Przeczytaj fragment

Wstęp
Elementy tworzące środowisko przyrodnicze można podzielić na relatywnie
stałe – jak budowa geologiczna czy rzeźba terenu – oraz zmieniające się w czasie, do
których należy zaliczyć warunki klimatyczne i hydrograficzne. Woda, uczestnicząc
w cyklu hydrologicznym, należy do elementów będących w nieustannym ruchu.
W fazie atmosferycznej przemieszcza się ona znad oceanów wraz z wędrującymi
nad lądem masami powietrza, a następnie zasila zlewnie w postaci opadu atmosferycznego. Ilość wody jest uzależniona od aktualnej sytuacji meteorologicznej. Jeżeli
opady są rozłożone w czasie, a w zlewniach panują warunki sprzyjające infiltracji
i retencjonowaniu wód podziemnych, to rzeki zasilane są równomiernie, zaś przepływy w ich korytach są wyrównane i przewidywalne. Sposób reagowania zlewni
na opad określa niepowtarzalny zespół parametrów, na który składają się cechy
podłoża skalnego, ukształtowanie powierzchni topograficznej i stopień jej urzeźbienia, a także sposób oraz intensywność zagospodarowania obszaru odwadnianego
przez system rzeczny.
Obszar Polski jest zróżnicowany pod względem budowy geologicznej, hipsometrii, pokrywy glebowej, form użytkowania terenu, a także cech klimatu. Czynniki
kształtujące odpływ wykazują znaczną zmienność zarówno czasową, jak i przestrzenną, sprzyjając występowaniu nierównomiernego przepływu w korytach rzek.
Opady zimowe są retencjonowane na powierzchni terenu w postaci pokrywy śnieżnej, która topnieje dopiero wiosną, a wody spływają rzekami, tworząc falę wezbraniową, charakterystyczną dla śnieżnego ustroju rzecznego. Latem i jesienią mogą
wystąpić krótkotrwałe, lecz intensywne opady atmosferyczne o zasięgu lokalnym lub
deszcze rozlewne obejmujące duże obszary. Zdarzenia te wywołują w korytach rzek
wezbrania typowe dla reżimu deszczowego, które bywają niekiedy wysokie, a w niektórych zlewniach także gwałtowne i niebezpieczne. Zimą, kiedy opady w postaci
śniegu nie formują odpływu w sposób bezpośredni, a także latem, gdy panują wysokie temperatury sprzyjające intensywnemu parowaniu przy równoczesnym braku
opadów, mogą wystąpić okresy niedostatku zasilania systemów rzecznych.
8
Wstęp
W literaturze hydrologicznej (Baumgartner i Liebscher 1990; Czetwertyński
1958; Dębski 1970; Dobija i Dynowska 1975) stwierdza się, że przebieg i wysokość wezbrań deszczowych zależą od wielu czynników, z których najważniejsze są
czas trwania, intensywność i zasięg opadów atmosferycznych, spadki powierzchni
terenu i kształt zlewni, jej możliwości retencyjne, przepuszczalność gruntu, sposób
użytkowania terenu, bieg i kształt przekroju koryta rzeki oraz rozmieszczenie ujść
głównych dopływów. Wezbrania wywołane topnieniem pokrywy śnieżnej zależą od
ilości zawartej w niej wody, intensywności procesu topnienia, głębokości przemarznięcia gruntu oraz swoistych właściwości terenu, takich jak kierunek biegu rzek
oraz kształt i spadek zlewni. Przy opisie i analizie przebiegu wezbrania najczęściej
brane są pod uwagę takie cechy jak maksymalny przepływ odpowiadający szczytowi
fali wezbraniowej, objętość tej fali i prędkość jej przemieszczania się w dół biegu
rzeki, czas trwania i częstotliwość występowania wezbrań. Ciepielowski (1987)
wyróżnia dwie grupy parametrów. Pierwsza dotyczy poszczególnych części hydrogramu wezbrania (przepływy kulminacyjne, podstawa fali wezbraniowej, elewacja
fali, czyli różnica między stanami kulminacji i podstawy, objętość części wznoszącej
i opadającej wezbrania, objętość całkowita fali wezbraniowej oraz czas wznoszenia
wód, ich opadania i czas całego wezbrania). Druga grupa parametrów to wskaźniki
opisujące kształt hydrogramu, takie jak np. smukłość i symetria fali.
Parametry opisujące zlewnię były szczegółowo omawiane między innymi przez
Dobiję i Dynowską (1975) oraz przez Gutry-Korycką (1997). Charakterystyce
zlewni i zachodzącym w niej procesom, z uwzględnieniem opadów atmosferycznych, odpływu, parowania, retencji i denudacji, poświęcona była obszerna praca
monograficzna pod redakcją Pociask-Karteczki (2003, 2006a). Cechy charakteryzujące wezbrania i niżówki, a także ich zróżnicowanie geograficzne oraz zmienność
czasową były w ostatnich latach badane i opisywane przez wielu autorów (m.in.
Bartnik 2005; Bartnik i Jokiel 2010; Brykała 2009; Jokiel 2009; Jokiel i Tomalski
2004; Sobolewski 2008; Tomaszewski 2012). Gutry-Korycka i in. (2009) analizowali
regionalne uwarunkowania maksymalnych prawdopodobnych przepływów rzek na
podstawie danych z kilkudziesięciu zlewni znajdujących się w różnych częściach
kraju, stosując metodę analizy skupień (Ward 1963) w celu wyznaczenia jednorodnych regionów hydrologicznych i użycia ich do przeprowadzenia analizy występowania maksymalnych przepływów prawdopodobnych. Znajomość parametrów
zlewni pozwala rozpoznać sytuację, w jakiej funkcjonuje system rzeczny już na
wstępnym etapie prowadzenia badań hydrologicznych. Ułatwia to zaplanowanie
prac badawczych oraz dobranie odpowiednich metod analitycznych.
Zmiany zachodzące w środowisku naturalnym Polski, takie jak podwyższenie
średniej temperatury rocznej i temperatur poszczególnych miesięcy (Starkiel i Kundzewicz 2008), zmniejszenie liczby dni mroźnych i zmiana ilości dni przymrozkowych, bardzo krótki okres zalegania pokrywy śnieżnej, czy też wydłużenie okresu
wegetacyjnego, przyczyniają się do zmian hydrologicznych polegających na obniża-
Wstęp
9
niu zwierciadła wód podziemnych, zanikaniu źródeł, skracaniu górnych odcinków
cieków itp. Jak wykazują liczne badania prowadzone w wielu krajach, zmiany klimatyczne, a także zmiany sposobu użytkowania terenu (wylesienie, urbanizacja) mogą
spowodować niekorzystne następstwa w postaci obniżenia możliwości retencyjnych zlewni oraz przyspieszenia i zwiększenia objętości odpływu bezpośredniego,
które są przyczyną występowania wysokich wezbrań i powodzi (Beckers i in. 2013;
Bronstert i in. 2002; Brown 1988; Hirsch i in. 1990; Li i in. 2009). Przyczyniają się
one także do zwiększenia intensywności procesów erozyjnych. Nieustannie zachodzące zmiany parametrów klimatycznych, hydrologicznych i morfometrycznych
zlewni rzecznych wymagają stałego obserwowania, rejestrowania i analizy. Skutecznym sposobem prowadzenia tego rodzaju badań ilościowych jest tworzenie
zasobów informacyjnych w postaci zbiorów danych cyfrowych opisujących systemy
rzeczne i ich zlewnie, a następnie formułowanie na ich podstawie wniosków dotyczących zmienności przestrzennej oraz czasowej poszczególnych cech lub ich grup.
Celem niniejszej pracy jest opisanie zmienności geograficznej cech zlewni i systemów rzecznych strefy pobrzeży i pojezierzy północnej Polski, które wpływają na
kształtowanie procesu odpływu. Obszar ten został wybrany do badań ze względu
na jego odrębność krajobrazową. Wyróżnia się on spośród sąsiednich regionów
znaczną różnorodnością występujących tam form powierzchni terenu, bardzo charakterystyczną dla obszarów młodoglacjalnych. Objęcie badaniami tak rozległego
i zróżnicowanego pod względem fizjograficznym terenu umożliwia prowadzenie
analiz zlewni o różnym kształcie, pokryciu terenu i ukształtowaniu powierzchni.
Pod uwagę brane były również inne cechy obszaru badań, takie jak występujące
w jego granicach wyraźne różnice klimatyczne, zróżnicowane zasoby wodne
i ustroje rzeczne, a także różne układy sieci drenażu. Przy wyborze terenu badań
istotny był także wysoki stopień jego dotychczasowego poznania – pozwalający na
bieżącą kontrolę uzyskanych wyników i ich poprawną interpretację – oraz dostępność danych cyfrowych stanowiących podstawę przeprowadzonych analiz.
Przyjęto hipotezę badawczą, że specyficzne warunki terenowe obszaru północnej Polski, a w szczególności występujące tam różnice w wielkości rocznych sum
opadów atmosferycznych i zauważalne zróżnicowanie przepuszczalności utworów powierzchniowych, warunków hipsometrycznych oraz sposobu użytkowania
terenu pozwolą wskazać grupy zlewni charakteryzujące się podobnymi parametrami i posiadające pewne cechy przewodnie wyróżniające je spośród innych badanych jednostek hydrograficznych. Przyjęcie za podstawę badań danych z okresu
25-letniego pozwoliło na pominięcie wpływu krótkich, rocznych lub kilkuletnich
okresów fluktuacji w przebiegu ściśle związanych ze sobą procesów parowania,
transportu wody przez masy powietrza, kondensacji i opadów atmosferycznych,
retencji wód w zlewni oraz formowania odpływu. Badania prowadzone na obszarze
pobrzeży i pojezierzy północnej Polski miały na celu zaprezentowanie geograficznej
zmienności wybranych czynników kształtujących odpływ rzeczny ze zwróceniem
10
Wstęp
uwagi na występujące między nimi związki, potwierdzenie wpływu czynników
fizjograficznych na wykształcenie i organizację sieci rzecznej w warunkach charakterystycznych dla obszarów młodoglacjalnych oraz dokonanie regionalizacji
badanego obszaru uwzględniającej zróżnicowanie trzech geokomponentów: klimatu, rzeźby powierzchni terenu i stosunków hydrologicznych.
Wykorzystując dostępne dane cyfrowe obliczono charakterystyczne parametry 31 zlewni północnej Polski, co umożliwiło dokonanie ich porównania w celu
ustalenia podobieństw i różnic. W wyniku przeprowadzonych analiz powstał
geograficzny obraz zróżnicowania warunków kształtujących przebieg procesów
hydrologicznych w zlewniach. Badania obejmowały opracowanie charakterystyki
klimatycznej obszaru badań, a następnie ustalenie parametrów morfometrycznych,
takich jak rząd, liczba i długość cieków systemu rzecznego, wskaźniki bifurkacji,
wskaźniki wydłużenia, kolistości i kształtu zlewni, gęstość średnia i maksymalna
sieci rzecznej, a także wskaźniki opisujące ukształtowanie powierzchni terenu.
Uzupełnieniem charakterystyk zlewni są wykresy krzywych hipsometrycznych.
W grupie parametrów hydrologicznych dla wybranych 14 zlewni reprezentujących
poszczególne regiony geograficzne ustalono średnią wartość odpływu jednostkowego, współczynnik zmienności przepływu, wskaźnik przewidywalności przepływu, dzień wystąpienia przepływu minimalnego oraz przepływu maksymalnego,
średnią liczbę wystąpień okresów niskiego przepływu i średni czas jego trwania,
średnią liczbę wezbrań, średni czas trwania wezbrania, a także dynamikę przyrostu
i opadania fali wezbraniowej. Na podstawie takiego zestawu parametrów dokonano
następnie podziału badanych zlewni na grupy obiektów o wspólnych cechach klimatycznych, fizjograficznych oraz hydrologicznych.