VII Zjazd Geomorfologów Polskich kraków 2005 Depozycja zanieczyszczonych osadów pozakorytowych górnej wisły na obszarze zalewowym o różnej szerokości Dariusz Ciszewski, Bartłomiej Wyżga Obszary zalewowe są istotnym miejscem powodziowej akumulacji osadów zanieczyszczonych. Dotychczasowe badania terenowe i modele hydrauliczne wskazują, że najbardziej miąższa warstwa gruboziarnistych osadów pozakorytowych osadza się w wąskiej strefie przykorytowej, natomiast wraz ze wzrostem odległości od koryta rzeki zwiększa się procentowa zawartość bardziej zanieczyszczonych osadów frakcji pylastej i ilastej (He, Walling 1997, Wyżga 1999, Ciszewski 2003). Znaczący wpływ na zróżnicowanie ładunku akumulowanych zanieczyszczeń mają: hydraulika przepływu wezbraniowego, topografia obszaru zalewowego, koncentracja zanieczyszczeń, warunki glebowe, skład transportowanej zawiesiny oraz reakcje chemiczne między zanieczyszczeniami, wodą i glebą (Stewart i in. 1998). W większości dotychczasowych badań nie analizowano zależności pomiędzy szerokością równi zalewowej i hydrauliką przepływu wezbraniowego a zróżnicowaniem ładunku akumulowanych zanieczyszczeń. Badania takiej zależności przeprowadzono w trzech przekrojach wodowskazowych na górnej Wiśle: Smolice, Bielany i Sierosławice. Wisła i jej osady pozakorytowe są bardzo silnie zanieczyszczone różnymi związkami chemicznymi, między innymi metali ciężkich. Zanieczyszczenia te pochodzą z licznych zakładów przemysłowych i miast Górnego Śląska i Krakowa (Macklin, Klimek 1992). Szerokość równi zalewowej jest największa w Sierosławicach i wynosi osiem szerokości koryta. Nieco mniejsza jest w Smolicach, gdzie dochodzi do czterech jego szerokości. Natomiast w Bielanach szerokość równi zalewowej Wisły jest równa szerokości jej koryta. W każdym z tych przekrojów wodowskazowych pobrano próby osadów złożonych przez wezbranie z lipca 2001 r., o ok. 15-20-letnim okresie powtarzalności. Z równi zalewowej po jednej stronie rzeki pobierano 12 prób, w których oznaczono zawartość Zn, Cd, Pb, Cu i Mn oraz obliczono ładunek jednostkowy tych metali. Ponadto wy-
70 Dariusz Ciszewski, Bartłomiej Wyżga Ryc. 1. A Przekrój poprzeczny Wisły w posterunku wodowskazowym Sierosławice przed wezbraniem z lipca 2001 r. Wskazano miejsca poboru prób osadu oraz średnią średnicę ziarna osadów w milimetrach. Morfologiczne strefy przekroju: (CH) koryto; (FP) równia zalewowa. B Zależność pomiędzy średnią prędkością w całym przekroju (1) oraz w strefie korytowej (2) i pozakorytowej (3), a natężeniem przepływu w trakcie wezbrania z lipca 2001 r. w posterunku Sierosławice na Wiśle. Wartościom przepływu przyporządkowano ich okres powtarzalności, określony metodą ciągu maksymalnych rocznych przepływów (AMS) z lat 1951-2001
Depozycja zanieczyszczonych osadów pozakorytowych górnej Wisły... 71 Ryc. 2. A Przekrój poprzeczny Wisły w posterunku wodowskazowym Bielany przed wezbraniem z lipca 2001 r. Wskazano miejsca poboru prób osadu oraz średnią średnicę ziarna osadów w milimetrach. Morfologiczne strefy przekroju: (CH) koryto; (FP) równia zalewowa; (TR) terasa nadzalewowa. B Zależność pomiędzy średnią prędkością w całym przekroju (1) oraz w strefie korytowej (2) i pozakorytowej (3) a natężeniem przepływu w trakcie wezbrania z lipca 2001 r. w posterunku Sierosławice na Wiśle. Sygnaturą (4) przedstawiono średnią prędkość przepływu w obszarze samej równi zalewowej od momentu rozpoczęcia zatapiania terasy nadzalewowej.
72 Dariusz Ciszewski, Bartłomiej Wyżga Ryc. 3. Zróżnicowanie koncentracji i jednostkowego ładunku metali ciężkich w przekroju w posterunku wodowskazowym Sierosławice
Depozycja zanieczyszczonych osadów pozakorytowych górnej Wisły... 73 Ryc. 4. Zróżnicowanie koncentracji i jednostkowego ładunku metali ciężkich w przekroju w posterunku wodowskazowym Bielany
74 Dariusz Ciszewski, Bartłomiej Wyżga konano analizę granulometryczną osadów metodą sitową i aerometryczną. Rozkład średnich prędkości przepływu w strefie korytowej i pozakorytowej oszacowano metodą wykorzystującą zapisane w krzywej konsumpcyjnej informacje o wielkości przepływu przenoszonego przy danym stanie w całym przekroju rzeki (Wyżga 1999). Prędkości te przedstawiono dla skrajnie różniących się szerokością przekrojów wodowskazowych Sierosławice (ryc. 1) i Bielany (ryc. 2). Widoczna jest duża różnica w rozkładzie prędkości w tych przekrojach. W Sierosławicach średnia prędkość przepływu w korycie była dużo wyższa niż na równi zalewowej. Ponadto, średnia prędkość przepływu w strefie pozakorytowej wzrastała tu bardzo wolno wraz ze wzrostem przepływu. W czasie kulminacji wezbrania w 2001 roku nie przekraczała ona 0,5 m/s. Odzwierciedleniem opisanego rozkładu prędkości przepływu był bardzo gwałtowny spadek średniej średnicy osadów pozakorytowych wraz z odległością od koryta (ryc. 1). Poza wąską strefą wału przykorytowego, w której miąższość osadów wynosiła 5-15 cm, na całej równi została zdeponowana cienka na 0,5-2 cm warstwa osadów pylasto-ilastych, o średniej średnicy ziarna poniżej 0,016 mm. Takie zróżnicowanie osadów i prędkości przepływu podczas ich depozycji znalazło odzwierciedlenie w zróżnicowaniu ładunku metali ciężkich (ryc. 3). Mimo, że ich koncentracja w osadach wału przykorytowego jest najniższa, największe ładunki metali zostały zgromadzone przy brzegu. Były one nawet ponad 30-krotnie większe niż w większej odległości od koryta. Niemal dwukrotnie większe prędkości przepływu w czasie wezbrania w 2001 roku występowały na równi zalewowej w Bielanach. Wraz ze wzrostem przepływu wzrastały one znacznie szybciej niż średnie prędkości w całym przekroju rzeki. Na całej szerokości równi zalewowej w Bielanach osadziła się warstwa osadów o średniej miąższości 5-10 cm. Dominowały tu osady piaszczyste o średniej średnicy ziarna powyżej 0,1 mm. Zarówno koncentracje, jak i ładunki badanych metali były dużo mniej zróżnicowane niż w Sierosławicach, z co najwyżej kilkakrotną różnicą między skrajnymi wartościami tych parametrów (ryc. 4). Wzrost koncentracji metali i spadek ich ładunku wraz ze wzrostem odległości od brzegu rzeki był tu zatem stosunkowo słabo widoczny. Jakkolwiek w dolinie górnej Wisły współczesne tempo akumulacji osadów pozakorytowych jest wysokie (Łajczak 2003), jest ono przestrzennie zróżnicowane. Wiadomo, że różnice tempa narastania osadów pozakorytowych znajdują odzwierciedlenie w zróżnicowaniu ładunku metali akumulowanych w obszarach zalewowych rzek odwadniających tereny uprzemysłowione i rolnicze (Martin 2000, Middelkoop 2000,). Obecne badania wskazują, że także szerokość równi zalewowej i związany z nią rozkład prędkości przepływu wód wezbraniowych ma istotny wpływ na ładunek zanieczyszczeń akumulowanych w czasie wezbrań. Konsekwencją akumulacji przeważającej części ładunku metali ciężkich w przykorytowej strefie szerokich równi zalewowych jest możliwość łatwego ponownego uruchamiania zanieczyszczeń nawet wskutek wolnej erozji brzegów.
Depozycja zanieczyszczonych osadów pozakorytowych górnej Wisły... 75 Literatura Ciszewski D., 2003, Heavy metals in vertical profiles of the middle Odra River overbank sediments: evidence for pollution changes. Water, Air, Soil Pollut., 143, 81-98. He Q., Walling D.E., 1997, Spatial variability of the particle size composition of overbank floodplain deposits, Water Air, Soil Poll., 99, 71-80. Łajczak A., 2003, Contemporary transport of suspended material and its deposition in the Vistula River, Poland. Hydrobiologia, 494, 43-49. Macklin M.G., Klimek K., 1992, Dispersal, storage and transformation of metal-contaminated alluvium in the upper Vistula basin, southwest Poland. Appl. Geogr., 12, 7-30. Martin Ch. W., 2000, Heavy metal trends in floodplain sediments and valley fill, River Lahn, Germany. Catena, 39, 53-68. Middelkoop H., 2000, Heavy-metal pollution of the Rhine and Meuse floodplains in the Netherlands, Neth. J. Geosc., 79, 411-428. Stewart M.D., Bates P.D., Price D.A., Burt T.P., 1998, Modelling spatial variability in floodplain soil contamination during flood events to improve chemical mass balance estimates, Hydrol. Proc., 12, 1233-1255. Wyżga B., 1999, Estimating mean flow velocity in channel and floodplain areas and its use for explaining the pattern of overbank deposition and floodplain retention, Geomorphology, 28, 281-297. Dariusz Ciszewski Instytut Ochrony Przyrody Polska Akademia Nauk al. Mickiewicza 33 31-120 Kraków Bartłomiej Wyżga Instytut Ochrony Przyrody Polska Akademia Nauk al. Mickiewicza 33 31-120 Kraków