Agnieszka HAWRYŁO, Leszek KSIĄŻEK, Małgorzata LEJA* intensywność turbulencji, siedliska INTENSYWNOŚĆ TURBULENCJI W RÓŻNYCH JEDNOSTKACH MORFOLOGICZNYCH NA PRZYKŁADZIE RZEKI SKAWY Celem artykułu jest określenie intensywności turbulencji oraz turbulentnej energii kinetycznej w trzech typach siedlisk górskiej rzeki. Przeprowadzone badania umożliwiły weryfikację hipotezy o braku różnic w prędkości, intensywności turbulencji i turbulentnej energii kinetycznej w trzech standardowych jednostkach morfologicznych. Wykonano pomiary trzech składowych prędkości chwilowych przepływu wody w trzech jednostkach hydromorfologicznch bystrze, nurt i ploso wykorzystując MikroADV-akustyczny prędkościomierz dopplerowski. Każda jednostka wydzielona w przestrzeni koryta została scharakteryzowana przez osiem losowo wybranych pionów hydrometrycznych, zawierających po 10 punktów pomiarowych. Analizie poddano trzy składowe prędkości uśrednionej w czasie v x, v y, v z, intensywność turbulencji (średnia kwadratowa) w trzech kierunkach oraz wartość energii kinetycznej turbulencji. Przeprowadzone badania sugerują, że parametry ruchu turbulentnego intensywność turbulencji i turbulentna energia kinetyczna lepiej pokazują różnice między poszczególnymi jednostkami morfologicznymi niż konwencjonalne parametry wartości prędkości uśrednionych. 1. WSTĘP Utrzymanie dobrego stanu ekologicznego ciekówwodnych wiąże się z występowaniem zróżnicowanych form morfologicznych koryta, które są charakterystyczne dla danego typurzeki w stanie naturalnym. Morfologia koryta jest jednym z podstawowych czynników składających się na warunki siedliskowe organizmów żyjących w ekosystemach rzecznych.rodzaj siedliska najczęściej rozpatrywany jest w obrębie formy morfologicznejdlatego siedlisko i jednostka morfologiczna stały się synonimami. [16].Zatem przywrócenie różnorodności gatunkowej w ekosystemie wymaga zróżnicowania koryta pod względem mor- * Uniwersytet Rolniczy im. Hugona Kołłątaja w Krakowie, a.hawrylo@gmail.com
196 A. HAWRYŁO i in. fologii. Co więcej, zróżnicowanie jednostek morfologicznych stało się narzędziem do oceny obecnego stanu rzek, jak również oceny efektywności działań prowadzących do poprawy tego stanu [12, 15]. W Polsce zostały podjęte próby korzystania z klasyfikacji siedlisk opracowanej w Austrii przez Hauera [9]. Do tej pory badania nad rozróżnianiem siedlisk pod względem hydraulicznym były skupione na czasowym i przestrzennym uśrednianiu prędkości i napełnienia, pomijając bardziej szczegółowy opis ruchu wody, który może warunkować życie i zachowanie poszczególnych organizmów. Wielu badaczy wskazuje na potrzebę analizy przepływu wody w siedliskach związanego z przepływem turbulentnym [4,8]. Turbulencja przepływu wynika z pulsacji prędkości, wpływa pośrednio i bezpośrednio na różne procesy ekologiczne: rozdział zasobów pokarmowych, absorpcję składników odżywczych, reakcje drapieżników [17]. Wielkość turbulencji wpływa na procesy życiowe ryb: zużycie energii podczas poruszania się [5], siedlisko, które wybierają [19], czy też sprawność zdobywania pokarmu przez drapieżniki [6].Wysoka turbulencja przepływu powoduje u ryb utratę równowagi, nawet przy niskich wartościach przepływu [14]. Makrowiry, wynikające ze zjawiska turbulencji o wielkościach większych niż długość ryby mogą być odbierane jako główny nurt i kierować migrację w niewłaściwym kierunku[3]. Dotychczasowe badania wskazują na zasadność podejmowania prac nad charakterystyką ruchu turbulentnego w siedliskach [4,10]. Harvey i Clifford[8] uważają, że pulsacje prędkości mają bezpośredni wpływ na życie i zachowanie organizmów wodnych a parametry opisujące ruch turbulentny mogą być uzupełnieniem dotychczas istniejących klasyfikacji. Smith i Brannon[18] sugerują, że intensywność turbulencji może okazać się przydatna do opisu siedlisk ponieważjednostki morfologiczne często nie różnią się pod względem uśrednionych parametrów, a mogę się różnić pod względem parametrów ruchu turbulentnego. Niniejszy artykuł podejmuje próbę charakteryzowania siedlisk prędkościami uśrednionymi w czasie jak również wybranymi parametrami wyższego rzędu, bardziej szczegółowym, jak intensywność turbulencji i energia kinetyczna turbulencji. Przeprowadzone badania zmierzały do weryfikacji hipotezy zerowej, o braku różnic w prędkości, intensywności turbulencji i turbulentnej energii kinetycznej w poszczególnych jednostkach morfologicznych. 2. MATERIAŁ I METODY Badania turbulencji siedlisk rzeki górskiej przeprowadzono na górnym odcinku Skawy w Suchej Beskidzkiej. Skawa jest płynącym przez Beskidy prawobrzeżnym dopływem Wisły, o długości 92 km i powierzchni zlewni ok. 120 km 2.Wybrany odcinek znajduje się w górnym biegu rzeki o charakterze górskim, o średnim spadku dna koryta ok. 7 i dnie koryta żwirowo kamienistym. Do badań turbulencji w jednost-
Intensywność turbulencji w różnych jednostkach morfologicznych na przykładzie rzeki Skawy 197 kach morfologicznych siedliskach wybrano trzy podstawowe jednostki morfologiczne koryta rzeki: bystrze (wypłycenie-forma morfologiczna o małym napełnieniu, gdzie płynąca woda osiąga dosyć dużą prędkość) o wymiarach 20x28 m (powierzchnia w planie ok. 600 m 2, średnie napełnienie wynikające z pomiarów w ośmiu pionach wynosiło 30 cm, ploso (przegłębienie, o spokojnym przepływie wody), ze względu na ograniczenia wynikające z umocowania precyzyjnego urządzenia w korycie o dużym napełnieniu wybrano niewielkie ploso szer. ok. 4 m, długości 7 m, o średnim napełnieniu 75 cm, nurt (jednostka przejściowa pomiędzy bystrzem i plosem), o wielkości ok. 200 m 2 (2x10 m) i średnim napełnieniu 58 cm. Jowett[11] w tych jednostkach badał zróżnicowanie uśrednionych parametrów hydraulicznych. Badania wykazały, że najlepiej różnice między jednostkami oddają: liczba Frouda, spadek zwierciadła wody oraz iloraz prędkości i głębokości. W niniejszym projekcie badano zróżnicowanie parametrów ruchu turbulentnego, związanego z pulsacją wartości prędkości w czasie dla wybranych jednostek. Zastosowanie MicroADV (akustyczny prędkościomierz doplerowski) pozwoliło na wykonanie pomiaru prędkości chwilowych w trzech kierunkach: x-równoległym do kierunku przepływu, y-prostopadłym w płaszczyźnie poziomej (boczny) i z- prostopadłym w płaszczyźnie pionowej. MicroADV jest jednopunktowym miernikiem prędkości. Pomiar odbywa się w strefie komórki pomiarowej zlokalizowanej w odległości 5 cm od czoła sondy. Nadajnik generuje wiązkę fali akustycznej, natomiast wysokoczułe odbiorniki odbierają sygnały powstające na skutek odbicia tej fali od znajdujących się w wodzie cząsteczek (np. zawiesin, pęcherzyków powietrza). Dla scharakteryzowania każdej jednostki morfologicznej wykonano8reprezentatywnychpionów hydrometrycznych, w każdym pionie zaś dziesięć pomiarów prędkości chwilowych. Ze względu na ograniczenie przyrządu wynikające z potrzeby zanurzenia sondy, profile prędkości sięgały do ok. 70% napełnienia w nurcie i plosie oraz ok. 57% na bystrzu. Aby możliwa była analiza turbulencji, pomiar wykonywano z częstotliwością 20 Hz w czasie 1 min [2,13].Otrzymano, więc charakterystykę każdego siedliska w postaci ponad 80 pomiarów wartości prędkości, zawierających ok. 1200 odczytów prędkości chwilowych każdy. Wyniki uzyskane w procesie pomiaru zostały przefiltrowane w programie WinADV: ze względu, na jakość sygnału ( współczynnik signal to noise ratio SNR>5) zgodnie z zaleceniami producenta: oraz metodą fazową przestrzenną [7,20], która eliminuje punkty odstające z chmury całego pomiaru. Teoria ruchu turbulentnego zakłada, że chwilowa prędkość wynosi: v ' x v x vx (1)
198 A. HAWRYŁO i in. gdzie: v x -składowa prędkości uśredniona w czasie w kierunku x [m s -1 ' ], v x - chwilowa pulsacja prędkości w kierunku x [m s -1 ]. Do przeprowadzenia analizy ruchu turbulentnego wybrano: składowe prędkości uśrednionej w czasie oraz parametry związane z pulsacją prędkości: intensywność turbulencji TI (odchylenie standardowe prędkości uśrednionej w czasie ang. turbulenceintensity) w trzech kierunkach oraz wartość energii kinetycznej turbulencji (angturbulencekineticenergy [m 2 s -2 ]: ' 2 x ' 2 y ' 2 z 0,5( v v v ) (2) Energia kinetyczna turbulencji jest pochodną pulsacji prędkości w trzech kierunkach. Parametry ruchu turbulentnego zostały zanalizowane statystycznie. Ze względu na brak zgodności rozkładu wartości parametrów z rozkładem normalnym, wynikającej z przeprowadzonego testu Shapiro-Wilka, do zbadania istotności różnic w rozkładzie cechy między siedliskami zastosowano nieparametryczny test rang Kruskala-Wallisa. 3. WYNIKI I DYSKUSJA Analizie poddano wyniki parametrów uśrednione w poszczególnych siedliskach. Z przeprowadzonych badań wynika, żena poziomie istotności α=95% poszczególne jednostki morfologiczne różnią się istotnie dla parametrów: intensywność turbulencji TI w trzech kierunkach i energia kinetyczna turbulencji. Rys. 1. Wykres wartości składowych prędkości uśrednionych w czasie dla bystrza, nurtu i plosa Duże wahania wyznaczonych wartości v (rys.1), TI (rys.2) oraz (tab. 1) wynikają z tego, że piony hydrometryczne zawierają pomiary na różnych głębokościach. Z badań wynika, że w bystrzu i nurcie prędkość średnia w kierunku nurtu v x jest taka sama i w rozpatrywanym przypadku wynosi 57 cm s -1, w plosie natomiast 7 cm s -1. Rozkłady
Intensywność turbulencji w różnych jednostkach morfologicznych na przykładzie rzeki Skawy 199 składowej prędkości w kierunku pionowymv z wykazują istotne różnice dla plosa i bystrza pomimo, iż wartości średnie wskazywałyby na podobieństwo. W kierunku poprzecznym do nurtu średnia prędkość v y waha się od 2 cm s -1 w plosie do 7 cm s -1 na bystrzu, różnice te nie są statystycznie istotne. Rys. 2. Wykres intensywności turbulencji TI w trzech kierunkach dla bystrza nurtu i plosa Rysunek 2 przedstawia pulsacje prędkości w postaci intensywności turbulencji w trzech kierunkach dla rozpatrywanych siedlisk. Analiza statystyczna wykazała istotność różnic w rozkładach intensywności turbulencji w badanych siedliskach. Na podstawie rysunku nr 2 stwierdzić można, że intensywność turbulencji w obrębie danej jednostki ma bardzo zbliżone wartości w kierunku nurtu i poprzecznym do nurtu. W plosie wynosi ok. 3 cm s -1 i jest to ponad 40% prędkości uśrednionej w czasie v x i95% w kierunku poprzecznym v y. W nurcie intensywność turbulencji w kierunku x wynosi ponad 9cm s -1, co wynosi 17% v x, natomiast w kierunku poprzecznymponad7cm s -1 i jest to wartość trzykrotnie większa, niż prędkość uśredniona w czasie v y. Najmniejsza intensywność turbulencji występuje w kierunku pionowym od 1,7 cm s -1 w plosie, do ponad 9 cm s -1 na bystrzu, jest to jednak w odniesieniu do wartości uśrednionych w czasie udział przekraczający 200%. W tabeli 1 zebrano wyniki obliczeń energii kinetycznej turbulencji wg równania 2.Statystyczna analiza wykazała wystąpienie istotnych różnic tego parametru między siedliskami. Przy czym jak widać wartości wzrastają od plosa do bystrza, jednak wariancja wystąpień w siedlisku jest największa w plosie, a najmniejsza w nurcie. Średnia w plosie wynosi 40 cm 2 s -2, ale połowa wystąpień nie przekracza wartości 7,6 cm 2 s - 2. W przyszłych badaniach wydaje się być zasadne analiza zróżnicowania wymienionych parametrów względem głębokości. Wg badań Smith a i Brannon a[18] prędkość uśredniona w czasie nie pokazuje różnic w wielkości uziarnienia dla poszczególnych siedlisk. Różnice natomiast występują w intensywności turbulencji TI, a energia kinetycznej turbulencji okazała się mniej przydatna w tej ocenie, ponieważ wg tego parametru nie wykryto różnic. Badania przez nich przeprowadzone miały miejsce w małych ciekach, na kilku siedliskach tego samego typu i miała wartość od 12-35 cm 2 s -2 w plosie i 50-60 cm 2 s -2 na bystrzu.
200 A. HAWRYŁO i in. Siedlisko Ilość pomiarów Tabela 1. Wartości energii kinetycznej turbulencji Średnia Mediana Min Max odch.stand. Ploso 82 40,3 7,6 1,2 2093,3 238,8 Nurt 81 104,8 80,2 0,0 1234,3 150,3 Bystrze 81 421,4 278,3 1,2 6975,5 834,4 Wartości intensywności turbulencji TI w plosie pokrywają się z wynikami Harvey i Clifford [8] na rzece Oakley Hall (ciek o szerokości kilku metrów).z ich badań wynika jednak, że wartości TI są podobne na bystrzu i plosie. Stwierdzili oni również, że plosa są jednostkami bardzo zróżnicowanymi pod względem morfologii i występuje w nich duże zróżnicowanie w wielkości turbulencji. 3. PODSUMOWANIE Badania parametrów ruchu turbulentnego w siedliskach rzeki górskiej wykazały, że trzy podstawowe jednostki morfologiczne, jak: bystrze, ploso i nurt dają się precyzyjniej scharakteryzować parametrami turbulencji, niż uśrednionymi w czasie wartościami prędkości. Zarówno intensywność turbulencji, jak i energia kinetyczna turbulencji różniły się istotnie w poszczególnych siedliskach. W niniejszej pracy szczegółowo zbadano trzy różnesiedliska, jednak istnieje potrzeba przeprowadzenia badań nad większą ilością siedlisk danego typu dla bardziej uniwersalnego opisu występowania zjawiska turbulencji w rzece górskiej oraz wyodrębnienie stref głębokości do odrębnej analizy. LITERATURA [1] BARTNIK W., KSIĄŻEK L., Wykorzystanie warunków hydraulicznych do oceny typów siedlisk w korycie rzezcnym. Nauka Przyroda Technologie, 2009, Vol. 3, 1 8 [2] BUFFIN-BELANGER T., ROY A,. 1 Min in the Life of a River: Selecting the Optimal Record Length for the Measurement of Turbulence in Fluvial Boundary Layers, Geomorphology, 2005, Vol. 68,77 94. [3] CADA G., ODEH M., Turbulence at Hydroelectric Power Plants and its Potential Effects on Fish, Administration, Contract, 2001, No. 2000AI26531, Project No. 200005700 [4] CARDINALE B., PALMER M., SWAN C., The influence of substrate heterogeneity on biofilm metabolism in a stream ecosystem, Ecology, 2002, No. 83(2), 412 422.
Intensywność turbulencji w różnych jednostkach morfologicznych na przykładzie rzeki Skawy 201 [5] ENDERS E., BOISCLAIR D., ROY A.,.The effect of turbulence on the cost of swimming for juvenile Atlantic salmon (Salmo salar), Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2003, 1160, 1149 1160. [6] ENDERS E., ROY M., OVIDO M., HALLOT E., Habitat Choice by Atlantic Salmon Parr in Relation to Turbulence at a Reach Scale, North American Journal of Fisheries Management, 2011, 37 41. [7] GORING D., NIKORA V., Despiking acoustic Doppler velocimeter data,journal of Hydraulic Engineering, 2002, http://ascelibrary.org/doi/abs/10.1061/(asce)0733-9429(2002)128:1(117). [8] HARVEY G., CLIFFORD N., Microscale hydrodynamics and coherent flow structures in rivers: implications for the characterization of physical habitat, River Research and Applications, 2009, Vol. 18, 160 180. [9] HAUER C., TRITTHART M., HABERSACK H. Computer-aided mesohabitat evaluation, Part I: Background, model concept, calibration and validation based on hydrodynamic numerical modeling. Int. Conf. on Fluvial Hydraulics River Flow, 2008, 1967-1974 [10] HAWRYLO A, KSIĄŻEK L., MICHALIK A., Ocena warunków hydrodynamicznych sprzyjających bytowaniu ryb na odcinku rzeki Skawy, Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 2010, Vol.10, 5-16 [11] JOWETT I., A method for objectively identifying pool, run, and riffle habitats from physical measurements,new Zealand Journal of Marine and Freshwater Research, 1993, Vol. 27, 241 248. [12] KEMP J., HARPER D., CROSA G., The habitat-scale ecohydraulics of rivers, Ecological Engineering, 2000, Vol. 16, 17 29. [13] KSIĄŻEK L., BARTNIK W., RUMIAN J., 2011, Turbulent water flow over rough bed part I, In Journal of Physics: Conference Series. [14] LUPANDIN A., Effect of flow turbulence on swimming speed of fish, Izvestiia Akademii nauk. Seriia biologicheskaia / Rossiĭskaia akademiia nauk, 2005, Vol.32, 558 65. [15] MOUTON A., SCHNEIDER M., DEPESTELE J., GOETHALS P., DE PAUW N., Fish habitat modelling as a tool for river management, Ecological Engineering, 2007, Vol.29, 305 315. [16] PARASIEWICZ P., The MESOHABSIM model revisited, River Research and Applications, 2007, Vol. 23, 893 903. [17] ROY M., ROY A., LEGENDRE P., The relations between standard fluvial habitat variables and turbulent flow at multiple scales in morphological units of a gravelbed river, River Research and Applications, 2010, No. 455, 439 455. [18] SMITH D., BRANNON E., Influence of cover on mean column hydraulic characteristics in small pool riffle morphology streams, River Research and Applications, 2007, Vol.23, 125 139. [19] SMITH D., BRANNON E., ODEH M., Response of Juvenile Rainbow Trout to Turbulence Produced by Prismatoidal Shapes, Transactions of the American Fisheries Society, 2005, Vol. 134(3), 741 753. [20] WAHL T., Analyzing ADV Data Using WinADV, Conference on Water Resources Engineering and Water Resources Planning & Management, 2000, 1 10. TURBULENCE INTENSITY OF DIFFERENT MOFPHOLOGICAL UNITS ON THE EXAMPLE OF SKAWA RIVER The aim of this paper is to determine the turbulence intensity and turbulent kinetic energy in the three types of mountain river habitats. The study allowed the verification of the hypothesis of no difference in time averaged velocity, turbulence intensity TI and turbulent kinetic energy in the three standard morphological units. Measurements of three components of the instantaneous velocity of water flow in
202 A. HAWRYŁO i in. three hydromorphologicalunits - riffle, run, and pool using MikroADV-acoustic doppler velocimeter. Each unit separated on the water surface has been characterized by eight randomly selected velocity profiles, with 10 points. There had been analyzed three components of the average velocity :vx, vy, vz, turbulence intensity (standard deviation) in three directions, and the value of the turbulence kinetic energy. The study suggests that the turbulent flow parameters like TI and better showed the differences between the habitats than conventional morphological parameters oftime averaged velocity values.