Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 Dariusz Wrzesiński Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Zakład Hydrologii i Gospodarki Wodnej Abstrakt: W pracy przedstawiono metodę identyfikacji zmian cech reżimu wodnego rzek w okresie wieloletnim na przykładzie Warty w profilu Poznania na podstawie analizy podobieństwa rozkładu częstości przepływów wody w elementarnych jednostkach czasu w kolejnych 20-letnich podokresach do wartości przeciętnych z lat 1822 2005. Scharakteryzowano cechy reżimu rzeki oraz zidentyfikowano zmiany tych cech. Rozpoznano i opisano prawidłowości stanu wyjściowego i sparametryzowano okresy, w których obserwowane są statystycznie istotne odstępstwa od tej prawidłowości. Wystąpiły one w latach 1845 1882 oraz 1954 1992(2005), przy czym największe różnice zaobserwowano w 20-leciach 1856 1875 i 1966 1985. Cechy reżimu odpływu w tych okresach w porównaniu z wyjściową prawidłowością różnią się nie tylko wysokością odpływu, ale także sekwencją, typem, długością i terminem wystąpienia okresów hydrologicznych. Słowa kluczowe: reżim hydrologiczny, okres hydrologiczny, odpływ rzeczny, rozkład częstości przepływu, rzeka Warta. Wstęp Wyniki badań przemian środowiska przyrodniczego wskazują na duże znaczenie wpływu zmian warunków klimatycznych na elementy środowiska, w tym na zasoby wodne. Liczne badania dotyczące klimatycznych uwarunkowań zmian sezonowości odpływu i reżimów rzecznych (np. Krasovskaia, Gottschalk 1992, Krasovskaia 1995, Krasovskaia 1996, Krasovskai Sælthun 1997, IPCC 2001) dokumentują występowanie czasowych zmian przepływów rzek w związku z globalnym ociepleniem oraz podkreślają wzrost zainteresowania problematyką zmian reżimów rzecznych (np. Westmacott, Burn 1997, Krasovskaia i in. 1999, Middelkoop i in. 2001, Krasovskaia, Gottschalk 2002). Szeroki przegląd wpływu zmian i zmienności klimatu na reżim hydrologiczny rzek w Europie zawiera praca Arnella (1999).
136 Dariusz Wrzesiński Prawidłowości zmienności wszelkich zjawisk zachodzących w rzece definiuje ustrój (reżim) hydrologiczny. Określa on stan i reakcje systemu rzecznego w relacji do systemu klimatycznego i cech fizycznogeograficznych dorzecza (Gutry-Korycka, Tran Binh Trong 2001). Reżim rzeczny można zdefiniować również jako rodzaj i strukturę czasową przepływów rzecznych w normalnym cyklu rocznym. Elementami tej struktury są tzw. okresy hydrologiczne, które są narzędziem badania reżimu i podstawą jego charakterystyki (Rotnicka 1988). Charakterystyki reżimu odpływu mogą być traktowane jako preferowane stany systemu odpływu, które są mniej lub bardziej stabilne. Pod wpływem zmieniających się warunków klimatycznych i antropopresji reżim odpływu może ulec destabilizacji i zmienić się w inny, czasem z wyraźnie odmiennymi prawidłowościami sezonowości wysokich i niskich wód, zakłócając w ten sposóbustalone warunki hydroekologiczne i użytkowanie wody. Znaczenie takiej zmiany w oczywisty sposóbzależy od wrażliwości poszczególnych charakterystyk reżimu na zmieniający się klimat (Krasovskaia, Gottschalk 2002) lubna intensywność i rodzaj ingerencji człowieka w stosunki wodne. Interesujący przegląd dotychczas stosowanych metod ustalania klimatycznych uwarunkowań zmian reżimu odpływu rzek i ich krytyczną ocenę zawiera praca Bower i in. (2004). Identyfikację zmian w każdej prawidłowości, bez względu na ich przyczynę, musi poprzedzić prawidłowe rozpoznanie i opisanie stanu początkowego. Do określenia reżimu hydrologicznego rzek stosowane są różnorodne metody. Rozpoznanie prawidłowości zmienności odpływu opiera się zarówno na podejściach nadzorowanych, jak i nie nadzorowanych (Pardé 1957, Dynowska 1971, Lwowicz 1979, Gottschalk 1985, Haines i in. 1988, Rotnicka 1988, Krasovskaia i in. 1994). W podejściu nadzorowanym najpierw definiuje się kilka wskaźników (typów reżimu odpływu), a następnie poszukuje się prawidłowości w wieloletnich średnich miesięcznych odpływach zgodne z wcześniej zdefiniowanymi wskaźnikami. W podejściu nie nadzorowanym (najczęściej grupowanie) nie ma takich wskaźników, a identyfikacja typów reżimu odpływu odbywa się na podstawie struktury danych tak, aby obiekty w obrębie pojedynczego typu były do siebie możliwie podobne. Jednak obie metody identyfikacji wyjściowej prawidłowości mogą wpłynąć na wyniki analiz jej ewentualnych zmian w czasie. W podejściu nadzorowanym zbyt precyzyjna definicja typu wskaźnika może prowadzić do nadmiernej wrażliwości na zmianę klimatu, natomiast w przypadku podejścia nie nadzorowanego na wynik może wpłynąć ustalony stopień zgodności w identyfikowanych grupach reguła stopu (Krasovskaia, Gottschalk 2002). Interesująca jest metoda analizy i charakterystyki reżimu rzecznego drogą rozpoznania struktury czasowej zjawisk hydrologicznych i ich zmian w cyklu rocznym, która znalazła zastosowanie nie tylko w badaniach teoretycznych, ale także w badaniach o charakterze aplikacyjnym (Rotnicka 1988, Gutry-Korycka, Rotnicka 1998). Pozwala ona na identyfikację cech reżimu hydrologicznego rzek w różnych strefach geograficznych oraz na ich typologię i regionalizację. Wykorzystana może być też w detekcji zmian cech reżimu odpływu w modelowych badaniach prognostycznych przy różnych scenariuszach globalnych zmian klimatu, a ponadto jest interesującym narzędziem pomocnym przy ustalaniu stabilności cech reżimu w
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 137 zmieniających się warunkach klimatycznych czy wywołanych działalnością człowieka. W dotychczasowych badaniach autora metoda ta została użyta do oceny zmian cech reżimu odpływu rzek wywołanych zmiennym natężeniem Oscylacji Północnoatlantyckiej (Wrzesiński 2004, 2005, 2007, 2008, 2010). Ze względu na współczesne zmiany warunków klimatycznych oraz zaznaczający się wpływ człowieka na stosunki wodne, ważnym zagadnieniem staje się zrozumienie wieloletniej dynamiki lubstabilności reżimu odpływu. W tym kontekście reżim odpływu może być przydatnym narzędziem zarówno do identyfikacji przestrzennych i czasowych zmian wysokości i sezonowości odpływu, jak i do ustalenia obecnych i przyszłych deficytów wody. Celem pracy jest przedstawienie metody identyfikacji zmian cech reżimu wodnego rzek na przykładzie Warty w profilu Poznania na podstawie analizy podobieństwa rozkładu częstości przepływów wody w elementarnych jednostkach czasu (pentadach) w 20-letnich podokresach do wartości przeciętnych. Do analizy wykorzystano codzienne przepływy Warty w Poznaniu z lat 1822 2005, tj. najdłuższą serię przepływów, jaka istnieje dla polskich rzek. Metoda identyfikacji zmian reżimu hydrologicznego W pracy zaproponowano metodę określania zmian reżimu rzecznego drogą rozpoznania podobieństwa cech elementarnych jednostek czasowych roku hydrologicznego w okresach 20-letnich do wartości przeciętnych z możliwie długiego wielolecia. Za elementarną jednostkę czasową przyjęto pięciodniowy odcinek, czyli pentadę, a za cechę grupowania wartość przepływu. Cechę grupowania opisano zmienną x, którą przedstawiono w postaci rozkładu częstości przepływu wody. Rok kalendarzowy składa się z 73 pentad, a każdą z nich reprezentuje pięć wartości przepływu wody. W pierwszym etapie analizy określono rozkłady częstości przepływu wody w poszczególnych pentadach roku dla okresu wieloletniego (1822 2005), a następnie dla okresów 20-letnich z przesunięciem o 1 rok. Przy uwzględnieniu 184-letniego okresu obserwacji uzyskuje się dla każdej pentady roku 920-elementowy zbiór wartości przepływów (5 dni 184 lata), a dla okresów 20-letnich odpowiednio zbiory stuelementowe. Zbiory te uporządkowano, ustalając częstość występowania przepływu w kolejnych przedziałach wartości przepływu rzecznego. Następnie skumulowano częstości przepływu od wartości przedziału najwyższego do najniższego. Na podstawie skumulowanych częstości przepływów obliczono wartości empirycznych dystrybuant rocznego zbioru pentad. Wzajemne podobieństwa dwóch zbiorów składających się z 73 rozkładów przepływów wody (między zbiorem wieloletnim z lat 1822 2005 a kolejnymi 20-letnimi) ustalono za pomocą nieparametrycznego testu zgodności Kołmogorowa-Smirnowa. Dla porównywanych rozkładów obliczono bezwzględne wartości różnic między dystrybuantami empirycznymi (Fn, F k n ) i wyznaczono charakterystykę D, która jest różnicą maksymalną: p
138 Dariusz Wrzesiński D= maxf ( x) F ( x) nk n knp Statystyka jest postaci = D n, gdzie n =, n n k + n k,n p to liczebność prób, na p podstawie których utworzono dystrybuanty empiryczne. Ma ona rozkład Kołmogorowa. Testując hipotezę H 0 o zgodności pary rozkładów, sprawdzano ją na poziomach istotności = 0,05 i = 0,01. Dla próbo liczebności odpowiednio 920 i 100 elementów podtrzymanie hipotezy H 0 uzyskuje się w przypadku, gdy, czyli D n<, D<. Podstawiając z rozkładu Kołmogorowa wartości krytyczne dla n i = 0,01, otrzymujemy maksymalne różnice dla D odpowiednio: np 136, D< = = 0, 143 n 92000 1020 163, D< = = 0, 1716 n 92000 1020 Jeżeli D<0,1432, to różnica między rozkładami jest nieistotna, a zatem rozkłady są podobne, gdy 0,1432 D<0,1716, to różnica między rozkładami jest prawdopodobnie nieistotna, a gdy D 0,1716, to różnica między rozkładami jest istotna, a rozkłady są niepodobne. Przykład obliczania charakterystyki D dla dwóch okresów 20-letnich 1856 1875 i 1936 1955 przedstawiono w tabeli 1. Wynikiem procedury testowania jest diagram obrazujący skalę podobieństwa rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach roku kolejnych okresów 20-letnich do okresu wieloletniego (1822 2005) rys. 1A. Brak podobieństwa rozkładów świadczy o istotnej statystycznie różnicy w strukturze przepływów obserwowanych w porównywanych pentadach roku okresu 20-letniego i wyjściowego podstawowego okresu wieloletniego. Tak wyraźne odstępstwo od przyjętej normy prawidłowości może zatem wskazywać na zmianę i destabilizację reżimu odpływu. Metoda ta pozwala również na procentowe określenie udziału podobnych, prawdopodobnie podobnych i niepodobnych rozkładów przepływów dla poszczególnych pentad roku i dla kolejnych okresów 20-letnich. Dzięki temu można określić termin, w którym nastąpiły największe zmiany w rozkładach częstości przepływów wody (destabilizacja reżimu), zarówno w układzie sezonowym, jak i w całym analizowanym wieloleciu. W kolejnym etapie pracy, wykorzystując metodę analizy i charakterystyki reżimu rzecznego drogą rozpoznania struktury czasowej zjawisk hydrologicznych i ich zmian w cyklu rocznym (Rotnicka 1988), określono cechy reżimu Warty dla warunków przeciętnych (z lat 1822 2005) oraz okresów 20-letnich, dla których
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 139 Tabela 1. Przykład obliczania charakterystyki D dla okresów 20-letnich 1856 1875 i 1936 1955 (Warta w profilu Poznań) Table 1. Example of calculating the D characteristics for the 20-year periods 1856 1875 and 1936 1955 (the Poznań profile of the Warta) Przedziały przepływów wody po standaryzacji Discharge intervals after standardisation Dystrybuanty empiryczne przepływów wody w wybranych pentadach roku Empirical distribution functions of water discharges for chosen pentades of the year Wartości charakterystyki D Value of D statistics 1822 2005 1856 1875 1936 1955 F 1822 2005 F 1856 1875 F 1822 2005 F 1936 1955 F n1 F n2 F n73 F n1 F n2 F n73 F n1 F n2 F n73 F n1 F n2 F n73 F n1 F n2 F n73 12,5 12,99 12,0 12,49 11,5 11,99 11,0 11,49 10,5 10,99 10,0 10,49 9,5 9,99 9,0 9,49 8,5 8,99 8,0 8,49 7,5 7,99 7,0 7,49 6,5 6,99 6,0 6,49 0,001 0,001 0,001 5,5 5,99 0,002 0,002 0,002 5,0 5,49 0,003 0,003 0,003 4,5 4,99 0,005 0,005 0,005 4,0 4,49 0,004 0,008 0,003 0,004 0,008 0,003 0,004 0,008 0,003 3,5 3,99 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 0,010 3,0 3,49 0,014 0,014 0,011 0,014 0,014 0,011 0,014 0,014 0,011 2,5 2,99 0,018 0,022 0,015 0,018 0,022 0,015 0,018 0,022 0,015 2,0 2,49 0,029 0,034 0,025 0,029 0,034 0,025 0,029 0,034 0,025 1,5 1,99 0,050 0,075 0,049 0,060 0,020 0,050 0,050 0,075 0,049 0,010 0,055 0,001 1,0 1,49 0,116 0,126 0,102 0,040 0,130 0,080 0,100 0,116 0,126 0,062 0,014 0,046 0,002 0,50 0,99 0,199 0,191 0,190 0,080 0,150 0,150 0,140 0,199 0,191 0,110 0,049 0,041 0,050 0 0,49 0,349 0,363 0,361 0,070 0,070 0,130 0,310 0,340 0,350 0,279 0,293 0,231 0,039 0,023 0,011-0,50 0,0 0,743 0,735 0,727 0,430 0,460 0,400 0,660 0,680 0,770 0,313 0,275 0,327 0,083 0,055 0,043-1 -0,5 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 1,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 0,000 Wartości maksymalne D zostały pogrubione. Maximum D values in bold.
140 Dariusz Wrzesiński Rys. 1. A Diagram podobieństwa rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach roku kolejnych okresów 20-letnich do okresu wieloletniego (1822 2005) 1 pentady o rozkładach podobnych, 2 pentady o rozkładach prawdopodobnie podobnych, 3 pentady o rozkładach niepodobnych B Udział podobnych i prawdopodobnie podobnych pentad w kolejnych 20-letnich okresach C Udział podobnych i prawdopodobnie podobnych okresów 20-letnich w kolejnych pentadach roku Fig. 1. A Diagram of the similarity of the distributions of discharges in individual pentads of the year in the successive 20-year periods to the multi-year period (1822 2005) 1 pentads with similar distributions, 2 pentads with probably similar distributions, 3 pentads with dissimilar distributions B Proportion of similar and probably similar pentads in the successive 20-year periods C Proportion of similar and probably similar 20-year periods in the successive pentads of the year
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 141 wykryto najmniejsze i największe odchylenia tej cechy reżimu odpływu od warunków przeciętnych w wieloleciu 1822 2005. Dla określenia warunków odpływu w całym analizowanym wieloleciu 1822 2005 oraz w okresach 20-letnich ustalono częstość występowania przepływów w poszczególnych strefach przepływów, obliczono wysokość odpływów pentadowych oraz różnice między odpływami w okresach 20-letnich a przeciętnymi odpływami pentadowymi z lat 1822 2005. Istotność statystyczną tych różnic badano testem T dla prób niezależnych. Każdorazowo testowano hipotezę H 0 : = o równości wartości oczekiwanych, przeciwko H : = 1. Odrzucenie hipotezy 2 1 1 2 pozwala wnioskować o istotnych różnicach średnich wartości odpływów rzecznych obserwowanych w kolejnych 20-leciach od wartości przeciętnych z lat 1822 2005. Statystyka T ma rozkład Studenta, przy n 1 +n 2-2 stopniach swobody: X X T = S X X 1 2 1 2 gdzie S X 1 X 2 wynosi ( ) ( ) S = X1 X2 2 2 n1 1 S1 + n2 1 S 2 1 1 + n + n 2 n n 1 2 1 2 gdzie n 1,n 2 liczebność prób, S 2 1 2, S wariancje próbowe, 2 X X 1 2 średnie z próby. W matematyczno-statystycznym opracowaniu danych źródłowych wykorzystano procedury statystyczne zawarte w programach Excel firmy Microsoft i Statistica StatSoft. Wyniki badań Analiza diagramu podobieństwa rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach roku kolejnych 20-letnich okresów do rozkładów dla wielolecia 1822 2005 wskazuje, że w badanym okresie cechy reżimu odpływu rzeki zmieniały się. Najbardziej odbiegały one od prawidłowości przeciętnych w dwóch okresach: w latach 1845 1882 oraz 1954 1992(2005) rys. 1A, 1B. W okresach tych zaledwie do 40% analizowanych pentad wykazywało rozkłady przepływów podobne do charakterystycznych dla całego okresu obserwacji lat 1822 2005. W cyklu rocznym najmniej podobnych rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach, poniżej 10%, wystąpiło w 20-leciu 1856 1875 i 1966 1985. Na podstawie analizy diagramu określono również stabilność rozkładów przepływów w poszczególnych pentadach przeciętnego cyklu rocznego. W analizowa-
142 Dariusz Wrzesiński nych 20-letnich okresach udział pentad o rozkładach przepływów podobnych do przeciętnych nie zmienia się tak silnie (rys. 1C). Udział 20-letnich okresów, w których rozkłady przepływów poszczególnych pentad są podobne lub prawdopodobnie podobne do przeciętnych, wynosi około 70%, przy czym wyraźnie wyższy jest od 14 do 18 pentady, powyżej 90%. Nawet w okresach o warunkach odpływu najbardziej odbiegających od ogólnych prawidłowości, tj. w latach 1845 1882 i 1954 1992 odpowiednio między 12 a 20 pentadą (25.02 10.04) w pierwszym okresie oraz między 13 i 18 pentadą (2.03 31.03) w drugim okresie, panowały najbardziej stabilne warunki odpływu, tzn. rozkłady przepływów w tych pentadach nie różniły się istotnie statystycznie od przeciętnych z lat 1822 2005. O kierunku zmian warunków odpływu w latach 1822 2005 świadczy analiza częstości występowania przepływów charakterystycznych w badanych 20-leciach (rys. 2). W pierwszym z okresów, w latach 1845 1882, wyraźnie wyższy jest udział przepływów niskich, przepływy poniżej dolnej granicy strefy przepływów średnich Rys. 2. Częstość występowania przepływów charakterystycznych w badanych 20-leciach w latach 1822 2005. Przepływy charakterystyczne i granice stref przepływów średnich: SWQ średni wysoki przepływ, SSQ średni przepływ, SNQ średni niski przepływ, GGSQ górna granica strefy przepływów średnich, DGSQ dolna granica strefy przepływów średnich Fig. 2. Frequencies of characteristic discharges in the 20-year periods under study over the years 1822 2005. Characteristic discharges and boundaries of the medium discharge zone: SWQ average high-water stage, SSQ average medium-water stage, SNQ average low-water stage, GGSQ upper boundary of medium discharge zone, DGSQ lower boundary of medium discharge zone
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 143 stanowią ponad 60%. Natomiast w latach 1954 1992 wyraźnie rośnie udział przepływów wysokich i średnich, a maleje niskich. Udział przepływów wysokich, powyżej górnej granicy przepływów średnich, stanowi ponad 20%, przepływów średnich ponad 40%, a niskich spada poniżej 25%. Na odmienny kierunek zmian odpływów wskazują również wykresy odpływów pentadowych (rys. 3). W przeciętnym cyklu rocznym odpływy pentadowe w latach 1856 1875 są zazwyczaj wyraźnie niższe, a w latach 1966-1985 wyższe od przeciętnych. Wyniki testu istotności różnic odpływów pentadowych wskazują z kolei, że w większości pentad obserwowane różnice odpływów są statystycznie istotne (rys. 4). Wyjątek stanowią pentady od 8 do 22 w pierwszym okresie i pentady od 12 do 23 w drugim okresie. Potwierdza to wyniki uzyskane na podstawie analizy diagramu podobieństw rozkładów przepływów, a w terminach tych cechy odpływu Warty należy uznać za najbardziej stabilne. W latach 1822 2005 okresem 20-letnim o najbardziej zbliżonych warunkach odpływu do przeciętnych są lata 1936 1955. W okresie tym obserwuje się najwięcej pentad o rozkładach przepływów podobnych do przeciętnych (rys. 1A, B), a także najmniejsze różnice odpływów pentadowych, zazwyczaj statystycznie nieistotne, od warunków przeciętnych (rys. 4). Na podstawie analizy reżimu rzecznego drogą rozpoznania struktury czasowej zjawisk hydrologicznych i ich zmian w cyklu rocznym określono cechy reżimu odpływu Warty dla warunków przeciętnych (z lat 1822 2005) oraz 3 okresów 20-letnich, dla których wykryto najmniejsze i największe podobieństwa rozkładów przepływów, czyli największe i najmniejsze zmiany tej cechy reżimu odpływu w stosunku do przyjętej normy, tzn. warunków przeciętnych dla całego badanego wielolecia. Typ okresu hydrologicznego określono na podstawie wysokości współczynnika przepływu W: jeżeli W < 0,5 niżówka głęboka, 0,5 W < 0,70 niżówka przeciętna, 0,70 < W < 0,90 niżówka płytka, 0,90 < W < 1,1 okres normalny, 1,1 W < 1,3 wezbranie niskie, 1,3 W < 1,5 wezbranie przeciętne, 1,5 W < 1,7 wezbranie wysokie, W 1,7 wezbranie bardzo wysokie. Zmiany Rys. 3. Wysokość odpływów pentadowych w wybranych okresach Fig. 3. Pentad flows in selected periods
144 Dariusz Wrzesiński w strukturze czasowej (sekwencyjności) w okresach 20-letnich analizowanego wielolecia pozwoliły na wnioskowanie o kierunku transformacji cech reżimu Warty oraz na określenie okresów i ich charakterystyk o najbardziej zmiennych i stabilnych cechach reżimu odpływu. Rys. 4. Wyniki testu T istotności różnic między odpływami pentadowymi w badanych okresach a wartościami przeciętnymi z lat 1822 2005 Fig. 4. Results of the T-test of the significance of differences between pentad flows in the periods studied and the average figures from the years 1822 2005
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 145 W warunkach przeciętnych (1822 2005) cykl hydrologiczny na Warcie rozpoczyna się 2 grudnia wraz z powolnym wzrostem przepływu świadczącym o wyrównywaniu niedoborów wodnych zlewni po okresie najniższych stanów retencyjnych okres I, normalny (tab. 2, rys. 5). Średni przepływ dobowy wynosi w tym okresie 99,3 m 3 s 1 i jest tylko o 2% wyższy od średniego wieloletniego, a wysokość odpływu stanowi 16,8% wartości rocznej. W okresie tym z uwagi na dużą zmienność warunków pogodowych w poszczególnych latach mogą wystąpić zarówno bardzo małe przepływy w czasie mroźnej zimy lubstosunkowo wysokie, przy częstych i krótkotrwałych odwilżach w czasie zim cieplejszych. Z tego względu okres ten charakteryzuje duża nieregularność przepływu, która wyrażona stosunkiem przepływu maksymalnego do minimalnego osiąga wartość 67. Charakterystyczny dla pierwszego okresu (normalnego) proces uzupełniania niedoborów wodnych zlewni trwa przez dwa miesiące. Pod koniec stycznia (31.01) na Warcie w profilu Poznania rozpoczyna się trwający 125 dni sezon wezbrania wiosennego. Składają się na niego trzy okresy wezbraniowe, wykształcone w postaci przeciętnego wezbrania (okres II trwający 30 dni), po którym na początku marca pojawia się wezbranie bardzo wysokie (okres III) oraz wezbranie niskie (okres IV). Okresy drugi i trzeci obejmują główną fazę roztopów wiosennych. Przepływy przekraczają wówczas odpowiednio o 40% i prawie 100% wartość przepływu średniego wieloletniego. W procesie formowania odpływu w sezonie roztopowym, którego najważniejszym ogniwem jest zasilanie powierzchniowe pochodzące z topnienia pokrywy śnieżnej, dominującą rolę pełnią warunki meteorologiczne sezonu. To one wpływają na termin rozpoczęcia roztopów, decydują o ilości wody retencjonowanej w pokrywie śnieżnej, a zatem i o wysokości odpływu roztopowego i jego rozkładzie w czasie. Z tego względu nieregularność przepływów w sezonie II jest bardzo duża, największa w skali roku, i wynosi 79, co potwierdza także współczynnik zmienności przepływów Cv. W sezonie roztopowym odpływa łącznie 33% rocznego odpływu, przy czym na okres II przypada 11%, a na okres III 12%. Zarówno przebieg procesów hydrologicznych, jak i ukształtowanie warunków meteorologicznych oddziałujących na wysokość i charakter odpływu w tym sezonie wskazują, że wiosenne wezbrania roztopowe stanowią główne ogniwo cyklu hydrologicznego i decydują o typie reżimu rzecznego (Rotnicka 1995). Ostatni okres sezonu wezbraniowego (IV wezbranie niskie) rozpoczyna się 11.04 i jest okresem przejściowym do sezonu niżówkowego. Zmienia się wtedy rodzaj zasilania rzeki, dochodzi do wyczerpywania zasobów wody pochodzących z alimentacji z pokrywy śnieżnej, a główną rolę w zasilaniu zaczyna pełnić drenaż wód podziemnych i opady atmosferyczne formujące niekiedy niewielkie fale przyborowe nakładające się na opadającą gałąź fali wezbrania roztopowego. Wartość przepływu jest zbliżona do przepływu średniego wieloletniego, przekracza go o 15%, a udział odpływu z tego okresu w odpływie całkowitym stanowi 17,4%. Wyraźnie maleje wówczas zarówno zmienność przepływu, jak i jego nieregularność (39,5). Od początku czerwca (5.06) rozpoczyna się na Warcie w profilu Poznania trwający 180 dni sezon niżówkowy. Jest on dwudzielny, wykształcony w postaci niżówki przeciętnej (okres V trwający 130 dni), a po nim od 13 października poja-
146 Dariusz Wrzesiński Tabela 2. Parametry okresów hydrologicznych wybranych wieloleci Table 2. Parameters of the hydrological periods selected multi-year periods Nr No Okres Period Termin wystąpienia Time of occurrence Czas trwania [dni] Duration [days] Cv [ ] S [ ] Qśr. [m 3 s 1 ] W [ ] Typ okresu Type of period 1822 2005 I 2 XII 30 I 60 0,750 2,771 99,3 1,02 Okres normalny II 31 I 1 III 30 0,836 3,759 135,8 1,40 Wezbranie przeciętne III 2 III 10 IV 40 0,831 3,631 190,4 1,96 Wezbranie bardzo wysokie IV 11 IV 4 VI 55 0,690 3,248 111,9 1,15 Wezbranie niskie V 5 VI 12 X 130 0,677 4,055 61,3 0,63 Niżówka przeciętna VI 13 X 1 XII 50 0,627 2,504 72,6 0,75 Niżówka płytka Rok 365 0,931 4,757 97,0 1,00 1856 1875 I 7 XI 15 I 70 0,538 2,348 53,0 0,55 Niżówka przeciętna II 16 I 1 III 45 1,044 3,164 110,7 1,14 Wezbranie niskie III 2 III 25 IV 55 0,713 2,812 160,1 1,65 Wezbranie wysokie IV 26 IV 25 V 30 0,447 2,555 73,7 0,76 Niżówka płytka V 26 V 6 XI 165 0,460 2,720 40,8 0,42 Niżówka głęboka Rok 365 1,058 4,505 72,4 0,75 1936 1955 I 17 XI 14 II 90 0,741 2,587 98,2 1,01 Okres normalny II 15 II 16 III 30 0,796 1,947 153,3 1,58 Wezbranie wysokie III 17 III 10 IV 25 0,850 2,220 222,1 2,29 Wezbranie bardzo wysokie IV 11 IV 9 VI 60 0,675 2,045 107,1 1,10 Wezbranie niskie V 10 VI 16 XI 160 0,663 2,899 59,7 0,62 Niżówka przeciętna Rok 365 0,961 3,836 95,8 0,99 1966 1985 I 17 XI 25 I 70 0,594 1,307 124,7 1,29 Wezbranie niskie II 26 I 24 II 30 0,622 1,050 164,6 1,69 Wezbranie wysokie III 25 II 10 IV 45 0,587 1,933 193,9 2,00 Wezbranie bardzo wysokie IV 11 IV 19 VI 70 0,457 2,327 117,7 1,21 Wezbranie niskie V 20 VI 17 X 120 0,647 2,877 82,4 0,85 Niżówka płytka VI 18 X 16 XI 30 0,613 2,569 100,5 1,04 Okres normalny Rok 365 0,684 2,245 119,3 1,23 Cv współczynnik zmienności, S współczynnik skośności, Qśr. przepływ średni, W współczynnik przepływu.
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 147 wia się typ niżówki płytkiej (okres VI), kończący się na początku grudnia. Okres V, niżówki przeciętnej, jest najdłużej trwającym i najuboższym w wodę okresem cyklu rocznego. Średni przepływ wynosi wówczas 61,3 m 3 s 1, co stanowi 63% wartości przeciętnej. Niewiele bardziej zasobny w wodę jest okres VI, niżówki płytkiej, ze średnim przepływem 72,6 m 3 s 1, co stanowi 75% wartości przeciętnej. W sezonie niżówkowym (okres V i VI) trwającym pół roku następuje niespełna 33% odpływu całkowitego. Dwa 20-lecia, 1856 1875 i 1966 1985, zarówno ze względu na wysokość rocznego odpływu, jak i typ reżimu, określony na podstawie typów i sekwencyjności okresów hydrologicznych, różnią się istotnie statystycznie od warunków przeciętnych. Natomiast cechy reżimu odpływu najbardziej zbliżone do przeciętnych wystąpiły w 20-leciu 1936 1955. Potwierdzają to zarówno wysokości odpływów pentadowych, ich różnice od wartości średnich, jak i sekwencje okresów hydrologicznych (tab. 2, rys. 5). Dla lat 1856 1875 charakterystyczna jest następująca sekwencja typów okresów hydrologicznych: niżówka przeciętna wezbranie niskie wezbranie wysokie niżówka płytka niżówka głęboka (tab. 2, rys. 5). W 20-leciu tym, w porównaniu z warunkami przeciętnymi, wyraźnemu wydłużeniu uległ sezon niżówkowy. Składają się na niego trzy okresy: niżówka płytka (okres IV), głęboka (okres V) i przeciętna (okres I), których średnie przepływy stanowią odpowiednio 76%, 42% i 55% średniego przepływu wieloletniego. Sezon niżówkowy trwa łącznie 265 dni, rozpoczyna się pod koniec kwietnia (26.04), kończy dopiero w połowie stycznia (15.01), a okres niżówki letnio-jesiennej przedłuża się na okres zimy. Krótszy z kolei jest sezon wezbraniowy, trwa zaledwie 100 dni i jest dwudzielny. Składa się na niego wezbranie niskie (okres II) i wezbranie wysokie (okres III), o średnich przepływach wyższych od przeciętnego odpowiednio o 14% i 65%. W sezonie wezbraniowym odpływa jednak ponad połowa (51%) rocznego odpływu Warty. Średni przepływ roczny w tym 20-leciu (72,4 m 3 s 1 ) był wyraźnie niższy i stanowił zaledwie 75% wartości przepływu przeciętnego. Wysokość i charakter odpływu, a także sekwencja okresów hydrologicznych również w latach 1966 1985 istotnie różni się od prawidłowości obserwowanych dla lat 1822 2005. Średni przepływ w tym okresie (119,3 m 3 s 1 ) był wyraźnie, o 23%, wyższy od przeciętnego, a w strukturze okresów dominowały wezbrania. Sezon wezbraniowy rozpoczyna się już w połowie listopada (17.11), a kończy w połowie czerwca (19.06), i trwa 215 dni. Składają się na niego 4 okresy wezbraniowe: wezbranie niskie (okres I), wezbranie wysokie (okres II), wezbranie bardzo wysokie (okres III) i wezbranie niskie (okres IV), których średnie przepływy są odpowiednio o 29%, 70%, 100% i 21% wyższe niż przepływ średni wieloletni. Odpływ w sezonie wezbraniowym wyraźnie dominuje i stanowi 70% odpływu rocznego. W 20-leciu tym sezon niżówkowy uległ znacznemu skróceniu. Trwa trzy miesiące, od 20.06 do połowy października (17.10). Składa się na niego jeden okres niżówka płytka (okres V), ze średnim przepływem stanowiącym 85% wartości przeciętnej i odpływem stanowiącym 23% odpływu rocznego. Okres VI, normalny, jest przejściowy do sezonu wezbraniowego i trwa miesiąc, do połowy listopada (16.11).
148 Dariusz Wrzesiński Rys. 5. Sekwencje okresów hydrologicznych w wybranych wieloleciach Typy okresów: 1 niżówka głęboka, 2 - niżówka przeciętna, 3 niżówka płytka, 4 okres normalny, 5 wezbranie niskie, 6 wezbranie przeciętne, 7 wezbranie wysokie, 8 wezbranie bardzo wysokie. Fig. 5. Sequences of hydrological periods in selected multi-year periods Types of periods: 1 deep low-water stage, 2 average low-water stage, 3 shallow low-water stage, 4 normal period, 5 low flood, 6 average flood, 7 high flood, 8 very high flood. Podsumowanie wyników Zastosowana w pracy metoda analizy reżimu hydrologicznego pozwoliła na określenie cech reżimu Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 oraz na identyfikację zmian tych cech na podstawie podobieństwa rozkładu częstości przepływów wody w elementarnych jednostkach czasu (pentadach) w 20-letnich podokresach
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 149 do wartości przeciętnych, charakterystycznych dla całego wielolecia. Metoda ta pozwala nie tylko na rozpoznanie i opisanie stanu początkowego (generalnej prawidłowości, typu reżimu), ale także na wykrycie i scharakteryzowanie okresów, w których obserwowane są statystycznie istotne odstępstwa od tej prawidłowości. Reżim wodny Warty w profilu Poznania charakteryzuje się 6-okresową strukturą, w której sekwencja typów okresów hydrologicznych jest następująca: okres normalny wezbranie przeciętne wezbranie bardzo wysokie wezbranie niskie niżówka przeciętna niżówka płytka. Od tej prawidłowości statystycznie istotnie różniące się cechy reżimu wystąpiły w latach 1845 1882 oraz 1954 1992 (2005), przy czym największe różnice zaobserwowano w 20-leciach 1856 1875 i 1966 1985. Cechy reżimu odpływu w tych okresach w porównaniu z wyjściową prawidłowością różnią się nie tylko wysokością odpływu, ale także sekwencją, typem, długością i terminem wystąpienia okresów hydrologicznych. Pierwszy z 20-letnich okresów charakteryzuje się wyraźnie mniejszymi zasobami wodnymi, ze średnim przepływem rocznym stanowiącym zaledwie 75% wartości przepływu przeciętnego. W latach tych wyjątkowo długi był sezon niżówkowy. Trwał 265 dni, z czego aż 165 dni na rzece obserwowano niżówkę głęboką, z przepływami stanowiącymi zaledwie 42% wartości przeciętnej. Znacznie krótszy, 100-dniowy, był wówczas sezon wezbraniowy ze stosunkowo niewysokimi przepływami, na który składał się okres wezbrania niskiego (45 dni) i wysokiego (55 dni). Rozpoczął się nieznacznie, o 15 dni, wcześniej niż przeciętnie, natomiast skończył wyraźnie wcześniej, już pod koniec kwietnia. Po sezonie wezbraniowym nastąpił sezon niżówkowy trwający aż do połowy stycznia. O cechach reżimu hydrologicznego Warty w latach 1966 1985 zdecydował wysoki odpływ, wyższy od przeciętnego o 23%. W cyklu rocznym dominował wówczas sezon wezbraniowy trwający o 3 miesiące dłużej niż zwykle. Rozpoczął się on już w połowie listopada, a zakończył dopiero w drugiej połowie czerwca. Sezon niżówkowy był wtedy znacznie, o dwa miesiące, krótszy, a przepływ składającej się na niego niżówki płytkiej był duzo wyższy niż przeciętnego sezonu niżówkowego. W cyklu rocznym najbardziej stabilne cechy reżimu Warty obserwowane są w marcu w okresie wezbraniowym, a największymi zmianami cechują się okresy niżówki letnio-jesiennej i zimowej, od początku czerwca do końca stycznia. Zaproponowana metoda pozwala na rozpoznanie zarówno wyjściowych cech reżimu hydrologicznego, jak i ich zmian w czasie. Dzięki niej możliwa jest identyfikacja okresów wzrostu bądź spadku zasobów wodnych, ale także określenie charakterystyk reżimu odpływu i opisanie ich szeregiem parametrów, takich jak czas trwania, termin wystąpienia oraz typ okresu hydrologicznego. W okresie zmian warunków klimatycznych oraz coraz silniejszego wpływu człowieka na stosunki wodne detekcja zmian cech reżimu wodnego, wysokości i sezonowości odpływu może być przydatnym narzędziem identyfikacji zmian w środowisku przyrodniczym i służyć ustaleniu obecnych i przyszłych deficytów wody.
150 Dariusz Wrzesiński Literatura Arnell N.W. 1999: Assessment of the impacts of climate variability and change on the hydrology of Europe. W: van Dam J.C. (red.), Impacts of Climate Change and Climate Variability on Hydrological Regimes. UNESCO, International Hydrology Series, Cambridge University Press, Cambridge, United Kingdom, New York, NY, USA, s. 52 66. Bower D., Hannah D.M., McGregor G.R. 2004: Techniques for assessing the climatic sensitivity of river flow regimes. Hydrological Processes, 18: 2515 2543. Dynowska I. 1971: Typy reżimów rzecznych w Polsce. Zeszyty Naukowe UJ, CCLXVIII, Prace Geogr., 28. Gottschalk L. 1985: Hydrological regionalisation of Sweden. Hydrological Sciences Journal, 30: 65 83. Gutry-Korycka M., Rotnicka J. 1998: The hydrological regime of rivers in the light of scenarios of global climatic change. Geographia Polonica, Papers on Global Change, series 71: 61 78. Gutry-Korycka M., Tran Binh Trong 2001: Metody oceny ustroju hydrologicznego rzek. W: Gutry-Korycka M. (red.), Geograficzne uwarunkowania ustroju rzek. WGSR UW, Warszawa, s. 13 20. Haines A.T., Finlayson B.L., McMahon T.A. 1988: A global classification of river regimes. Applied Geography, 8: 255 272. IPCC 2001. Climate change 2001: The Scientific Basis, Contribution of Working Group I to the Third Assessment Report of the Intergovernmental Panel on Climate Change. Cambridge University Press, Cambridge, UK. Krasovskaia I. 1995: Quantification of the stability of river flow regimes. Hydrological Sciences Journal, 40(5): 587 598. Krasovskaia I. 1996: Sensitivity of the stability of river flow regimes to small fluctuations in temperature. Hydrological Sciences Journal, 41(2): 251 264. Krasovskaia I., Arnell N.W., Gottschalk L. 1994. Flow regimes in northern and western Europe: development and application of procedures for classifying flow regimes. W: FRIEND: Flow Regimes from International Experimental and Network Data (Proceedings of Braunschweig Conference). IAHS Publication 221, Wallingford, s. 185 192. Krasovskaia I., Gottschalk L. 1992: Stability of river flow regimes. Nordic Hydrology: 137 154. Krasovskaia I., Gottschalk L. 2002: River flow regimes in a changing climate. Hydrological Sciences Journal, 47(4): 597 609. Krasovskaia I., Gottschalk L., Kundzewicz Z.W. 1999: Dimensionality of Scandinavian river flow regimes. Hydrological Sciences Journal, 44(5): 705 723. Krasovskaia I., S lthun N.R. 1997: Sensitivity of the stability of Scandinavian river flow regimes to a predicted temperature rise. Hydrological Sciences Journal, 42(5): 693 711. Lwowicz M.I. 1979: Zasoby wodne świata. PWN, Warszawa. Middelkoop H., Daamen K., Gellens D., Grabs W., Kwadijk J.C.J., Lang H., Parmet B.W.A.H., Schädler B., Schulla J., Wilke K. 2001: Impact of climate change on hydrological regimes and water resources management in the Rhine basin. Climatic Change, 49, 1 2: 105 128. Pard M. 1957: Rzeki. PWN, Warszawa. Rotnicka J. 1988: Taksonomiczne podstawy klasyfikacji reżimu rzecznego (na przykładzie zlewni Odry i rzek Przymorza). Wydawnictwo UAM, seria Geografia, 40. Rotnicka J. 1995: Typ reżimu wodnego Warty w profilu Poznania. W: Kaniecki A., Rotnicka J. (red.) Wody powierzchniowe Poznania. Problemy wodne obszarów miejskich. Wyd. Sorus, Poznań, s. 185 190.
Detekcja zmian reżimu hydrologicznego Warty w profilu Poznania w latach 1822 2005 151 Westmacott J.R., Burn D.H. 1997: Climate change effects on the hydrologic regime within the Churchill-Nelson River Basin. Journal of Hydrology, 202: 263 279. Wrzesiński D. 2004: Flow regimes of rivers of northern and central Europe in various circulation periods of the North Atlantic Oscillation (NAO). XXIII Nordic Hydrological Conference, NHP Report 48, Tallinn, s. 670 679. Wrzesiński D. 2005: Changes of the hydrological regime of rivers of northern and central Europe in various circulation periods of the North Atlantic Oscillation. Quaestiones Geographicae, 24: 97 109. Wrzesiński D. 2007: Impact of the North Atlantic Oscillation on features of the hydrological regimes in Europe. Proceedings The Third International Conference on Climate and Water. Finnish Environment Institute SYKE, Helsinki, s. 538 543. Wrzesiński D. 2008: Typology of spatial patterns seasonality in European rivers flow regime. Quaestiones Geographicae, 27A/1: 87 98. Wrzesiński D. 2010: Przestrzenne zróżnicowanie stabilności reżimu odpływu rzek europejskich. Studia i Prace z Geografii i Geologii, 3. Detection of changes in the hydrological regime of the Warta in the Poznań profile over the years 1822 2005 Abstract: A method is presented of the identification of changes in the characteristics of the hydrological regime of rivers in a multi-year period on the example of the Warta river in the Poznań profile. It is based on the similarity of the distribution of the frequencies of discharges in elementary time units in the successive 20-year sub-periods to the average values for the years 1822 2005. Regularities of the initial state were identified and described, and periods deviating from those regularities in a statistically significant way were parameterised. Such deviations were observed in the years 1845 1882 and 1954 1992(2005), with the widest differences recorded in the two decades of 1856 1875 and 1966 1985. The flow regimes in those periods differed from the initial regularity not only in the discharge, but also in the sequence, type, duration and date of occurrence of the hydrological seasons. The first of the 20-year periods was characterised by markedly lower water resources, with the average annual discharge amounting to a mere 75% of the average. In those years the low-water season was exceptionally long, at 265 days, with as many as 165 days of a deep low-water stage and flows amounting to a mere 42% of the average. In turn, the high-water season was then much shorter, at 100 days, with relatively moderate discharges, and consisted of a low-rise period (45 days) and a high-rise one (55 days). It started a bit earlier than average, by 15 days, and ended markedly earlier, towards the end of April, to be followed by a low-water season lasting as long as mid-january. In turn, what determined the hydrological regime of the Warta in the years 1966 1985 was a high runoff, 23% higher than the average. Predominant in the yearly cycle was then a high-water season lasting 3 months longer than usual. It began already in mid-november and only finished in the other half of June. The low-water season was considerably shorter, by two months, with the discharge of a shallow low-water stage much higher than the average. Key words: hydrological regime, hydrological period, river runoff, distribution of discharge frequency, Warta river.
152 Dariusz Wrzesiński Dariusz Wrzesiński Uniwersytet im. Adama Mickiewicza Zakład Hydrologii i Gospodarki Wodnej ul. Dzięgielowa 27, 61-680 Poznań e-mail: darwrze@amu.edu.pl