Maksymalne przepływy i odpływy w Polsce w latach 1951

POLSKA AKADEMIA NAUK
KOMITET INŻYNIERII ŚRODOWISKA
MONOGRAFIE
Nr 69
HYDROLOGIA
W OCHRONIE I KSZTAŁTOWANIU ŚRODOWISKA
Tom 2
Pod redakcją
Artura Magnuszewskiego
WARSZAWA 2010
Pod redakcją:
dr hab. Artura Magnuszewskiego, prof. UW
Komitet Redakcyjny:
prof. dr hab. Lucjan Pawłowski - Redaktor Naczelny
prof. dr hab. inż. Kazimierz Banasik
dr hab. Jadwiga Bernacka, prof. IOŚW
dr hab. Elżbieta Bezak-Mazur, prof. PŚk
prof. dr hab. inż. January Bień
prof. dr hab. inż. Ryszard Błażejewski
prof. dr hab. inż. Michał Bodzek
prof. dr hab. inż. Józef Dziopak
dr hab. inż. Stanisław Gruszczyński
prof. dr hab. inż. Janusz Jeżowiecki
dr hab. inż. Andrzej Jędrczak
dr hab. inż. Krzysztof Knapik, prof. PK
prof. dr hab. inż. Marian Mazur
prof. dr hab. inż. Korneliusz Miksch
prof. dr hab. inż. Krystyna Olańczuk-Neyman
prof dr hab. inż. Jan Pawełek
prof. dr hab. inż. Czesława Rosik-Dulewska
dr hab. inż. Marian Rosiński, prof. PW
prof. dr hab. inż. Jerzy Sobota
prof. dr hab. inż. Marek Sozański
prof. dr hab. inż. Kazimierz Szymański
dr hab. inż. Marek Zawiłski, prof. PŁ
prof. dr hab. inż. Roman Zarzycki
prof. dr hab. inż. Jerzy Zwoździak
prof. dr hab. inż. Piotr Kowalik
prof. dr hab. inż. Wojciech Adamski
dr hab. Marzenna Dudzińska, prof. PŁ
prof. dr hab. inż. Andrzej Królikowski
prof. dr hab. inż. Hanna Obarska-Pempkowiak
dr hab. inż. Bernard Quant, prof. PG
prof. dr hab. inż. Tomasz Winnicki
© Komitet Inżynierii Środowiska PAN
ISBN 978-83-89293-94-7
DRUK: Perfekta info
ul. Doświadczalna 48, 20-280 Lublin
tel. 81 46 10 229
www.perfekta.info.pl
SPIS TREŚCI
Mapa cyfrowa podziału hydrograficznego Polski (MPHP)
H. Czarnecka, B. Głowacka, J. Krupa-Marchlewska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
7
Zarządzanie informacją o środowisku w Europie. Przykład międzynarodowej
współpracy w zakresie jakości wody w projekcie GENESIS
R. Konieczny, D. Kubacka, U. Opial-Gałuszka, M. Siudak, T. Walczykiewicz,
G.Schernewski, E. Fischer, B. Schippmann, M. Erlich, A. Cabal, M. Gerbaux,
A. Levasseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
17
Zmienność odpływu rocznego Odry i Wisły w latach 1901-2008
J. Stachý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
31
Maksymalne przepływy i odpływy w Polsce w latach 1951-2006
A. Bartnik, P. Jokiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
43
Regiony Polski najbardziej zagrożone powodziami katastrofalnymi
A. Dobrowolski, M. Mierkiewicz, J. Ostrowski, M. Sasim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
55
Zmiany częstości występowania chmur opadowych w Polsce (1966-2000)
E. Żmudzka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
71
Hydrometeorologiczna interpretacja gwałtownych wezbrań małych cieków
w źródłowej części Wielopolki w dniu 25 czerwca 2009 roku
T. Bryndal, W. Cabaj, R. Suligowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
81
Katastrofalne powodzie Wisły poniżej Warszawy w zarysie historycznym
M. Gutry-Korycka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
99
Przepływ wód wielkich Wisły w Warszawie – rekonstrukcja powodzi historycznych
P. Kuźniar, A. Magnuszewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109
Sezonowa zmienność elementarnej struktury hydrograficznej na obszarach
młodoglacjalnych
J. Fac-Beneda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119
Dynamika i uwarunkowania odpływu w południowej części zlewni Wdy
D. Szumińska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Uwarunkowania hydrologiczne województwa lubuskiego
E. Ogiołda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139
Wstępna analiza środowiskowa koncepcji rewitalizacji międzynarodowej
drogi wodnej E-70 w rejonie dolnej Warty
M. Hudak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . .
149
4
Wpływ miasta na przepływ rzeczny na przykładzie Lublina
Z. Michalczyk, J. Sposób . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159
Przeciwdziałanie skutkom suszy w prawie krajowym i unijnym
M. Kępińska-Kasprzak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169
Charakterystyka występowania niżówek Wyżyny Kieleckiej na przykładzie
rzeki Świśliny
E. Kaznowska, Ł Chudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179
Dynamika wód strefy aeracji w zlewni nizinnej w świetle koncepcji stabilności czasowej
U. Somorowska, I. Piętka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193
Uwilgotnienie gleb w zlewni Liwca na podstawie danych modelowych
I. Piętka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205
Zróżnicowanie parametrów modelu WETSPA w zlewniach Sidry i Kamiennej
L. Porretta-Brandyk, J. Chormański . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215
Rozmieszczenie i wydajność źródeł w Polsce
W. Chełmicki, P. Jokiel, Z. Michalczyk, P. Moniewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129
Naturalne wypływy wód podziemnych jako element drenażu Wysoczyzny
Kałuszyńskiej na przykładzie zlewni Osownicy i Witówki
A. Furmankowska, S. Zabłocki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243
Zróżnicowanie hydrochemiczne wód torfowiska retencyjno-ewaporacyjnego
na tle bilansu wodnego
M. Ziułkiewicz, M. Walisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253
Oddziaływanie systemu uprawy roli na natężenie zmywu powierzchniowego
w uprawie pszenicy jarej w warunkach opadu symulowanego
M. Chowaniak, T. Głąb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267
Rola obszaru zurbanizowanego w kształtowaniu transportu fluwialnego
podczas wezbrań roztopowych na przykładzie zlewni Silnicy i Sufragańca
w Kielcach
T. Ciupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275
Analiza punktowych źródeł zanieczyszczeń związkami biogennymi w zlewni
Pilicy oraz wykorzystanie podejścia ekohydrologicznego dla ich redukcji
E. Kiedrzyńska, A. Macherzyński, M. Skłodowski, M. Kiedrzyński, M. Zalewski
285
Hydrochemiczna charakterystyka wód obszaru Natura 2000 „Dolina Kostrzynia” w granicach zlewni Witówki
A. Furmankowska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297
5
Wykorzystanie technik GIS do oceny stanu pasów brzegowych, jako podstawy do poprawy warunków hydromorfologicznych
B. Garncarz-Wilk, A. Pasiecznik, A. Bogusz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307
Zróżnicowanie oceny atrybutów hydromorfologicznych dopływów Nysy
Łużyckiej na obszarze województwa dolnośląskiego
M. Adynkiewicz-Piragas, I. Lejcuś . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315
Weryfikacja oceny stanu ekologicznego rzeki na podstawie stanu hydromorfologicznego i fizyczno-chemicznego
M. Sojka, S. Murat-Błażejewska, J. Kanclerz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325
Ocena hydromorfologiczna rzek metodą RHS – problemy praktyczne
J. Suchożebrski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333
Wpływ zmian klimatycznych na temperaturę wód powierzchniowych
w północnej Polsce
W. Marszelewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341
Próba oceny temperatury wody za pomocą bilansu cieplnego w węzłach
hydrologicznych
M. Oksiuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351
Czy rejestracja elektroniczna może zastąpić obserwatorów w pomiarach na
jeziorach?
B. Nowak, A. Grześkowiak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361
Ocena przepuszczalności osadów dennych wybranych jezior zlewni Brdy
B. Nowicka, E. Wołoszyńska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371
Przestrzenne zróżnicowanie i czasowa zmienność stężeń wybranych wskaźników chemicznych w wodach jeziora Sarbsko
Ł. Chromniak, R. Cieśliński . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381
Rozkład przestrzenny zawartości polichlorowanych bifenyli w zbiornikach
zaporowych: Jezioro Włocławskie, Jeziorsko i Jezioro Sulejowskie
M. Urbaniak, H. Dąbrowska, M. Zalewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389
Wpływ gospodarki polderowej na wykształcenie i organizację stosunków
wodnych równin nadmorskich na przykładzie zlewni jeziora Gardno
R. Cieśliński, A. Ellwart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399
Występowanie niskich poziomów morza na południowym wybrzeżu Bałtyku
I. Stanisławczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409
MAKSYMALNE PRZEPŁYWY I ODPŁYWY W POLSCE
W LATACH 1951-2006
Adam Bartnik1, Paweł Jokiel2
Streszczenie: W opracowaniu przeanalizowano maksymalne przepływy, odpływy i indeksy powodziowości Françou-Rodiera K ustalone dla ponad 460 wodowskazów na rzekach Polski. W analizach
wykorzystano dane z lat 1951-2006. Ustalono równanie obwiedni przepływu maksymalnego dla rzek
Polski. Stwierdzono stosunkowo małe zróżnicowanie indeksów powodziowości K w Polsce. Niemal
95 % tych indeksów nie przekracza 4,0 (mediana obliczona wcześniej przez autorów dla rzek półkuli
północnej – 3,8). Jednocześnie w przypadku ok. 10 % rzek, indeksy nie są większe od 1,0. Z punktu
widzenia indeksu K, największą powodziowością charakteryzują się obserwowane w Polsce rzeki górskie, a szczególnie karpackie. Ważnym elementem przeprowadzonych badań była także ocena zmian
stopnia powodziowości rzek Polski w poszczególnych latach drugiej połowy XX. wieku. Dokonano jej
przy użyciu, zdefiniowanego we wcześniejszych pracach autorów, wskaźnika nazwanego „indeksem
wysokiej wody” (IWW). Z przeprowadzonych analiz wynika, iż w ostatnich 20 latach XX. wieku,
względna liczba ekstremalnie wysokich wezbrań rzecznych w Polsce była wyraźnie niższa od zanotowanej w latach 70. i 80. Wyjątek stanowi tu jedynie rok 1997, kiedy to indeks IWW osiągnął maksimum
dla badanego wielolecia.
Słowa kluczowe: Polska, hydrologia, odpływ rzeczny, przepływy maksymalne, indeks FrançouRodiera
WPROWADZENIE
Mimo, że ekstremalne zjawiska meteorologiczne i hydrologiczne nie mają w Polsce tak
wielkich rozmiarów, jak to ma miejsce w innych częściach świata, to przecież deszcze nawalne
i gwałtowne wezbrania rzek, także u nas stwarzają poważne zagrożenie dla gospodarki, a bywa,
że również dla życia ludzi. Im bogatsza infrastruktura i poziom zagospodarowania terenu, tym
szkody wywołane przez wody powodziowe są coraz większe. Łatwo więc wykazać, że straty
powodowane przez powodzie wzrastają w miarę rozwoju gospodarczego i cywilizacyjnego.
Zatem, pomimo wielu starań i niewątpliwych osiągnięć w zakresie ochrony przeciwpowodziowej,
nasza wrażliwość na klęskę powodzi jest nadal duża i ciągle rośnie.
W warunkach Polski, wysokie wezbrania rzek i towarzyszące im niekiedy powodzie
występują we wszystkich porach roku. Właśnie, ze względu na porę występowania, a co za tym
idzie, z uwagi na genezę zjawiska, wyróżnić można kilka rodzajów wezbrań, a w konsekwencji,
kilka typów genetycznych powodzi. Najważniejszy jest podział uwzględniający charakter
czynnika sprawczego. Rozróżnia się tu 4 typy genetyczne wezbrań: opadowe, roztopowe,
zimowe, sztormowe. Niektóre z nich dzielą się na podtypy, np. zimowe przyjęto dzielić na:
śryżowe, zatorowe i lodowe (Byczkowski, 1996). Wszystkie wymienione tu typy wezbrań
można równocześnie podzielić na dwa podstawowe rodzaje: wezbrania wywołane zwiększonym
zasilaniem i wezbrania wywołane podpiętrzeniem wody w korytach i utrudnieniem odpływu.
Czynnikami sprzyjającymi powstawaniu gwałtownych wezbrań i powodzi w rzekach są zwykle:
1
2
Adam Bartnik – Katedra Hydrologii i Gospodarki Wodnej UŁ, e-mail: [email protected]
Paweł Jokiel – Katedra Hydrologii i Gospodarki Wodnej UŁ, e-mail: [email protected]
44
niekorzystne warunki atmosferyczne, mała zdolność retencyjna dorzecza i doliny rzecznej,
nieprawidłowa zabudowa hydrotechniczna rzek systemu, wylesienie lub urbanizacja zlewni,
katastrofy budowlane oraz wiele innych czynników lokalnych.
Na podstawie długoletnich obserwacji można już dziś wyodrębnić w Polsce obszary
o przeważającym typie genetycznym wezbrań. Na nizinach i na Wyżynie Lubelskiej najczęstsze
są wezbrania roztopowe. W Małopolsce, w południowej części Mazowsza, na Śląsku oraz
w Bieszczadach przeważają zaś opadowo-roztopowe. Natomiast w Sudetach i w Karpatach
licznie występują wezbrania opadowe. Można też określić pory najczęstszego pojawiania się
wezbrań określonego typu, jak i przeciętną liczbę wezbrań w roku w danym regionie (Mikulski,
1963; Byczkowski, 1996; Dobrowolski i in., 2007).
Gwałtowne i wysokie wezbrania rzek można badać na szereg różnych sposobów, poczynając
od mniej lub bardziej sformalizowanego opisu kształtu i parametrów fali wezbraniowej (np. jej
objętości i wysokości oraz tempa propagacji i opadania), przez ocenę ich częstości i analizę
wpływu czynników sprawczych (np. w kontekście zmian klimatu oraz charakteru zlewni
i struktury obiegu w niej wody), aż do budowy modelu wezbrania, pozwalającego przewidzieć
nie tylko jego kształt, wielkość kulminacji, czy objętość, ale również ocenić ryzyko jego
wystąpienia i postawić prognozę ewentualnych skutków.
Jednym z najważniejszych i najbardziej frapujących aspektów badań nad konsekwencjami
globalnego ocieplenia jest dziś przewidywanie zmian, które mogą wystąpić w obrębie
ekstremalnych charakterystyk obiegu wody, w tym przepływów i odpływów maksymalnych,
a co za tym idzie częstości i rodzaju wezbrań. Wnioski na ten temat są, jak dotąd, dość
jednoznaczne i w zasadzie nie zależą od zastosowanych procedur prognozowania (modele
empiryczne lub teoretyczne). Przeważnie prowadzą one do konkluzji, iż w małych i średnich
zlewniach, globalne ocieplenie prowadzi do wzrostu wysokości i częstości wezbrań rzecznych
i to zarówno w aspekcie ekstremów absolutnych, jak i charakterystyk sezonowych.
MATERIAŁ I METODY
W prezentowanym niżej opracowaniu, podjęto próbę usystematyzowania i zbadania
maksymalnych przepływów (WWQ) i odpowiadających im odpływów jednostkowych
(WWq) zaobserwowanych w 462 przekrojach wodowskazowych Polski, w okresie 19512006. Powierzchnie uwzględnionych zlewni są zróżnicowane i zawierają się w przedziale
od 4,1 do 194 376 km2. Wzięte pod uwagę przekroje położone są w różnych regionach
fizycznogeograficznych Polski i traktowane jako grupa reprezentują pełne spektrum warunków
oddziałujących na formowanie się odpływu maksymalnego w naszym kraju. Warto dodać, że
autorzy dysponowali znacznie większą liczbą zanotowanych maksimów (dane z 885 przekrojów).
Do analiz posłużyły jednak tylko te wartości WWQ, które pochodziły z serii co najmniej
20. letnich. Nie był przy tym ważny horyzont czasowy (okres), który seria taka obejmowała
(rys. 1), a wyłącznie jej długość. Uznaliśmy bowiem, że wartości WWQ pochodzące z ciągów
krótszych niż 20 lat nie powinny być używane w tego rodzaju analizach statystycznych.
Podjęte badania mają dać odpowiedzi na następujące pytania: Czy i w jaki sposób
zmieniała się w Polsce częstość i wysokość maksymalnych przepływów i odpływów w skali
wielolecia? I czy są dziś dowody na to, że w naszym kraju rośnie liczba i wysokość absolutnych
ekstremów przepływu i powodziowość rzek? Analizy przeprowadzone zostaną m.in. na
podstawie zdefiniowanego wcześniej przez autorów, indeksu wysokiej wody (Bartnik i Jokiel,
2007, 2008), bazującego na indeksie Françou (K). Zaprezentujemy też kilka uwag odnośnie
sezonowego zróżnicowania WWQ w wieloleciu oraz próbę wyznaczenia obszaru zmienności
WWQ i WWq w Polsce.
45
Rys. 1. Liczba obserwowanych przekrojów w poszczególnych latach
WYNIKI BADAŃ I WNIOSKI
Przepływy i odpływy maksymalne
W trakcie wezbrania odpływa rzeką ogromna ilość wody. Jej objętość zależy oczywiście
od warunków w jakich formuje się wezbranie oraz od wielkości i charakteru dorzecza i rzeki.
Maksymalne przepływy wezbraniowe rzek Polski, ze względu na panujące w naszym kraju
warunki klimatyczne i hydrograficzne, nie dorównują oczywiście wielkościom notowanym na
świecie. Amazonka w czasie kulminacji wezbrań wprowadza do Atlantyku ok. 200 tys., Jenisej
– 100 tys., a Missisipi – 70 tys. m3·s-1 wody. W porównaniu z tymi przepływami, objętości wody
w trakcie maksimów wezbrań Wisły i Odry prezentują się niezbyt okazale: Wisła przy ujściu –
ok. 8 tys. m3·s-1, Odra – 3,3 tys. m3·s-1. Także najwyższe odpływy jednostkowe, obliczone dla
kulminacji największych wezbrań zanotowanych w rzekach naszego kraju są wyraźnie niższe
od maksimów zarejestrowanych na świecie (Shaw, 1994; Herschy, 1998; Smith i Ward, 1998;
Arnell, 2002; Ozga-Zielińska i in., 2003; O’Connor i Costa, 2004; Jokiel i Tomalski, 2004),
choć różnice nie są tu już tak duże.
Badania teoretyczne oraz obserwacje prowadzone na poletkach i w małych zlewniach
eksperymentalnych wskazują, że w skrajnie niekorzystnych warunkach, maksymalne odpływy
jednostkowe w górach i na wyżynach mogą dochodzić nawet do 35 tys. dm3·s-1·km-2, a na
nizinach do 12 tys. dm3·s-1·km-2 (Smith i Ward, 1998). Dla terytorium Polski, przyjmuje
się także teoretyczną granicę jednostkowego odpływu maksymalnego bliską 30 tys.
dm3·s-1·km-2 (Byczkowski 1996; Stachy i in., 1996). Wielkość tę zdają się potwierdzać zarówno
wyniki pomiarów i oszacowań odpływów ekstremalnych pochodzące z małych zlewni,
dotkniętych katastrofalnymi deszczami (gwałtownymi roztopami), zebrane przez Dębskiego
(1970) i Ciepielowskiego (1970), a później przez Twaroga (2004), Dobrowolskiego i in.
(2004) i Bryndala (2009), jak i wartości teoretyczne, uzyskane przy użyciu różnych formuł
empirycznych i modeli hydrologicznych (Byczkowski, 1996; Soczyńska, 1997; Ozga-Zielińska
i in, 2003; Ostrowski i Zaniewska, 2007).
Maksymalne przepływy rzek Polski są z oczywistych powodów znacznie niższe od rejestrowanych w największych rzekach świata. W badanej grupie zlewni zawierały się one w prze-
46
dziale: od 1,78 do 7840 m3·s-1. Fizycznogeograficznie uwarunkowane obwiednie związków
między maksymalnymi przepływami rzek (WWQ) i powierzchniami ich zlewni (A), uzyskane
wcześniej przez autorów dla półkuli północnej (wzór 2), Europy (wzór 3) (Bartnik i Jokiel,
2007, 2008) oraz na podstawie analizowanego materiału z Polski – wzór 4, prezentuje rys. 2.
Podano tam również krzywą obwiedni obliczoną wcześniej dla rzek całego świata (wzór 1)
przez Rodiera i Roche (1984). Funkcje tych obwiedni opisują poniższe równania:
WWQSW = 500 ⋅ A0,43
(1)
log WWQPP = -0, 053 ⋅ (log A)2 + 0, 858 ⋅ log A + 1, 914
(2)
log WWQEU = -0, 0899 ⋅ (log A)2 + 1, 083 ⋅ log A + 1,13
(3)
log WWQPL - 0, 977 ⋅ (log A)2 + 1,14 ⋅ log A + 0, 546
(4)
gdzie:
WWQX – przepływ maksymalny [m3·s-1]; SW – świat, PP – półkula północna, EU – Europa,
PL – Polska,
A – powierzchnia zlewni [km2].
Rys. 2. Obwiednie związków między maksymalnymi przepływami rzek (WWQ) i powierzchniami
ich zlewni (A) opisane równaniami 1-4
Podane tu funkcje mogą być traktowane jako swoiste granice wielkości przepływu w czasie kulminacji wezbrań w zlewniach o określonej powierzchni. Łatwo zauważyć, że krzywą
obwiedni określoną dla zaobserwowanych maksimów rzek Polski opisuje ten sam rodzaj
funkcji co obwiednie uzyskane dla półkuli północnej i Europy. Krzywa ta położona jest jednak
wyraźnie „niżej” niż trzy pozostałe funkcje. Dla danej powierzchni zlewni, zaobserwowane
w Polsce maksima przepływu są więc kilkakrotnie mniejsze od notowanych w Europie, przy
czym stosunek ten dość szybko maleje wraz ze wzrostem A.
Maksymalne odpływy jednostkowe ze zlewni obserwowanych w Polsce mieszczą się
także w szerokim zakresie: od 9 do 4251 dm3·s-1·km-2. Przedział ten jest niemal identyczny
z uzyskanym w toku symulacji fal wezbraniowych (opad 1 %) małych zlewni modelem MOREMAZ-2 w ramach Programu Małych Zlewni (Ostrowski i Zaniewska, 2007). Zakres zmienności WWq, uwarunkowany zróżnicowaną powierzchnią zlewni, prezentuje rys. 3. Tylko w 70
47
przekrojach kontrolnych zanotowano odpływy przekraczające 1000 dm3·s-1·km-2, a w 2/3 przekrojów maksima były niższe od 500 dm3·s-1·km-2. Warto także dodać, że odpływy większe od
1000 dm3·s-1·km-2 wystąpiły tylko w zlewniach o powierzchni mniejszej od 1,0·103 km2.
Rys. 3. Obszar zmienności maksymalnego odpływu jednostkowego (WWq) i powierzchni zlewni (A)
Ciekawe wnioski płyną także z analizy częstości występowania WWQ w poszczególnych
miesiącach. Z rys. 4 jasno wynika, że spośród 462 zdarzeń, 137 odnotowano w lipcu, a 142
w marcu i w kwietniu (po 71). Warto też podkreślić, że WWQ mogą wystąpić w rzekach Polski
w każdym miesiącu, nawet jesienią (od września do listopada). W półroczu chłodnym zanotowano jednak nieco mniej maksimów niż w półroczu ciepłym (44 % wobec 56 % wszystkich
WWQ).
Rys. 4. Liczba WWQ w poszczególnych miesiącach
Na terminy występowania WWQ warto również spojrzeć przez pryzmat powierzchni
zlewni (rys. 5). Dostrzeżemy wówczas, że maksima jesienne (IX–XII) pojawiały się tylko
w zlewniach małych i średnich (50–1000 km2). Natomiast w zlewniach bardzo dużych
(>104 km2), WWQ notowano niemal wyłącznie w marcu i kwietniu oraz od czerwca do sierpnia. Najwyższe odpływy jednostkowe zanotowano w trakcie wezbrań letnich (VI–VII), ale
jednocześnie, nieliczne przecież maksima jesienne i majowe charakteryzowały się większymi
odpływami jednostkowymi, niż kulminacje wezbrań wiosennych (III–IV).
48
Rys. 5. Terminy WWQ w funkcji powierzchni zlewni
Indeksy powodziowości
Charakterystyką względną pozwalająca waloryzować odpływy maksymalne jest miara
zwana indeksem Françou lub też indeksem K (wzór 5) (Françou i Rodier 1969; Rodier 1987;
Smith i Ward 1998; Jokiel i Tomalski 2004; Twaróg 2004; Bartnik i Jokiel 2007, 2008). Opiera
się ona, podobnie jak odpływ jednostkowy, na natężeniu przepływu i powierzchni zlewni, a jest
prostym przekształceniem formuły „obwiedni” przepływów maksymalnych (Françou i Rodier,
1969). Indeks K uzyskujemy ze wzoru:
K = 10 ⋅ (1 ozn. j.w.
log WWQ -6
)
log A-8
(5)
Indeks jest wielkością niemianowaną, pozwalającą porównywać rozmiary kulminacji
wezbrań w zlewniach o różnej wielkości. Zdaniem cytowanych wyżej autorów, im wyższy
jest ten wskaźnik, tym większa jest podatność zlewni (rzeki) na występowanie powodzi. Jest
on więc swoistą miarą powodziowości rzeki. Przy pewnych założeniach, można go nawet
traktować jako estymator kulminacji maksymalnego wiarygodnego wezbrania (MWW) (por.
Ozga-Zielińska i in., 2003).
Indeksy K dla różnych rzek Ziemi przedstawili w swej pracy Smith i Ward (1998).
Najwyższym indeksem K cechuje się Amazonka – 6,76. Nieco mniejsze liczby uzyskano dla
japońskiej Shingu Oga – 6,29; indyjskiej Narmady – 6,21, czy północnoamerykańskiej West
Nueces – 6,16. Również rosyjska Kołyma ma wysoki indeks 6,39. Skrajnie wysoki indeks
K charakteryzował także wezbranie typu „jökulhlaup” islandzkiej Skeiðary – 7,34 (Bartnik
i Jokiel, 2007). Pod względem wartości K, największą powodziowością charakteryzują się
rzeki azjatyckie, a najmniejszą – europejskie. W odniesieniu do trzech badanych kontynentów
półkuli północnej (Ameryka Pn., Azja i Europa), 80 % indeksów powodziowości zawiera się
w przedziale: od 2,1 do 5,1, przy medianie bliskiej 3,8 (Bartnik i Jokiel, 2008).
Indeksy K rzek europejskich także mogą być duże: francuska Tech w Pas du Loup – 5,61,
brytyjska Divie – 5,01, włoska Orba – 5,46, a hiszpańska Almanzora – 5,24 (Bartnik i Jokiel,
2007). Z cytowanych wyżej obliczeń autorów wynika też, że 90 % wartości K, obliczonych dla
rzek europejskich, mieści się w przedziale (1,77 – 4,87). Jednocześnie, teoretyczne prawdopodobieństwo przekroczenia K = 4,87, dla rzek naszego kontynentu, wynosi ok. 5 %.
49
Obliczone dotąd dla rzek Polski indeksy K nie przekraczały wartości 5,0: Łopuszanka
(Piaski) – 4,64; Kamienica (Łabowa) – 4,26; Miechówka (Miechów) – 4,42; Dunajec (Nowy
Sącz) – 4,31 (Twaróg 2004; Jokiel i Tomalski 2004). Tylko w niespełna 10% przypadków indeksy
K były większe od 3,5. W trakcie pamiętnej powodzi w dorzeczu Odry w 1997 roku, indeksy
odpowiadające kulminacjom fal wezbraniowych były także mniejsze od 4,0.
W badanej grupie przekrojów, indeksy K mieszczą się w przedziale: od nieco powyżej
zera do 4,42 (średnia – 2,37; cv – 46 %). Indeksy przekraczające 4,0 występowały dość rzadko
(rys.6) i dotyczyły głównie rzek karpackich (por.: Twaróg, 2004; Jokiel i Tomalski, 2004).
Zwraca też uwagę dwumodalny charakter rozkładu częstości. Równie częste (po ok. 140 przypadków) były indeksy z przedziałów: poniżej średniej (1–2) i powyżej średniej (3–4). Pierwsze
dotyczą głównie rzek nizinnych, drugie górskich i wyżynnych.
Rys. 6. Indeksy powodziowości (K) rzek Polski w latach 1951-2006
Rys.7. Liczba WWQ i średnie indeksy K w poszczególnych miesiącach wielolecia
Z analizy rys. 7 wynika, że od połowy lat 80. do końca analizowanego okresu, liczba
zarejestrowanych WWQ wyraźnie zmalała w stosunku do poprzedniego wielolecia, ale jednocześnie, maksima które zanotowano w ostatnim 20-leciu były przeważnie relatywnie wysokie
50
(średnie K > 3,0); wystąpiły też dwa wezbrania o K większym od 4,0. Wydaje się również, że
coraz rzadziej notowane są WWQ w miesiącach półrocza chłodnego, ale jeśli już wystąpią, to
ich indeksy K są stosunkowo wysokie. Szczególnie liczne wezbrania o wysokich K zanotowano
w lipcu 1997 roku (w 31 rzekach odnotowano wówczas WWQ, a ich średnie K było większe od
3,0). Podobny w tym względzie był rok 1970 – 15 wezbrań o średnim K > 3,0. Jeszcze więcej
WWQ wystąpiło w marcu i w kwietniu 1979 roku (38 i 31). Jednak średnie indeksy K tych
kulminacji były mniejsze od 2,0. Podobną liczbę WWQ odnotowano w lipcu 1980 roku, tym
razem jednak, przeciętny indeks K był wyraźnie wyższy od 2,0 (rys. 7).
Nakreślony powyżej obraz wieloletniej i sezonowej zmienności terminów i skali absolutnych maksimów przepływu musi być rozpatrywany zarówno w kontekście liczby i horyzontu
czasowego wziętych pod uwagę serii, jak i faktu iż daną serię reprezentuje zawsze tylko jedna
wartość WWQ.
Indeksy wysokiej wody
Zgodnie z wcześniej przedstawioną ideą konstrukcji indeksu wysokiej wody – IWW
(Bartnik i Jokiel, 2007), dla każdego roku badanego wielolecia (1951–2006), obliczono liczbę
wszystkich maksimów (WWQ), zarejestrowanych w rzekach Polski. Uzyskane wartości przedstawiono w procentach, odnosząc je do liczby rzek obserwowanych w danym roku – WW (rys.
8A). Wskaźnik ten pokazuje, w jakim procencie rzek Polski, obserwowanych w danym roku,
zanotowano WWQ (przepływ najwyższy z okresu obserwacji danej rzeki).
Każde absolutne maksimum przepływu rzeki (WWQ) opisuje porównywalny i niemianowany indeks K, charakteryzujący skalę danego zdarzenia. Zatem, iloczyn WW i sumy wartości
indeksów K obliczony dla każdego roku pozwala ocenić nie tylko względną liczebność ekstremów w naszym kraju, ale również porównać ich skalę w odniesieniu do poszczególnych lat
wielolecia, a co za tym idzie, umożliwia analizę czasową ewentualnych zmian „powodziowości
Polski”:
IWWi = WWi ⋅ å j =1 Ki
n
(6)
gdzie:
IWWi – indeks wysokiej wody dla roku i,
WWi – wskaźnik wysokiej wody dla roku i,
Ki – indeks powodziowości dla roku i,
n – liczba rzek, w których w roku i zanotowano WWQ.
W stosunku do liczby przekrojów, o seriach co najmniej 20. letnich, procentowo najwięcej maksimów wystąpiło w 1997 roku (ok. 19%), w latach 1979–1980 (16% i 8%) oraz
w roku 1958 i 1970. Jednocześnie w latach: 1959, 1961, 1976, 1984, 1986, 2000 oraz niemal
w całym okresie 1990–1995, w żadnej z rzek Polski nie odnotowano WWQ – rys. 8A. Biorąc
pod uwagę względną liczbę WWQ w poszczególnych latach i ich skalę mierzoną indeksem
K – IWWP, jeszcze wyraźniej widoczna jest dominacja roku 1997 oraz wymienionych wcześniej
lat powodziowych (rys. 8B). Warto także podkreślić, iż w ciągu ostatnich 20–30 lat, ani liczba,
ani względna wielkość maksymalnych odpływów rzecznych w Polsce, nie tylko nie wzrosły,
ale biorąc pod uwagę wartości IWWP, były nawet nieco mniejsze niż w latach 1951–1980.
Wydaje się zatem, że zagadnienie siły i kierunków wpływu obserwowanych współcześnie zmian
klimatycznych na wzrost częstości i skalę ekstremalnych zjawisk hydrologicznych w Polsce
(np. maksimów odpływu) jest nadal dyskusyjne, a wnioski nie dają się łatwo sprowadzić do
prostych zależności przyczynowo-skutkowych.
51
Rys. 8. Wskaźniki (A) i indeksy (B) wysokiej wody w Polsce, w przekroju wieloletnim
Rys. 9. Indeksy wysokiej wody dla półkuli północnej (A), Europy (B) i Polski (C),
w przekroju wieloletnim
Na wieloletnią zmienność „powodziowości Polski”, mierzoną IWW, można również
spojrzeć przez pryzmat powodziowości półkuli północnej i Europy (rys. 9). Lata, w których
w Polsce wystąpiło wiele maksimów absolutnych np. 1997 i 1979, w skali półkuli północnej
i Europy nie zaznaczyły się wcale. Jednocześnie lata „powodziowe” w Europie – 1968 i 1995
oraz na całej półkuli północnej (1972 i 1996), w Polsce nie zaowocowały szczególnie licznymi
WWQ. Jedynie rok 1970 zaznaczył się dość wyraźnie zarówno w skali Europy, jak i Polski.
Dostrzec też warto, że dekada lat 80. była okresem niezwykle „spokojnym”. Zarówno w rze-
52
kach półkuli północnej, jak i w rzekach Europy i Polski, zanotowano wówczas bardzo mało
maksimów absolutnych. Liczbowym wyrazem braku istotnej współzmienności IWW w skali
poszczególnych obszarów są niskie współczynniki korelacji obliczone dla okresu 1951-2000:
IWW(PP i EU) – 0,27, IWW(PP i PL) – 0,03, IWW (EU i PL) – 0,03.
LITERATURA
Arnell N., 2002: Hydrology and global Environmental change. Pearson Education, Harlow.
Bartnik A., Jokiel P., 2007: Odpływy maksymalne i indeksy powodziowości rzek europejskich.
Gospodarka Wodna, z.1, Wyd. SIGMA-NOT, Warszawa, s. 28-32.
Bartnik A., Jokiel P., 2008: Odpływy maksymalne i indeksy powodziowości rzek półkuli północnej. Przegl. Geogr., vol. 80, z.3, Wyd. IGPZ PAN, Warszawa, s. 343-365.
Bryndal T., 2009: Przepływy maksymalne odnotowane podczas gwałtownych wezbrań spowodowanych krótkotrwałymi ulewnymi opadami deszczu w małych zlewniach karpackich.
[w:] Bogdanowicz R., Fac-Beneda J. (red.): Zasoby i ochrona wód. Wyd. Fund. Rozw.
Uniw. Gdańskiego, Gdańsk, s. 329-335.
Byczkowski A., 1996: Hydrologia (t.2). Wyd. SGGW, Warszawa.
Ciepielowski A., 1970: Maksymalne wielkości spływów jednostkowych z deszczów nawalnych.
Przegl. Geogr., 15, 2, s. 179-193.
Dębski K., 1970: Hydrologia. Wyd. Arkady, Warszawa.
Dobrowolski A., Czarnecka H., Ostrowski J., Zaniewska M., 2004: Floods In Poland from
1956 to 2001 – origin, territorial extent and frequency. Polish Geological Institute Papers,
t.15, Warsaw, s. 69-76.
Dobrowolski A., Ostrowski J., Kondzielski A., Zaniewska M., 2007: Historyczne i współczesne
rejony występowania powodzi katastrofalnych w Polsce. [w:] Sekutnicki J., KossowskaCezak U., Bogdanowicz E., Ceran M. (red.): Cywilizacja i żywioły. Wyd. IMGW, seria:
Monografie IMGW, Warszawa, s.147-157.
Françou J., Rodier J., 1969: Essai de classification des crues maximales. IAHS/UNESCO/
WMO, s. 518-527.
Herschy R.W., 1998 (red.): Encyclopedia of Hydrology and Water Resources. Kluwer Academic
Publishers, Dordrecht.
Jokiel P., Tomalski P., 2004: Odpływy maksymalne w rzekach Polski. Czas. Geogr., z.1-2,
Wrocław, s. 83-97.
Mikulski Z., 1963: Zarys hydrografii Polski. PWN, Warszawa.
O’Connor J.M, Costa J.E., 2004: The world’s largest floods, past and present-their causes and
magnitudes. US Geological Survey Circular, 1254, s. 13-18.
Ostrowski J., Zaniewska M., 2007: Odwzorowanie i symulacja katastrofalnych fal powodziowych typu” flash flood” w Polsce za pomocą modelu MOREMAZ-2. [w:] Sekutnicki J.,
Kossowska-Cezak U., Bogdanowicz E., Ceran M. (red.): Cywilizacja i żywioły. Wyd.
IMGW seria: Monografie IMGW, Warszawa; s. 177-189.
Ozga-Zielińska M., Kupczyk E., Ozga-Zieliński B., Suligowski R., Niedbała J., Brzeziński
J., 2003: Powodziogenność rzek pod kątem bezpieczeństwa budowli hydrotechnicznych
i zagrożenia powodziowego. Mat. Bad. IMGW, Seria Hydrol. i Oceanol., 29, Wyd.
IMGW, Warszawa.
Rodier J., 1987: Aspekty gidrologii aridnoj zony. [w:] Rodda J.C. (red.): Grani gidrologii.
Gidrometeoizdat, Leningrad, s. 255-307.
Rodier J.A., Roche M., 1984: World Catalogue of Maximum Observed Floods. IAHS Publ.,
No. 143, Wallingford, Oxfordshire.
53
Shaw E.M., 1994: Hydrology in practice. Taylor & Francis Group, New York.
Smith K., Ward R., 1998: Floods. Physical Processes and Human Impacts. John Wiley & Sons,
New York.
Soczyńska U., 1997: Hydrologia dynamiczna. PWN, Warszawa.
Stachý J., Fal B., Dobrzyńska I., Hołdakowska J., 1996: Wezbrania rzek polskich w latach
1951-1990. Mat. Bad. IMGW., Seria Hydrol. i Ocean., 20, Warszawa.
Twaróg B., 2004: Powiązanie podejścia Françou-Rodiera z formułami na obliczanie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia. Mat.
XIV Ogólnop. Szkoły Gosp. Wodnej, nt: „Oceny oddziaływania na środowisko w Polsce
i w standardach Unii Europejskiej”, Paszkówka (maszynopis).
MAXIMUM DISCHARGES AND MAXIMUM RUNOFFS IN POLAND BETWEEN
1951-2006
Summary: In this article the maximum discharges of Polish rivers (WWQ), the maximum runoffs
and Francou-Rodier coefficients (K) calculated for more than 462 water gauges were analyzed.
The analyses were based on IMiGW data from the 1951-2006 period, and the length of observation series always exceeded 20 years. The established encirclement equation for maximum
discharge of Polish rivers was compared with the equivalent formulas obtained for the rivers of
the whole world, with those obtained for the northern hemisphere and with those for Europe. For
the particular basin area, the discharge maxima observed in Poland were several times smaller
than European ones, although this ratio decreased quite quickly with the increasing basin area.
The maximum specific runoffs obtained for Polish river basins were very differentiated. However,
they did not exceed 4.5103dm3s-1km-2. According to the previously introduced idea of “high
water level index” construction – IWW (Bartnik, Jokiel 2007), for each year of the investigated
multiannual period (1951-2006) the number of all maxima (WWQ) registered for Polish rivers
was calculated. In the light of the calculated IWWP, during the last 20-30 years neither the number,
nor the relative magnitude of maximum river discharges in Poland has increased. What is more,
they are even slightly smaller than in 1951-1980. Many absolute maxima were observed in, for
instance, 1997 and 1979. However, in the northern hemisphere and in the European scales they
were not so evident. Simultaneously, the “floody” years in Europe (1968 and 1995) and those
registered for the whole northern hemisphere (1972 and 1996) were not characterized by plenty
of WWQ. Only the 1970s appeared to be quite important in European as well as in the Polish
scale. It is worth noticing that the decade of the 1980’s was an extremely “peaceful” period.
The established number of absolute maxima was very small for the northern hemisphere, for the
European and for the Polish rivers.
Key words: Poland, hydrology, rivers flow, maximum discharge, Françou-Rodier index