Wyniki badań transportu rumowiska rzecznego w korycie

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 km2). W 1976 roku,
w celu uzupełnienia potrzeb wodnych
w rejonie miejscowości Pionki, wykonano na rzece zbiornik zaporowy Staw
Górny o pojemności ok. 258 tys. m3
i powierzchni 14,05 ha przy normalnym
poziomie piętrzenia. W przekroju zapory czołowej zbiornika powierzchnia
zlewni wynosi A = 91,4 km2, jednakże
biorąc pod uwagę występowanie w górnej części zlewni obszarów bezodpływowych o powierzchni 19,6 km2, aktywna
powierzchnia zlewni w profilu zapory
zbiornika wynosi A = 71,8 km2. 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 km2), 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 m3·s–1
– dla profilu Płachty Stare w okresie
1971–1990 (Ciepielowski 1995), SQ =
= 0,075 m3·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: WQp=1% = 20,3 – 31,7 m3·s–1,
WQp=50% = 2,77 – 3,25 m3·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
d50 = 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:
Yr = DR · A · R · K · LS · CP
(1)
gdzie:
Yr – 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 Yr = 503 Mg·rok–1
rumowiska unoszonego dostarczanego
do zbiornika Staw Górny, a po przeliczeniu na jednostki objętościowe Gu = 708
m3·rok–1.
Średnią roczną ilości rumowiska
wleczonego dostarczanego do zbiornika
można oszacować według bardzo prostej
formuły empirycznej Wilhelma (Łajczak
1995, Bodulski i Górski 2006):
Gw = 523 ·SQ · J
(2)
gdzie:
Gw – średni roczny dopływ rumowiska
wleczonego do zbiornika [Mg·rok–1],
SQ – średnie roczne natężenie przepływu wody [m3·s–1],
J – średni spadek podłużny rzeki głównej [‰].
Podstawiając do wzoru (2): SQ =
= 0,342 m3·s–1 (wartość określona dla
przekroju w osi zapory czołowej zbiornika Staw Górny) oraz J = 2,5‰, otrzymamy Gw = 244 Mg·rok–1, tj. po przeliczeniu na jednostki objętościowe Gw =
= 344 m3·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 ¦ Qri ( Qi ) ⋅ ni
(3)
i =1
44
Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk
gdzie:
Gw – średnia roczna objętość wleczenia
[m3·rok–1],
Qr(Qi) – natężenie wleczenia Qr odpowiadające natężeniu przepływu wody
Qi, który jest środkiem klasy i [m3·s–1],
k – liczba przedziałów klasowych natężeń przepływu Qi [–],
ni – liczebność klasy i, tj. liczba przedziałów czasowych występowania wartości Qr(Qi) [–],
Δt – długość przedziału czasowego (dla
przedziałów dobowych Δt = 86 400)
[s].
W obliczeniach wielkości Gw według wzoru (3) wykorzystano dane z lat
1970–1990 o czasie trwania przepływów
dobowych Qi w profilu wodowskazowym Płachty Stare oraz odpowiadające
im wartości natężenia wleczenia Qr(Qi),
przy czym do określenia wartości Qr 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:
ª
5,88 ⋅ 10−5 q
= «0,0792 +
«
3
3
( s − 1) gd50
( s − 1) gd50
¬
qr
º
»
»
¼
2
(4)
gdzie:
qr – jednostkowe natężenie wleczenia
[m3·s–1·m–1],
q – jednostkowe natężenie przepływu
[m3·s–1·m–1],
s – względna gęstość rumowiska (s = ρr/
/ρw – gęstość rumowiska / gęstość wody)
[–],
g – przyśpieszenie ziemskie [m·s–2],
d50 – 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 (Gr =
= Gu + Gw), 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 [m3]
Volume of sediment transport [m3]
unoszone (Gu)
suspended (Gu)
wleczone (Gw)
bedlod (Gw)
suma (Gr)
sum (Gr)
708
344
1 052
(1) + (2)
(1) + (4)
708
398
1 106
(1) + wzór MPM
708
515
1 223
(1) + wzór Skibińskiego
708
411
1 119
–
–
1 202
Model CCHE1D – wzór Wu, Wang, Jia
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 echo-
sondy 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 km2, średni jednostkowy roczny odpływ rumowiska ze zlewni w latach 1980–2003 wynosił 15,9 m3·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
1980–1991
46
Objętość zatrzymanego rumowiska [m3]
Volume of sediment deposition [m3]
w okresie
in period
średnio w roku
average in year
14 650
1 330
1991–2003
11 620
968
1980–2003
26 270
1 140
Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk
Wartość ta stanowi sumę objętości materiału unoszonego i wleczonego, odprowadzonego z górnej części zlewni Zagożdżonki.
Wnioski
1. Na podstawie okresowych pomiarów batymetrycznych w zbiorniku
Staw Górny stwierdzono, że w latach 1980–2003 zatrzymywało się
w nim średnio 1140 m3·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.
2. Uzyskano ogólnie dużą zgodność
między wynikami obliczeń rocznej
objętości rumowiska rzecznego dostarczanego do zbiornika Staw Górny
a wartością otrzymaną z pomiarów
batymetrycznych zbiornika. Błąd
względem wartości 1140 m3·rok–1
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-
nego, czyli łącznej ilości rumowiska
unoszonego i wleczonego.
3. 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 trans-
48
port 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 m3 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: [email protected]
[email protected]
[email protected]
Z. Popek, K. Banasik, L. Hejduk