zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej

zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej

Zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej przekształconej ...
171
Prace i Studia Geograficzne
2012, T. 50, ss. 171-179
Bartłomiej Wyżga
Instytut Ochrony Przyrody PAN, Kraków
Joanna Zawiejska
Instytut Geografii, Uniwersytet Pedagogiczny, Kraków
Artur Radecki-Pawlik
Katedra Inżynierii Wodnej, Akademia Rolnicza, Kraków
ZRÓŻNICOWANIE UZIARNIENIA OSADÓW KORYTOWYCH
RZEKI GÓRSKIEJ PRZEKSZTAŁCONEJ PRZEZ REGULACJĘ KORYTA
I EKSPLOATACJĘ ŻWIRÓW
Variation of bed-material grain-size along
a mountain river affected by channelization
and gravel extraction
Abstract. Longitudinal changes in the granulometry of bar sediments were investigated in an 18 km long reach of the Czarny Dunajec to determine the impact of human
activity in the river on depositional conditions in its channel. In the upper part of the
reach, gravel extraction carried out in the past decades has led to deep channel incision
and considerable coarsening of the bed material. Coarse, well sorted bar gravels occur
also in the narrow, regulated channel sections in the middle part of the reach. Remarkably
fine bed material typifies a wide, natural channel section in the lower part of the reach,
and this section seems to function as a sediment sink, reducing bed-material delivery to a
downstream located dam reservoir.
Słowa kluczowe: osady korytowe, rzeka górska, granulometria, regulacja koryta, eksploatacja żwirów
Key words: bed material, mountain river, granulometry, channelization, gravel extraction
WSTĘP
W najmłodszym okresie historycznym wiele systemów rzecznych zostało poddanych silnej antropopresji, obejmującej zarówno zmiany odpływu wody ze zlewni oraz
172
Bartłomiej Wyżga, Joanna Zawiejska, Artur Radecki-Pawlik
natężenia i sposobu dostawy rumowiska do koryt, jak i bezpośrednią ingerencję człowieka w koryta rzeczne, w tym ich regulację, eksploatację osadów korytowych, czy
przegradzanie rzek zbiornikami zaporowymi. Zmiany morfologii koryt rzecznych
zaistniałe pod wpływem działalności człowieka były przedmiotem wielu opracowań
naukowych (zob. Gregory 2006), znacznie mniej liczne są natomiast prace analizujące zmiany charakteru osadów korytowych spowodowane antropopresją. Zmiany
takie są szczególnie dobrze widoczne w rzekach żwirodennych (np. Knighton 1989,
Wyżga 1993, Madej 1995), w których różnoziarnisty charakter materiału dennego
ułatwia zmiany jego uziarnienia i/lub upakowania.
Czarny Dunajec stanowi przykład rzeki górskiej, która w ostatnich dziesięcioleciach została poddana silnej, choć zróżnicowanej przestrzennie antropopresji. W latach 50. XX wieku w środkowym biegu rzeki prowadzono przemysłową
eksploatację żwirów z koryta, nakierowaną głównie na pozyskiwanie największych
otoczaków (Dudziak 1965). W kolejnych dekadach powszechnym procederem był
nielegalny pobór dużych otoczaków z koryta Czarnego Dunajca (Krzemień 1998),
wykorzystywanych po II wojnie światowej w regionalnym budownictwie. Pobór
niesortowanego żwiru z rzek karpackich stanowił w drugiej połowie XX wieku
częstą praktykę (np. Osuch 1968, Radecki-Pawlik 2002), prowadzącą do deficytu
rumowiska dennego w korytach i szybkiego wcinania się rzek (Rinaldi i in. 2005,
Wyżga 2008). Natomiast skutki usuwania z koryt rzecznych największych otoczaków tworzących obrukowanie dna nie są dotychczas dobrze rozpoznane. Taki sposób eksploatacji osadów korytowych nie pociąga za sobą usunięcia z rzeki znacznej objętości materiału dennego, powoduje natomiast odsłonięcie i wystawienie
na działanie przepływów wezbraniowych jego drobniejszych frakcji, dotychczas
osłoniętych brukiem korytowym.
Działaniem znacząco zmieniającym funkcjonowanie Czarnego Dunajca była
także regulacja koryta przeprowadzona w drugiej połowie XX wieku w niektórych odcinkach rzeki (Krzemień 2003; Zawiejska, Krzemień 2004; Zawiejska,
Wyżga 2005). Oprócz przeciwerozyjnego zabezpieczenia mostów miała ona na
celu zapobieżenie erozji brzegów i ograniczenie w ten sposób dostawy rumowiska
wleczonego do zbiornika czorsztyńskiego.
W niniejszym artykule przedstawiono zróżnicowanie granulometrii osadów
łach z biegiem Czarnego Dunajca. Analiza tego zróżnicowania umożliwiła określenie wpływu, jaki wymienione oddziaływania człowieka na koryto rzeczne wywarły na warunki sedymentacji osadów korytowych.
OBIEKT I METODY BADAŃ
Czarny Dunajec jest żwirodenną rzeką, która w swym źródliskowym odcinku
odwadnia wysokogórski masyw tatrzański, a następnie płynie przez Pogórze Gu-
Zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej przekształconej ...
173
bałowskie i Kotlinę Orawsko-Nowotarską. Badania przeprowadzono w 18-kilometrowym odcinku rzeki w obrębie Pogórza Gubałowskiego i kotliny śródgórskiej,
w którym następuje stosunkowo niewielki przyrost powierzchni zlewni i w którym
brak większych dopływów dostarczających materiał denny. Jednocześnie zaznacza
się tu znaczne zróżnicowanie morfologii koryta rzeki, będące głównie odzwierciedleniem braku ingerencji człowieka lub jej występowania w postaci regulacji
koryta i eksploatacji żwirów. Oprócz trzech pod-odcinków ze stabilnym pionowo
korytem o szerokości zbliżonej do średniej dla całego odcinka (ryc. 1 – pododcinki oznaczone literami A, B oraz C), wyróżniono także pododcinki o wyraźnie
odmiennej morfologii. W górnej części odcinka badawczego występuje pododcinek z wciętym korytem, początkowo skalnym, niżej zaś o aluwialnym charakterze.
Wcięcie się rzeki, które sięgnęło 3-3,5 m, nastąpiło w drugiej połowie XX wieku.
Stanowiło ono reakcję rzeki na przemysłową eksploatację żwirów prowadzoną
w latach 50. XX wieku bezpośrednio poniżej tego pododcinka, nielegalny pobór
z koryta dużych otoczaków tworzących obrukowanie dna, a także zmniejszenie
się dostawy rumowiska ze zlewni (Zawiejska, Wyżga 2005). W środkowej części
odcinka rzeka jest uregulowana, ze znacznie zwężonym korytem, umocnionymi
brzegami i spadkiem zredukowanym za pomocą stopni lub ramp betonowych.
W niższej części odcinka występuje natomiast nieuregulowane, wielonurtowe koryto z roztokami rozdzielonymi łachami żwirowymi lub kępami.
Wielkość powierzchniowego materiału dennego w poszczególnych stanowiskach określano, mierząc oś „b” 400 otoczaków z powierzchniowej warstwy materiału dennego, usytuowanych wzdłuż linii transektu biegnącej przez środkową
część łachy żwirowej (zob. Kellerhalls, Bray 1971, Diplas, Sutherland 1988, ISO
9195). Łącznie w badanym odcinku rzeki określono w ten sposób uziarnienie materiału dennego w 47 stanowiskach. W celu ustalenia parametrów wyjaśniających
zróżnicowanie uziarnienia materiału dennego w odcinku badawczym, dla każdego
stanowiska określono także odległość od początku odcinka, szerokość koryta oraz
spadek zwierciadła wody mierzony przy średnich stanach na odcinku 150 m powyżej i 150 m poniżej stanowiska, który uznano za przybliżenie spadku zwierciadła
wody przy stanach wezbraniowych. Wreszcie, dążąc do wyjaśnienia źródła dużych
ziarn znajdujących się w najbardziej wciętym pododcinku rzeki, mierzono wielkość
100 największych otoczaków zarówno na współczesnych łachach, jak i w sąsiadujących podcięciach brzegów.
WYNIKI
Analizy uziarnienia żwirów z pododcinków ze stabilnym pionowo korytem
o szerokości zbliżonej do średniej dla całego badanego odcinka Czarnego Dunajca pozwoliły na określenie zasadniczego trendu drobnienia ziarna osadów
174
Bartłomiej Wyżga, Joanna Zawiejska, Artur Radecki-Pawlik
łach z biegiem rzeki, do którego odnoszono wielkość ziarna w pozostałych stanowiskach (ryc. 1). Ustalona linia trendu pokazuje, że średnia średnica materiału
dennego (Mz) na powierzchni łach zmniejsza się na długości badanego odcinka Czarnego Dunajca z 54 do 40 mm. We wciętym pododcinku rzeki żwiry łach
są znacznie bardziej gruboziarniste niż w wyżej usytuowanym pododcinku A ze
Ryc. 1. Wykresy rozrzutu dla zależności pomiędzy średnią średnicą ziarna (górny) oraz
współczynnikiem wysortowania (dolny) osadów łach a odległością od początku badanego
odcinka Czarnego Dunajca. Linię trendu przedstawioną na górnym wykresie ustalono
na podstawie danych ze stanowisk ze stabilnym pionowo korytem o średniej szerokości,
natomiast tę przedstawioną na dolnym wykresie na podstawie danych ze wszystkich
stanowisk.
Fig. 1. Scatter plots for the relationships between mean grain size (upper) and sorting
coefficient (lower) of bar gravels in the study reach of the Czarny Dunajec River, and
distance from the upstream end of the study reach. The trend line shown in the upper
diagram is derived from data for the sites with close-to-average channel conditions and
that shown in the lower diagram from data for all the investigated sites.
Zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej przekształconej ...
175
stabilnym pionowo korytem, a także w odniesieniu do referencyjnych wielkości
ziarna wyznaczonych linią trendu. W uregulowanym pododcinku rzeki osady
łach są również bardziej gruboziarniste od referencyjnych wielkości ziarna. Natomiast w pododcinku z szerokim, wielonurtowym korytem osady łach są znacznie
bardziej drobnoziarniste niż w pozostałych pododcinkach rzeki, a średnia średnica ziarna jest tu wyraźnie mniejsza od referencyjnych wielkości ziarna.
Nieco bardziej złożony obraz uzyskuje się, rozpatrując zróżnicowanie charakterystycznych percentyli rozkładu uziarnienia osadów łach (d5, d50, d95) w odcinku badawczym. W przypadku mediany usytuowanie prób z poszczególnych
pododcinków względem linii trendu ustalonej na podstawie stanowisk usytuowanych w stabilnym pionowo korycie o średniej szerokości jest niemal identyczne,
jak w przypadku średniej średnicy. Linia trendu wyznaczonego dla największych
frakcji (d5) wskazuje na nieco „szybsze” niż w przypadku mediany ich zmniejszanie się z biegiem rzeki. W pododcinku rzeki z wciętym korytem najgrubsze
ziarna są znacznie większe od wielkości wyznaczonych linią trendu, w uregulowanym pododcinku wielkość największych frakcji jest podobna do referencyjnych wielkości, a w pododcinku z szerokim, wielonurtowym korytem największe
ziarna są drobniejsze od wielkości wyznaczonych linią trendu. Natomiast wielkość najmniejszych ziarn (d95) w powierzchniowej warstwie materiału dennego
niemal nie ulega zmianie w odcinku badawczym. Opisany rozkład parametrów
uziarnienia z biegiem rzeki jest charakterystyczny dla rzek podlegających wcinaniu w wyższym odcinku i deponujących poniżej materiał wyprzątany z pogłębianego odcinka koryta (por. Knighton 1999).
Brak dostawy materiału dennego z dopływów powoduje, że wzdłuż badanego odcinka rzeki zaznacza się tendencja do coraz lepszego wysortowania osadów
korytowych (ryc. 1). Spośród wszystkich analizowanych prób żwirów wyraźnie
lepszym wysortowaniem wyróżniają się jednak osady deponowane w uregulowanym pododcinku rzeki. Koncentracja przepływów wezbraniowych w wąskim
korycie sprzyja tu bowiem wymywaniu i przenoszeniu w dół rzeki drobniejszych
frakcji rumowiska dennego. Jednocześnie zabudowa regulacyjna brzegów rzeki
zahamowała tu boczną migrację koryta i dostawę drobniejszych ziarn z erodowanych brzegów rzeki.
W celu wyjaśnienia obserwowanego zróżnicowania uziarnienia osadów łach
w badanym odcinku rzeki zanalizowano zależność średniej średnicy ziarna od
odległości od początku odcinka, ustaloną w oparciu o dane dla wszystkich 47
stanowisk, a także zależność od szerokości koryta oraz spadku zwierciadła wody
wezbraniowej (ryc. 2). Traktowanie odległości od początku odcinka badawczego
jako samodzielnej zmiennej wyjaśniającej wydaje się być uzasadnione brakiem
dostawy rumowiska dennego z dopływów w tym odcinku. Okazało się, że odległość od początku odcinka badawczego wyjaśnia największą część obserwowanego w nim zróżnicowania średniej średnicy ziarna osadów łach. Słabsze, ale wciąż
statystycznie istotne, są natomiast zależności średniej średnicy ziarna od szero-
176
Bartłomiej Wyżga, Joanna Zawiejska, Artur Radecki-Pawlik
kości koryta oraz spadku zwierciadła wody wezbraniowej (ryc. 2). Wszystkie trzy
zmienne niezależne są także statystycznie istotne w równaniu regresji wielokrotnej, wyjaśniając łącznie 72% całkowitego zróżnicowania średniej średnicy ziarna
osadów łach (R2 = 0,72) wśród 47 analizowanych stanowisk. Wyraźne powiązanie
zróżnicowania średniej średnicy ziarna osadów łach z odległością od początku
odcinka badawczego jedynie częściowo jest spowodowane ogólnym trendem
drobnienia osadów z biegiem rzeki, w znacznej mierze odzwierciedla natomiast
występowanie stosunkowo wąskiego koryta w górnej i środkowej części odcinka
i szerokiego koryta w jego dolnej części.
Ryc. 2. Wykresy rozrzutu
oraz linie regresji dla zależności pomiędzy odległością
od początku badanego odcinka Czarnego Dunajca,
szerokością koryta i spadkiem rzeki a średnią średnicą ziarna osadów łach w 47
badanych stanowiskach.
Fig. 2. Scatter plots and
estimated regression relationships between mean
grain size of bar gravels in
the Czarny Dunajec River
and distance from the
upstream end of the study
reach, river width and slope
for 47 investigated sites.
Zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej przekształconej ...
177
Istotne zagadnienie omawianych badań stanowiła obecność dużych ziarn we
wciętym pododcinku rzeki. Gruboziarnisty charakter tych osadów może wydawać się zaskakujący zważywszy, że w pododcinku tym prowadzono w minionych
dziesięcioleciach eksploatację żwirów nakierowaną głównie na pozyskiwanie największych otoczaków. Stwierdzono także, że największe frakcje współczesnych
osadów korytowych nie występują w starszych osadach odsłaniających się tu
w podcięciach brzegów. Najwyraźniej pozyskiwanie większych otoczaków z dna
rzeki powodowało odsłanianie drobniejszych frakcji materiału dennego, umożliwiając ich uruchamianie i wynoszenie w dół rzeki, a w konsekwencji prowadząc do szybkiego wcinania się rzeki. Koncentracja przepływów wezbraniowych
w coraz głębszym i węższym korycie zwiększyła kompetencję rzeki, umożliwiając
dostawę ziarn o większych rozmiarach, uprzednio występujących w wyższym odcinku Czarnego Dunajca.
Wcięty pododcinek rzeki rzeczywiście cechuje się wysokimi wartościami jednostkowej mocy strumienia. Analizując jednostkową moc strumienia przy kulminacyjnym przepływie 7-letniego wezbrania z lipca 2001 roku, Wyżga i Zawiejska (2005) wykazali, że w aluwialnej części wciętego pododcinka była ona średnio trzykrotnie wyższa niż w szerokim, wielonurtowym korycie w dolnej części
odcinka badawczego. Wąskie, uregulowane koryto w środkowej części odcinka
badawczego cechują podobne wartości jednostkowej mocy strumienia, jak we
wciętym pododcinku Czarnego Dunajca, ale stabilizacja dna koryta poprzecznymi budowlami regulacyjnymi powoduje, że pododcinek ten pełni funkcję transportową, umożliwiając efektywne przenoszenie w dół rzeki materiału dennego
wynoszonego z pogłębianego wyższego pododcinka. Dopiero w nieuregulowanej,
dolnej części odcinka badawczego znacznie mniejsza jednostkowa moc strumienia, cechująca występujące tam szerokie koryto rzeki, oraz efektywne rozpraszanie energii przepływu spowodowane dużą szorstkością wielonurtowego koryta
oraz obecnością zadrzewionych kęp stwarzają sprzyjające warunki do akumulacji
materiału dennego.
PODSUMOWANIE I WNIOSKI
Analizy uziarnienia żwirów łach Czarnego Dunajca wykonane w stanowiskach o stabilnym pionowo korycie i szerokości rzeki zbliżonej do średniej w analizowanym odcinku wskazują na trend wolnego zmniejszania się wielkości ziarna
osadów korytowych z biegiem rzeki. Wielkość najmniejszych ziarn w warstwie
bruku korytowego niemal nie ulega zmianie w odcinku badawczym, wielkość
największych ziarn szybko maleje wzdłuż odcinka, natomiast mediana rozkładu
uziarnienia w umiarkowanym stopniu maleje z biegiem rzeki.
178
Bartłomiej Wyżga, Joanna Zawiejska, Artur Radecki-Pawlik
W pododcinku rzeki z głęboko wciętym korytem żwiry łach są znacznie
bardziej gruboziarniste od referencyjnych wielkości ziarna. Największe frakcje
współczesnych osadów korytowych nie występują w starszych osadach odsłaniających się tu w podcięciach brzegów. W środkowej części odcinka badawczego,
gdzie rzeka płynie wąskim, uregulowanym korytem, osady łach są bardziej gruboziarniste od referencyjnej wielkości ziarna i lepiej wysortowane niż w wyższym
i niższym pododcinku rzeki. Natomiast w szerokim, wielonurtowym korycie
w dolnej części odcinka badawczego osady łach są bardziej drobnoziarniste od
referencyjnej wielkości ziarna.
Wymywanie drobnych frakcji materiału dennego w miarę erozji dna koryta
nie tłumaczy wystarczająco wzrostu wielkości ziarna osadów korytowych w głęboko wciętym pododcinku rzeki. Pozyskiwanie większych otoczaków z dna rzeki
powodowało tu odsłanianie i wymywanie drobniejszych frakcji materiału dennego, a w konsekwencji wcinanie się rzeki, natomiast koncentracja przepływów
wezbraniowych w coraz głębszym i węższym korycie zwiększyła kompetencję
cieku, umożliwiając dostawę ziarn o większych rozmiarach, uprzednio występujących w wyższym odcinku Czarnego Dunajca.
Regulacja koryta w środkowej części odcinka badawczego miała na celu zapobieżenie erozji brzegów i ograniczenie dostawy rumowiska wleczonego do
zbiornika czorsztyńskiego. Jednakże obecnie ten pododcinek pełni funkcję transportową, umożliwiając efektywne przenoszenie materiału dennego wynoszonego
z pogłębianego wyższego pododcinka. Akumulacji materiału dennego w nieuregulowanej, dolnej części odcinka badawczego sprzyja mała jednostkowa moc strumienia i efektywne rozpraszanie energii przepływu w szerokim, wielonurtowym
korycie. W konsekwencji, właśnie ten pododcinek może zatrzymywać materiał
denny dostarczany z wyższego biegu rzeki i ograniczać jego dostawę do zbiornika
czorsztyńskiego.
Badania sfinansowano ze środków na naukę w latach 2005-2008 w ramach
realizacji projektu badawczego nr 2 P04G 092 29.
Literatura
Diplas P., Sutherland A. J., 1988, Sampling techniques for gravel sized sediments.
Journ. Hydraul. Eng., 114, 484–501.
Dudziak J., 1965, Dzika eksploatacja kamienia w powiecie nowotarskim. Ochrona
Przyrody, 31, 161–187.
Gregory K. J., 2006, The human role in changing river channels. Geomorphology, 79,
172–191.
Zróżnicowanie uziarnienia osadów korytowych rzeki górskiej przekształconej ...
179
ISO 9195, 1992, Liquid flow measurement in open channels – Sampling and analysis
of gravel-bed material. Geneva, 9 s.
Kellerhals R., Bray D. I., 1971, Sampling procedures for coarse fluvial sediments.
Journ. Hydraul. Div., ASCE, 97(HY8), 1165–1179.
Knighton A. D., 1989, River adjustment to changes in sediment load: the effects of
tin mining on the Ringarooma River, Tasmania, 1875-1984. Earth Surf. Proc.
Landforms, 14, 333–359.
Knighton A. D., 1999, The gravel-sand transition in a disturbed catchment. Geomorphology, 27, 325–341.
Krzemień K., 1998, Wpływ antropopresji na strukturę i dynamikę koryta Czarnego Dunajca. [w:] Bliskie naturze kształtowanie rzek i potoków. Zakopane,
95–103.
Krzemień K., 2003, The Czarny Dunajec River, Poland, as an example of human-induced development tendencies in a mountain river channel. Landform
Analysis, 4, 57–64.
Madej M. A., 1995, Changes in channel-stored sediment, Redwood Creek, northwestern California. U.S. Geol. Surv. Prof. Paper, 1454-P, 1–27.
Osuch B., 1968, Problemy wynikające z nadmiernej eksploatacji kruszywa rzecznego na przykładzie rzeki Wisłoki. Zesz. Nauk. AGH, 219, 283–301.
Radecki-Pawlik A., 2002, Pobór żwiru i otoczaków z dna potoków górskich. Aura,
2, 17–19.
Rinaldi M., Wyżga B., Surian N., 2005, Sediment mining in alluvial channels: physical effects and management perspectives. River Res. Appl., 21, 805–828.
Wyżga B., 1993, River response to channel regulation: case study of the Raba River, Carpathians, Poland. Earth Surf. Proc. Landforms, 18, 541–556.
Wyżga B., 2008, A review on channel incision in the Polish Carpathian rivers during
the 20th century. [w:] Habersack H., Piégay H., Rinaldi M. (red.), GravelBed Rivers VI – From Process Understanding to River Restoration. Elsevier,
Amsterdam, 525–556.
Wyżga B., Zawiejska J., 2005, Wood storage in a wide mountain river: case study
of the Czarny Dunajec, Polish Carpathians. Earth Surf. Proc. Landforms,
30, 1475–1494.
Zawiejska J., Krzemień K., 2004, Human impact on the dynamics of the upper Dunajec River channel: a case study. Geograficky Časopis, 56, 111–124.
Zawiejska J., Wyżga B., 2005, Patterns, causes and controls of the 20th-century
channel changes of the Dunajec River, southern Poland. [w:] Abstracts of
6th Gravel-Bed Rivers Conference, 156–158.
180
Bartłomiej Wyżga, Joanna Zawiejska, Artur Radecki-Pawlik