Możliwość retencji deszczy nawalnych w zlewni rzeki miejskiej na przykładzie Potoku Oliwskiego w Gdańsku Roman Cieśliński Uniwersytet Gdański 1 Katedra Hydrologii Powódź w Gdańsku istniała, istnieje i będzie istnieć W okresie od 1328 do 2010 roku na terenie miasta Gdańska i przyległym mu terenie wystąpiło aż 113 powodzi. Obserwowane były różne typy powodzi: militarna (np. 1657 rok), sztormowa (np. 1775 rok), zatorowa (np. 1840 rok), opadowa (np. 2001 rok), czy powstała z nałożenia kilku czynników (np. 1829 rok) XXI wiek to powodzie flash flood (powodzie miejskie) związane z deszczami nawalnymi i awariami urządzeń hydrotechnicznych Szkic przebiegu powodzi w 1829 roku na terenie Żuław Gdańskich (Swerpel, 1998) 2 1
Mapy zagrożenia i ryzyka powodziowego Gdańska Fragment mapy zagrożenia i ryzyka powodziowego umieszczony na hydroportalu ISOK Mapa zagrożenia i ryzyka powodziowego Gdańska (www.isok.gov.pl) 3 Mapa zagrożeń powodziowych miasta Gdańska (www.gdmel.internetdsl.pl) Miejsca najbardziej narażone na zagrożenie i ryzyko powodziowe na terenie Gdańska (www.isok.gov.pl) Przyczyny powodzi Hipsometria Gdańska (www.gdansk.pl) Mezoregiony w granicach miasta Gdańska na tle sieci rzecznej (Kondracki, 2002) Zagospodarowanie terenu miasta Gdańska (CORINE Land Cover, 2006) 4 Chmury deszczowe nad Gdańskiem (https://www.google.pl/search?q=opady+atmosferyczne+gda Mapa przepuszczalności gruntu w granicach miasta Gdańska 2
Dane na temat wielkości opadów w czasie powodzi w lipcu 2016 roku (źródło: http://meteomodel.pl/blog/?p=13154) 5 Obszar traktu Świętego Wojciecha w obrębie przerwania wału w miejscu nr 4 (www.mojaorunia.pl) Trakt Św. Wojciecha w obrębie przerwania wału numer 5 (www.mojaorunia.pl) Stopniowe przerywanie Kanału Raduni (Autorzy: P. Strzelczyk, P. Olejarczyk) Efekty powodzi i podtopień z roku 2001, 2010 i 2016 Podtopienie części bulwaru nad rzeką Motławą w czasie zjawiska cofki Podtopienie Gdańska Wrzeszcza w 2016 roku Zdjęcia ukazujące zalany 6 obszar dworca PKP w punkcie 6. (www.mojaorunia.pl 29.04.2012) 3
Retencja Zdolność dorzecza do zatrzymywania wody opadowej przy zastosowaniu zabiegów technicznych (np. małe zbiorniki wodne, jazy, zastawki) i nietechnicznych (np. zalesienie, zadrzewienie, roślinne pasy ochronne, ochrona oczek wodnych, mokradeł) Retencja prowadzi do spowolnienia lub powstrzymania odpływu wody przy jednoczesnym odtwarzaniu naturalnego krajobrazu. 7 Założenie Poprawa stanu obiegu wód na obszarze zlewni jest związana z wykorzystaniem naturalnych zagłębień bezodpływowych do retencjonowania wód opadowych z terenów zabudowanych. 8 4
Cel pracy Rozpoznanie rodzajów i warunków retencji występujących w zlewni, a zwłaszcza w jej części źródliskowej w warunkach naturalnych jak i dla zmienionych warunków zakładających oddziaływanie człowieka 9 10 Ryc. 1. Zlewnia Potoku Oliwskiego wraz z częścią wysoczyznową 5
Metody Badania terenowe Kwerenda materiałów źródłowych Dane o opadach atmosferycznych uzyskano ze stacji pomiarowej przy Rafinerii Gdańskiej. Wykorzystanie programu Mike She do modelowania matematycznego Przykładowy przekrój hydrogeologiczny okolic Osowej i Wysokiej (źródło: baza danych Akwedukt ) 11 Modułowa struktura działania Mike She Struktura użytkowania terenu Dominują: Lasy Grunty orne Zabudowa antropogeniczna 12 6
Wody powierzchniowe - zlewnia Potoku Oliwskiego Natężenie przepływów w rzece w latach 1996-1999 wahało się od 0,012 m 3 s -1 do 0,27m 3 s -1 (Staszek, 2006) 13 Potok Oliwski w swym dolnym biegu jest całkowicie uregulowany i towarzyszy mu szereg zbiorników i stawów retencyjnych budowanych już od okresu Cystersów. Młyn IX nad Potokiem Oliwskim 14 Staw młyński nad Potokiem Oliwskim 7
Obszary bezodpływowe w wysoczyznowej części zlewni Potoku Oliwskiego 15 Poziom zwierciadła wód podziemnych w m p.p.t. wysoczyznowej części zlewni Potoku Oliwskiego Składowe bilansu wodnego w warunkach naturalnych Opad i parowanie 16 8
Opad [mm] opad średni dobowy opad rzeczywisty 5 4 3 2 1 0 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 00:00 Godzina Opad nawalny 9.07. 2001 opad średni dobowy opad rzeczywisty Opad zwykły Opad [mm] 15 10 5 0 18.02.2001 Opad silny 12.03.2001 opad średni dobowy opad rzeczywisty 00:00 02:00 04:00 06:00 08:00 10:00 12:00 14:00 16:00 18:00 20:00 22:00 00:00 Godzina Opad [mm] 120 100 80 60 40 20 0 00:00 01:30 03:00 04:30 06:00 07:30 09:00 10:30 12:00 13:30 Godzina 15:00 16:30 18:00 19:30 21:00 22:30 00:00 Ilość wody w wysoczyznowej części zlewni Potoku Oliwskiego w zależności od natężenia opadu Rodzaj opadu Zwykły 18 II 2001 Silny 12 III 2001 Nawalny 9 VII 2001 Objętość wody Suma opadu dobowego Max natężenie 30 450 m 3 4,05 mm 4,2 mm/h - opad zwykły 73 950 m 3 8,25 mm 10,2 mm/h - opad silny 804 750 m 3 143,7 mm 111,0 mm/h - opad nawalny Średni opad dobowy 0,17 mm 17 0,34 mm 5,99 mm Parowanie W związku z brakiem danych, dla potrzeb obliczeń modelowych założono, że 20 % wielkości opadów stanowią straty na parowanie. 18 9
Retencja powierzchniowa W badanym okresie wartości retencji powierzchniowej wahały się w zakresie od 61 720 m 3 do 617 210 m 3 Wielkość opadów i retencji powierzchniowej dla zlewni Potoku Oliwskiego 19 Retencja w strefie aeracji i saturacji Amplituda: 9,59 m m p.p.t. 0 10 20 30 40 50 60 1.01.1997 1.09.1997 1.05.1998 1.01.1999 1.09.1999 1.05.2000 1.01.2001 1.09.2001 1.05.2002 Amplituda: 6,85 m Retencja w strefie aeracji w zlewni Potoku Oliwskiego Poziom zwierciadła wód gruntowych w wysoczyznowej i krawędziowej części zlewni Potoku Oliwskiego m p.p.t. 0 2 4 6 8 10 12 1.01.1997 1.09.1997 1.05.1998 1.01.1999 1.09.1999 1.05.2000 1.01.2001 1.09.2001 20 1.05.2002 10
Odpływ powierzchniowy Odpływ powierzchniowy w warunkach naturalnych tworzy się po wypełnieniu form retencji powierzchniowej Jego cechą charakterystyczną jest szybka reakcja na zjawiska opadowe, która jest tym intensywniejsza im wyższe jest natężenie deszczu, im niższy jest współczynnik przepuszczalności podłoża, większe nachylenie terenu i przesuszenie powierzchni. Tempo przemieszczania się wody tą drogą odpływu jest wielokrotnie większe od odpływu drogą podziemną. Wielkości wahały się pomiędzy 246 tys. m 3 a 1296 tys. m 3. Odpływ powierzchniowy w zlewni Potoku Oliwskiego 21 Odpływ rzeczny Na składowe odpływu rzecznego składa się zasilanie powierzchniowe, które jako zależne od opadów i roztopów występuje okresowo i epizodycznie oraz zasilanie podziemne o charakterze trwałym. Udział wód podziemnych w zasilaniu odpływu rzecznego w zlewni Potoku Oliwskiego w badanym okresie wyniósł średnio 39,36 %, co stanowi wartość typową dla zlewni o górskim charakterze rzeźby (dla rzek karpackich wynosi on 40-50% (Czarnecka, 1976). Udział odpływu powierzchniowego w odpływie rzecznym badanego obszaru to średnio 60,64%, jednak jego wartości osiągnęły w obliczeniach nawet 98 %, w okresie opadów nawalnych w lipcu 2001 Odpływ rzeczny w zlewni Potoku Oliwskiego: składowa podziemna i powierzchniowa zasilania 22 w roku 2001 11
Przepływ W ciągu całego okresu bilansowego wzrost opadów powodował szybki wzrost wielkości przepływów, jednak zauważalne jest niewielkie (do 24 godzin) przesunięcie w czasie pomiędzy tymi zjawiskami. Maksymalne wartości przepływów Potoku Oliwskiego sięgają wartości 7,151 m 3 s -1 i wystąpiły dwa Zależność średniego dobowego natężenia opadów od dni po najwyższym opadzie 23 wielkości przepływów w odcinku ujściowym Potoku Oliwskiego w roku 1997 Składowe bilansu wodnego w warunkach zagospodarowania antropogenicznego 24 12
Retencja powierzchniowa Zaobserwowano, że potencjał retencyjny w strefie zabudowanej zmniejszył się średnio dla całego okresu bilansowego w porównaniu z naturalnym o 5,4%. Retencja powierzchniowa w warunkach naturalnych i z zabudową w zlewni Potoku Oliwskiego 25 Retencja w strefie aeracji i saturacji Wprowadzona zabudowa miała coraz większy wpływ na retencję w strefie aeracji Strefa saturacji: amplituda wahań wyniosła 5,69 m, czyli ponad 1 m mniej niż w warunkach naturalnych, co wskazuje na mniejsze zdolności retencyjne strefy saturacji 26 Retencja w strefie aeracji w warunkach naturalnych i z zabudową 13
Odpływ powierzchniowy Jego wartości zwiększyły się w porównaniu do naturalnego lub miały taką samą wartość. Różnica pomiędzy nimi sięgała od 0,0 do 42,6 % wartości odpływu naturalnego, przy czym największe dysproporcje pojawiały się w okresach intensywnych opadów, poza nimi wzrost odpływu powierzchniowego wynosił najczęściej ok. 11%. Odpływ powierzchniowy w zlewni Potoku Oliwskiego w warunkach naturalnych i z zabudową 27 Odpływ rzeczny Zasilanie w warunkach zabudowy było w całym okresie bilansowym wyższe od zasilania w warunkach naturalnych. Największe różnice wystąpiły, w okresach o zwiększonych ilościach opadów. Procentowy udział podziemnego zasilania nie uległ zmianie, nadal wynosił średnio 38%, co pozostawia zasilaniu powierzchniowemu Zasilanie odpływu rzecznego przez wody podziemne w warunkach naturalnych pozostałe 62%. i z zabudową 28 14
Przepływ Minimalna wielkość przepływu w obu przypadkach jest taka sama i wynosi 0,1 m 3 s -1, natomiast maksymalna z poziomu 7,15 m 3 s -1 dla warunków naturalnych podniosła się aż do 27,61 m 3 s -1 (383%). Wielkość przepływów w Potoku Oliwskim w warunkach naturalnych (A) i antropogenicznych (B) 29 Retencjonowanie wód opadowych za pośrednictwem naturalnych zagłębień bezodpływowych Ilość wód opadowych odprowadzanych do kanalizacji burzowej w zależności od natężenia opadów Deszcz zwykły 18 II 2001 Deszcz silny 12 III 2001 Deszcz nawalny 9 VII 2001 ilość wody na części zabudowanej: 6 090 m 3 14 790 m 3 160 950 m 3 ilość wody odprowadzona do kanalizacji deszczowej: 3 654 m 3 8 874 m 3 96 570 m 3 30 15
Aby sprawdzić skuteczność retencji w zagłębieniach w przebiegu 24-godzinnej infiltracji wybrano trzy zagłębienia o łącznej powierzchni 21700m 2 i objętości 7230m 3. 31 Deszcz zwykły ilość wody, jaka w wyniku opadu gromadziła się w zagłębieniach w ciągu tego okresu podlegała infiltracji bez opóźnienia. Osiągnięte w tym dniu wielkości infiltracji wyniosły 1865,81 m 3 /30 min i stanowiły zaledwie 4,8% możliwej wartości. Infiltracja w porównaniu z opadem z dnia 18.02.2001 roku 32 16
Deszcz silny Wartości infiltracji pokrywały się z ilością gromadzącej się w zagłębieniach wody i nie zbliżyły się nawet do wartości maksymalnej. Osiągnęły wielkość 4531,25 m 3, co stanowi 11,6% możliwości. 33 Infiltracja w porównaniu z opadem z dnia 12.03.2001 roku Deszcz bardzo silny Maksymalna wielkość infiltracji została osiągnięta trzy razy i trwała przez 1,5 godziny, a w pozostałym okresie była niższa. Ilość wody, jaka nie zdołała infiltrować wyniosła dla badanego obszaru: 3587,04 m 3 o godzinie 17:00, 5574,82 m 3 o godzinie 17:30 i 10250,64 m 3 o godzinie 19:00. Jednak już w pół godziny po wystąpieniu tych nadwyżek zostały one w całości infiltrowane Infiltracja w porównaniu z opadem z dnia 9.07.2001 roku 34 17
Wnioski Dzięki przeprowadzonym obliczeniom możliwe było stwierdzenie, że badany obszar posiada wysoki potencjał retencyjny, który przede wszystkim odnosi się do retencji stref aeracji i saturacji. Zostały zbadane warunki retencji powierzchniowej, w której swój ogromny udział mają zagłębienia bezodpływowe. Wprowadzenie do obliczeń czynnika antropogenicznego, ograniczyło w źródliskowej części zlewni wykorzystanie retencji na rzecz zwiększenia odpływu wód powierzchniowych spowodowanego odprowadzeniem wód spływających powierzchniowo z obszarów zabudowanych. 35 Dziękuję za uwagę 36 18