Zbigniew POPEK, Kazimierz BANASIK, Leszek HEJDUK Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW w Warszawie Department of Hydraulic Engineering and Environmental Recultivation WULS SGGW Wyniki badań transportu rumowiska rzecznego w korycie rzeki Zagożdżonki Results of sediment transport in the Zagożdżonka riverbed Słowa kluczowe: transport rumowiska, zamulanie zbiornika, obliczenia prognostyczne Key words: sediment transport, silting of reservoir, prediction calculation Wprowadzenie Rumowisko rzeczne przemieszczane wraz z wodą w ciekach, ze względu na mechanizm transportu dzielimy na unoszone, zawieszone, rozpuszczone i wleczone. Rumowisko unoszone składa się z drobnych cząstek mineralnych, rozproszonych w toni wodnej, transportowanych bez kontaktu z dnem cieku. Rumowisko zawieszone tworzą cząstki organiczne, a rozpuszczone związki chemiczne. Do rumowiska wleczonego zalicza się grubsze ziarna materiału korytowego, które poruszają się w stałym lub okresowym kontakcie z dnem cieku są to ziarna przesuwanie i toczone po powierzchni dna lub poruszające się skokowo (tzw. saltacja ziaren). Ilość transportowanego rumowiska, a także udział poszczególnych jego rodzajów, istotnie wpływa na charakterystykę jakościową wody, morfologię koryt rzecznych, a w przypadku gdy na rzece zlokalizowany jest zaporowy zbiornik wodny na zmniejszanie się objętości retencjonowanej w nim wody. Jest to wynikiem zatrzymywania w czaszy zbiornika rumowiska rzecznego dopływającego ze zlewni. W niniejszej pracy przedstawiono wyniki dotychczasowych badań terenowych oraz przydatności wybranych wzorów empirycznych do oceny masy (lub objętości) transportu rumowiska w ciągu roku. Za miarę poprawności obliczeń przyjęto wyniki sondowania zbiornika wodnego Staw Górny na rzece Zagożdżonce, na podstawie których określono średnią roczną ilość rumowiska zatrzymanego w zbiorniku. W bieżącym roku rozpoczęto nowy cykl badań w tym zakresie, korzystając ze wsparcia udzielonego przez Islandię, Liechtenstein i Norwegię, poprzez dofinansowanie ze środków Mechanizmu Finansowego Europejskiego Obszaru Gospodarczego oraz Norweskiego Mechanizmu Finansowego. Przegląd Naukowy Inżynieria i Kształtowanie Środowiska XVII, 4 (42), 2008
Charakterystyka obszaru badań Od ponad 45 lat górna część zlewni rzeki Zagożdżonka stanowi zlewnię badawczą Katedry Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW w Warszawie. Systematyczne pomiary hydrometryczne rozpoczęto w 1962 roku w przekroju wodowskazowym Płachty Stare (A = 82,4 km 2 ). W 1976 roku, w celu uzupełnienia potrzeb wodnych w rejonie miejscowości Pionki, wykonano na rzece zbiornik zaporowy Staw Górny o pojemności ok. 258 tys. m 3 i powierzchni 14,05 ha przy normalnym poziomie piętrzenia. W przekroju zapory czołowej zbiornika powierzchnia zlewni wynosi A = 91,4 km 2, jednakże biorąc pod uwagę występowanie w górnej części zlewni obszarów bezodpływowych o powierzchni 19,6 km 2, aktywna powierzchnia zlewni w profilu zapory zbiornika wynosi A = 71,8 km 2. Z chwilą zakończenia budowy zbiornika rozszerzono dotychczasowy zakres badań hydrologicznych rozpoczęto monitoring zamulania zbiornika oraz badania charakterystyki transportu rumowiska unoszonego i wleczonego z górnego obszaru zlewni. W roku 1982 uruchomiono stanowisko pomiarowe w Czarnej (A = = 23,4 km 2 ), które obecnie jest podstawową stacją pomiarową Katedry, wyposażoną w aparaturę do automatycznych pomiarów hydro-meteorologicznych, w tym unikatową stosowaną zwłaszcza w pomiarach transportu rumowiska. Reżim hydrologiczny rzeki można zaliczyć do umiarkowanego z wezbraniem wiosennym i zimowym oraz zasilaniem gruntowo-deszczowo-śnieżnym. W latach 1963 2005 średnie roczne wysokości opadu i odpływu, określone dla zlewni w profilu Płachty Stare, wynosiły odpowiednio: P = 610 mm i H = 109 mm (Banasik 2005). Największy opad roczny P = 941 mm zarejestrowano w 1974 roku, a najmniejszy P = 414 mm w 1991 roku. Największy odpływ roczny H = 209 mm wystąpił w 1980 roku, a najmniejszy H = 52 mm w 1992 roku. Przepływy średnie roczne wynosiły: SQ = 0,308 m 1 3 s dla profilu Płachty Stare w okresie 1971 1990 (Ciepielowski 1995), SQ = = 0,075 m 3 s 1 dla profilu Czarna w okresie 1991 2003 (Banasik 2005). Wielkości przepływów prawdopodobnych, obliczone na podstawie serii przepływów maksymalnych rocznych obserwowanych w profilu Płachty Stare w okresie 1963 2002, w zależności od przyjętego typu rozkładu prawdopodobieństwa i metody estymacji parametrów, zostały określone w następujących przedziałach wartości: WQ p=1% = 20,3 31,7 m 3 s 1, WQ p=50% = 2,77 3,25 m 3 s 1 (Banasik i in. 2003, 2005). Zlewnia rzeki Zagożdżonki ma charakter nizinny średni spadek podłużny rzeki do profilu Płachty Stare wynosi 2,5, natomiast spadki pozostałych cieków nie przekraczają 3,5. Koryta cieków uformowane są w piaskach średnich i drobnych o przeciętnej średnicy ziarna d 50 = 0,3 0,4 mm. W zlewni Zagożdżonki dominują gleby piaszczyste, które łącznie pokrywają 87,9 % powierzchni zlewni do profilu Płachty Stare. Zostały one wytworzone z piasków słabo gliniastych 60,6 % powierzchni, piasków gliniastych 27,2% i z piasków luźnych 0,1%. Na pozostałych 12,1% powierzchni zlewni, w zagłębieniach terenowych stanowiących obszary bezodpływowe występują gleby organiczne. Struktura użytkowania Wyniki badań transportu rumowiska rzecznego w korycie rzeki Zagożdżonki 43
terenu na omawianym obszarze zlewni przedstawia się następująco: grunty orne 47,5% powierzchni, użytki zielone 11,5%, lasy 40,5%, teren zabudowany 0,5% (Banasik 1995). Ocena ilości rocznego transportu rumowiska Większość zastosowanych w obliczeniach metod pozwala na oddzielne określenie ilości rumowiska unoszonego i wleczonego w korycie rzecznym. Masę rumowiska unoszonego odpływającego w ciągu roku ze zlewni można wyznaczyć z zależności opartej na uniwersalnym równaniu strat glebowych Wischmeiera i Smitha w literaturze krajowej szczegółowo omówione, łącznie z procedurami wyznaczania poszczególnych parametrów, w pracach Banasika (1994) i Ciepielowskiego (1995). Zależność ta ma następującą postać: Y r = DR A R K LS CP (1) gdzie: Y r roczna masa rumowiska unoszonego odpływającego ze zlewni [Mg rok 1 ], DR wskaźnik odpływu rumowiska, zależny od całkowitej powierzchni zlewni [ ], A aktywna powierzchnia zlewni [ha], R średnia roczna erozyjność deszczy i spływów (Je rok 1 ; Je tzw. jednostka erozyjności: Je = (MJ ha 1 ) (cm h 1 ), K parametr podatności gleb na erozję [Mg ha 1 Je 1 ] LS parametr topograficzny [ ], CP parametr rodzaju upraw i stosowanych zabiegów ograniczających intensywność procesów erozyjnych [ ]. Dla warunków występujących w górnej części zlewni rzeki Zagożdżonki poszczególne parametry w równaniu (1) mają następujące wartości (Ciepielowski 1995): DR = 0,13, A = 7180 ha, R = = 77,1 Je rok 1, K = 0,247 Mg ha 1 Je 1, LS = 0,393, CP = 0,08. Iloczyn podanych wartości daje masę Y r = 503 Mg rok 1 rumowiska unoszonego dostarczanego do zbiornika Staw Górny, a po przeliczeniu na jednostki objętościowe G u = 708 m 3 rok 1. Średnią roczną ilości rumowiska wleczonego dostarczanego do zbiornika można oszacować według bardzo prostej formuły empirycznej Wilhelma (Łajczak 1995, Bodulski i Górski 2006): G w = 523 SQ J (2) gdzie: G w średni roczny dopływ rumowiska wleczonego do zbiornika [Mg rok 1 ], SQ średnie roczne natężenie przepływu wody [m 3 s 1 ], J średni spadek podłużny rzeki głównej [ ]. Podstawiając do wzoru (2): SQ = = 0,342 m 3 s 1 (wartość określona dla przekroju w osi zapory czołowej zbiornika Staw Górny) oraz J = 2,5, otrzymamy G w = 244 Mg rok 1, tj. po przeliczeniu na jednostki objętościowe G w = = 344 m 3 rok 1. Bardziej dokładne określenie ilości transportowanego w ciągu roku rumowiska wleczonego można uzyskać poprzez uwzględnienie rocznej zmienności natężenia przepływu wody i natężenia wleczenia, stosując następujący wzór: k Gw =Δt Qr Q i i ni i= 1 ( ) (3) 44 Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk
gdzie: G w średnia roczna objętość wleczenia [m 3 rok 1 ], Q r (Q i ) natężenie wleczenia Q r odpowiadające natężeniu przepływu wody Q i, który jest środkiem klasy i [m 3 s 1 ], k liczba przedziałów klasowych natężeń przepływu Q i [ ], n i liczebność klasy i, tj. liczba przedziałów czasowych występowania wartości Q r (Q i ) [ ], Δ t długość przedziału czasowego (dla przedziałów dobowych Δ t = 86 400) [s]. W obliczeniach wielkości G w według wzoru (3) wykorzystano dane z lat 1970 1990 o czasie trwania przepływów dobowych Q i w profilu wodowskazowym Płachty Stare oraz odpowiadające im wartości natężenia wleczenia Q r (Q i ), przy czym do określenia wartości Q r wykorzystano trzy zależności empiryczne. Pierwsza z nich to zależność określona na podstawie badań terenowych z użyciem tzw. łapacza rumowiska, umieszczonego w dnie rzeki Zagożdżonki powyżej przekroju wodowskazowego Czarna (Popek 2006). Pozostałe dwa to znane i powszechnie stosowane zależności Meyer-Petera i Müllera (MPM) oraz Skibińskiego, których omówienie wraz ze stosowaną metodyką obliczeń można znaleźć w pracy Ciepielowskiego (1995). Na podstawie wyników badań terenowych z użyciem łapacza rumowiska wleczonego (Popek 2006) uzyskano bezwymiarową zależność między jednostkowym (na 1 m szerokości dna) natężeniem wleczenia i przepływu, która ma następującą postać: 2 5 qr 5,88 10 q = 0,0792 + 3 3 s gd50 s gd50 ( 1) ( 1) (4) gdzie: q r jednostkowe natężenie wleczenia [m 3 s 1 m 1 ], q jednostkowe natężenie przepływu [m 3 s 1 m 1 ], s względna gęstość rumowiska (s = ρ r / /ρ w gęstość rumowiska / gęstość wody) [ ], g przyśpieszenie ziemskie [m s 2 ], d 50 przeciętna średnica materiału korytowego [m]. W obliczeniach porównawczych zastosowano również opracowany w USA jednowymiarowy model CCHE1D, który pozwolił na określenie zmian położenia wysokościowego dna w przekrojach obliczeniowych, zlokalizowanych na zbiorniku Staw Górny oraz na odcinku rzeki między wodowskazem Płachty Stare a zbiornikiem (Banasik i in. 2005). Najlepszą zgodność wyników obliczeń i pomiarów terenowych zamulania zbiornika Staw Górny uzyskano przy zastosowaniu formuły Wu, Wanga i Jia, według której określa się całkowitą objętość transportowanego rumowiska tj. sumaryczną ilość rumowiska unoszonego i wleczonego. Wyniki obliczeń średniego rocznego transportu rumowiska rzecznego (G r = = G u + G w ), dostarczanego z górnej części zlewni do zbiornika Staw Górny, zamieszczone są w tabeli 1. Wyniki badań transportu rumowiska rzecznego w korycie rzeki Zagożdżonki 45
TABELA 1. Wyniki obliczeń średniego rocznego transportu rumowiska do zbiornika Staw Górny TABLE 1. Calculation results of mean annual sediment transport into Staw Górny reservoir Zależność stosowana w obliczeniach Formula used in calculation Objętość transportowanego rumowiska [m 3 ] Volume of sediment transport [m 3 ] unoszone (G u ) suspended (G u ) wleczone (G w ) bedlod (G w ) suma (G r ) sum (G r ) (1) + (2) 708 344 1 052 (1) + (4) 708 398 1 106 (1) + wzór MPM 708 515 1 223 (1) + wzór Skibińskiego 708 411 1 119 Model CCHE1D wzór Wu, Wang, Jia 1 202 Wyniki sondowania zbiornika Staw Górny Objętość rumowiska zatrzymanego w zbiorniku najbardziej wiarygodnie można określić na podstawie okresowo, ale niezbyt często wykonywanych pomiarów batymetrycznych czaszy zbiornika. Pierwszy pomiar w zbiorniku wykonano w latach 1979 1980. Na podstawie sondowania dna w 14 przekrojach poprzecznych zbiornika sporządzono mapę batymetryczną, którą potraktowano jako wyjściową do oceny intensywności zamulania zbiornika w następnych okresach. Kolejne pomiary batymetryczne wykonano w roku 1991 i 2003. W 2003 roku pomiar głębokości wody w stałych przekrojach poprzecznych zbiornika wykonano przy pomocy echosondy Ceeducer, wyposażonej w odbiornik GPS (dokładności pomiaru: głębokości do 1 cm, położenie punktu pomiaru głębokości w układzie współrzędnych geograficznych do 1 m). Na podstawie map batymetrycznych uzyskanych w kolejnych sondowaniach, określono objętość rumowiska zatrzymanego w zbiorniku w poszczególnych okresach (tab. 2). Ze względu na praktycznie nieistotną abrazję brzegów zbiornika można przyjąć, że cała objętość rumowiska zatrzymanego w zbiorniku pochodzi z erozji powierzchniowej zlewni i koryt cieków. Biorąc pod uwagę aktywną powierzchnię zlewni w profilu zapory zbiornika A = 71,8 km 2, średni jednostkowy roczny odpływ rumowiska ze zlewni w latach 1980 2003 wynosił 15,9 m 3 km 2. TABELA 2. Objętość rumowiska zatrzymanego w zbiorniku Staw Górny (Banasik i in. 2005) TABLE 2. Volume of sediment deposition in Staw Górny reservoir (Banasik et al. 2005) Okres między pomiarami Period between measurements Objętość zatrzymanego rumowiska [m 3 ] Volume of sediment deposition [m 3 ] w okresie in period średnio w roku average in year 1980 1991 14 650 1 330 1991 2003 11 620 968 1980 2003 26 270 1 140 46 Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk
Wartość ta stanowi sumę objętości materiału unoszonego i wleczonego, odprowadzonego z górnej części zlewni Zagożdżonki. Wnioski 1. 2. Na podstawie okresowych pomiarów batymetrycznych w zbiorniku Staw Górny stwierdzono, że w latach 1980 2003 zatrzymywało się w nim średnio 1140 m 3 rok 1 rumowiska rzecznego. Wartość ta, która w sposób najbardziej miarodajny określa rzeczywistą ilość transportowanego przez rzekę rumowiska, może być podstawą do oceny poprawności stosowanych wzorów empirycznych i metod obliczeniowych. Uzyskano ogólnie dużą zgodność między wynikami obliczeń rocznej objętości rumowiska rzecznego dostarczanego do zbiornika Staw Górny a wartością otrzymaną z pomiarów batymetrycznych zbiornika. Błąd 1 względem wartości 1140 m 3 rok zawiera się w przedziale: od 7,7%, w przypadku zastosowania formuły (1) i (2), do +7,3% stosując formułę (1) i Meyer-Petera i Müllera. Zastosowanie wzoru (1) i wzoru Skibińskiego dało błąd względny 1,8%, a wzorów (1) i (4) 3%. Wartość obliczona przy użyciu modelu CCHE1D z formułą Wu, Wanga i Jia była o 5,4 % większa od uzyskanej na podstawie sondowania zbiornika Staw Górny. Watro podkreślić, że model CCHE1D umożliwia bezpośrednie określenie objętości całkowitego transportu rumowiska rzecz- 3. nego, czyli łącznej ilości rumowiska unoszonego i wleczonego. Duża zgodność wyników obliczeń z wynikami sondowania zbiornika Staw Górny potwierdza przydatność analizowanych zależności empirycznych, które mogą być stosowane w obliczeniach dla potrzeb sporządzania prognoz zamulania również innych zbiorników retencyjnych, zlokalizowanych na rzekach i w zlewniach o podobnej charakterystyce. Literatura BANASIK K. 1994: Model sedmentogramu wezbrania opadowego w małej zlewni rolniczej. Rozprawy Naukowe i Monografie 191. Wydaw. SGGW, Warszawa. BANSIK K. 2005: Wydatek i charakterystyka rumowiska unoszonego w wezbraniach opadowych z obszarów rolniczych Raport końcowy Grantu KBN. Maszynopis. Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW, Warszawa. BANASIK K., BYCZKOWSKI A., GŁADECKI J. 2003: Prediction of T-year flood discharge for a small river basin using direct and indirect methods. Annals of Warsaw Agricultural University SGGW, Land Reclamation 34: 3 8. BANASIK K., BYCZKOWSKI A., GŁADECKI J. 2005: Obliczanie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przekroczenia w małej rzece nizinnej metodą statystyczną (na przykładzie rzeki Zagożdżonki). Roczniki Akademii Rolniczej w Poznaniu CCCLXV, Melior. Inż. Środ. 26: 29 34. BANASIK K., HEJDUK L., POPEK Z. 2005: Sediments problems of small river catchments and reservoir in Poland. Publications of the Institute of Geophysics Polish Academy of Sciences, Monographic E-5 (387): 179 207. BANASIK K., MORDZIŃSKI S. 1982: Wyniki badań i prognoza zamulania małego zbiornika wodnego. Mat. konf. Wybrane zagadnie- Wyniki badań transportu rumowiska rzecznego w korycie rzeki Zagożdżonki 47
nia z projektowania i wykonawstwa budowli wodnych, Warszawa: 62 77. BODULSKI J., GÓRSKI J. 2006: Evaluation and prediction of silting in reservoir Cedzyna on the Lubrzanka River. Jour. of Water and Land Development 10: 133 149. CIEPIELOWSKI A. (red.) 1995: Metodyka zagospodarowania zasobów wodnych w małych zlewniach rzecznych. Wydaw. SGGW, Warszawa. ŁAJCZAK A. 1995: Studium nad zamulaniem wybranych zbiorników zaporowych w dorzeczu Wisły. Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN 8. POPEK Z. 2006: Warunki ruchu rumowiska wleczonego w małej rzece nizinnej. Rozprawy Naukowe i Monografie 300. Wydaw. SGGW, Warszawa. Summary Results of sediment transport in the Zagożdżonka riverbed. The measurement s and calculation s results of sediment transport delivered from the Zagożdżonka River catchment into the Staw Górny reservoir are presented in the paper. The measured mean silting of reservoir in time period 1980 2003 was 1142 m 3 per year. Prediction calculations carried out by using different empirical formulas shown a good compatibility of results obtained from calculation and measured of the silting of reservoir. The values of relative error, determinate for the mean annual volume of calculated sediment transport and measured silting of reservoir, are from 7.7 to +7.3%. Authors address: Zbigniew Popek, Kazimierz Banasik, Leszek Hejduk Szkoła Główna Gospodarstwa Wiejskiego Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa e-mail: zbigniew_popek@sggw.pl kazimierz_bansik@sggw.pl leszek_hejduk@sggw.pl 48 Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk