Leszek Starkel Wartości progowe w przekształceniu systemów naturalnych środowiska przyrodniczego Karpat, WyŻyny MaŁopolskiej i Kotlin Podkarpackich Wprowadzenie W procesach wymiany energii i obiegu materii obserwujemy zarówno pewną regularność, jak i odchylenia od normy. Regularność objawia się szczególnie w cyklu rocznym. Wiele procesów hydrologicznych biochemicznych działa stale jak np. przepływ wody w korycie, ługowanie czy i fotosynteza. Mówimy o procesach sekularnych. Obok nich występują procesy epizodyczne, z których wiele osiąga natężenia ekstremalne (Starkel 1976, 1986). Mogą się one wiązać z wystąpieniem krytycznych wartości temperatury, opadów, retencji, siły wiatru i in. W czasie zdarzeń ekstremalnych zostają przekroczone wartości progowe wystąpienia różnych procesów (np. spłukiwania, osuwania i in.), które prowadzą do zaburzenia równowagi systemów naturalnych: kateny stokowej, koryt i równin zalewowych, zbiorowisk roślinnych. Przekroczenie wartości progowych powoduje w konsekwencji spłukiwanie i degradację gleb, procesy grawitacyjne i deflację na stokach, powodzie w dnach dolin, degradację lub przekształcenie zbiorowisk roślinnych, niszczenie upraw. W poniższym przeglądzie zostaną omówione kolejno zaburzenia związane z opadami i roztopami w systemach stokowych, w systemach korytowych z niedoborami wody, z silnymi wiatrami i z ekstremalnymi temperaturami mającymi wpływ głównie na funkcjonowanie ekosystemów. Cechy środowiska przyrodniczego regionu Łuk górski Karpat o przebiegu równoleżnikowym z odchyleniem SW NE stanowi barierę dla wilgotnych mas powietrza z kierunku zachodniego i otrzymuje opady o wysokości 800 1500 mm w ciągu roku, które w czasie ekstremalnych zjawisk spływają w dół, czemu sprzyja gęsta sieć rozcięć naturalnych i dróg (Starkel 1972). Zróżnicowanie wysokościowe Karpat decyduje o piętrowości klimatycznej (Hess 1965), a ta z kolei o piętrowości geoekosystemów i użytkowania ziemi (Adamczyk i in. 1980). Odchylenia od profilu termicznego i wilgotnościowego decydują o występowaniu szeregu wartości progowych. Z kolei obecność piaskowcowo łupkowego fliszu i ilastych, ilastych lub gliniasto gruzowych pokryw decyduje o przekroczeniu wartości progowych dla procesów grawitacyjnych (Starkel 1972; Kotarba 1986). Silne wiatry z kierunków południowych
222 Leszek Starkel stwarzają warunki dla deflacji (Gerlach 1976). W Kotlinach Podkarpackich w wyniku powodzi następuje sedymentacja aluwiów, głównie pozakorytowych, i retencja podziemna. Południowa część gęsto rozczłonkowanej Wyżyny Małopolskiej, poza obszarem krasowym o głębokiej infiltracji i retencji, jest regionem okrytym płaszczem lessu, który po wylesieniu w okresach ulew i roztopów jest szczególnie podatny na procesy spłukiwania, sufozji i erozji wąwozowej. Opady i wartości progowe przekształceń katen stokowych Spływ powierzchniowy na stokach, prowadzący w zależności od spadku i szaty roślinnej do spłukiwania (Gerlach 1976; Gil 1999; Słupik 1981) występuje w warunkach nasycenia wierzchniej warstwy gleby, co ma miejsce po opadach o natężeniu ponad 0,5 mm min 1 i wysokości ponad 20 mm (Froehlich, Starkel 1991), albo przy przemarzniętym podłożu w czasie roztopów (Gil, Słupik 1972), a osiąga wartości ekstremalne przy opadach o natężeniu przekraczającym 0,1 mm 0,1 m (Słupik 1981; Froehlich 1998), przy wysokości opadu 50 100 mm i więcej. Prowadzi to nie tylko do erozji żłobinowej ale również do spływów upłynnionej warstwy ornej i drobnych drzew na śródpolnych miedzach, Takim ulewom towarzyszą również procesy sufozyjne, prowadzące do rozwoju ślepych dolinek na stokach i cofania głów wąwozów (Starkel [red.] 1997, 1998). Materiał usunięty ze stoków jest akumulowany zazwyczaj u podnóży stoków, lub w dnach małych dolin. Grawitacyjne przekształcenia stoków, dotyczące na ogół bardziej stromych odcinków stoków, lejów źródłowych dolin lub podciętych podnóży okrytych starszymi koluwiami, następuje w wyniku przekroczenia równowagi mas nasyconych wodą. Jest ono efektem albo opadów rozlewnych o wysokości 200 500 mm w ciągu 3 5 dni powtarzających się w Karpatach co kilka kilkanaście lat, a w przypadku głębokich osuwisk skalnych, jak w Duszatynie w 1907 08 czy Szymbarku w 1974, efektem pór deszczowych czy nawet lat wilgotnych, gdy podłoże jest nasycone wodą przez długi okres (Gil, Starkel 1979). Wówczas bezpośrednim impulsem mogą być nawet pojedyncze opady o większym natężeniu (Gil 1997). W przypadku mas koluwialnych nasyconych wodą ruch może być ciągły; większe opady czy roztopy mogą wywoływać okresowe przyspieszenie (osuwisko Kamionka w Szymbarku Gil, Kotarba 1977). Na stromych stokach w tatrzańskich żlebach i na stokach piargowych przekroczenie progu upłynnienia rumowiska następuje w czasie ulew o dużym natężeniu. W czasie takich opadów o wysokości 100 300 mm rejestrowane są spływy gruzowe (Kotarba 1998). Opady i wartości progowe przekształcające systemy korytowe W czasie wysokich opadów i roztopów dochodzi do wzbierania rzek w górach i obniżeniach. Wezbrania lokalne mogą być związane z ulewami o krótkim czasie trwania i dużym natężeniu. Takim było wezbranie w 1996 roku w najwyższym odcinku doliny Prądnika gdzie zarejestrowano rekordowy spływ jednostkowy ok. 35 m 3
Wartości progowe w przekształceniu systemów naturalnych środowiska... 223 km 2 s 1 (Niedbała, Soja 1998). Najczęściej w Karpatach powodem wezbrań są opady rozlewne obejmujące zlewnie 2 4 większych rzek o wysokości 200 500 mm (Cebulak 1992; Starkel 1980), powtarzające się co kilka kilkanaście lat. Za wartości progowe można uznać przepływy, przy których następuje uruchomienie rumowiska dennego, dochodzi do erozji wgłębnej, a po przekroczeniu przepływu pełnokorytowego rzeka wylewa na równinę zalewową. Monitorowanie przepływów i transportu rumowiska na stacji w Homerce pozwoliło wykazać, że w korycie potoku Bącza uruchomienie frakcji 60 75 cm nastąpiło przy przepływie ponad 10 m 3 i odpływie jednostkowym przekraczającymi 7 m 3 km 2 s 1 (Froehlich 1998). Efektem wezbrań są zmiany układu koryt roztokowych w dolinie Białki Tatrzańskiej, rejestrowane przy przepływach powyżej 160 m 3 s 1 (Baumgart, Kotarba 1983). W małych dolinach Wyżyny Małopolskiej płytkie koryta meandrowe rzek wypełniane są szybko i cała równina zalewowa znajduje się pod wodą wielkość depozycji zależy od gwałtowności wezbrania. Natomiast w dużych dolinach Wisły i dopływów o wahaniach stanów do 5 8 m stan pełnokorytowy bywa osiągany raz na kilka lub nawet na 20 lat, a zasięg powodzi wiąże się z wyraźnym pogłębieniem koryt w wyniku regulacji i eksploatacji rumowiska (Punzet 1981; Starkel 2001). Wartością progową w czasie wezbrania może być też przerwanie wału przeciwpowodziowego prowadzące m.in. do powstania zagłębień eworsyjnych i składania na gliniastych madach żwirowo piaszczystych stożków (Gębica i in. 1998). W warunkach naturalnych w czasie wezbrań dochodziło do przerzutów koryt (Starkel 2001). Inny charakter mają powodzie roztopowe, częstsze w części wschodniej (Ziemońska 1973) i połączone z zatorami, które mogą również prowadzić do przerzutów koryt. Zdarzają się obecnie rzadko i na mniejszych dopływach. Przeciwieństwem powodzi są długotrwałe susze, które w dorzeczu górnej Wisły są zjawiskiem rzadkim. Ale np. późnym latem 1951 roku wiele potoków na Pogórzu Karpackim wyschło, czemu towarzyszyło obniżenie poziomu wody gruntowej. Wyschnięcie potoków ma niewątpliwy wpływ na degradację ekosystemów wodnych, równocześnie stwarza zagrożenie stężeniem zanieczyszczeń, odprowadzanych do cieków. Silne wiatry wywołujące deflację i powały drzew Wiatry o sile huraganu, obok zniszczeń infrastruktury wywołują zaburzenia w systemach naturalnych, zarówno leśnych jak i wylesionych przez człowieka. W maju 1968 roku w Tatrach zarejestrowano wystąpienie wiatru o prędkości do 75 m s 1, który spowodował zniszczenie ok. 500 ha lasu m.in. w rejonie doliny Miętusiej i Bystrej W większości były to wykroty drzew, które doprowadziły do przemieszczenia ok. 50.000 m 3 gleby na powierzchni 1 ha (Kotarba 1970). Podobne powały boru sosnowego obserwowałem koło Czarnej Tarnowskiej w wyniku lokalnej trąby powietrznej przed kilku laty. Na obszarach wylesionych i uprawnych, po wysuszeniu lub zmrożeniu wierzchniej warstwy gleby ornej, dochodzi do intensywnej deflacji, która była szczegółowo badana w Dołach Jasielsko Sanockich i Beskidzie Niskim (Gerlach, Koszarski 1968). Występuje ona przy prędkościach wiatru 10 15 m s 1. Na stokach dowietrznych dochodzi do zwiewania gleby i jej akumulacji na przeciwległych. W ciągu jednego półrocza zimo-
224 Leszek Starkel wego może być wywiane 200 m 3 z 1 ha i być złożone 10 50 mm osadu (Gerlach 1976). Progowe wartości temperatury Silne mrozy w granicach do 30 o C i więcej prowadzą do eliminacji gatunków ciepłolubnych i atlantyckich w zbiorowiskach roślinnych. Szczególnie groźne bywają przymrozki wiosenne po wystąpieniu okresu wegetacyjnego (Hess i in. 1978). Różnego rodzaju ekstremalne zdarzenia termiczne mogą mieć wpływ na eliminację pewnych gatunków u górnej granicy lasu, a przez to pośrednio na obniżenie samej granicy (Obrębska Starkel, Starkel 1991). Synchroniczność i koncentracja przekraczania wartości progowych w czasie Przez synchroniczność należy rozumieć występowanie różnych zjawisk równocześnie (nakładanie się w czasie), albo też oddziaływanie jednego zjawiska ekstremalnego (np. opadu rozlewnego) na zaburzenie równowagi różnych systemów naturalnych. Nakładanie się różnych zjawisk obserwowane jest najczęściej przy występowaniu gwałtownych ulew w czasie lub bezpośrednio po opadzie rozlewnym jak miało miejsce w lipcu 1997 roku w dorzeczu Dunaju i Uszwicy (Froehlich 1998; Starkel i in. 1999), gdy powtarzające się ulewy doprowadziły do istotnych przekształceń koryt potoków górskich. Podobny efekt w uruchamianiu osuwisk mogą mieć opady deszczu nałożone na roztopy (Mrozek i in. 2000). Opad rozlewny połączony z ulewą o dużym natężeniu prowadzi do równoczesnego zaburzenia równowagi systemów stokowych i korytowych, co znane jest z gór innych stref klimatycznych (Starkel 1976). Miało to miejsce w Karpatach w czasie wspomnianej powodzi w lipcu 1997 roku, gdy procesy grawitacyjne i zmywowe na stokach gwarantowały dużą dostawę do koryt, a duża energia transportowa powodzi przenosiła rumowisko w dół biegu, przekształcając same koryta (Starkel i in. 1999). Koncentracja przekraczania wartości progowych w kolejnych latach, a niekiedy w odstępach nawet krótszych prowadzi do utrwalania zmian zarówno na stokach jak i w dnach dolin rzecznych. Taki charakter miały trzy kolejne lata powodzi 1958 1960 w Beskidzie Żywieckim, które spowodowały uformowanie rynien i dolin osuwiskowych na stokach i postanie nowych roztokowych odcinków koryt z rozległymi kamieńcami (Ziętara 1968) Wystąpienie 3 4 wezbrań w dolinie Ropy koło Szymbarku w latach 1970 1974 wywołało wpierw uprzątnięcie rumowiska, a potem wcięcie się trwałe koryta w litą skałę (Soja 1977). Podobny charakter mają sekwencje opadów rozlewnych i lokalnych ulew w dolinie Kalinki koło Miechowa; jedna we wrześniu 1995 roku a dwie w maju 1996 roku, które wystąpiły po 60 letniej przerwie i nadały nowy kierunek rozwoju wielu wąwozom (Starkel [red.] 1997). Podobnie częste przekraczanie wartości progowych prędkości wiatru (ponad 100 km/h) w grzbietowych partiach Beskidów prowadzi do częstych wykrotów i karłowatych form drzew a w efekcie do obniżenia górnej granicy lasu, co jest cechą mezoklimatu wierzchowin (Obrębska Starklowa 1970), a co botanicy niesłusznie wiążą z efektem
Wartości progowe w przekształceniu systemów naturalnych środowiska... 225 tzw. masywności gór. Zjawisko to staje się coraz wyrazistsze w wyniku osłabienia drzew przez szkodniki i zanieczyszczenie atmosfery. Uwagi końcowe Przekraczanie wartości progowych zaburzających stabilność naturalnych systemów środowiska przyrodniczego odgrywa istotną rolę w przyspieszaniu obiegu wody, transformacji rzeźby, degradacji gleb i zbiorowisk roślinnych. Rola ta będzie wzrastała wraz z postępującym ociepleniem klimatu i większą częstotliwością zdarzeń ekstremalnych, czego mamy już liczne dowody w Europie środkowej. Dlatego istnieje pilna potrzeba monitorowania tych zjawisk, poznania mechanizmów zaburzeń równowagi systemów naturalnych i ich częstotliwości. Monitoring zdarzeń ekstremalnych (Starkel 1996) powinien być prowadzony zarówno na stacjach naukowych, szczególnie objętych monitoringiem zintegrowanym (Kostrzewski 1996), należałoby też stworzyć warunki dla bezpośredniej rejestracji przestrzennej zachodzących zjawisk, tak przez odpowiednie służby jak i społeczności lokalne (gminy, szkoły). Obserwacje przebiegu i skutków tych zjawisk wraz z rozpoznaniem mechanizmów prowadzących do tych zmian powinny umożliwić prognozowanie tych zdarzeń np. osuwisk czy wezbrań roztopowych, i przeciwdziałanie tym zjawiskom. Jednym z istotnych postulatów jest zagęszczenie sieci punktów pomiarowych wysokości opadów i stanów wody w rzekach, szczególnie w obszarach źródłowych dorzeczy. Literatura Adamczyk B., Gerlach T., Obrębska Starklowa B., Starkel L. 1980, Zonal and azonal aspects of the agriculture forest limit in the Polish Carpathians, Geographia Polonica, 43, 71 84. Baumgart Kotarba M. 1983, Kształtowanie koryt i teras rzecznych w warunkach zróżnicowanych ruchów tektonicznych (na przykładzie wschodniego Podhala), Prace Geogr. IGiPZ PAN, 145, ss. 145. Cebulak E., 1998, Przegląd wyjątkowych opadów ekstremalnych, które wywołały powodzie w XX wieku w dorzeczu Górnej Wisły, [w:] L. Starkel, J. Grela (red.) Powódź w dorzeczu górnej Wisły w lipcu 1997 r. Konf. Nauk., Oddział PAN Kraków, 21 37. Froehlich W., 1998, Transport rumowiska i erozja koryt potoków beskidzkich podczas powodzi w lipcu 1997 roku. L. Starkel, J. Grela (red.), Powódź w dorzeczu górnej Wisły w lipcu 1997 r., Konf. Nauk., Oddział PAN Kraków, 133 144. Froehlich W., Starkel L., 1991, Wartości progowe w ewolucji rzeźby fliszowych Karpat i Dardżylińskich Himalajów, Conference Papers IGiPZ PAN, 49 58. Gerlach T., 1976, Współczesny rozwój stoków w Polskich Karpatach Fliszowych. Prace Geogr. IG PAN, 122, ss. 116. Gerlach T., Koszarski L., 1968, Współczesna rola morfogenetyczna wiatru na przedpolu Beskidu Niskiego, Studia Geomorph. Carp. Balc., 2, 85 114. Gębica P., Patkowski B., Lasek A., Sokołowski T., 1998, Geomorfologiczne i sedymentologiczne skutki przerwania wałów przeciwpowodziowych w dolinie Wisły w lipcu 1997 roku. [w:] L. Starkel, J. Grela (red.) Powódź w dorzeczu górnej Wisły w lipcu 1997 r. Konf. Nauk., Oddział PAN
226 Leszek Starkel Kraków,185 194. Gil E. 1997, Meteorological and hydrological conditions of landslides, Polish Flysch Carpathians, Studia Geomorph. Carp. Balc., 31, 143 158. Gil E., 1999, Obieg wody i spłukiwanie na fliszowych stokach użytkowanych rolniczo w latach1980 1990. Zeszyty IGiPZPAN 60, ss. 78. Gil E., Kotarba A., 1977, Model of slide slope evolution in flysch mountains (an example drawn from the Polisch Carpathians). Catena 4, 3, 233 248. Gil E., Słupik J., 1972, Hydroclimate conditions of slope wash during snowmelt in the Flysch Carpathians. Symposium International de geomorphologic, Universite de Liege, 67, 5 90. Gil E., Starkel L., 1979, Long term extreme rainfalls and their role in the modeling of the flysch slopes, Studia Geomorph. Carp. Balc., 13, 207 220. Hess M.,1965, Piętra klimatyczne w polskich Karpatach Zachodnich, Zeszyty Naukowe UJ, Prace Geogr. 11. Kotarba A., 1970, The morphogenetic role of foehn wind in the Tatra Mauntains, Studia Geomorph. Carp. Balc., 73 84. Kotarba A., 1986, Rola osuwisk w modelowaniu rzeźby beskidzkiej i pogórskiej. Przegl. Geogr., 58,1 2, 119 129. Kotarba A., 1998, Morfogenetyczna rola opadów deszczowych w modelowaniu rzeźby Tatr podczas letniej powodzi w roku 1997. [w:] Z badań fizyczno geograficznych w Tatrach III, Dokum. Geogr. IGiPZ PAN, 12, 9 23. Mrozek T., Rączkowski W., Limanówka D., 2000, Recent landslides and triggering climatic conditions in Laskowa and Pleśna regions, Polish Carpathians. Studia Gemorph. Carp. Balc., 34, 89 111. Niedbała J, Soja R., 1998, Odpływ z opadu nawalnego w dniu 18 maja 1996 roku w Sułoszowej, Dokum. Geogr. IGiPZ PAN, 11, 31 38 Obrębska Starklowa B., 1970, Mezoklimat zlewni potoków Jaszcze i Jamne, [w:] The Jaszcze streamvalleys in the Gorce Mts., a study of their nature, management and protection part II, Studia Naturae 3, Kraków, 7 99. Obrębska Starklowa B., Starkel L., 1991, Efekt cieplarniany a globalne zmiany środowiska przyrodniczego, Zeszyty Inst. Geogr. i PZ PAN, 4, 1 71. Punzet J., 1981, Zmiany w przebiegu stanów wody w dorzeczu górnej Wisły na przestrzeni 100 lat (1871 1970), Folia Geogr., ser. geogr. physica, 14, 5 28. Słupik J., 1981, Rola stoku w kształtowaniu odpływu w Karpatach fliszowych. Prace Geogr. IGiPZ PAN, 142, Warszawa, ss. 89. Soja R. 1977. Deepening of channel in the light of the cross profile analysis. Studia Geomorph. Carp. Balc., 11, 127 138. Starkel L., 1976, The role of extreme (catastrophic) meteorological events in contemporary evolution of slopes, [w:] E. Derbyshire (red.), Geomorphology and climate, Wiley, Chichester, 203 246. Starkel L., 1980, Erozja gleb a gospodarka wodna w Karpatach, Zesz. Probl. Post. Nauk Rolniczych 235, 103 118.
Wartości progowe w przekształceniu systemów naturalnych środowiska... 227 Starkel L., 1986, Rola zjawisk ekstremalnych i procesów sekularnych w ewolucji rzeźby (na przykładzie fliszowych Karpat), Czasop. Geogr., 67, 2, 203 213. Starkel L., 1991, Rzeźba terenu, [w:] J. Dynowska, M. Maciejewski (red.) Dorzecze górnej Wisły, cz. I, PWN, 42 54. Starkel L., 1996, Monitoring zdarzeń katastrofalnych, [w:] Główne problemy monitoringu w Polsce, Zeszyty Naukowe Komitetu Człowiek i Środowisko PAN, 16, 93 106. Starkel L. (red.), 1997, Rola gwałtownych ulew w ewolucji rzeźby Wyżyny Miechowskiej (na przykładzie ulewy w dniu 15 września 1995 roku), Dokum. Geogr. IGiPZ PAN, 8, ss.108. Starkel L. (red.), 1988, Geomorfologiczny i sedymentologiczny zapis lokalnych ulew, Dokum. Geogr. IGiPZ PAN, 11, ss. 107. Starkel L., 2001, Historia doliny Wisły (od ostatniego zlodowacenia do dziś), Monografia Geograficzna IGiPZ PAN, 2, Warszawa. Starkel L., Kotarba A. i in., 1999, Przyrodnicza skutki powodzi w dorzeczu Wisły, [w:] J. Grela, H. Słota, J. Zieliński (red.), Monografia powodzi lipiec 1997, IMGW, 151 166. Ziemońska Z., 1973, Stosunki wodne w Polskich Karpatach Zachodnich, Prace Geogr. IG PAN, 103, ss. 126. Ziętara T., 1968, Rola gwałtownych ulew i powodzi w modelowaniu rzeźby Beskidów, Prace Geogr., IG PAN, 60, ss. 116. prof. dr hab. Leszek Starkel Zakład Geomorfologii i Hydrologii Gór i Wyżyn Instytut Geografii i Przestrzennego Zagospodarowania PAN Kraków