest funkcją ntensywnośc transportu q B, nadwyżk sły unoszena τ gr /τ o prędkośc dynamcznej v. 151
Wzrost oporów przepływu następuje w obszarze początku ruchu. Zjawsko to uwdaczna sę w tzw. opóźnenu transportu cząstek stałych. Pommo przekroczena naprężeń grancznych w ceku dla poszczególnych frakcj, transport rumowska pojawa sę późnej nż by to wynkało ze zman przepływu wody. Jest to spowodowane w obszarze początku ruchu wychodzenem zaren o neregularnych kształtach z pokrywy tym samym zwększenem sę oporów przepływu. Zjawsko pvotngu zostało opsane na podstawe badań laboratoryjnych przez Jamesa, por. Graf [1989], który przy oblczanu oporów przepływu zaproponował uwzględnene współczynnka korekcyjnego dla zmany proflu prędkośc spowodowanej wystawanem nerównych zaren powyżej teoretycznego dna ceku. Współczynnk klnowana sę zaren. W rzekach potokach występuje materał różnozarnsty. W efekce przesuwana sę zaren po dne, w czase kształtowana pokrywy następuje klnowane sę zaren drobnych pomędzy zarnam grubszym. Występuje tu zjawsko opóźnena ruchu drobnych frakcj. W efekce zarna grubsze wchodzą łatwej do transportu, poneważ poruszają sę po drobnejszym materale dennym, a węc w efekce po dne o mnejszej szorstkośc. Jest to zjawsko określone poprzez tzw. hdng factor, czyl współczynnk klnowana sę zaren albo współczynnk stablnośc zaren. Wartość zmennych naprężeń krytycznych może być określona w sposób ogólny z następującego wzoru: ε = f ( ) r / fm = d / dm (6) dla rzek potoków Podkarpaca współczynnk klnowana będze określony [Bartnk 1992]: dla d /d m < 0,6 : ε 0,039 0,26 / 1,786( / ) 0, 95 = δ f = d dm (7) dla d /dm > 0,6 : ε 0,028 0,26 / ( / ) 0, 314 = δ f = d dm (8) Granczna lczba Froude a. Wyprowadzony wzór dotyczy zaren o kształtach kulstych materału jednorodnego. W badanach warunków grancznych pomędzy ruchem a spoczynkem w korytach potoków rzek górskch będze to wartość granczna, do której zmerza wartość lczby Fr = v 2 /gh: Fr 2 2 [( v / gρ )]( [ c / g)( d h) ] = (9) gr gr* s ρs / 152
Perwszy człon równana jest parametrem Sheldsa dla v*gr, a drug współczynnkem prędkośc Chezy'go proporcjonalnym do (h/d) 1/6. Potwerdzene tej proporcjonalnośc uzyskano w badanach terenowych. Dla materału grubozarnstego: gr ( d h ) 1/ 6 Fr = z (10) / gr gdze z wynos od 1,03 do 1,51: Dla materału drobnozarnstego (drobne pask): ( d / h ) 1/ 6 Fr gr = 0,51 gr (11) Podany w tym wzorze przedzał dla lczby Frgr, jest wartoścą granczną tej lczby od momentu ruchu pojedynczych zaren, aż do zerwana obrukowana pojawenu sę tzw. całkowtego (totalnego) ruchu rumowska dennego o mąższośc warstwy wększej od dm. Wzór w przytoczonej postac może być wykorzystany przy projektowanu koryt stablnych na podstawe równowag hydrodynamcznej. Prędkość granczna ruchu rumowska dennego. Prędkość granczną określono na podstawe lczby ruchlwośc. Lczba ruchlwośc dla rzek górskch jest bezwymarowym parametrem w funkcj szorstkośc względnej koryta. Na podstawe równań wyprowadzonych z badań początku ruchu, można określć lczbę ruchlwośc z formuły: 2 c 0, 24 ( d / h ) ρ v / Δγ d = 1,545 (12) s m Wykorzystane znajomośc warunków grancznych ruchu pomerzonych frakcj rumowska dennego pozwolło autorow równeż na określene warunków ruchu dla stałych wartośc parametru Shelds'a. Występuje tutaj duża zgodność w przebegu tych funkcj z pomaram wynkam badań O Nella [Bogard 1978] dla wartośc f = 0,013, 0,03, 0,40, 0,06. Zjawsko to obserwuje sę przy rosnącej welkośc szorstkośc względnej. Można to wytłumaczyć faktem łatwejszego wchodzena do transportu zaren o średncy d > dm: dla materału grubozarnstego: gr 0,38 0,12 4,98d h gr v = (13) dla materału drobnozarnstego (klnującego sę): v = d h (13.a) gr 0,38 0,12 153
Wpływ kształtu zaren na początek ruchu. Z dotychczas opsanych parametrów, na welkość naprężeń grancznych wpływają główne: welkość zaren, wartość odchylena standardowego krzywej przesewu, współczynnk klnowana sę zaren, prędkość przepływu, ntensywność. Istotny wpływ na welkość naprężeń grancznych ma równeż kształt zaren. Zależność fm = 0,0123e 1,6SF (rys. 2) pozwala dla danego współczynnka kształtu zaren SF=c/(ab) 0.5, występujących w koryce ceku, wyznaczyć welkość naprężeń bezwymarowych. Uwdocznona została tutaj zależność, że zarna spłaszczone typu deska, pręt wydłużony, płyta oraz zarna elpsodalne scharakteryzowane wg klasyfkacj (tab. 2) będą wcześnej wchodzły do transportu, nż by to wynkało z krzywej Shelds'a. Natomast dla kształtu kulstego dla SF = 0,8 1,0 otrzymano odpowedno z tej funkcj wartość naprężeń bezwymarowych f = 0,045 0,06, a węc potwerdzające welkośc naprężeń bezwymarowych otrzymane przez Shelds a dla zaren kulstych. Dalsze obnżene wartośc naprężeń grancznych może być spowodowane wysunęcem protruson zarna. Jeżel stosunek częśc wysunętej zarna do jego średncy wynos 0,5, to bezwymarowe naprężena granczne wynosą odpowedno f = 0,02. Efekt wysunęca zaren w materale welofrakcyjnym będze równeż decydował o welkośc naprężeń grancznych może stanowć wyjaśnene obnżana sę welkośc bezwymarowych naprężeń przy rosnącej średncy zaren rumowska dennego. Dla określena parametrów kształtu posłużono sę współczynnkem kształtu sferycznośc [Bartnk 1992]: współczynnkem kształtu; c S = p a b współczynnkem sferycznośc; ψ p = 3 b c 2 a a kategore kształtu zaren przyjęto w wersj uproszczonej dla trzech wyróżnających sę kształtów w rzekach potokach [Mchalk 1990] (tab. 3). 154
Tabela 3. Kategore kształtu zaren Table 3. Categores of gran shape Kategore kształtu zaren b/a c/b Ψp Sp I Kule 0.64 0.63 0.75-0.96 >0.70 II Elpsy > 0.33 > 0.4 >0.50<0.86 <0.70 0.43 III Dysk pręty < 0.64 < 0.52 < 0.70 <0.43 Rysunek 2. Naprężena bezwymarowe f m jako funkcja współczynnka kształtu zaren SF Fgure 2. Dmensonless crtcal shear stresses f m as functon of gran shape SF Poprawne określene kształtu zarna ma znaczene ze względu na powerzchnę zarna, która narażona jest na dzałane przepływającej wody, a ta z kole wpływa na welkość sł dzałających na zarno. Badana ruchu pojedynczych zaren w rzekach (rys. 3) dotyczą zwązków pomędzy odległoścam na jaką przemeszczane są zarna przez wodę ch welkoścą oraz ch sposobem poruszana sę. Słę wleczena, którą wywołuje przepływający strumeń wody określa sę dla każdego zarna ndywdualne. Na welkość sły wleczena ma wpływ welkość kształt zarna oraz szorstkość dna. Najczęścej badanym słam są sła cężkośc Fg sła wleczena w ruchu turbulentnym Ft, które określają następujące zależnośc: 155
F g = K γ d 3 1 s b F t = τ K d (14) 2 0 2 b gdze: τ0 naprężena styczne [N m -2 ], K2 współczynnk kształtu powerzchn ścnana. Rysunek 3. Dagram Sheldsa z wynkam pomarów laboratoryjnych [Mchalk, Ksążek 2000] Fgure 3. Dagram of Shelds wth results measurements n laboratory [Mchalk, Ksążek 2000] Pomary sły wleczena przeprowadzono w uchylnym koryce hydraulcznym w warunkach przepływu turbulentnego. Wykazały one, że bezwymarowe naprężena styczne dla żadnego ne przekraczają wartośc 0,06. Porównane sły wleczena sły cężkośc zarna wskazuje, że sła wleczena jest welokrotne mnejsza od sły cężkośc w ruchu turbulentnym. Sła wleczena w ruchu turbulentnym jest proporcjonalna do naprężeń stycznych z wyjątkem zaren mnejszych od 2 cm, gdze sła wleczena jest stała dopero po przekroczenu wartośc naprężeń wynoszących 20 N m -2 sła wleczena wzrasta zaczyna być proporcjonalna do naprężeń stycznych [Mchalk, Ksążek 2000]. 156
Wybrane równana ntensywnośc transportu rumowska. Istneje wele wzorów, które umożlwają przyblżoną ocenę loścową cząstek stałych, jednak każdy wzór ze względu na zróżncowane warunk transportu rumowska ma charakter regonalny. Znaczne zwększene dokładnośc oceny loścowej transportu rumowska uzyskano po wprowadzenu metod opartych na pomarze radoznacznkowym dla rzek potoków karpackch. Regonalzacja może być w pewen sposób elmnowana przez dobór odpowednego typu równana: typ I: naprężene styczne oddzałujące na dno koryta, typ II: natężene przepływu strumena spadek zwercadła wody, typ III: fluktuację przepływu probablstyczny charakter transportu zarna, typ IV: prędkość przepływu strumena. Równane Meyera-Petera Müllera Badana radozotopowe wykazały, że ntensywność transportu pownna być oblczana jako suma ntensywnośc transportu poszczególnych frakcj rumowska dennego, w następstwe czego zmodyfkowano równane Meyera-Petera Müllera. Modyfkacja [Bartnk 1992; Gładk n. 1981] dała dużą zgodność oblczeń masy transportowanego rumowska z pomarem [Mchalk 1990]. Wspomnana modyfkacja polega na zastąpenu parametru Sheldsa f = 0,047 przez parametr f dla średncy frakcj d, który może być oblczony zgodne ze wzorem (3). Kolejnym etapem modyfkacyjnym było wprowadzene zmennych naprężeń grancznych wg Wanga w funkcj odchylena standardowego krzywej przesewu. Została ona równeż przeprowadzona na podstawe pomarów radoznacznkowych transportowanej masy rumowska wleczonego na potoku Targanczanka oraz na rzece Rabe [Bartnk 1992]. Po wprowadzenu modyfkacj formułę MPM można zapsać: g ρgh I fgδρsd = 0,33 0,25ρ 1,5 Δp b [kns -1 ] (15) Wartość zmennych naprężeń krytycznych może być określona w sposób ogólny z następującego wzoru dla rzek potoków wynese: dla d /dm < 0,6 :,26 ( ) 0, 95 ε = δ (16) 0,039 0 / f 1,786 / = d dm dla d /dm > 0,6 :,26 ( ) 0, 314 ε = δ (17) 0,028 0 / f / = d dm 157
natomast transport całkowty będze sumą transportów cząstkowych: g = b p g (18) G w w = g t (19) w Teora równane Bagnolda Teora Bagnolda transportu rumowska rzecznego opera sę na prawach fzyk ogólnej, dzęk czemu prowadz do możlwośc jednoznacznego określena ntensywnośc transportu rumowska wleczonego. Bagnold wprowadzł moc strumena jako loczyn średnej prędkośc przepływu wody v naprężeń stycznych na dne koryta, wyrażonych w jednostkach masowych τ = ρ h I czyl jednostkową moc strumena wyraża zależność: ω = τ v (20) Transport rumowska zaczyna sę powyżej wartośc progowej ω0.w szerokch analzach badanach Bagnold stwerdzł, że jednostkowa ntensywność transportu rumowska wleczonego b zmena sę jak (głębokość napełnena) -2/3 jak (średnca zarna) -1/2. Dla stałej głębokośc przepływu ntensywność b zmena sę jak (moc strumena) 3/2. Ogólne można tę zmenność ująć w następującej postac: b ( 3 / 2 2 / 3 1/ 2 ω ω0 ) h d (21) W celu wyelmnowana nejednorodnośc wymarowej tego równana Bagnold zaproponował jego postać bezwymarową: b ( ) b ω ω0 = ( ω ω0) * 3 / 2 h h * 2 / 3 d d * 1/ 2 (22) gdze welkość oznaczone gwazdką są wybrane arbtralne na podstawe wszystkch dostępnych wynków badań laboratoryjnych terenowych wynoszą: ( 1 1 1 1 b )* = 0,1 kg m s, ( ω ω0 )* = 0, 5 kg m s (23) h* = 0,1 m, d = 1,1 10 3 m 158
Zależność ntensywnośc transportu rumowska b od mocy strumena (ω-ω0) w skal logarytmcznej jest lną prostą pokazuje jej perfekcyjne dopasowane do wynków eksperymentalnych przeprowadzonych zarówno w korytach laboratoryjnych, jak na różnych rzekach w tym równeż na rzece Rabe [Mchalk, Ksążek 2000]. Prognoza obrukowana dna. Obrukowane dna tworzy ta część materału dennego, która ne podlega wymycu w czase przepływu. Jest to proces, który może być scharakteryzowany dwoma krzywym, tj. krzywą początkową dla rumowska nejednorodnego krzywą końcową dla rumowska jednorodnego określonego poprzez odchylene standardowe krzywej przesewu δ = 1,3. Po przejścu kolejnego wezbrana krzywa przesewu na skutek wymeszana sę uzarnena pokrywy z podłożem może powrócć do krzywej początkowej. Rumowsko nepodlegające wymycu stanow około 60% powerzchn dna, natomast grubość uzbrojena dna odpowada najgrubszemu kamenow z pokrywy. Opancerzene dna tworzy sę przez stopnowe wymywane z dna drobnych częśc uzarnena. Inaczej ten proces przedstawa sę w koryce o przepływach naturalnych, naczej ponżej zbornków wodnych, zapór rumowskowych oraz stopn wodnych, gdze odpływ może być regulowany, a sam zbornk czy budowla pętrząca odcna dopływ rumowska do nższych part ceku. Proces ten przebega na znacznych długoścach ponżej budowl pętrzących, a sam proces wskutek braku almentacj rumowska zachodz tak długo, aż wytworzy sę stan równowag, a węc powstane obrukowane dna. Tworzene sę opancerzena dna jest możlwe w przypadku materału welofrakcyjnego. Obrukowane dna tworzy ta część materału dennego, która ne podlega wymycu w czase przepływu. Gessler [1971] ustalł, że prawdopodobeństwo pozostana zarna na dne zależy od względnych naprężeń grancznych: ( τ ) q = φ p gr /τ 0 (24) Według Gesslera na podstawe prawdopodobeństwa neruszana sę zarna z podłoża q o stneje możlwość określena rozkładu uzarnena obrukowana dna. Prawdopodobeństwo neruszana sę zaren Gessler opsał funkcją: q = 0,015x 3-0,01477x 2 + 0,4777x + 0,4921 (25) 159
gdze: x jest funkcją nadwyżk naprężeń ścnających dla x = τgr/τ0 można oblczyć prawdopodobeństwo q neruszena sę zarna z pokrywy. Funkcja ta została wyznaczona dośwadczalne. Krzywa uzarnena pokrywa sę z wykresem funkcj: d q( d ) Δ p 0 ( d ) d mn p a ( d ) = (26) d max q( d ) Δ p ( d ) d mn gdze: q(d) prawdopodobeństwo, że zarna o średncy d ne będą transportowane, p o funkcja gęstośc rozkładu uzarnena, Na podstawe badań radoznacznkowych transportu rumowska wleczonego opracowano metodę prognozowana obrukowana dna poprzez oblczene naprężeń grancznych ruchu materału dennego dla poszczególnych frakcj f ze wzoru: τ gr s 0 = fgδρ d (27) gdze f jest oblczone ze wzoru 20 21 dla danych warunków można prognozować oblczyć zmany zachodzące w dne koryta ceku po przejścu przepływu wększego od grancznego dla ruchu poszczególnych frakcj. Na podstawe przeprowadzonych pomarów obrukowana dna oraz przeprowadzonej symulacj komputerowej (rys. 4) Rysunek 4. Symulacja obrukowana dna (potok Tenczyńsk) Fgure 4. Smulaton of the armourng layer formaton Tenczyńsk stream 160
zman w dne po przejścu fal wezbrana, można określć wzrost naprężeń ścnających dla w pełn rozwnętego obrukowana dna, tj. aż do powstanu jednorodnego rumowska dennego dla odchylena standardowego σ = 1,30. Zmanę wartośc naprężeń grancznych uwzględnających proces tworzena sę obrukowana w dne ceku można wyznaczyć na podstawe wzorów, które zostały wyprowadzone z pomarów uzarnena dennego, pokrywy podłoża [Bartnk 1997]. Przy braku danych określających zależność końcową, wartość naprężeń ścnających można oblczyć z założena, że proces zman w uzarnenu pokrywy przebega aż do osągnęca warunku δk = 1,3 dla tzw. krzywej końcowej uzarnena, po przekroczenu której następuje zerwane obrukowana dna w koryce ceku wystąp ruch masowy. τk = τp 1,09 (δp/δk ) -0,57 τk = τp 1,07 (d50p/d50k ) 0,71 (28.a) (28.b) gdze: τk ścnające naprężena końcowe [N/m 2 ], δp,k odchylene standardowe krzywej przesewu początkowej, końcowej, d50p,k średnca frakcj rumowska dennego początkowa, końcowa. Welkośc naprężeń w powyższych równanach możlwe są do oblczena dla założena, które wynka z warunku powstana obrukowana dna ceku wykorzystana tego procesu w regulacj, a manowce: a) odchylene standardowe krzywej granulometrycznej rumowska dennego δk jest równe 1,3 na podstawe założena Gesslera, b) średnca d50k dla krzywej przesewu rumowska dennego ukształtowanego w wynku obrukowana dna ceku wynos 1,5 1,8 d50p. Określene naprężeń ścnających dla proflu podłużnego z uwzględnenem warunku powstana naturalnego obrukowana dna ceku pownno być wyznaczone dla d90 tę welkość średncy rumowska dennego należy wstawć do równana oblczyć τgr. Wartość tych naprężeń grancznych będze gwarantowała równowagę morfodynamczą na wybranym odcnku ceku. 161
Tak proces oblczenowy oparty tylko na znajomośc naprężeń grancznych dla d90 upraszcza model oceny równowag morfodynamcznej. Ocena parametryczna przeprowadzona na podstawe przedstawonego arkusza oceny opartego na hydraulcznych parametrach przepływu wody transportu pozwol na wybór właścwej regulacj ceku lub deregulacj na podstawe analzy równowag hydrodynamcznej. Do tej oceny zostały opracowane programy TRANS ARMOUR [Bartnk 1992, 2002], które w dużym stopnu ułatwą taką szczegółową ocenę. Regulację koryta głównego ceku przeprowadza sę z reguły na średną wodę roczną wodę marodajną Q50%. Jeżel transport masowy rumowska wleczonego, to jest zerwane obrukowana nastąp ponżej tego przepływu w badanym koryce, to potok będze wykazywał tendencję do erozj wgłębnej koneczna jest w tym wypadku stablzacja proflu podłużnego na całej długośc ceku. Natomast w przecwnym wypadku potok będze potokem stablnym ne będze wymagał stablzacj proflu podłużnego. Natomast koryto welkej wody (woda stuletna) pownno być chronone poprzez metody netechnczne, a węc wyznaczene strefy zagrożena powodzowego dla zalewu wody stuletnej oraz wyznaczene zalewu spowodowanego ntensywnym spływem powerzchnowym wód opadowych przy dużych denwelacjach terenu [Radczuk n. 2001]. Nowe rozwązana kerunk wnosk. Ramowa Dyrektywa Wodna UE(2000/60/UE) w zakrese zrównoważonego użytkowana wód jest wyzwanem dla regulacj rzek potoków górskch. Powstaje pytane jak ją realzować? Coraz częścej sęgamy do takch właśne rozwązań przyjaznych środowsku, przywracając rzekom ch naturalny beg za pomocą renaturyzacj deregulacj. Regulacja naturalna rzek potoków górskch narażonych na slne wezbrana wymaga przewdywana zman w dne koryta, które mogą wystąpć po przejścu wezbrana. Wymagana jest w tym wypadku prognoza przebegu procesów korytotwórczych, ocena ntensywnośc transportu rumowska wleczonego oraz ocena procesów erozj sedymentacj w koryce. Dotychczasowe metody regulacj techncznej w sposób znaczący zmenały reżm charakter ceków górskch przez wprowadzene do koryta ceku budowl w postac stopn, bystrotoków zapór przecwrumowskowych zaopatrzonych w otwory w korpuse zapory celem przepuszczena drobnych średnch cząstek rumowska wleczonego. 162
Dalszym postępem były konstrukcje satkowo-kamenne belkowo- -kamenne zapór przecwrumowskowych. W ostatnm czase w Austr we Włoszech na potokach alpejskch [Armann n. 1991] pojawły sę konstrukcje ażurowe z belek żelbetowych żelaznych, które mały nowa funkcję, a manowce dozowały frakcjonowały rumowsko w czase przepływów katastrofalnych. Ich dużą zaletą jest to, że budowle szutrujące dozujące rumowsko wleczone ne posadają necek wypadowych. We Francj pojawają sę ażurowo-satkowe zapory o konstrukcj stalowej przypomnają urządzena przechwytujące lawny rumowskowe. W Japon ażurowe zapory przecwrumowskowe przypomnają swym wyglądem raczej urządzena obronne-przecwczołgowe. W USA ażurowe zapory są wykonywane z żelbetowych belek prefabrykowanych. Są to konstrukcje ażurowe z belek żelbetowych lub żelaznych. W Polsce badana nad procesem akumulacj erozj w koryce ceku pod wpływem ażurowych stopn zapoczątkował Beleck w latach sedemdzesątych. Obecne przyjmowany jest pogląd [Żbkowsk, Żelazo 1993], że zadanem obektów służących regulacj potoków ne jest zatrzymywane całego rumowska. Małe przepływy pownny, przechodzć przez konstrukcję bez zaburzena naturalnego stanu potoku bez pętrzena. Odchodz sę węc od budowy zapór, których głównym zadanem było zatrzymane rumowska wleczonego na rzecz koncepcj budowana obektów kontrolujących przebeg jego transportu [Bartnk n. 1996] w czase przepływów katastrofalnych. Budowle te w swych rozwązanach stanową stablzację proflu podłużnego w obrębe koryta głównego ceku. Duże zapory przecwrumowskowe stanową barerę dla organzmów żywych zmenają morfologe koryta. Modernzacja zapór pownna ść w kerunku uzyskana łącznośc z korytem perwotnym, poprzez wycęce odpowednej szczelny w korpuse sęgającej dna ceku. Nowe zapory pownny już w całośc przejąć tylko funkcję kontrolną transportu rumowska w czase fal powodzowej celem zahamowana erozj dennej. Erozja denna powoduje bowem, że przy znacznym wcęcu w koryto rzeka lub potok trac łączność pomędzy strefą koryta a strefą brzegową, następuje zmana dynamk przepływu charakterystycznego dla cągów sedlskowych. Brak kontaktu ze strefą brzegową wpływa negatywne na florę faunę sedlska. Wśród zapór nowego typu można wyróżnć: zapory szczelnowe (rys. 5) o ponowych otworach (jednym lub welu), sęgających od korony zapory zwykle do pozomu perwotnego 163
dna potoku. Zadanem tych zapór jest regulacja szybkośc transportu rumowska. Szczelny mają taką szerokość, aby przy normalnym stane wody przepływała ona przez ne bez przeszkód, a uległa spętrzenu w czase fal powodzowej. Na skutek spętrzena efektu cofk, znaczna część rumowska zostaje zatrzymana. Po opadnęcu fal woda przepływa przez zaporę, unosząc z sobą stopnowo nagromadzone uprzedno rumowsko, zapory belkowe (rys. 6) o szerokch pozomych otworach. Zadanem tych zapór jest główne sortowane rumowska zatrzymywane pn drzew. Welkość otworów jest proporcjonalna do welkośc najwększego zarna rumowska, jakemu umożlwa sę przejśce przez zaporę, stopne (rys. 7) z okenkam osączającym umeszczonym w korpuse stopna, Rysuenek 5. Schemat zapory szutrującej Fgure 5. Scheme of rubble dosng dam Rysunek 6. Schemat zapory dozujacej szutrującej Fgure 6. Scheme of rubble dosng dam 164
Rysunek 7. Schemat zapory dozującej szutrującej Fgure 7. Scheme of rubble dosng dam Schemat postępowana przy planowanu renaturyzacj rzek dolny. Ocena parametryczna jest równeż clem dla określena środków dla renaturyzacj [Bartnk n. 2004] osągnęca dobrego stanu ekologcznego. Środk te należy ocenć pod względem zapewnena morfologcznej, a w konsekwencj bologcznej poprawy stanu przekształconych wód. Tak, w tych rozwązanach musmy poszukwać warunków oceny równowag hydrodynamcznej koryta dla osągnęca celów szczegółowych, takch jak: wzrost zróżncowana bologcznego zwększene walorów przyrodnczych, wzrost walorów krajobrazowych, rekreacyjnych turystycznych, poprawa jakośc wody, zwększene możlwośc retencyjnych, zachowane cągłośc ekosystemu rzek, racjonalzacja wykorzystana rzek, ochrona przed powodzą osedl zagrożonych wylewam, wyznaczene stref zntegrowanego rozwoju gospodarczego. Należy przeprowadzć wstępne rozpoznane faktycznego stanu zagrożeń dla środowska przyrodnczego w obszarze zlewn, rozeznane celów strategcznych rozwoju zagospodarowana przestrzennego województwa poszczególnych powatów zmerzające do ochrony odbudowy zasobów przyrodnczo-kulturowych tego regonu. Wskaże ono na plną potrzebę sporządzena kompleksowego projektu wymagającego nterwencj o cechach zntegrowanych dzałań w obszarach poszczególnych jednostek admnstracyjnych tego obszaru zbadana uwarunkowań realzacj zamerzeń projektowych dla określena stopna wykonalnośc zadana jego wpływu na środowsko. Wstępne 165
założena projektowe określają charakter projektu, tryb postępowana, fazy zadana zwązane z realzacją poszczególnych jego elementów w dzedzne ochrony przyrody, regulacj stosunków hydraulcznych hydrologcznych zlewn rzek w kontekśce renaturalzacj obszaru przyrodnczego, koordynacj planowana przestrzennego projektowana urbanstycznego w obszarach o unkalnych wartoścach przyrodnczo-kulturowych. W ostatnm okrese wrasta zanteresowane przywrócenem stanu naturalnego ceku w wynku prac renaturyzacyjnych na obszarach zmelorowanych doln rzecznych. Dolny tych rzek w obecnym czase ze względu na zastnałe zmany gospodarczo-społeczne zostały wyłączone z ntensywnej uprawy rolnczej mogą być z powodzenem poddane zabegom zwązanym z przywrócenem boróżnorodnośc w wynku renaturyzacj. Tabela 4. Identyfkacja stanu środowska rzek dolny Table 4. Identfcaton state of envronmentale rver and valley IDENTYFIKACJA STANU ŚRODOWISKA RZEKI I JEJ DOLINY Naturalne cechy rzek Zmany neodwracalne, antropopresja Środowsko kulturowe, rozwój gospodarczy Koncepcja renaturyzacj rzek dolny Ogranczena lokalne Wstępny projekt w ujęcu warantowym Uzgodnen, procedury prawne Rozwązane końcowe projekt renaturyzacj możlwy do realzacj w danych warunkach 166
Tabela 5. Uwarunkowana renaturyzacj rzek Table 5. Condton of renaturralzaton of rver RENATURYZACJA RZEKI Strefy rodzaj przedsęwzęć Koryto główne rzek Strefa brzegowa Terasa zalewowa Dopływy obszar zlewn Ocena hydrodynamczna morfodynamczna Umocnena brzegowe Użytkowane, zagospodarowane, morfologa terenu Zagospodarowane terenu Układ pozomy ceku w plane, odtworzene meandrowana Atrybuty naturalnośc: Ukształtowane skarp Częstość czas zalewów, strefy zagrożena powodzowego Jakość wody, badana fzykochemczne Profl podłużny Ukształtowane ln brzegowej Stosunk wlgotnoścowe Retencja dolnowa, mała retencja Przekrój poprzeczny Roślnność brzegowa Układ dróg komunkacja w dolne Zabeg przecwerozyjne Zróżncowane struktur rzecznych Elementy habtatowe Sukcesja roślnna, ekstensywne użytkowane dolny Komunkacje dla organzmów Zblżene koryta rzek do natury Charakterystykę dzałań dostosowaną do celów renaturyzacj przedstawono zgodne z opracowanem Kerna [Żelazo, Popek 2002] oraz na podstawe opracowanej koncepcj renaturyzacj rzek dolny Ndy [Bartnk n. 2004]. Przedstawone w tabel 3 4 obszary 167
rodzaje dzałań z zakresu renaturyzacj na badanym odcnku zostały opracowane dla potrzeb odcnka rzek Ndy w rejone Delty Śródlądowej. Dla utrzymana odpowednej jakośc wód powerzchnowych przyszłe dzałana nżynerske będą dotyczyły w głównej merze dzałań przywrócena dawnego begu rzek. Renaturyzacj pownna być ścśle powązana z ochroną przed powodzą, dla zapewnena zmnejszena ryzyka wystąpena powodz. Dla określena wartośc ekonomcznej skutków renaturyzacj rzek dolny możemy czynnk ekonomczny wyrazć jako straty wynkłe z zanechana realzacj renaturyzacj. Podstawowe skutk zanechana realzacj renaturyzacj są wymerne można je określć jako: postępujący proces degradacj środowska naturalnego tego obszaru, brak ochrony przed powodzą terenów położonych w sąsedztwe rzek, destablzację funkcjonowana rzek zwązane z tym stotne straty gospodarcze, erozję wgłębna na odcnku uregulowanym transport rumowska wleczonego do przekrojów ponżej położonych, degradację obszarów ne użytkowanych rolnczo, obumerane drzew spowodowane wysokm pozomem zwercadła wody na terenach bezodpływowych, brak właścwej ochrony zasobów przyrodnczych kulturowych, dalszy spadek przepustowośc koryta głównego na skutek zarastana brzegów. W rzekach uregulowanych przepustowość koryta jest z reguły wystarczająca dla przepuszczena wód katastrofalnych. Meandrowana koryta jego charakter anastomozujący zmnejszy spadek zwercadła wody, a co za tym dze zmnejszy prędkość przepływu. Dla zachowana odpowednej przepustowośc koryta koneczne jest zwększene przekroju poprzecznego lub rozdzelene przepływu na przepływ na koryto uregulowane udrożnone starorzecza. Ocena hydraulcznych skutków renaturyzacj mus być oparta w tym wypadku na analze skutków wywołanych zmanam układu pozomego ceku, sukcesją roślnnośc korytowej oraz wzrostem szorstkośc dennej w wynku powstana form dennych dna paszczystego. Na skutek zmany hydraulcznych parametrów przepływu wody w koryce, nastąp zmana form dennych z formy charakterystycznej dla cągłego transportu rumowska dennego (dno płaske) na kolejne formy denne 168
charakterystyczne dla procesu deformacj dna, o znaczne wększym współczynnku szorstkośc. W projekce należy równeż przewdzeć weloetapowość planowanych zamerzeń renaturyzacyjnych wynkających mędzy nnym z uwarunkowań hydraulczno-hydrologcznych. Ne da sę bowem precyzyjne określć przepustowośc renaturyzowanej rzek, czasu welkośc zalewów. Ne znamy równeż reakcj środowska przyrodnczego na zmany wywołane renaturyzacją. Późnejsze zmany zachodzące w kryce ceku dolne pownny posłużyć do weryfkacj projektu oceny poprawnośc przyjętych rozwązań. Projekt renaturyzacj będze bowem skutkem rozwązań opartych główne na badanach pomarach terenowych. Szczególne znaczene ma tutaj symulacja przepływu wód katastrofalnych w dolne, która może wskazać na stnejące zagrożena powodzowej w skal mkro w skal makro dla całej dolny ceku. Transport rumowska wleczonego jest podstawą dla przeprowadzena oceny morfodynamcznej, hydrodynamcznej ekologcznej ceków. Poprawne wyznaczene parametrów grancznych ruchu materału dennego oraz określene natężena masy przetransportowanego rumowska w fal powodzowej jest warunkem umożlwającym podjęce prac techncznych dotyczących sposobu warunków przeprowadzena wód katastrofalnych ochrony przed powodzą przyległych terenów. Rzek górske wyróżnają sę prowadzenem znacznych lośc rumowska unoszonego wleczonego w fal powodzowej. Określene natężena masy przetransportowanego rumowska w rzekach ma stotne znaczene zarówno z techncznego, jak ekologcznego punktu wdzena. Urbanzacja zabudowa osedlowa terenów zalewowych rzek potoków górskch spowodowała, że każde wezbrane w ceku jest klasyfkowane jako powódź. Podstawowy cel regulacj rzek potoków górskch jakm jest bezpeczne przepuszczene wód katastrofalnych wymaga nowych dzałań nowego spojrzena na złożoność procesów zachodzących w koryce ceku. Ocena parametryczna jest podstawą do opracowana systemów wspomagających podejmowane decyzj odnośne do warunków regulacj rzek potoków oraz oceny zagrożena powodzowego. Szczegółowo ocena ta pozwala na scharakteryzowane odcnków proflu podłużnego ceku z przewagą transportu rumowska erozj wgłębnej, odcnków w równowadze pomędzy dostawą a odprowadzenem wreszce odcnków ceku o przewadze akumulacj. Jeżel zerwane obrukowana dna transport masowy rumowska 169
wleczonego nastąp w poddanym analze proflu podłużnym koryta ponżej wartośc przepływu wody marodajnej (np. Q50%), to cek będze wykazywał tendencję do erozj wgłębnej koneczna jest w tym wypadku stablzacja proflu podłużnego ceku. Jeżel zjawsko transportu rumowska wystąp dopero przy wększych przepływach, to przy przepływe mnejszym od marodajnego potok będze stablny wówczas ne wymaga stablzacj proflu podłużnego, a prace będą mały korzystny charakter regulacj blskej naturze. SPIS OZNACZEŃ B szerokość zwercadła wody, bw szerokość pasa wleczena, d średnca zaren rumowska, d średnca -tej frakcj rumowska, dm średnca marodajna, d% średnca p% zarna wraz z mnejszym zarnam, f bezwymarowe naprężene krytyczne (tzw. parametr Sheldsa), f bezwymarowe naprężene krytyczne dla frakcj rumowska o średncy d, Frgr granczna lczba Froude'a, g przyspeszene zemske, n współczynnk szorstkośc do wzoru na prędkość strumena wg Mannnga, pa rozkład uzarnena dla opancerzena dna, po początkowy rozkład uzarnena rumowska dennego, q prawdopodobeństwo pozostana zarna na dne lub przepływ jednostkowy, Q natężene przepływu strumena, R promeń hydraulczny dla przekroju ceku, Re* lczba Reynoldsa dla zaren o średncy d, SF współczynnk kształtu zaren, t czas, vgr wartość vgr dla ruchu -tej frakcj, v* prędkość dynamczna w pone o głębokośc h, w prędkość opadana zaren w ceczy, ε współczynnk klnowana sę zaren f/fm, ρ gęstość wody, ρs gęstość rumowska, Δρs gęstość rumowska pomnejszona o gęstość wody, δ odchylene standardowe krzywej przesewu (d84/d16) 1/2, τ naprężena ścnające na dno koryta ceku. 170
BIBLIOGRAFIA Armann A., Dellagacoma F., Ferrer L. From the check dam to the development of functonal check dam. Fluval Hydraulcs of Mountan Regons, Lecture Notes n Earth Scences, Eds A.Armann, G.D Slvo, Sprnger Verlag, Berln Hedelberg, 1991, s. 331 344. Bartnk W. Hydraulka potoków rzek górskch z dnem ruchomym, początek ruchu rumowska wleczonego. Zesz. Nauk. AR w Krakowe, ser. Inżynera Środowska, Rozprawa habltacyjna, 1992, 171. Bartnk W. Warunk kształtujące charakter ruchu materału dennego w rzekach potokach górskch. Praca zborowa pod red. Jerzego Ratomskego pt: Procesy zwązane z ruchem w cekach karpackch. Warszawa 1997. Bartnk W., Kopka W., Krok J. Równowaga hydrodynamczna koryta potoku powyżej zapory rumowskowej dozującej rumowsko wleczone. Zeszyty Naukowe AR w Krakowe, 1996, nr 45, s. 187 196. Bartnk W., Mchalk A. Rozwój badań ruchu rumowska wleczonego jego praktyczna weryfkacja. XX Ogólnopolska Szkoła Hydraulk Współczesne Problemy Hydraulk Wód Śródlądowych Komtet Gospodark Wodnej PAN, 2000. Bartnk W., Florek J. Ocena warunków równowag hydrodynamcznej potoku górskego na podstawe analzy hydraulcznych parametrów przepływu. Zesz. Nauk. AR w Krakowe nr 20, 2000. s. 163 176. Bartnk W., Strużyńsk A. Estmaton of hydraulc parameters of armored layer formng n mountan rvers and streams. Advances n Hydro-Scence and Engneerng, ICHE and Warsaw Unversty of Technology, 2002, publshed on CD-ROM. Bartnk W., Strużyńsk A., Deńko S., Zając T. Analza warunków przyrodnczych ocena potrzeb renaturyzacj rzek Ndy na odcnku delty środkowej. Przegląd Naukowy Inżynera Kształtowane Środowska. Rocznk XIII, 2004, z. 30, s. 209 220. Beleck H. Dynamka procesów akumulacj erozj zachodzących w koryce potoku górskego pod wpływem ażurowych stopn przcwrumpwskowych. Gospodarka Wodna, 1978, nr 10, s. 304 308. Bogard J. Sedment transport n alluval streams. Acad. Kado, Budapest 1978. Cobel D. Ramowa Dyrektywa Wodna: Możlwośc dla gospodark powodzowej. Netechnczne metody ochrony przed powodzą. SGGW, Warszawa 2005. Gessler J. Begnnng and ceasng sedment moton, Rver Mechancs. Ed. Shen H.W. Rozdz.7, 1971. Graf W. H. A method to calculate total load. Advance n Sedment Transport Ossolneum, 1981. Graf W.H. Flow resstance over a gravel bed, ts Consequence on Intal Sedment Movement. Inter. Workshop on Fluval Hydraulcs of Mountan Regon, IAHR, Trent, Italy 1989. Gładk H., Mchalk A., Bartnk W. Measurements of Bed Load Transport n Mountan Streams Usng the Radoactve Tracers Method. Proc. of Workshop IAHR, Rapperswl 1981, 45, 1. Kopka W. Badana modelowe zapór funkcjonalnych do regulacj transportu rumowska wleczonego. Rozprawa doktorska, Katedra Inżyner Wodnej AR w Krakowe, 1998, maszynops. 171
Krok J., Bartnk W., Kopka W. Numercal modellng of the mountan stream channel deformaton due to bed load movements. Prace Naukowe Instytutu Geotechnk Hydrotechnk Pol. Wrocławskej, 1996, z. 71/38, s. 174 185. Mchalk A. Badana ntensywnośc transportu rumowska wleczonego w rzekach karpackch. Analza model emprycznych stosowanych w oblczenach transportu rumowska przy wykorzystanu pomarów radoznacznkowych. Zesz. Nauk. AR Kraków. Rozprawa Habltacyjna nr 138, Kraków 1990. Mchalk Al., Ksążek L. Drag force on ndvdual partcles on turbulent flow condtons. 10th Int. Conference on Transport and Sedmentaton of Sold Partcles, Zesz. Nauk. AR Wrocław, 2000, nr 382, s. 205 215. Parzonka Wł., Flow resstance and transport rates n alluval rwvers. 12 th Internatonal Conference on Transport and Sedmentaton of Sold Partcles.Zesz.Nauk. AR we Wrocławu nr 481, 2004, s. 35 58. Radczuk L., Szymkewcz R., Jełoweck J., Żyszkowska W. Wyznaczene stref zagrożena powodzowego. SAFEGE Wrocław 2001. Wang F. Y. Bed load transport n open channels. Proc.of IAHR, Baden-Baden 1977. Werzbck J. Przyrodncze, gospodarcze hydrotechnczne przesłank regulacj rzek. Narodowy Fundusz Ochrony Środowska Gospodark Wodnej, Warszawa 2003. Zelazo J., Popek Z. Podstawy renaturyzacj rzek.wydawnctwo SGGW Warszawa 2002. Żbkowsk A., Żelazo J. Ochrona Środowska w Budownctwe Wodnym. Materały Informacyjne, Mnsterstwo Ochrony Środowska Zasobów Naturalnych, Warszawa 1993. Prof. dr hab. nż. Wojcech Bartnk Katedra Inżyner Wodnej Wydzał Inżyner Środowska Geodezj Akadem Rolnczej w Krakowe Recenzent: Prof. dr hab. nż. Włodzmerz Parzonka 172