Acta Scientiarum Polonorum. Formatio Circumiectus. Kształtowanie Środowiska

Acta Scientiarum Polonorum Czasopismo naukowe założone w 2001 roku przez polskie uczelnie rolnicze Formatio Circumiectus Kształtowanie Środowiska 6 (4) 2007 Bydgoszcz Kraków Lublin Olsztyn Poznań Siedlce Szczecin Warszawa Wrocław Acta Sci 6(4)2007.indb 1 2008-05-21 00:20:30

Rada Programowa Acta Scientiarum Polonorum Kazimierz Banasik (Warszawa), Janusz Falkowski (Olsztyn), Florian Gambuś (Kraków), Franciszek Kluza (Lublin), Edward Niedźwiecki (Szczecin), Janusz Prusiński (Bydgoszcz), Jerzy Sobota (Wrocław) przewodniczący, Stanisław Socha (Siedlce), Waldemar Uchman (Poznań) Rada Naukowa serii Formatio Circumiectus Jaroslav Antal (Nitra, Słowacja), Jerzy Jeznach (Warszawa), Jolanta Komisarek (Poznań), Włodzimierz Rajda (Kraków) przewodniczący, Józef Sasik (Wrocław), Lech Smoczyński (Olsztyn), Bernard Šiška (Nitra, Słowacja), Włodzimierz Kanownik (Kraków) sekretarz Opracowanie redakcyjne Lidia Klin Projekt okładki Daniel Morzyński ISSN 1644-0765 Wydanie publikacji dofinansowane z funduszu działalności statutowej Wydziału Inżynierii Środowiska i Geodezji AR w Krakowie Copyright by Wydawnictwo Akademii Rolniczej w Krakowie Kraków 2007 Redaktor naczelny Józef Bieniek al. 29 Listopada 46, 31-425 Kraków, tel. 012 662 51 57, 012 662 51 59 e-mail: wydawn@ar.krakow.pl http://www.ar.krakow.pl Nakład 320 egz. Ark. wyd.... Ark. druk.... Druk i oprawa: Sowa Sp. z o.o. (ul. Hrubieszowska 6a, 01-209 Warszawa) Acta Sci 6(4)2007.indb 2 2008-05-21 00:20:31

Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 6 (4) 2007, 3 17 wpływ projektowanego zbiornika małej retencji na stany wód podziemnych w jego otoczeniu Mieczysław Chalfen, 1 Alicja Czamara Akademia Rolnicza we Wrocławiu Streszczenie. Analizowano wpływ piętrzenia wód w projektowanym zbiorniku retencyjnym na położenie zwierciadła wód gruntowych w jego otoczeniu. Rozpatrzono cztery warianty piętrzenia. Określono zasięg oddziaływania zbiornika na wody gruntowe w warunkach ruchu ustalonego, zbadano również wpływ krótkotrwałego maksymalnego piętrzenia do rzędnej korony zapory oraz wpływ zwiększonego zasilania ze strefy aeracji w okresie opadowym na poziom wód gruntowych. W badaniach wykorzystano autorski model matematyczny, płaski w planie, oparty na dwuwymiarowym niestacjonarnym równaniu Boussinesqa. Do rozwiązania równania różniczkowego zastosowano metodę elementów skończonych. Stwierdzono, że wysokość piętrzenia wody w zbiorniku istotnie wpływa na zasięg jego oddziaływania na wody gruntowe, natomiast ani krótkotrwałe spiętrzenie w okresie powodziowym, ani zwiększone zasilanie ze strefy aeracji w okresie opadowym nie powoduje istotnego przyrostu stanów wód gruntowych. Dzięki przeprowadzonym symulacjom komputerowym można było na etapie projektowania przyjąć bezpieczny wariant piętrzenia, nie zagrażający obiektom budowlanym znajdującym się w sąsiedztwie zbiornika. Słowa kluczowe: piętrzenie wód, wody gruntowe, model matematyczny, prognoza Wstęp Stosunki wodne na terenach przyległych do cieków i zbiorników wodnych kształtują się w zależności od warunków zasilania wód podziemnych, budowy geologicznej terenu i stanów wód powierzchniowych. Zbiorniki wodne powodują wzrost i stabilizację stanów wody gruntowej na terenach powyżej budowli piętrzącej oraz spadek stanów wody poniżej budowli. Podnoszenie się stanów wód podziemnych może zagrażać obiektom budowlanym usytuowanym w sąsiedztwie zbiornika. Celem badań było określenie oddziaływania projektowanego zbiornika małej retencji Czerwieńsk na położenie wód podziemnych na terenie do niego przyległym. Brano Adres do korespondencji Corresponding author: dr Mieczysław Chalfen, Katedra Matematyki, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, ul. Grunwaldzka 53, 50-357 Wrocław, e-mail: mieczyslaw.chalfen@up.wroc.pl Acta Sci 6(4)2007.indb 3 2008-05-21 00:20:31

J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska pod uwagę różną wysokość piętrzenia wody w zbiorniku oraz uwzględniano różną wartość zasilania wód podziemnych ze strefy aeracji: średnie roczne zasilanie (W) równe 0,6 mm d -1 i zwiększone zasilanie w okresie letnim roku mokrego, przyjęte jako W = 1,0 mm d -1 przez 90 dni [Opady atmosferyczne 1981]. W zasięgu oddziaływania stopnia znajduje się stacja benzynowa, basen kąpielowy oraz kanalizacja miejska. Na podstawie wykonanej prognozy przyjęto wariant piętrzenia uwzględniający ochronę istniejącej infrastruktury przed podtopieniem. materiał i metody Rys.1. Lokalizacja projektowanego zbiornika Czerwieńsk (na podstawie Mapy sytuacyjnowysokościowej 1 25 000 [1981]); ABCD granica terenu badań Fig. 1. Location of projected reservoir Czerwieńsk (based on: Mapa sytuacyjno-wysokościowa 1 25 000 [1981]); ABCD border of study area Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 4 2008-05-21 00:20:32

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 5 Warunki naturalne i opis obiektu Obszar objęty badaniami znajduje się w województwie lubuskim, na południowy wschód od miejscowości Czerwieńsk (rys. 1). Teren projektowanego zbiornika leży w północnej części Wysoczyzny Czerwieńskiej ograniczonej od południa Wałem Zielonogórskim, a od północy Doliną Środkowej Odry, w obrębie jednostki geologicznej monokliny przedsudeckiej. Główne cieki na tym terenie to Złoty Potok oraz jego dopływy: prawobrzeżny Złota Łącza i lewobrzeżny Strużyna. Zbiornik Czerwieńsk ma zostać zbudowany na Złotym Potoku, w km od 4+083 do 5+500. Wody Złotego Potoku są odprowadzane Kanałem Młyńskim do Zimnego Potoku będącego lewobrzeżnym dopływem Odry. Na Strużynie w pobliżu jej ujścia do Złotego Potoku znajduje się zalew Strużyna, który wpływa stabilizująco na poziom wody gruntowej w przyległych terenach leśnych, a jednocześnie przyczynia się do zmiany stanów wody gruntowej na terenach powyżej i poniżej tego zbiornika. Doliny Złotego Potoku i jego dopływów są przeważnie wąskie, lecz w rejonie planowanego zbiornika dolina Złotego Potoku, w której rzeka lekko meandruje, rozszerza się, osiągając maksymalnie szerokość ok. 180 m. Projektowany zbiornik ma się znaleźć w obrębie rynny erozyjnej, którą płynie Złoty Potok, biegnącej z południa na północ. Dno doliny jest zabagnione, z wodami stagnującymi przy powierzchni terenu. Lustro wody w cieku znajduje się najczęściej ok. 0,3 0,5 m poniżej dna doliny [Czamara i Chalfen 2006]. Rys. 2. Przekrój geologiczny terenu (na podstawie Dokumentacji hydrogeologicznej [1980]) Fig. 2. Geological cross-section of area (based on: Dokumentacja hydrogeologiczna [1980]) Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 5 2008-05-21 00:20:33

J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska Rzędne dna doliny Złotego Potoku wynoszą od 52,5 53,0 m n.p.m. w rejonie zapory do 56 57 m n.p.m. w rejonie cofki zbiornika (spadek podłużny 0,002). Deniwelacje na terenie przyległym do zbiornika sięgają 20 30 m. Na badanym obszarze dominują czwartorzędowe plejstoceńskie utwory fluwioglacjalne zlodowacenia północnopolskiego (kompleks piasków i żwirów wodnolodowcowych), których miąższość wynosi od 15 do 20 m. Poniżej zalegają utwory lodowcowe (pyły, mułki, iły), tego samego zlodowacenia, o miąższości ok. 10 m. W ich spągu znajdują się piaski i żwiry wodnolodowcowe zlodowacenia środkowopolskiego, o miąższości ok. 20 m. Lokalnie spotyka się gliny zwałowe [Mapa Geologiczna Polski 1976, Dokumentacja 1980] (rys. 2). W dolinach rzek i w obniżeniach terenowych występują utwory holoceńskie reprezentowane przez utwory rzeczno-bagienne, piaski i pospółki z wkładkami torfów i namułów. Tworzą one holoceńskie tarasy: zalewowy i nadzalewowy. W obniżeniach terenowych nagromadziły się holoceńskie namuły organiczne. Zbiornik Czerwieńsk znajdzie się w obrębie głównego zbiornika wód podziemnych (GZWP) nr 150 Pradoliny Warszawsko-Berlińskiej, który charakteryzuje się występowaniem wody o charakterze porowym w utworach kemowo-sandrowych [Mapa Głównych Zbiorników 2001]. Zwierciadło wody jest tu najczęściej swobodne, tylko lokalnie napięte przez pakiety torfów i namułów. Miąższość utworów wodonośnych wynosi od ok. 15 do ok. 20 m (rys. 2). Wody podziemne i powierzchniowe odpływają z południa na północ. Zwierciadło wód gruntowych lokalnie jest nieznacznie nachylone w kierunku Złotego Potoku. Wartości współczynnika filtracji utworów wodonośnych w rejonie projektowanego zbiornika, wyznaczone na podstawie próbnych pompowań, kształtują się w przedziale od 4,06 m d -1 dla piasków drobnych do 63,9 m d -1 dla żwirów. Średnia wartość współczynnika filtracji na terenie projektowanego zbiornika wynosi 40 m d -1 [Dokumentacja 1980]. W przekroju zapory czołowej zbiornika zwierciadło wód podziemnych pierwszego poziomu wodonośnego znajduje się na rzędnej od ok. 53,00 do ok. 54,00 m n.p.m., a na terenach otaczających zbiornik na rzędnych od ok. 54,50 do 60,00 m n.p.m. Wody piętrzone w zbiorniku będą pozostawały w ścisłym związku hydraulicznym z wodami gruntowymi terenów przyległych do zbiornika. W miejscach występowania gruntów organicznych kontakt wód zbiornika z wodami podziemnymi będzie nieco utrudniony. Podstawowe parametry techniczne projektowanego zbiornika Zbiornik małej retencji Czerwieńsk jest projektowany jako zalew powstały w km 4+083 Złotego Potoku przez spiętrzenie wody zaporą ziemną przegradzającą dolinę cieku. Podstawowe parametry techniczne zbiornika są następujące [Czamara i Chalfen 2006]: normalny poziom piętrzenia (NPP) 55,65 m n.p.m., maksymalny poziom piętrzenia (max PP) 55,95 m n.p.m., maksymalna wysokość piętrzenia przy max PP 4,1 m, objętość zbiornika przy max PP 139 tys. m 3, objętość zbiornika przy NPP 118 tys. m 3, objętość użyteczna zbiornika 40 tys. m 3, powierzchnia zbiornika przy max PP 12,9 ha, Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 6 2008-05-21 00:20:33

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 7 powierzchnia zbiornika przy NPP 11,8 ha, średnia głębokość przy NPP 1,45 m, długość zbiornika 1,48 km, szerokość zbiornika w lustrze wody 50 180 m. OBLICZENIA SYMULACYJNE FILTRACJI HORYZONTALNEJ Z WYKORZYSTANIEM MODELU MATEMATYCZNEGO Model matematyczny W badaniach symulacyjnych zastosowano autorski model matematyczny szczegółowo przedstawiony we wcześniejszej pracy [Chalfen 2003]. Model opisuje przepływ wód gruntowych w strefie saturacji w przekroju płaskim w planie, przy swobodnym bądź napiętym reżimie przepływu. Jest to model dynamiczny w czasie, w układzie dwóch zmiennych przestrzennych (x-y). Dopuszcza on niejednorodność i anizotropię ośrodka gruntowego oraz zmienność w czasie i przestrzeni warunków brzegowych, pozwala również uwzględnić zasilanie infiltracyjne ze strefy aeracji. Podstawą modelu jest równanie Boussinesqa [Kinzelbach 1986]: µ h t = (T 1 h x ) x + (T 2 h y ) y + W gdzie: µ odsączalność ( ), h t pochodna wysokości piezometrycznej względem czasu (m d -1 ), T 1 wodoprzewodność warstwy wodonośnej wzdłuż osi Ox (m 2 d -1 ), h x pochodna wysokości piezometrycznej względem zmiennej x ( ), T 2 wodoprzewodność warstwy wodonośnej wzdłuż osi Oy (m 2 d -1 ), h y pochodna wysokości piezometrycznej względem zmiennej y ( ), W funkcja źródłowa (m d -1 ). Równanie wraz z przyjętymi warunkami początkowo-brzegowymi rozwiązano metodą elementów skończonych. Cieki dogłębione zamodelowano warunkiem Dirichleta, przyjmując wysokość piezometryczną równą stanom wody w cieku. Cieki niedogłebione znajdujące się w obszarze filtracji opisano warunkiem brzegowym typu Dirichleta z jedoczesną modyfikacją współczynnika filtracji w najbliższym sąsiedztwie cieku. Współczynnik filtracji w tych rejonach zmniejszono proporcjonalnie do stopnia niedogłebienia cieku. Obszar filtracji, zewnętrzne warunki brzegowe Obliczenia symulacyjne przeprowadzono w obszarze ABCD (rys. 1.) wytyczonym wokół projektowanego zbiornika i wokół miasta Czerwieńsk. Odcinek AB od południa poprowadzono wzdłuż hydroizhipsy 60,50 m. Brzeg wschodni BC stanowią cieki Łączna i Kanał Młyński. Od północy obszar ograniczono ciekiem Zimny Potok. Odcinek DA poprowadzono wzdłuż lokalnej linii prądu wyznaczonej na podstawie archiwalnych badań hydrogeologicznych. W kierunku N-S obszar rozciąga się na 4,5 km, a w kierunku W-E na 3,5 km wokół Czerwieńska, zajmując powierzchnię 12,56 km 2. Na odcinku Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 7 2008-05-21 00:20:33

8 J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska AB przyjęto w modelu warunek brzegowy typu Dirichleta z wysokością piezometryczną 60,50 m. Na odcinkach BC i CD również założono warunki brzegowe typu Dirichleta, przyjmując, że wysokości piezometryczne są zgodne ze średnimi stanami wód w ciekach Łączna, Kanał Młyński i Zimny Potok. Odcinek DA zamodelowano warunkiem brzegowym typu Neumana, przyjmując natężenie przepływu (q) równe 0 m 2 d -1. Wewnętrzne warunki brzegowe Występujące w południowej części badanego obszaru cieki Strużyna wraz z zalewem Strużyna oraz Złoty Potok wraz z projektowanym zbiornikiem Czerwieńsk opisano w modelu jako cieki niedogłębione. W przypadku zbiornika Strużyna przyjęto stałą wysokość piętrzenia 58,0 m n.p.m. Stany wód w cieku Złoty Potok przed wybudowaniem zbiornika przyjęto według wartości podanych na mapie hydrogeologicznej. W obliczeniach symulujących istnienie zbiornika na Złotym Potoku przyjęto dwa warianty piętrzenia rzędnej zwierciadła wody: NPP = 55,65 m n.p.m. oraz 55,00 m n.p.m. powyżej stopnia piętrzącego zgodnie z wariantami rozważanymi na wstępnym etapie projektowania zbiornika [Czamara i Chalfen 2006]; poniżej stopnia zachowano stany cieku jak przed piętrzeniem. Na podstawie rozpoznania hydrogeologicznego [Dokumentacja 1980] przyjęto, że średni współczynnik filtracji warstwy wodonośnej dla całego badanego obszaru wynosi 40 m d -1. Tam, gdzie dysponowano dokładnymi danymi z odwiertów wzdłuż projektowanego zbiornika Czerwieńsk, współczynnik filtracji obliczano jako średnią ważoną ze współczynników opisujących poszczególne warstwy geologiczne [Kowalski 1987] (rys. 2). Poziom zalegania spągu warstwy wodonośnej określono na podstawie przekrojów hydrogeologicznych w przedziale 40 42 m n.p.m. [Dokumentacja 1980] (rys. 2). Rzędne terenu przyjęto na podstawie map topograficznych. Zasilanie zewnętrzne ze strefy aeracji Średnia roczna suma opadów na badanym terenie wynosi 600 mm. W modelu przyjęto (na drodze tarowania modelu z zastosowaniem archiwalnych danych dotyczących poziomu wód gruntowych w rejonie zbiornika), że ok. 35% opadów zasila strefę saturacji, co daje zasilanie ze strefy aeracji (W) równe 0,6 mm d -1. Przeprowadzono również obliczenia, zakładając, że w przypadku lat mokrych (opad powyżej 800 mm rok -1 ) zasilanie strefy saturacji w okresie letnim wynosi 1 mm d -1 [Kowalski 1987]. Siatka dyskretyzacyjna Dla zdefiniowanego obszaru filtracji (rys. 1) wygenerowano siatkę liczącą 4478 węzłów i 8781 trójkąty. Średni bok trójkąta wynosił od 50 do 100 m. Siatkę zagęszczono lokalnie wokół wewnętrznych cieków do 25 m. Średni maksymalny kąt w trójkątach wynosił 64 (jest to o tyle ważne, że im bardziej trójkąty są podobne do równobocznych, tym dokładniejsze są wyniki dalszych obliczeń) [Zienkiewicz i in. 2005]. Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 8 2008-05-21 00:20:33

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 9 Obliczenia symulacyjne Obliczenia symulacyjne wykonano w czterech wariantach: I. Stan istniejący przed piętrzeniem; IIa. Piętrzenie do rzędnej 55,65 m n.p.m., W = 0.6 mm d -1 ; IIb. Piętrzenie do rzędnej 55,00 m n.p.m., W = 0.6 mm d -1 ; III. 2-dniowe piętrzenie do rzędnej 55,95 m n.p.m., W = 0.6 mm d -1 ; IV. Piętrzenie do rzędnej 55,65 m n.p.m., W = 0.6 1.0 mm d -1. W wariancie I wyznaczono układ hydroizohips opisujących stan istniejący przed wybudowaniem stopnia piętrzącego. W wariantach IIa i IIb wykonano obliczenia dla dwóch wartości normalnego poziomu piętrzenia wody w projektowanym zbiorniku: NPP = 55,65 m n.p.m. oraz NPP = 55,00 m n.p.m. W wariancie III obliczenia przeprowadzono dla krótkotrwałego, dwudniowego piętrzenia do PP max = 55,95 m. n.p.m. (poziomu powodziowego, określonego na podstawie danych historycznych). W wariancie IV przyjęto w okresie letnim zwiększone zasilanie strefy saturacji z opadów atmosferycznych (do 1,0 mm d -1 ). Wyniki obliczeń pozwoliły na porównanie map hydroizohips przed spiętrzeniem i po spiętrzeniu. Na tej podstawie oszacowano wpływ piętrzenia na poziom zalegania zwierciadła wód gruntowych na terenie przyległym do zbiornika. Wszystkie symulacje komputerowe przeprowadzono z krokiem czasowym dt = 1 doba. W wariantach I i II obliczenia prowadzono aż do uzyskania stanu ustalonego. W wariantach IIa i IIb końcowe wyniki obliczeń porównano ze stanem obecnym, a w wariantach III i IV z wynikami otrzymanymi dla wariantu IIa. Wariant I Na rysunku 3 przedstawiono siatkę hydrodynamiczną uzyskaną z modelu dla stanu przed piętrzeniem. Zaznaczono tu również schematycznie granicę miasta Czerwieńsk, basen, stację paliw oraz lokalne drogi. Hydroizohipsy oznaczono co 0,1 m. Prostopadle do nich wykreślono główne linie spływu. Obraz uzyskany z modelu jest zgodny ze średnim obserwowanym stanem wód gruntowych w terenie. Spływ wód gruntowych jest skierowany głównie na północ, w stronę cieku Zimny Potok. Dominuje charakterystyczny równoleżnikowy układ hydroizohips. Uwidacznia się drenujący charakter cieku Złoty Potok i lokalnie zasilający charakter zbiornika Strużyna. W połowie drogi dojazdowej do zapory (rys. 4) rzędna zwierciadła wody gruntowej (ZWG) wynosi 53,85 m n.p.m., w studni SW-2 przy południowej krawędzi basenu 54,60 m n.p.m., a na stacji paliw średnio 55,70 m n.p.m. Układ hydroizohips uzyskany w modelu odpowiada rzędnym obserwowanym w terenie, np. różnica wysokości ZWG obserwowanej w studni SW-2 i obliczonej z modelu wynosi 0,13 m. Duże zagęszczenie hydroizohips i większe spadki hydrauliczne w najbliższym otoczeniu cieku są wynikiem uwzględnienia niezupełności cieku. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 9 2008-05-21 00:20:33

10 J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska Rys. 3. Siatka hydrodynamiczna przed piętrzeniem wody Fig. 3. Hydrodynamic grid before damming up water Rys. 4. Hydroizohipsy przed piętrzeniem najbliższe otoczenie zbiornika Fig. 4. Hydroisohypses before damming immediate vicinity of reservoir Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 10 2008-05-21 00:20:34

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 11 Prognoza stanów po spiętrzeniu wody w zbiorniku Wariant IIa Rysunek 5 pokazuje ustalony stan wód gruntowych po spiętrzeniu wody w zbiorniku Czerwieńsk do rzędnej 55,65 m n.p.m. W rejonie drogi dojazdowej do stopnia piętrzącego zwierciadło wód gruntowych (ZWG) podniosło się do rzędnej 54,5 54,6 m n.p.m., w rejonie basenu do rzędnej 55,1 55,4 m n.p.m., a w sąsiedztwie stacji paliw do rzędnej 55,8 56,1 m n.p.m. W otoczeniu basenu (rys. 6) wody gruntowe podniosły się o 0,70 do 1,00 m, co stwarza zagrożenie dla bezpieczeństwa budowli. Po stronie zachodniej wody ze zbiornika będą zasilały poziom wodonośny na odcinku 350 m powyżej zapory, a po stronie wschodniej zasilanie ze zbiornika będzie występowało na odcinku 150 m na tym terenie zbiornik ma charakter infiltrujący. Na pozostałym obszarze wody zbiornika będą zasilane przez wody gruntowe zbiornik ma charakter drenujący (rys. 5). Podwyższony o 0,1 m poziom ZWG występuje w odległości 900 m na zachód, 600 m na północ i 700 m na wschód od stopnia piętrzącego. Linia przyrostu 0,5 m przebiega w odległości 350 m na zachód, 100 m na północ i 200 m na wschód od stopnia. Linia przyrostu 1 m (grubsza linia na rys. 6) pojawia się jedynie po stronie zachodniej projektowanego zbiornika i sięga wschodniej krawędzi basenu. Na rysunku 7 pokazano położenie zwierciadła wód gruntowych w przekroju poprzecznym x-x (patrz rys. 5) na wysokości basenu. Linią ciągłą zaznaczono poziom ZWG po spiętrzeniu, linią przerywaną poziom ZWG przed spiętrzeniem. W przekroju tym uwidacznia się zasilający charakter projektowanego zbiornika po stronie zachodniej i drenujący po stronie wschodniej. Rys. 5. Poziom zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do HPP = 55,65 m n.p.m. rejon zbiornika Fig. 5. Groundwater level after damming up water to HPP = 55.65 m a.s.l. reservoir area Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 11 2008-05-21 00:20:34

12 J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska Rys. 6. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do HPP = 55,65 m n.p.m. Fig. 6. Increase in groundwater level after damming up water to HPP = 55.65 m a.s.l. Rys. 7. Przekrój pionowy (x-x); ZWG zwierciadło wód gruntowych Fig. 7. Vertical section (x-x); ZWG groundwater level Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 12 2008-05-21 00:20:35

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 13 Wariant IIb W kolejnym wariancie obliczeniowym przyjęto rzędną piętrzenia równą 55.00 m. n.p.m. Mapę przyrostów poziomu ZWG pokazuje rysunek 8. W rejonie drogi dojazdowej do stopnia piętrzącego zwierciadło wód gruntowych podwyższyło się do rzędnej 54,2 m n.p.m., w rejonie basenu do rzędnej 54,7 54,9 m n.p.m., a w strefie stacji paliw do rzędnej 55,5 55,8 m n.p.m. W otoczeniu basenu przyrosty poziomu ZWG kształtują w granicach od 0,30 do 0,50 m. Po stronie zachodniej wody ze zbiornika będą zasilały poziom wodonośny na odcinku ok. 250 m powyżej zapory, po stronie wschodniej na odcinku 100 m. Na pozostałym obszarze wody gruntowe zasilać będą wody zbiornika (zbiornik ma charakter drenujący). Rys. 8. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po spiętrzeniu do HPP = 55.00 m n.p.m. Fig. 8. Increase in groundwater level after damming up water to HPP=55.00 m a.s.l W tym wariancie piętrzenia podwyższony o 0,1 m poziom ZWG występuje (rys. 8) w dległości 500 m na zachód, 400 m na północ i 350 m na wschód od stopnia piętrzącego. Linia przyrostu 0,5 m przebiega 100 m na zachód od zbiornika. Linia przyrostu 1,0 m się nie pojawia. Na rysunku 9 przedstawiono wykres zależności pola powierzchni, na której zaobserwowano podwyższone stany wód gruntowych, od przyrostów poziomu ZWG i wysokości Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 13 2008-05-21 00:20:35

14 J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska piętrzenia wody w zbiorniku. Przyrosty stanów wód gruntowych w zakresie od 0,1 do 0,3 m występują na obszarze od 10 do 150 ha wokół zbiornika, zależnie od poziomu piętrzenia wody w zbiorniku: im wyższy jest ten poziom, tym większy zasięg ma oddziaływanie zbiornika. Znaczące przyrosty poziomu ZWG (powyżej 0,4 m) występują tylko w strefie od 10 do 30 ha wokół projektowanego zbiornika. Rys. 9. Zależność pola powierzchni o podwyższonym poziomie zwierciadła wód gruntowych (ZWG) od przyrostu poziomu ZWG. Fig. 9. Dependence of surface area with increased groundwater level (ZWG) on ZWG level increase Wariant III Rys. 10. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych po dwudniowym piętrzeniu do Hmax = 55,95 m n.p.m. Fig. 10. Increase in groundwater level after two-day damming up to Hmax = 55.95 m a.s.l Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 14 2008-05-21 00:20:36

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 15 Na podstawie danych historycznych założono w obliczeniach, że podwyższony stan wód w zbiorniku do rzędnej H max = 55,95 m n.p.m. trwa maksymalnie 2 dni. W wyniku takiego piętrzenia nastąpi wzrost stanów wód gruntowych w stosunku do stanu ustalonego przy piętrzeniu do rzędnej 55,65 m n.p.m, który w tym wariancie obliczeniowym przyjęto jako warunek początkowy o 0,10 m w 50-metrowej strefie wokół zbiornika (rys. 10). Wariant IV Obliczenia wykonano przy założeniu, że w latach mokrych (P = 800 mm rok -1 ) zasilanie ze strefy aeracji w miesiącach letnich stanowi 35% opadu. Na podstawie archiwalnych danych meteorologicznych przyjęto, że w miesiącach VI VIII opad miesięczny wynosi 100 mm, co odpowiada zasilaniu 1 mm d -1 ; w pozostałym okresie przyjęto zasilanie w wysokości 0,6 mm d -1. W takich warunkach, po spiętrzeniu wody w zbiorniku do rzędnej 55,65 m n.p.m. zwiększy się poziom zalegania wód gruntowych w rejonie zbiornika, a wzrost w stosunku do wariantu podstawowego (piętrzenie HPP = 55,65 m n.p.m., P = 600 mm rok -1 ) nie przekroczy 0.10 m (rys. 11). Tak niewielkie podniesienie ZWG nie zwiększa ryzyka zagrożenia dla budowli w sąsiedztwie zbiornika. Rys. 11. Przyrost poziomu zwierciadła wód gruntowych przy zasilaniu zewnętrznym wynoszącym 1,0 mmg d-1 Fig. 11. Increase in groundwater level at external inflow of 1.0 mm d -1 Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 15 2008-05-21 00:20:36

16 J. Mosiej, H. Komorowski, A. Karczmarczyk, A. Suska Podsumowanie i WNIOSKI Na podstawie obliczeń symulacyjnych sformułowano prognozy dotyczące zmian stanu wód gruntowych w otoczeniu projektowanego zbiornika małej retencji po spiętrzeniu wód w zbiorniku. Spiętrzenie wód w zbiorniku do rzędnej 55,65 m n.p.m. spowoduje podniesienie stanu wód gruntowych (co najmniej o 0,10 m) na obszarze o powierzchni bliskiej 1,5 km 2, przy czym większe przyrosty stanów wystąpią po zachodniej stronie zbiornika. Na odcinku o długości 250 350 m na zachodnim brzegu i 100 150 m na wschodnim brzegu powyżej budowli piętrzącej, wody ze zbiornika zasilą warstwę wodonośną, a na pozostałym obszarze (w południowej części) zbiornik będzie miał charakter drenujący. Obniżenie zakładanej rzędnej piętrzenia z 55,65 do 55,00 m n.p.m. będzie skutkowało obniżeniem zwierciadła wód gruntowych (ZWG) o 0,40 0,60 m. Największe przyrosty poziomu ZWG wystąpią w strefie rozciągającej się na 10 do 30 ha wokół projektowanego zbiornika. Krótkotrwałe, dwudniowe, spiętrzenie wód w zbiorniku do rzędnej 55,95 m n.p.m. nie będzie miało istotnego wpływu na poziom ZWG w rejonie zbiornika. Zwiększone w latach mokrych zasilanie wód gruntowych ze strefy aeracji pociągnie za sobą podniesienie ZWG o 0,10 0,20 m w stosunku do poziomu ZWG przy zasilaniu przeciętnym. Wyniki symulacji komputerowych pozwoliły przyjąć na etapie projektowania wariant z piętrzeniem na rzędnej 55,00 m n.p.m., jako bezpieczny, nie zagrażający obiektom budowlanym znajdującym się w sąsiedztwie zbiornika. Piśmiennictwo Chalfen M., 2003. Opis programu FIZ (Filtracja i Zanieczyszczenia). XXXIII Seminarium Zastosowań Matematyki, Kobyla Góra, 37 40. Czamara A., Chalfen M., 2006. Prognoza spiętrzenia wód gruntowych w rejonie projektowanego zbiornika małej retencji Czerwieńsk. Wrocław (maszynopis). Dokumentacja hydrogeologiczna w kat. B ujęcia wody z utworów czwartorzędowych dla PWiK Basen Kąpielowy w Czerwieńsku, 1980. Geoprojekt, O.T. w Zielonej Górze. Kinzelbach W., 1986. Groundwater modelling. Elsevier Amsterdam. Kowalski J., 1987. Hydrogeologia z podstawami geologii. PWN Warszawa. Mapa Geologiczna Polski 1: 200 000, arkusz Świebodzin, 1976. Red. A. Szewczyk. PIG Warszawa. Mapa Głównych Zbiorników Wód Podziemnych Polski 1: 500 000, 2001. Red. A. Kleczkowski. PIG Warszawa. Mapa sytuacyjno-wysokościowa 1:25 000, 1981. PPG-K Warszawa. Opady atmosferyczne, 1981. IMGW, WKiŁ Warszawa. Zienkiewicz O.C., Taylor R.L, Nithiarasu P., 2005. Finite element method for fluid dynamics. Elsevier New York. Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 16 2008-05-21 00:20:36

Wpływ zanieczyszczeń odprowadzanych z aglomeracji łódzkiej na jakość wody... 17 EFFECT OF PROJECTED SMALL STORAGE RESERVOIR ON GROUNDWATER LEVELS IN ITS VICINITY Abstract. Four variants of damming water in a projected storage reservoir were examined for their effects on groundwater levels in the surrounding area. The extent of reservoir s influence on the ground waters under stable motion conditions was determined, and the effects of a short-term damming up to the crest level and of increased seepage from the aeration zone were assessed. An author s mathematical model based on a two-dimensional non-stationary Boussinesq equation was used. The differential equation was solved by finite element method. It was found that the level to which water is dammed has a significant impact on the extent of the reservoir s influence on ground waters, while neither a short-term damming in a flood period nor higher seepage from the aeration zone during a wet summer results in a significant increase in groundwater levels. The computer simulations made it possible to adopt a safe variant of damming, posing no threat to the structures in the reservoir s surrounding, already at the planning stage. Key words: damming water, ground waters, mathematical model, prognosis Zaakceptowano do druku Accepted for print: 7.11.2006 Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 17 2008-05-21 00:20:36

Acta Sci 6(4)2007.indb 18 2008-05-21 00:20:36

Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 6 (4) 2007, 19 26 ZMIENNOŚĆ RETENCJI GRUNTOWEJ W ZLEWNI JEZIORNO-RZECZNEJ Jolanta Kanclerz, Sadżide Murat-Błażejewska, Mariusz Sojka 1 Akademia Rolnicza w Poznaniu Streszczenie. W latach hydrologicznych 2000 2004 prowadzono badania w zlewni rzeki Małej Wełny (do przekroju Kiszkowo) charakteryzującej się wysokim wskaźnikiem jeziorności. Na podstawie sporządzonego bilansu wodnego określono zmiany retencji w zlewni, a następnie poszukano zależności między zmianami retencji a wysokością opadów atmosferycznych i zmianami stanów wody gruntowej. Zmiany retencji były dodatnio skorelowane zarówno z miesięcznymi i rocznymi sumami opadów, jak i ze zmianami stanów wody gruntowej w dwóch wybranych studzienkach pomiarowo-kontrolnych położonych w odległości 135 i 250 m od rowu opaskowego. A zatem, na podstawie zmian stanów wody gruntowej w tych studzienkach można oszacować zmiany retencji w zlewni. Słowa kluczowe: retencja, bilans wodny, opady atmosferyczne, stan wody gruntowej, zlewnia WSTĘP Prawidłowe oszacowanie wielkości retencji i optymalne ukształtowanie stosunków wodnych ma szczególne znaczenie w Wielkopolsce, gdzie niedobory wody zaznaczają się najwyraźniej. Na głębokość zalegania wód gruntowych wpływa wiele czynników naturalnych, takich jak zjawiska meteorologiczne, budowa geologiczna zlewni, ukształtowanie terenu, sieć cieków naturalnych i sztucznych [Głuchowska i in. 2004]. W przypadku odpowiedniego ukształtowania terenu lub nawadniającego oddziaływania zbiornika zwierciadło wody gruntowej zazwyczaj najpłycej występuje w pobliżu akwenu, a najgłębiej na terenach wyżej położonych i znacznie oddalonych od jego brzegu [Orzepowski i in. 2004]. Badania miały na celu poznanie zmienności retencji gruntowej w zlewni rzeki Małej Wełny i określenie jej związku z wysokością opadów atmosferycznych i zmianami stanów wody gruntowej. Pracę sfinansowano ze środków przeznaczonych na naukę w latach 2007 2010 (projekt badawczy nr N305 084 32/2845). Adres do korespondencji Corresponding author: dr inż. Jolanta Kanclerz, Katedra Melioracji, Kształtowania Środowiska i Geodezji, Akademia Rolnicza im. A. Cieszkowskiego w Poznaniu, ul. Piątkowska 94, 60-648 Poznań, e-mail: jkujawa@au.poznan.pl Acta Sci 6(4)2007.indb 19 2008-05-21 00:20:37

20 J. Kanclerz, S. Murat-Błażejewska, M. Sojka MATERIAŁ I METODY Zlewnia Małej Wełny o powierzchni 342 km 2 leży w środkowej części Niziny Wielkopolsko-Kujawskiej, w makroregionie Pojezierza Wielkopolskiego, mezoregionie Pojezierza Gnieźnieńskiego [Kondracki 2000]. Rzeka Mała Wełna od źródeł znajdujących się na wysokości ok. 119 m n.p.m. do przekroju Kiszkowo zamykającego badany obszar, a położonego na wysokości 92,5 m n.p.m., pokonuje 45,3 km. Różnica wysokości wynosi 26,5 m, co daje średni spadek podłużny rzeki równy 0,58. W górnej części zlewni (do przekroju Owieczki) spadek podłużny rzeki na odcinku ok. 15 km wynosi 0,47. Dolina rzeki jest rynną polodowcową. W jej górnej części spadki poprzeczne są znaczne i wynoszą średnio ok. 25, przy czym lokalnie sięgają 80. Pozostały obszar to płaska lub falista wysoczyzna morenowa o spadkach od 5 do 30. W zlewni Małej Wełny przeważają przepuszczalne utwory mineralne (95% powierzchni) wytworzone głównie z piasków gliniastych płytkich i średnio głębokich zalegających na glinie piaszczystej i lekkiej, a także gleby wytworzone z glin (3,6%) i z torfów (1,1%). Obszar zlewni ma typowo rolniczy charakter. Użytki rolne zajmują 82,7% powierzchni zlewni (z czego 75,2% przypada na grunty orne, 7,2% na użytki zielone, a 0,3% na sady), lasy 6%, wody stojące 2,3%, a reszta to tereny zabudowane. Rzeka przepływa przez osiem jezior o sumarycznej powierzchni 392,8 ha, a tuż przed przekrojem zamykającym zasila kompleks stawów rybnych o powierzchni użytkowej 112 ha. Całkowita powierzchnia wód stojących na badanym obszarze (19 jezior i kompleks stawów rybnych) wynosi 799,6 ha. Badania w zlewni rzeki Małej Wełny do przekroju Kiszkowo prowadzono w latach hydrologicznych 2000 2004 w piętnastu studzienkach pomiarowo-kontrolnych usytuowanych w charakterystycznych punktach zlewni w odległości od 2 do 5500 m od wód stojących (rys. 1). Dziesięć studzienek znajdowało się na terenach przystawowych, a pięć w linii spływu wody do rzeki i jezior. Na terenie zlewni wykonywano również codzienne pomiary wysokości opadów atmosferycznych (na posterunku opadowym w Kiszkowie) i stanów wody rzeki w przekroju zamykającym zlewnię oraz comiesięczne pomiary hydrometryczne (geometrii koryta i prędkości przepływu wody) w sześciu przekrojach wzdłuż biegu rzeki i w jeziorach, przez które rzeka przepływa. Dane dotyczące temperatury powietrza pochodziły ze stacji meteorologicznej Leśnego Zakładu Doświadczalnego Akademii Rolniczej w Poznaniu Arboretum w Zielonce. Parowanie terenowe dla okresu wegetacyjnego obliczono metodą Penmana, a dla okresu pozawegetacyjnego metodą pośrednią według tabel Konstantinowa. Miesięczne wartości parowania z powierzchni wód stojących obliczono ze wzoru Dawidowa. Do obliczenia zmian retencji wykorzystano uproszczone równanie bilansu wodnego zlewni. WYNIKI Warunki meteorologiczne w zlewni Małej Wełny w latach hydrologicznych 2000 2004 analizowano na podstawie odchyleń półrocznych i rocznych sum opadów atmosferycznych oraz średnich temperatur powietrza od wartości z wielolecia 1989 2004. W wieloleciu 1989 2004 średni roczny wskaźnik opadu nieskorygowanego wyniósł 514 mm, w tym w półroczu zimowym 197 mm, a w letnim 317 mm. Średnia Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 20 2008-05-21 00:20:37

Zmienność retencji gruntowej w zlewni jeziorno-rzecznej 21 posterunek opadowy precipitation station posterunek wodowskazowy water-level gauge station posterunek pomiarowo-kontrolny control-maesuring section urządzenia pietrzące weirs studzienki pomiarowo-kontrolne groundwater control-measuring wells transekty spływowe run-off transec: A (A1) B (B1, B2, B3) C (C1, C2, C3) D (D1, D2, D3) Rys. 1. Zlewnia rzeki Małej Wełny Fig. 1. Catchment of Mała Wełna river temperatura tego wielolecia była równa 8,5 C, w półroczu zimowym wynosiła 2,3 C, a w letnim 14,7 C. W okresie badań lata hydrologiczne 2000, 2001 i 2002 zaliczono do wilgotnych (według Kaczorowskiej [1964]). Roczne sumy opadów atmosferycznych w tych latach były wyższe od średniej z wielolecia odpowiednio o 126, 67 i o 82 mm i stanowiły 124, 113 i 115% średniej wieloletniej. Średnia roczna temperatura powietrza w 2001 r. była zbliżona do średniej z wielolecia, a w latach 2000 i 2002 przekraczała ją o 0,8 C. Czwarty Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 21 2008-05-21 00:20:37

22 J. Kanclerz, S. Murat-Błażejewska, M. Sojka Składniki bilansu wodnego Elements of water balance Opad atmosferyczny (skorygowany) Precipitation (corrected) P, mm Rok hydrologiczny Hydrological year XI N XII D I J II F III M Miesiąc Month Półrocze Half-year Rok ear IV A V M 2000 34,5 63,6 34,8 38,4 109,3 33,4 37,6 25,9 171,7 76,5 67,0 19,8 313,9 398,5 712,4 2001 58,4 47,3 22,7 22,1 42,1 65,6 13,1 76,2 100,5 64,5 98 35,2 258,1 387,5 645,6 2002 23,2 47,9 48,4 83,5 58 46,9 52,1 44,7 32,9 81,1 22,4 130 307,9 363,2 671,1 2003 47,5 20,2 52,0 7,6 15,2 23,7 27,6 25,3 93,7 16,8 13,6 42,1 166,0 219,1 385,1 2004 28,8 36,0 55,2 49,2 31,1 12,7 57,8 40,0 45,6 55,6 23,8 64,9 212,9 287,6 500,5 VI J VII J VIII A IX S X O XI IV N A V X M O XI X N O 2000 2,7 2,5 2,7 2,4 3,5 5,0 2,4 3,0 4,0 2,9 2,8 3,4 18,8 18,4 37,2 Odpływ Runoff H, mm 2001 1,6 0,8 1,4 3,8 8,2 7,2 5,1 2,2 2,0 2,2 2,4 3,9 23,1 17,8 40,9 2002 2,2 1,5 4,5 17,8 18,8 5,2 3,4 1,7 1,3 1,2 0,8 1,7 50,0 10,3 60,3 2003 1,6 2,5 2,8 3,5 5,3 4,2 1,9 1,0 2,1 2,7 1,8 2,8 19,9 12,3 32,2 2004 0,9 0,5 0,3 0,6 0,7 0,7 0,7 0,7 1,5 1,1 1,0 3,9 3,6 8,9 12,5 2000 9,4 13,3 11,7 18,4 24,8 44,4 75,4 115,3 71,1 75,4 36,4 21,8 121,9 395,4 517,3 Parowanie terenowe Evaporation E, mm 2001 12,5 12,6 10,5 9,8 21,9 28,5 83,5 81,2 90,8 71,2 29,0 23,9 95,8 379,6 475,4 2002 9,3 7,6 14,2 16,3 48,0 36,2 73,2 96,9 90,3 72,0 40,5 12,3 131,6 385,2 516,8 2003 9,8 6,0 11,5 7,7 24,2 40,4 63,6 80,4 89,2 49,5 19,9 14,3 99,6 317,0 416,6 2004 14,9 13,1 7,3 20,9 34,5 49,1 69,1 80,8 81,3 70,6 37,7 26,4 139,8 365,9 505,7 2000 22,4 47,8 20,4 17,6 81,0 16,0 40,2 92,4 96,6 1,8 27,8 5,4 173,2 15,3 157,9 Zmiana retencji Retention change dr, mm 2001 44,3 33,9 10,8 8,5 12,0 29,9 75,5 7,2 7,7 8,9 66,6 7,4 139,2 9,9 129,3 2002 11,7 38,8 29,7 49,4 8,8 5,5 24,5 53,9 58,7 7,9 18,9 116,0 126,3 32,3 94,0 2003 36,1 11,7 37,7 3,6 14,3 20,9 37,9 56,1 2,4 35,4 8,1 25,0 46,5 110,2 63,7 2004 13,0 22,4 47,6 27,7 4,1 37,1 12,0 41,5 37,2 16,1 14,9 34,6 69,5 87,2 17,7 Tabela. Składniki bilansu wodnego dla zlewni rzeki Mała Wełna do przekroju Kiszkowo w przedziałach miesięcznych, półrocznych i rocznych Table. Elements of water balance for Mała Wełna catchment up to Kiszkowo cross-section in monthly, half-yearly, and yearly intervals Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 22 2008-05-21 00:20:38

Zmienność retencji gruntowej w zlewni jeziorno-rzecznej 23 Rys. 2. Zależność zmian retencji (dr) od wysokości opadów atmosferycznych (P) w latach hydrologicznych 2000 2004; A retencja miesięczna, B retencja roczna Fig. 2. Retention changes (dr) versus precipitation (P) in hydrological years 2000 2004; A monthly retention, B yearly retention Rys. 3. Zależność zmian retencji miesięcznej (dr) od zmian miesięcznych stanów wody gruntowej (dh) w studzienkach B2 i B3 Fig. 3. Monthly retention changes (dr) versus monthly groundwater level changes (dh) in wells B2 and B3 rok badań (2003) był bardzo suchy i chłodny. Roczna suma opadów była niższa o 169 mm (stanowiła 67% średniego wskaźnika rocznego z wielolecia), a średnia temperatura niższa o 0,8 C od średniej z wielolecia. Ostatni rok badań należał do suchych, gdyż średnia roczna suma opadów była niższa o 69 mm od średniej wieloletniej i stanowiła 87% tej średniej. Temperatura powietrza tego roku była zbliżona do wieloletniej. Aby ilościowo ocenić zasoby wodne i ich czasową zmienność, sporządzono bilans wodny badanej zlewni w przedziałach miesięcznych, okresowych i rocznych (tab.). W uproszczonym bilansie miesięczne sumy opadów atmosferycznych skorygowano przez wniesienie poprawki według Kowalczyka i Ujdy [1987]. Wartości wskaźnika odpływu kształtowały się w zakresie od 0,3 mm w styczniu 2004 r. (suchym pod względem opadów atmosferycznych) do 18,8 mm w marcu 2002 r. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 23 2008-05-21 00:20:38

24 J. Kanclerz, S. Murat-Błażejewska, M. Sojka Rys. 4. Kierunki zmian retencji rocznej (dr) i rocznych stanów wód gruntowych (dh) w studzienkach B2 i B3 Fig. 4. Directions of yearly retention changes (dr) and yearly groundwater level changes (dh) in wells B2 and B3 (wilgotnym). W latach wilgotnych roczne wskaźniki odpływu wynosiły od 37 do 60 mm, a w latach suchych (2003 i 2004) odpowiednio 32 i 13 mm. Miesięczne wartości parowania terenowego mieściły się w granicach od 6 mm w grudniu 2003 r. do 115 mm w czerwcu 2000 r. Wartości roczne wynosiły od 417 mm w bardzo suchym i przeciętnym pod względem temperatury powietrza roku 2003 do 517 mm w wilgotnym i ciepłym roku 2000. Analizując zmiany retencji w okresie badań, zauważono roczny wzrost retencji w latach wilgotnych i ciepłych wynoszący od 94 mm (2002) do 158 mm (2000), a spadek w latach suchych o 64 mm (2003 rok zimny) i 18 mm (2004 rok przeciętny pod względem temperatury powietrza). W półroczach zimowych retencja się zwiększała o 47 do 173 mm, a w półroczach letnich zmniejszała się o 10 do 110 mm (tab.). Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 24 2008-05-21 00:20:39

Zmienność retencji gruntowej w zlewni jeziorno-rzecznej 25 Zmiany retencji miesięcznej w zlewni były dodatnio skorelowane z miesięcznymi sumami opadów atmosferycznych (R 2 = 0,42), a zmiany retencji rocznej z rocznymi sumami opadów (R 2 = 0,94) (rys. 2). Zmiany retencji miesięcznej były także dodatnio skorelowane (istotnie na poziomie istotności α = 0,05) z zmianami miesięcznych stanów wody gruntowej w studzienkach B2 i B3 oddalonych odpowiednio o 135 i 250 m od rowu opaskowego (rys. 3). W tych dwóch studzienkach (spośród piętnastu studzienek pomiarowo-kontrolnych) kierunek zmian stanów wody gruntowej w większości badanych lat był zgodny z kierunkiem zmian retencji. Kierunki zmian rocznych stanów wód gruntowych w studzienkach B2 i B3 przeważnie zgadzały się z kierunkami zmian rocznej retencji w zlewni (rys. 4). Zgodność kierunków tych zmian była zachowana zarówno w latach suchych, jak i wilgotnych, z wyjątkiem wilgotnego roku 2000 w przypadku studzienki B3 i wilgotnego roku 2002 w przypadku studzienki B2. Zmiany retencji w zlewni Małej Wełny można oszacować na podstawie zmian stanów wody gruntowej w studzienkach B2 i B3. W latach wilgotnych zmiany stanów wody gruntowej w tych studzienkach wynosiły od 50 cm do 93 cm przy zmianach retencji w lewni od 94 mm do 158 mm. W latach suchych wielkości te kształtowały się w zakresie odpowiednio od 66 cm do 8 cm oraz od 18 mm do 64 mm. PODSUMOWANIE Analiza składników bilansu wodnego wykazała, że w latach wilgotnych (2000, 2001 i 2002) nastąpił wzrost retencji w zlewni Małej Wełny wynoszący od 94 do 158 mm, a w roku bardzo suchym (2003) i suchym (2004) spadek odpowiednio o 64 i 18 mm. Zmiany retencji miesięcznej i rocznej były dodatnio skorelowane (na poziomie istotności α = 0,05) z miesięcznymi i rocznymi sumami opadów atmosferycznych, a także ze zmianami stanów wody gruntowej w studzienkach położonych w odległości 135 i 250 m od rowu opaskowego. Na podstawie zmian stanów wody gruntowej w tych studzienkach można oszacować zmiany retencji w zlewni. PIŚMIENNICTWO Głuchowska B., Olszewska B., Pływaczyk L., 2004. Zmiany zalegania wód gruntowych w dolinie Odry poniżej stopnia wodnego w Brzegu Dolnym w latach 1970 2003. Rocz. AR Pozn. 357, Melior. Inż. Środ. 25, 105 110. Kaczorowska Z., 1964. Opady w Polsce w przekroju wieloletnim. Tendencje, okresowość oraz prawdopodobieństwo występowania niedoboru i nadmiaru opadu. Pr. Geogr. IG PAN 33, 12 127. Kondracki J., 2000. Geografia regionalna Polski. PWN Warszawa. Kowalczyk S., Ujda K., 1987. Pomiary porównawcze opadów atmosferycznych. Mat. Bad. IMGW Warsz., Meteorologia 14. Orzepowski W., Kostrzewa S., Kowalczyk T., 2004. Dynamika wahań zwierciadła wód gruntowych w otoczeniu małego zbiornika wodnego na terenach wiejskich. Rocz. AR Pozn., Melior. Inż. Środ. 25, 429 435. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 25 2008-05-21 00:20:39

26 J. Kanclerz, S. Murat-Błażejewska, M. Sojka CHANGES IN GROUNDWATER RETENTION IN LAKE-RIVER CATCHMENT Abstract. In the hydrological years 2000 2004, studies were conducted in the Mała Wełna river catchment (up to the Kiszkowo gauging section) having a high lake density index. The water balance was used to establish the changes in water retention in the catchment. Then, relationships were established between the retention changes and the precipitation totals and the changes in groundwater levels. It was found that the monthly and yearly retention changes were positively correlated with the monthly and yearly precipitation totals and groundwater level changes in two representative observation wells situated at a distance of 135 and 250 m from a girdling ditch. Therefore, the changes in groundwater levels in these wells may provide a basis for estimating the retention changes in the catchment. Key words: retention, water balance, atmospheric precipitation, groundwater level, catchment Zaakceptowano do druku Accepted for print: 17.10.2007 Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 26 2008-05-21 00:20:39

Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 6 (4) 2007, 27 38 ZMIANY ZAPASÓW WODY W MADACH DOLINY ODRY W REJONIE MALCZYC W OKRESIE WEGETACYJNYM 2005 ROKU Wojciech Łyczko, 1 Beata Olszewska, Leszek Pływaczyk Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu Streszczenie. Na podstawie comiesięcznych pomiarów wykonywanych w okresie wegetacyjnym (IV IX) 2005 r. w warstwach 0 10, 20 30, 40 50, 65 75 i 90 100 cm czterech charakterystycznych profili glebowych oceniano stan uwilgotnienia gleb w lewobrzeżnej części doliny Odry powyżej nowo budowanego stopnia wodnego Malczyce. Zmiany zapasów wody gruntowej w profilach analizowano w odniesieniu do przebiegu opadów atmosferycznych, głębokości zalegania wód gruntowych oraz stanów wody w Odrze. Określono podstawowe właściwości fizyczne gleb i sporządzono krzywe retencyjności wodnej, a na ich podstawie wyznaczono przedziały wilgotności odpowiadające charakterystycznym stanom uwilgotnienia. Okres badań charakteryzował się opadami zbliżonymi do normalnych. Z powodu dość głębokiego zalegania zwierciadła wody gruntowej w sąsiedztwie profili glebowych (we wszystkich punktach pomiarowych na głębokości przekraczającej 1,5 m, a w części obszaru nawet większej od 4 m) badane wierzchnie warstwy gleby były zasilane tylko opadami atmosferycznymi i ich uwilgotnienie nie zależało od położenia wód gruntowych. Uwilgotnienie kształtowało się korzystniej w profilach nr 7 i 10: przez większą część okresu badań zapasy wody w warstwie 0 50 cm mieściły się w przedziale między polową pojemnością wodną a pojemnością okresu suszy. W profilach nr 8 i 9 sytuacja była gorsza; w pierwszym z nich sumy zapasów wilgoci glebowej zarówno w warstwie 0 50 cm, jak i 0 100 cm przeważnie układały się poniżej wartości odpowiadającej punktowi trwałego więdnięcia. Słowa kluczowe: stopień wodny, mady, wilgotność gleby, zapasy wody WSTĘP Wilgotność gleby zależy m.in. od typu i gatunku gleby, sposobu jej użytkowania oraz od warunków zasilania w wodę, w tym od poziomu wody gruntowej i od przebiegu warunków meteorologicznych. Adres do korespondencji Corresponding author: dr inż. Wojciech Łyczko, Instytut Kształtowania i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu, pl. Grunwaldzki 24, 50-363 Wrocław, e-mail: wojciech.lyczko@up.wroc.pl Acta Sci 6(4)2007.indb 27 2008-05-21 00:20:39

28 W. Łyczko, B. Olszewska, L. Pływaczyk Przegrodzenie koryta rzeki stopniem wodnym zmienia jej dotychczasowy charakter i sposób oddziaływania na teren przyległy. Stopień Malczyce miał powstać już w latach 70. XX wieku na odcinku Odry poniżej Wrocławia i stanowić element jej kaskady wraz ze stopniami położonymi wyżej (w Brzegu Dolnym i Rędzinie) i z budowlami planowanymi w dolnym biegu rzeki. Budowa stopnia Malczyce opóźniła się prawie o pół wieku, co rodzi niekorzystne konsekwencje. Poniżej ostatniego stopnia (Brzeg Dolny) w wyniku erozji obniża się poziom dna w rzece, czego skutkiem jest obniżanie się zwierciadła wody gruntowej na obszarze przyległym do Odry poniżej spiętrzenia [Pływaczyk 1997]. Sytuację tę może odmienić oddanie do eksploatacji stopnia Malczyce budowanego w km 300 Odry na wysokości wsi Rzeczyca. Spiętrzenie wody zmieni drenujący charakter rzeki na odcinku Brzeg Dolny Malczyce na infiltrujący i spowoduje podniesienie się zwierciadła wody gruntowej, co będzie skutkowało zmianą uwilgotnienia wierzchnich warstw profilu glebowego. Praca miała na celu określenie zmian zapasów wody w wybranych profilach glebowych na terenie lewobrzeżnej części doliny Odry powyżej budowanego stopnia wodnego Malczyce na tle opadów atmosferycznych, położenia wód gruntowych oraz stanów wody w rzece. MATERIAŁ I METODY Badania prowadzono w województwie dolnośląskim, na terenie lewobrzeżnej doliny Odry, w sąsiedztwie budowanego stopnia wodnego Malczyce (rys. 1). Obszar ten należy do rozległej równiny wrocławskiej ograniczonej od północy i południa wysoczyzną plejstoceńską. Odra ma tu charakter rzeki typowo nizinnej spadek jej dna wynosi ok. 0,25% [Pływaczyk 1997]. Pod względem warunków agroklimatycznych obszar badań zalicza się do rejonu B-2 umiarkowanie wilgotnego, ciepłego i umiarkowanie słonecznego [Bac 1991]. Określona dla wielolecia 1955 2000 średnia roczna suma opadów atmosferycznych (mierzonych na najbliższym posterunku opadowym w Malczycach) wynosi 593 mm. Na półrocze letnie przypada opad w wysokości 388 mm. Stosując metodę decyli według Dębskiego, na podstawie wartości z wielolecia wykreślono odpowiednie krzywe prawdopodobieństwa występowania opadów w poszczególnych półroczach i w roku hydrologicznym. Sumy opadów w poszczególnych miesiącach i okresach wielolecia 1955 2000 oraz w roku 2005 podano w tabeli 1. Opierając się na tych danych, zarówno półrocze letnie 2005 r. z sumą opadów 413 mm, jak i półrocze zimowe z sumą 213 mm zakwalifikowano do normalnych. Warunki termiczne oceniono, biorąc pod uwagę wartości odchyleń średnich temperatur powietrza w danym okresie (tab. 2) od średnich z wielolecia 1955 2000 (ze stacji Wrocław-Strachowice). Zastosowano następujące kryteria [Kosturkiewicz 1979]: odchylenie powyżej +2,0 C okres bardzo ciepły, odchylenie od +0,5 C do +2,0 C okres ciepły, odchylenie od +0,5 C do 0,5 C okres normalny, odchylenie od 0,5 C do 2,0 C okres chłodny, odchylenie 2,0 C i poniżej okres bardzo chłodny. Acta Sci. Pol. Acta Sci 6(4)2007.indb 28 2008-05-21 00:20:39

Zmiany zapasów wody w madach doliny odry w rejonie malczyc... 29 Rys. 1. Lokalizacja obiektu badań Fig. 1. Location of study area Na podstawie przyjętych kryteriów półrocze letnie 2005 r., o średniej temperaturze powietrza 15,4ºC, uznano za ciepłe. Przebieg stanów wody w Odrze określano według odczytów z wodowskazu Malczyce, a przebieg dobowych sum opadów atmosferycznych według danych z posterunku Malczyce (rys. 2). Uwilgotnienie gleby mierzono w czterech profilach (rys. 1). Profile glebowe nr 7 i 8 znajdują się we wsi Rzeczyca, niemal na wysokości budowanego stopnia Malczyce, a profile nr 9 i 10 we wsi Zakrzów, ok. 5 km powyżej budowli piętrzącej. Obszar w bezpośrednim sąsiedztwie profili nr 7, 8 i 9 zajmują grunty orne, natomiast profil nr 10 jest położony na terenie użytków ekologicznych. W okresie wegetacyjnym (IV IX) 2005 r. prowadzono pomiary uwilgotnienia gleb oraz obliczano sumy zapasów wody w warstwach 0 50 i 50 100 cm profili. Pomiary wilgotności w profilach nr 7, 9 i 10 wykonywano metodą suszarkowo-wagową. Próbki pobierano do głębokości 100 cm w przedziałach 0 10, 20 30, 40 50, 65 75 i 90 100 cm. W profilu nr 8 podstawę do wyznaczenia zapasów wody stanowiły wyniki pomiarów wykonanych sondami TDR zamontowanymi na stałe w glebie. Formatio Circumiectus 6 (4) 2007 Acta Sci 6(4)2007.indb 29 2008-05-21 00:20:40