SEZONOWA ZMIENNOŚĆ ODPŁYWU WODY I ŁADUNKÓW BIOGENÓW ZE ZLEWNI WIELKIEJ STRUGI DO JEZIORA ZDWORSKIEGO

MONOGRAFIE KOMITETU GOSPODARKI WODNEJ PAN z. XX 2014 Zbigniew POPEK 1, Michał WASILEWICZ 1, Agnieszka BAŃKOWSKA 1, Andrzej BOCZOŃ 2 1 Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie Katedra Inżynierii Wodnej 2 Instytut Badawczy Leśnictwa, Sękocin Stary Zakład Ekologii Lasu SEZONOWA ZMIENNOŚĆ ODPŁYWU WODY I ŁADUNKÓW BIOGENÓW ZE ZLEWNI WIELKIEJ STRUGI DO JEZIORA ZDWORSKIEGO 1. WSTĘP Naturalna zmienność warunków hydrometeorologicznych w zlewni ma wpływ na ustrój hydrologiczny cieku. Jest to również element kształtujący dynamikę odpływu biogenów ze zlewni. Sezonowa zmienność wielkości odpływu wody i biogenów nabiera szczególnego znaczenia w zlewniach jeziornych. Warunki zasilania i wymiany wód oraz substancji biogennych w jeziorze mają zasadniczy wpływ na jego stan ekologiczny. Rozpoznanie spektrum zmienności zasilania i dostawy biogenów z uwzględnieniem sezonowości jest niezwykle istotne również w badaniach nad zabiegami rekultywacyjnymi w jeziorach. Naturalna zmienność warunków hydrometeorologicznych wymaga aby badania w zlewni były prowadzone w długim przedziale czasu. Tym niemniej, nawet krótki okres obserwacji hydrologicznych i badań jakości wody pozwala na wyciągnięcie ogólnych wniosków, dotyczących zróżnicowania odpływu wody i substancji biogennych ze zlewni rzecznej w kontekście dostarczania ich do zbiornika wodnego. Badania hydrologiczne w zlewni Wielkiej Strugi i Jeziora Zdworskiego zostały podjęte w ramach Programu renaturyzacji jezior Pojezierza Łąckiego. Bezpośrednim impulsem do opracowania Programu była susza hydrologiczna w 2003 r., która spowodowała obniżenia się poziomu wody w Jeziorze Zdworskim o ok. 40 cm, co spowodowało odsłonięcie dna jeziora na znacznej powierzchni i masowe śnięcie ryb (Kawałczewska 2009). W ramach Programu, oprócz monitoringu hydrologicznego, rozpoczęto również badania jakości wód i osadów jeziornych oraz podjęto szereg innych działań zmierzających do renaturyzacji zlewni oraz rekultywacji Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 341 2014-08-27 09:47:03

342 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń Jeziora Zdworskiego (Bańkowska, Wasilewicz 2008; Wiśniewski 2009; Popek 2009; Bańkowska i in. 2010). Do najważniejszych działań wpływających na poprawę bilansu wodnego jeziora można zaliczyć uszczelnienie koryta Wielkiej Strugi na dwóch odcinkach położonych powyżej wlotu do jeziora, w celu ograniczenia odpływu wód rzecznych do głębszych warstw gruntu. Ponadto, ze względu na małe zasoby wodne zlewni Wielkiej Strugi, rozpoczęto sztuczne zasilanie Jeziora Zdworskiego wodami przerzucanymi z sąsiedniej zlewni Kanału Dobrzykowskiego. W celu stabilizacji poziomu wody w Jeziorze Zdworskim, na wypływie Wielkiej Strugi z jeziora wybudowano również próg piętrzący. 2. CHARAKTERYSTYKA OBSZARU BADAŃ Jezioro Zdworskie jest największym jeziorem Pojezierza Łąckiego i jednocześnie całego województwa mazowieckiego. Leży w gminie Łąck w powiecie płockim. Jezioro ma powierzchnię 342,9 ha, średnią głębokość wody 2,13 m, w morfometrii charakterystyczne jest płaskie dno z wąskim rowem opadającym w południowej części do maksymalnej głębokości 5,5 m. Linia brzegowa jeziora, o długości 9970 m, jest słabo rozwinięta wskaźnik rozwinięcia wynosi 1,47. Maksymalna długość jeziora wynosi 3590 m, natomiast maksymalna szerokość 1435 m. Przy rzędnej normalnego lustra wody 79,20 m n.p.m. objętość zretencjonowanej wody wynosi około 7,33 mln m 3. Jezioro Zdworskie jest jeziorem przepływowym o charakterze polimiktycznym, położonym na trasie rzeki Wielka Struga. Całkowita powierzchnia zlewni Wielkiej Strugi w przekroju wodowskazowym Wincentów (rys. 1), zlokalizowanym na wypływie Wielkiej Strugi z jeziora, wynosi 47,1 km 2. Natomiast w przekroju wodowskazowym Paszkówka, leżącym powyżej ujścia Wielkiej Strugi do Jeziora Zdworskiego, powierzchnia zlewni wynosi 22,2 km 2. W bezpośredniej zlewni jeziora znajdują się 3 małe cieki bez nazwy, okresowo zasilające wodą Jezioro Zdworskie (oznaczone na rys. 1 jako cieki A, B i C). Dodatkowym źródłem zasilającym są wody Kanału Dobrzykowskiego, które poprzez pompownię w Dobrzykowie doprowadzane są do Jeziora Zdworskiego rurociągiem o długości 7,8 km i średnicy 225 mm, którego maksymalny wydatek wynosi 40 dm -3 s -1. Zlewnia Wielkiej Strugi leży na obszarze kraju o najniższej wysokości sumy opadów rocznych. W latach 1961-2000 średnia roczna suma opadów wynosiła 527 mm, z czego na półrocze zimowe (miesiące XI-IV) przypadało 196 mm (37%), a na półrocze letnie (miesiące V-X) 331 mm (63%) (Lenart, Popek 2009). Jednocześnie na tym obszarze występują duże straty wody w wyniku parowania są one porównywalne ze średnią wysokością opadów rocznych. Według M. Gutry- Koryckiej (1978) zlewnia Wielkiej Strugi leży na obszarze, gdzie parowanie terenowe w latach 1931-1960 wynosiło 500-550 mm. Natomiast w latach 1951-1970 szacunkowa wysokość parowania z powierzchni wody Jeziora Zdworskiego wynosiła 547 mm (IMGW 1987). Zbliżoną wartość średnią roczną wysokości parowania z powierzchni wody, wynoszącą 551 mm, uzyskano dla okresu 2008-2012, a określono według wzoru Penman-Monteih a (Popek i in., 2013). Należy Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 342 2014-08-27 09:47:03

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 343 jednak podkreślić, że w analizowanym okresie wartości roczne wysokości parowania z powierzchni wody zmieniały się od 459 mm w 2010 r. do 605 mm w 2012 r., a więc zakres zmienności był duży i wynosił 146 mm. Warunki meteorologiczne w tych latach odstawały od normy wieloletniej (mokry 2010 r. z ekstremalnie wysokimi stanami na Wiśle, pojawiającymi się trzy razy w ciągu półrocza letniego i suchy 2012 r. z ekstremalnie niskimi stanami na Wiśle). Rys. 1. Mapa lokalizacji posterunków wodowskazowych i punktów pomiarowo-kontrolnych w zlewni Jeziora Zdworskiego (źródło: opracowanie własne) Niekorzystne warunki hydrometeorologiczne powodują, że średni roczny odpływ jednostkowy q SQ ze zlewni rzek leżących na omawianym obszarze należy do najniższych w Polsce w latach 1951-1970 wartość q SQ wynosiła 2,5-3,0 dm -3 s -1 km -2 (IMGW 1987). 3. METODYKA BADAŃ Systematyczne badania hydrologiczne rozpoczęto jesienią 2007 r. Założono wówczas 5 posterunków wodowskazowych: 2 na Wielkiej Strudze monitorujące stany wody na dopływie (wodowskaz Paszkówka) i odpływie z Jeziora Zdworskiego (wodowskaz Wincentów) a także 3 wodowskazy na ciekach A, B i C, okresowo doprowadzających wody z bezpośredniej zlewni jeziora (rys. 1). Wodowskaz Pasz- Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 343 2014-08-27 09:47:03

344 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń kówka zlokalizowany jest w odległości 1610 m od ujścia do Jeziora Zdworskiego, tym niemniej obserwacje w tym przekroju są miarodajne do określenia warunków zasilania jeziora. Na podstawie jednoczesnych pomiarów przepływu w przekrojach wodowskazowym i przy ujściu Wielkiej Strugi do jeziora stwierdzono, że na tym odcinku rzeki natężenie przepływu nie zmienia się, co jest głównie wynikiem uszczelnienia koryta na długości 490 m matami bentonitowymi. W przekrojach wodowskazowych pomiary stanów wody (H) są wykonywane w sposób ciągły i rejestrowane automatycznie z krokiem czasowym 1 h. Natomiast okresowo mierzone są natężenia przepływu (Q) do wyznaczenia krzywej przepustowości koryta w postaci zależności Q = f(h). Na podstawie chwilowych wartości stanów wody H i z równania krzywej przepustowości koryta obliczane są natężenia przepływu Q i [m 3 s -1 ], a następnie objętości odpływu wody w danym przedziale czasu przez obserwowany przekrój wodowskazowy. Sumaryczną objętość odpływu V m w poszczególnych miesiącach roku hydrologicznego można obliczyć z zależności: n 24 V m = 3600 Q i j= 1 i= 1 (1) gdzie: V m miesięczna objętość odpływu [m 3 ], Q i natężenie przepływu w przedziałach godzinowych [m 3 s -1 ], n liczba dni w miesiącu. Objętości wody dostarczane w ciągu miesiąca do Jeziora Zdworskiego w wyniku sztucznego zasilania określano na podstawie wskazań wodomierza zainstalowanego w pompowni w Dobrzykowie. Wpływ Jeziora Zdworskiego i jego dodatkowego zasilania na odpływ wody ze zlewni Wielkiej Strugi analizowano poprzez porównanie wartości średniego odpływu jednostkowego q [dm -3 s -1 km -2 ], określonego dla okresów półrocznych oraz roku hydrologicznego w przekrojach wodowskazowych Paszkówka (A = 22,2 km 2 ) i Wincentów (A = 47,1 km 2 ), tj. na dopływie i odpływie z jeziora. W tych samych okresach i przekrojach analizowano również wpływ jeziora na odpływ biogenów ze zlewni Wielkiej Strugi. Wielkości ładunków azotu i fosforu zawartych w wodach odpływających przez przekroje wodowskazowe Paszkówka i Wincentów określano na podstawie średnich stężeń biogenów z prób pobieranych w tych przekrojach w cyklu miesięcznym. W bilansie ładunku azotu i fosforu uwzględniono również ładunki dostarczane do Jeziora Zdworskiego przez okresowe cieki A, B i C, a także w wyniku sztucznego zasilania wodami przerzucanymi z Kanału Dobrzykowskiego. Charakterystykę warunków meteorologicznych w zlewni Wielkiej Strugi określono na podstawie wysokości opadów zarejestrowanych przez automatyczną stację meteorologiczną Lasów Państwowych, funkcjonującą w ramach programu ICP-Forests i zlokalizowaną w Łącku, tj. w odległości około 7,5 km od geometrycznego środka Jeziora Zdworskiego. Stacja ta wyposażona jest między innymi w pluwiometr elektroniczny OP5G, pozwalający na automatyczny pomiar ciągły (z krokiem czasowym 1h) wielkości opadów atmosferycznych. Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 344 2014-08-27 09:47:03

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 345 Badania jakości wody prowadzone były w punktach pomiarowo-kontrolnych zlokalizowanych w przekrojach wodowskazowych. Jakość wód badano raz w miesiącu w certyfikowanym laboratorium należącym do Mazowieckiego Inspektoratu Ochrony Środowiska, według aktualnie obowiązujących metodyk oznaczania parametrów fizykochemicznych wody. Na podstawie wyników tych badań i objętości odpływu w miesiącu określano miesięczne wielkości ładunków azotu i fosforu ogólnego dopływających i odpływających z Jeziora Zdworskiego. 4. WYNIKI BADAŃ I DYSKUSJA Zmienność odpływu wody ze zlewni kształtowana jest w dużej mierze przez opady. W całym analizowanym okresie 2008-2013 wysokości sumy opadów rocznych wyraźnie przekraczały wartość średnią dla wielolecia 1961-2000 (tablica 1), przy czym w 2013 r. opad całkowity były wyższy aż o ponad 70%, natomiast w 2008 r. o 10%. Rok 2008 charakteryzował się ponadto największym odchyleniem wysokości opadów w obu okresach półrocznych od wartości wieloletnich. Suma wysokości opadów w półroczu zimowym 2008 r. (406 mm) była ponad dwukrotnie większa od średniej wartości wieloletniej (196 mm), a w półroczu letnim (173 mm) prawie dwukrotnie mniejsza niż w wieloleciu (331 mm). W pozostałych latach sumy wysokości opadów półrocznych, za wyjątkiem półrocza zimowego 2009 r. (177 mm), były wyższe od odpowiednich wartości wieloletnich. Tablica 1 Porównanie wysokości sumy opadów półrocznych i rocznych w latach 2008-2013 z wartościami średnimi w wieloleciu 1961-2000 (dane IBL, Lenart, Popek 2009) Rok hydrologiczny Wysokość sumy opadów [mm] Półrocze zimowe Półrocze letnie Rok 2008 406 173 579 2009 177 433 610 2010 202 432 634 2011 307 325 632 2012 219 374 593 2013 303 602 905 1961-2000 196 331 527 W tablicy 2 zestawiono objętości wody dopływającej do Jeziora Zdworskiego w latach 2008-2013 z poszczególnych źródeł zasilania. Wielka Struga dostarczała w tym okresie do jeziora od 48% do 100% całkowitej objętości wody. Równie istotnym źródłem zasilania były wody dopływające rurociągiem z pompowni w Dobrzykowie. W 2008 i 2009 r. dawały one około 40-50% objętości dopływu do jeziora. W 2012 r., pomimo wystąpienia najgorszych warunków hydrometeorologicznych Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 345 2014-08-27 09:47:03

346 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń w całym analizowanym okresie, wody z przerzutu stanowiły niecałe 20% sumarycznej objętości dopływu do akwenu (awaria pompy po powodzi). Wpływ okresowych cieków A, B i C na warunki zasilania jeziora jest mały na ogół dopływ z tych cieków stanowił 1-3% całkowitej objętości dopływu. Jedynie w bardzo mokrym 2013 r. (opad roczny 905 mm) zaobserwowano znacznie większe zasilanie zbiornika z tych cieków, które dostarczyły wówczas ponad 12% objętości dopływającej wody. Biorąc pod uwagę wartości sumaryczne stwierdzono, że do Jeziora Zdworskiego dopływało rocznie od około 800 tys. m 3 wody (w 2012 r.) do ponad 3 mln m 3 (w 2011 r.). Rok hydrologiczny 2008 2009 2010 2011 2012 2013 Tablica 2 Zestawienie objętości wody zasilającej z różnych źródeł Jezioro Zdworskie i odpływającej z jeziora w latach 2008-2013 (źródło: opracowanie własne) Objętość dopływu z poszczególnych źródeł [tys. m 3 ] oraz (%) udział w sumarycznym dopływie Z Wielkiej Strugi 965 (48,0%) 848 (59,8%) 2455 (91,6%) 3064 (100%) 627 (77,8%) 1928 (87,9%) Z cieków A, B i C 23 (1,2%) 0 (0,0%) brak danych brak danych 22 (2,7%) 265 (12,1%) Z pompowni w Dobrzykowie 1021 (50,8%) 571 (40,2%) 256 (9,4%) 0 (0,0%) 157 (19,5%) 0 (0,0%) Suma objętości dopływu [tys. m 3 ] Odpływ z jeziora Wielką Strugą (wod. Wincentów) Czas odpływu [dni] Objętość odpływu [tys. m 3 ] % objętości dopływu 2009 153 681 33,8 1419 118 112 7,9 2711 329 1758 64,8 3064 184 2702 88,2 805 42 25 3,1 2193 221 1071 48,8 Zmienność odpływu wody ze zlewni Wielkiej Strugi można ocenić na podstawie wartości średniego odpływu jednostkowego q (w dm 3 s -1 km -2 ), określonego dla okresów półrocznych oraz roku hydrologicznego w przekrojach wodowskazowych Paszkówka i Wincentów, tj. w przekrojach leżących na dopływie i odpływie z jeziora. Z danych zestawionych w tablicy 3 wynika, że w przekroju wodowskazowym Paszkówka średni roczny odpływ jednostkowy w analizowanym okresie 2008-2013 wynosił q = 2,39 dm 3 s -1 km -2, natomiast w poszczególnych latach zmieniał się od q = 0,909 dm 3 s -1 km -2 w 2012 r. do q = 4,44 dm 3 s -1 km -2 w 2011 r. Odpływ w półroczu zimowym był przeciętnie prawie trzykrotnie większy (q = 3,62 dm 3 s -1 km -2 ) od odpływu w półroczu letnim (q = 1,21 dm -3 s -1 km -2 ). Najbardziej wyrównany w skali roku był odpływ w 2013 r. wskaźnik odpływu jednostkowego w półroczu zimowym (q = 3,08 dm 3 s -1 km -2 ) i letnim (q = 2,43 dm 3 s -1 km -2 ) różnił się bowiem Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 346 2014-08-27 09:47:04

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 347 o około o 12% od wartości średniej rocznej (q = 2,75 dm 3 s -1 km -2 ). Natomiast największe różnice w wielkości odpływu wystąpiły w 2011 r. odpływ w półroczu zimowym (q = 8,08 dm 3 s -1 km -2 ) był prawie dziesięciokrotnie większy niż w półroczu letnim (q = 0,838 dm 3 s -1 km -2 ). Tablica 3 Porównanie półrocznych i rocznych wartości średniego odpływu jednostkowego q [dm 3 s -1 km -2 ] ze zlewni Wielkiej Strugi w przekroju wodowskazowym Paszkówka w latach 2008-2013 (źródło: opracowanie własne) Rok Wodowskaz Paszkówka (A = 22,2 km 2 ) zima lato rok 2008 2,16 0,606 1,38 2009 2,21 0,420 1,25 2010 4,74 2,53 3,63 2011 8,08 0,838 4,44 2012 1,44 0,380 0,909 2013 3,08 2,43 2,75 średnio 3,62 1,21 2,39 Dynamika transportu biogenów do Jeziora Zdworskiego także cechuje się wyraźnym zróżnicowaniem sezonowym. Porównanie ładunków azotu i fosforu przepływających przez Jezioro Zdworskie w latach 2008-2013 w półroczach letnim i zimowym przedstawione w tabelach 4 i 5 wskazuje, że w przypadku ładunku azotu zróżnicowanie sezonowe odzwierciedla odmienne warunki hydrologiczne w półroczach. W okresie zimowym do jeziora dociera 74-98% puli ładunku azotu ogólnego wprowadzanej z wodami Wielkiej Strugi. W przypadku fosforu dysproporcje te są nieco mniejsze w półroczu zimowym Wielka Struga dostarcza do jeziora 35-80% rocznego ładunku. Ponadto występują bardzo duże różnice między rocznymi wielkościami ładunków. Wystarczy porównać lata 2011 i 2012, które zapisały się jako ekstremalne, rok po roku występujące okresy mokry i suchy. Największy ładunek biogenów dotarł do zbiornika z dopływem w 2011 r. (szczególnie dużo biogenów dotarło w półroczu zimowym). Najmniejsze wartości odnotowano w letnim półroczu suchego 2012 r. (chociaż w przypadku fosforu jeszcze niższe wartości ładunku zaobserwowano w 2009 r.). Porównując wielkości odpływu ze zlewni w profilu Paszkówka z wartościami ładunku biogenów przepływającymi w tym przekroju, można zauważyć pewne prawidłowości. Istnieje silna zależność między odpływem a ładunkiem azotu zarówno w okresach półrocznych, jak i rocznych (rys. 2). Podobne wnioski uzyskano m.in. w badaniach Ilnickiego (2002), który stwierdził, iż istnieje istotna dodatnia zależność pomiędzy ładunkiem azotu wymywanym ze zlewni a wielkością średniego przepływu w ciągu roku hydrologicznego oraz w półroczach zimowym i letnim. Wynika to z tego, że związki azotu wymywane są z profilu glebowego do wód gruntowych i powierzchniowych głównie w formie rozpuszczonej (jonowej). Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 347 2014-08-27 09:47:04

348 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń Rok Porównanie półrocznych i rocznych wartości ładunku fosforu [kg] przepływającego przez Jezioro Zdworskie (źródło: opracowanie własne) Ładunek dopływający Ładunek odpływający zima lato rok zima lato rok 2008 95 42 137 22 6 27 2009 80 22 101 2 3 5 2010 190 137 327 26 43 69 2011 475 118 593 138 2 139 2012 68 41 109 2 1 2 2013 133 228 377 13 46 59 średnio 174 98 271 34 17 50 Rok Porównanie półrocznych i rocznych wartości ładunku azotu [kg] przepływającego przez Jezioro Zdworskie (źródło: opracowanie własne) Ładunek dopływający Ładunek odpływający zima lato rok zima lato rok 2008 4449 406 4855 864 181 1045 2009 3752 297 4049 166 80 246 2010 16913 3207 20120 1105 1820 2925 Tablica 4 Tablica 5 2011 30573 727 31300 16953 20 16974 2012 2687 174 2861 140 11 151 2013 8786 3069 11855 593 1287 1880 średnio 11193 1313 12507 3304 567 3870 Rys. 2. Zależność wielkości ładunku azotu i objętości wody dopływającej do Jeziora Zdworskiego z Wielkiej Strugi (źródło: opracowanie własne) Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 348 2014-08-27 09:47:04

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 349 Zmienność zawartości azotanów w ciągu roku potwierdza, że w okresie zimowym i wczesno-wiosennym, tj. w okresach największych przepływów, dominującą formą azotu są azotany (rys. 3). Niemniej w okresie letnim zależność między ilością dopływającej wody a dostarczonym ładunkiem azotu ma nieco inny charakter (rys. 2). Może to wynikać z faktu, że w tym półroczu znaczny jest także udział organicznej frakcji azotu. Związki organiczne mogą być wymywane głównie w okresie intensywnych deszczy występujących latem, wskutek erozji gleb (Yano i in. 2004). Potwierdzają to zdarzenia z okresu wezbrania wywołanego intensywnymi opadami we wrześniu 2010 r. oraz w lipcu 2011 r., gdy stężenie azotu ogólnego było wyraźnie wyższe (rys. 3), przy czym azotany stanowiły wówczas jedynie ok. 30-40% puli azotu ogólnego. Ponadto, należy zwrócić uwagę na to, że wykazana w początkowej części pracy wyraźna sezonowość w ilości wody dopływającej do Jeziora Zdworskiego zaznacza się także w jej jakości w półroczu zimowym wody Wielkiej Strugi zawierają najwyższe stężenia azotu. W powiązaniu z dużymi ilościami wody odpływającymi w tym okresie, skutkuje to znacznie wyższymi (3-40 razy) dostawami ładunków azotu w porównaniu do półrocza letniego. Podobną zależność można znaleźć m.in. w pracach Clark i in. (2004), Kaznowska i Hejduk (2011) oraz Hejduk (2012). Autorzy wspominają o sezonowym zróżnicowaniu wielkości ładunku azotanów w wodach rzecznych, uzależnionym od temperatury powietrza. W ciepłych porach roku, mimo intensywnego procesu mineralizacji materii organicznej, azotany unieruchamiane są w wyniku rozwoju i aktywności mikroorganizmów glebowych i roślin wyższych. W półroczu chłodnym biologiczna asymilacja i transformacja azotu jest mocno ograniczona. Rys. 3. Czasowa zmienność koncentracji związków azotu w wodach Wielkiej Strugi w latach hydrologicznych 2008-2013 (źródło: opracowanie własne) Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 349 2014-08-27 09:47:04

350 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń Obserwowana sezonowa zmienność opadów (tablica 1) może być również w niektórych latach przyczyną dodatkowych dysproporcji w dostawach azotu do wód jeziora w sezonie zimowym i letnim. Wraz z wodą opadową może trafiać do odpływu niemała ilość głównie azotu mineralnego (Dojlido 1995). W latach, gdy suma opadów jest większa w półroczu zimowym - tak jak to miało miejsce w 2009 r. - ładunek azotu z opadu może powiększać całkowitą ilość tego pierwiastka trafiającego do jeziora. Nieco inaczej wygląda relacja ładunku fosforu do wielkości odpływu ze zlewni Wielkiej Strugi, którą przedstawiono na wykresie rys. 4. Silniejszą zależność uzyskano dla półroczy zimowych (ale słabszą niż w przypadku ładunku azotu), natomiast dla półroczy letnich słabszą. Rys. 4. Zależność wielkości ładunku fosforu i objętości wody dopływającej do Jeziora Zdworskiego z Wielkiej Strugi (źródło: opracowanie własne) Związki fosforu zaadsorbowane są na cząsteczkach koloidach gleby i wraz z nimi przemieszczają się do wód powierzchniowych, co powoduje, że ładunek fosforu nie zależy wprost od wielkości odpływu, ale od ilości rumowiska unoszonego. Większy ładunek fosforu odpływa ze zlewni w okresie opadów powodujących erozję gleby, w szczególności opadów nawalnych i wywołanych nimi gwałtownych wezbrań (Ilnicki 2002; Hejduk, Banasik 2007, 2008; Hejduk 2011, 2012). Analiza czasowej zmienności zawartości fosforu ogólnego w wodach Wielkiej Strugi potwierdza, że wysokie stężenia fosforu występują w okresach, kiedy rzeka prowadzi także znaczne ilości zawiesiny (rys. 5). Zależność ta jest szczególnie widoczna w okresie wezbrań opadowych. Przykładowo, maksymalną koncentrację fosforu ogólnego i zawiesiny stwierdzono w czasie wezbrania w lipcu 2011 r. wywołanego bardzo intensywnym opadem (wysokość opadu dobowego wyniosła 71,1 mm). Niemniej jednak, w rozpatrywanym okresie 2008-2013 występowały także wysokie stężenia fosforu, którym nie towarzyszył wzrost ilości zawiesiny (rys. 5). To oznacza, że na ilość transportowanych rzeką zanieczyszczeń w formie zawieszonej wpływają oprócz opadów również inne przyczyny (w tym nielegalny zrzut ścieków). Biorąc pod uwagę cały zbiór danych pomiarowych, stwierdzono słaby Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 350 2014-08-27 09:47:05

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 351 związek między zawartością fosforu i zawiesiny. Powodem tego może być także metodyka badań zawiesiny, której zawartość określa się na podstawie wagi cząstek zatrzymanych na bibule filtracyjnej, tj. cząstek o stosunkowo dużych wymiarach. Natomiast wielkość cząstek zawieszonych ma istotny wpływ na ich możliwości sorpcyjne w odniesieniu do fosforu (Bilotta, Brazier 2008). Z tego względu należałoby wykonywać pomiar mętności wody, obejmujący szerszy zakres wielkości cząstek zawieszonych, ponieważ parametr ten najsilniej koresponduje z ilością fosforu ogólnego (Grayson i in. 1996). Rys. 5. Zmiany zawartości fosforu ogólnego i zawiesiny w wodach Wielkiej Strugi w latach hydrologicznych 2008-2013 (źródło: opracowanie własne) Russell i in. (1998) podkreślają, że ogólny ładunek biogenów, zależnie od ich formy, może być determinowany przez różne czynniki, takie jak ilość zawiesin, natężenie przepływu czy warunki hydrometeorologiczne. W przypadku Wielkiej Strugi znaczący wpływ na dynamikę przepływu, jak i transportu biogenów, mogą mieć także czynniki antropogeniczne. Należy wspomnieć również o nierówności zbiorów danych hydrologicznych (pomiary dobowe) i jakości wody (1 pomiar w miesiącu, w różnych warunkach przepływu), która z pewnością wpływa na otrzymane wartości ładunków biogenów (Ostojski 2012). Utrudnia to analizę procesów decydujących o wielkości dostaw biogenów do Jeziora Zdworskiego. Niemniej przedstawione dane wskazują, że największe zasilanie tego zbiornika w biogeny odbywa się w okresie zimowym. Mogłoby to wydawać się zjawiskiem korzystnym zwłaszcza, że jest to okres spowolnienia produkcji pierwotnej w ekosystemach wodnych. W przypadku braku asymilacji substancji odżywczych mogą one Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 351 2014-08-27 09:47:05

352 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń ulegać sedymentacji i w ten sposób, przynajmniej czasowo, być wyłączane z obiegu w ekosystemie. Jednak związki azotu docierają w tym okresie do Jeziora Zdworskiego w formie mineralnej, rozpuszczonej, a więc taki mechanizm ich zatrzymywania w zbiorniku nie jest możliwy. Co więcej, znaczne dostawy ładunku azotu mają miejsce wczesną wiosną w marcu i kwietniu. Ilość dostarczonych w tym czasie biogenów decyduje o produktywności jeziora w nadchodzącym okresie wegetacyjnym. Ponadto w Jeziorze Zdworskim intensywna produkcja pierwotna występuje regularnie także poza okresem wegetacyjnym zimą i wczesną wiosną. Przykładowo, w roku hydrologicznym 2012, w okresie od grudnia do lutego, zawartość chlorofilu a utrzymywała się w zakresie 40-80 mg dm -3 (Popek i in. 2012). THE SEASONAL VARIATION OF THE RUNOFF OF WATER AND BIOGENIC MATTER FROM THE WIELKA STRUGA RIVER BASIN TO THE ZDWORSKIE LAKE, POLAND Abstract The seasonal variation of the water runoff of and biogenic matter from the catchment is discussed on an example of the Wielka Struga River basin. The paper presents the results in the context of the Zdworskie Lake, Poland, which belongs to this river system and has an eutrophication problems. In the Wielka Struga River catchment and in the Zdworskie Lake hydrological conditions were variable, largely dependent on the amount of rainfall. During the study period 2008-2013 the amount of annual rainfall was much higher than the average in multi-year period 1961-2000, nevertheless intense outflow of water from the Wielka Struga River catchment occurred only in the years 2010-2011 when the total annual rainfall exceeded the long-period average of about 100 mm. This is evidenced by the half-yearly and annual average unit outflow q SQ of the Wielka Struga River catchment, which were 3.63 and 4.44 dm -3 s -1 km 2, respectively in 2010 and 2011. However, in the years 2008 and 2009 the outflow from the Wielka Struga River catchment was very small annual q SQ values were 1.3-1.4 dm -3 s -1 km 2. In 2012 q SQ reached extremely low values of only 0.9 dm -3 s -1 km 2. In the winter half-year the outflow from the Wielka Struga River catchment is always significantly higher than in the summer half-year. The most balanced outflow occurred in 2013. However, in the remaining hydrological years the annual uneven distribution of the outflow is much higher. The outflow from the catchment in the winter half-year of 2008, 2009 and 2012 was approximately 4-5 times larger than in the summer half-year, while in 2011 nearly 10 times larger. Annual load total nitrogen and total phosphorus is also very uneven during the observation. 74-98% of total nitrogen and 35-80% of total phosphorus is delivered to the lake by the river during winter season. There is a strong relationship between the runoff and the load of nitrogen in both the semi-annual and annual period because of the dominant form are easily washed nitrates. It may cause 3-40 times higher load of nitrogen during winter season. The relationship between the runoff and the load of phosphorus is not so high than for nitrogen. It is caused by different way of the phosphorus transport as an adsorbed form by fine particles of sediment moved during rainfall-runoff events. Key words: seasonality, water balance, nutrient balance, nutrient supply, the Zdworskie Lake Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 352 2014-08-27 09:47:05

Sezonowa zmienność odpływu wody i ładunków biogenów ze zlewni... 353 BIBLIOGRAFIA Bańkowska A., Wasilewicz M.,2008, Przegląd działań realizowanych w celu poprawy stanu Jeziora Zdworskiego, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 1 (39), 80-90 Bańkowska A., Popek Z., Wasilewicz M., 2010, Diagnoza stanu zbiornika i kierunki działań rekultywacyjnych Jeziora Zdworskiego Bilans wodny i głównych pierwiastków biogenicznych, Przegląd Komunalny, 10, 69-74 Bilotta G.S., Brazier R.E., 2008, Understanding the influence of suspended solids on water quality and aquatic biota, Water Research, 42, 2849-2861 Clark M.J., Cresser M.S., Smart R., Chapman P.J., Edwards A.C., 2004, The influence of catchment characteristics on the seasonality of carbon and nitrogen species concentrations in upland rivers of Northern Scotland, Biogeochemistry, 68, 1-19 Dojlido J.R., 1995, Chemia wód powierzchniowych, Wydawnictwo Ekonomia i Środowisko, Białystok Grayson R.B., Finlayson B.L., Gippel C.J., Hart B.T, 1996, The Potential of Field Turbidity Measurements for the Computation of Total Phosphorus and Suspended Solids Loads, Journal of Environmental Management, 47, 257-267 Gutry-Korycka M., 1978, Parowanie terenowe w Polsce, Przegląd Geograficzny, XXI (XXIX), 295-299 Hejduk L., Banasik K. 2007, Phosphorus output from lowland agricultural watershed, Proceedings of the 5 th International Phosphorus Workshop, 3-7 September, Silkeborg, Denmark Hejduk L., Banasik K. 2008, Zmienność stężenia fosforu w górnej części zlewni rzeki Zagożdżonki, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 42, 57-64 Hejduk L. 2011, Relacje między wybranymi formami fosforu a rumowiskiem unoszonym w rzece Zagożdżonce, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 54, 311-320 Hejduk L. 2012, Sezonowa zmienność stosunku azotu do fosforu w górnej części zlewni rzeki Zagożdżonki, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 55, 27-37 Ilnicki P., 2002, Przyczyny, źródła i przebieg eutrofizacji wód powierzchniowych, Przegląd Komunalny, 2 (125), 35-49 IMGW, 1987, Atlas hydrologiczny Polski, Wydawnictwo Geologiczne, Warszawa Kawałczewska J., 2009, Narodziny inicjatywy społecznej, [w:] O przyszłość Pojezierza Łąckiego, J. Nasiadko i in. (red.), Regionalne Centrum Edukacji Ekologicznej, Płock, 11-17 Kaznowska E., Hejduk L., 2011, Ocena wybranych charakterystyk ilościowych i jakościowych okresów bezwezbraniowych w rzece Zagożdzonce, Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska, 52, 108-118 Lenart W., Popek Z., 2009, Fizjografia Pojezierza Łąckiego, [w:] O przyszłość Pojezierza Łąckiego, J. Nasiadko i in. (red.), Regionalne Centrum Edukacji Ekologicznej, Płock, 19-44 Ostojski M., 2012, Modelowanie procesów odprowadzania do Bałtyku związków biogennych na przykładzie azotu i fosforu ogólnego, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa Popek Z., 2009, Badania i zabiegi dotyczące bilansu wodnego zlewni. [w:] O przyszłość Pojezierza Łąckiego, J. Nasiadko i in. (red.), Regionalne Centrum Edukacji Ekologicznej, Płock, 87-103 Popek Z., Bańkowska A., Wasilewicz M., 2011, Monitoring ilości i jakości wód dopływających do Jeziora Zdworskiego, Raport końcowy z badań, Katedra Inżynierii Wodnej SGGW, Warszawa, (niepublikowany) Popek Z., Bańkowska A., Wasilewicz M., 2012, Monitoring ilości i jakości wód dopływających do Jeziora Zdworskiego, Raport końcowy z badań, Katedra Inżynierii Wodnej SGGW, Warszawa, (niepublikowany) Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 353 2014-08-27 09:47:05

354 Z. Popek, M. Wasilewicz, A. Bańkowska, A. Boczoń Popek Z., Wasilewicz M., Bańkowska A., Boczoń A., 2013, Water budget of the Zdworskie Lake in 2008-2012 period, Annals of Warsaw University of Life Sciences Land Reclamation, 45 (1), 85-95 Russell M.A., Walling D.E., Webb B.W., Bearne R., 1998, The composition of nutrient fluxes from contrasting UK river basins, Hydrological Processes, 12, 1461-1482 Wiśniewski R., 2009, Badania i zabiegi dotyczące osadów jeziornych, [w:] O przyszłość Pojezierza Łąckiego, J. Nasiadko i in. (red.), Regionalne Centrum Edukacji Ekologicznej, Płock, 104-115 Yano Y., Lajtha K., Sollins P., Caldwell B.A., 2004, Chemical and seasonal controls on the dynamics of dissolved organic matter in a coniferous old-growth stand in the Pacific Northwest, USA, Biogeochemistry, 71, 197-223 Adres do korespondencji Corresponding author: dr hab. inż. Zbigniew Popek, Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, Wydział Budownictwa i Inżynierii Środowiska, Katedra Inżynierii Wodnej, 02-776 Warszawa, ul. Nowoursynowska 159, e-mail: zbigniew_popek@sggw.pl Monografia KGW-PAN, z. XX, tom 2 (wer. 27.08).indb 354 2014-08-27 09:47:05