wtorek, 12 listopada 2013

Warunki termiczne w ciekach niekontrolowanych na przykładzie rzeki Kani w profilu Ostrowo (most, km 0+540)

Temperatura wody płynącej zależy od dwóch rodzajów czynników:
  • naturalnych, tj. od powierzchniowej wymiany ciepła z atmosferą w procesach radiacji, parowania i konwekcji oraz od turbulencyjnego mieszania, szczególnie w rejonie dopływów,
  • antropogenicznych, do których zalicza się głównie pracę urządzeń hydrotechnicznych, dopływ ścieków systemem kanalizacji deszczowej oraz sanitarnej.
Historia pomiarów temperatury wody na rzekach w Europie sięga końca XIX wieku. W Polsce natomiast regularny zapis temperatury wody w wybranych profilach wodowskazowych rozpoczęto w 1901 roku [1]. Wówczas ciepłotę wody (tak nazywano temperaturę wody) mierzono zgodnie z wytycznymi podanymi przez Forstera w publikacji z 1894 roku [2]. Pomiar wykonywano raz na dobę o godzinie 11 lub dwa razy na dobę między godziną 06:30 a 08:00 oraz między 15:00 a 15:30. Późniejsze badania, głównie zapis z termografów, wykazały wadliwość jednorazowego pomiaru o godzinie 11. Po II wojnie światowej, w roku 1952 i 1953, wprowadzono metodykę standardowych pomiarów temperatury wody wg instrukcji PIHM. Ustalono, że pomiar będzie wykonywany o godz. 06:00 czasu uniwersalnego za pomocą termometru rtęciowego z dokładnością 0,1 st.C przy dokładności przyrządu na poziomie 0,2 st.C. Jest to zasada analogiczna do odczytów stanu wody - łata wodowskazowa wyskalowana jest co 2 cm, a obserwacji dokonuje się z dokładnością 1 cm. Termografy z kolei wprowadzono do użytku w 1930 roku [1]. Aktualnie temperaturę wody mierzą nie tylko obserwatorzy na stacjach wodowskazowych (raz na dobę), ale również czujniki elektroniczne (zapis ciągły, dane z krokiem godzinowym). Dane te dostępne są nieodpłatnie na portalu prowadzonym przez IMGW-PIB [3].

Tradycyjna metodyka pomiaru temperatury wody zakłada jego wykonywanie w profilu wodowskazowym lub jego bliskości, w przybrzeżnej części przekroju czynnej części koryta (wypełnionej wodą), w widocznym prądzie wody (niekoniecznie w nurcie) i głębokości nie mniejszej niż 0,4 m. Zmierzona wartość powinna być reprezentatywna dla całego przekroju koryta. Pomiaru nie należy wykonywać w miejscach z wodą o prędkości bliskiej zero m/s (niemal stojąca), zarośniętych, w pobliżu zrzutu ścieków, wody podgrzanej, dopływów oraz w pobliżu źródeł podwodnych [1].

Rzeka Kani, o czym już wielokrotnie wspominałem, z formalnego punktu widzenia jest ciekiem niekontrolowanym pod względem hydrologicznym - PSHM nie prowadzi obserwacji stanów wody, nie dokonuje pomiaru natężenia przepływu, czy właśnie temperatury wody. Wspomniane zadania prowadzę od 2012 roku, samodzielnie, do celów czysto naukowych. Temperaturę wody mierzą dodatkowo pracownicy WIOŚ (Wojewódzki Inspektorat Ochrony Środowiska) w Poznaniu, delegatura w Lesznie, w miejscowości Ostrowo, na północ od Gostynia. Dane te dostępne są na stronie internetowej tego urzędu [4].

Porównanie wartości temperatury wody mierzonych przez WIOŚ Poznań w rzece Kani, w km 0,5 z wartościami zmierzonymi w rejonie ujścia Rowu Starogostyńskiego oraz Dąbrówki do Kościańskiego Kanału Obry skłaniają do stwierdzenia o odmiennym reżimie termicznym wody w rzece Kani. Co prawda częstość tych pomiarów jest zbyt rzadka do jednoznacznego rozstrzygnięcia, dlatego przez jakiś czas będę prowadził jednoczesne pomiary temperatury wody we wspomnianych ciekach. Jednak faktem jest, że przez większą część roku, przez profil mostu w rejonie miejscowości Ostrowo, przepływa woda podgrzana zrzutem ścieków z ZWiK w Gostyniu, cukrowni w Gostyniu oraz ściekami z systemu kanalizacji deszczowej z miasta Gostynia. Teza ta jest zatem bardzo prawdopodobna.

Profilem wodowskazowym z pomiarem temperatury wody położonym najbliżej rzeki Kani jest Kościan na Kościańskim Kanale Obry. Co do zasady, wartości ST (średnie miesięczne wartości temperatury wody) w profilu niekontrolowanym rzeki kontrolowanej przenosi się za pomocą prostego jednowymiarowego, statycznego modelu termicznego rzeki, a w przypadku cieków niekontrolowanych stosuje się prosty model termiczny dla bardzo małego odcinka cieku [5]. Wymaga on jednak wielu danych meteorologicznych, a uzyskanie niektórych z nich jest bardzo trudne. Ponadto wyniki, tj. wartości średnie dobowe temperatury wody, i tak trzeba traktować orientacyjnie. Ponieważ w przypadku rzeki Kani nie chodzi o obliczanie wartości dobowych, a jedynie miesięcznych, myślę, że można przygotować prosty model regresji zakładający zależność między średnią miesięczną temperaturą powietrza a średnią miesięczną temperaturą wody w cieku. Taka praktyka jest zresztą powszechna. W badaniach często stosuje się model zależności liniowej, chociaż niektórzy badacze twierdzą, że przy takim podejściu nie powinno się wykraczać poza przedział wartości od 0 do 20 st.C [6]. W naszym przypadku ten warunek będzie spełniony.

Teoria mówi, że wraz ze wzrostem odległości od źródeł cieku, woda płynąca się nagrzewa, a jej temperatura zbliża się wyraźnie do średniej temperatury powietrza danego okresu na rozważanym terenie. Wraz ze wzrostem przepływu temperatura wody rzecznej ulega mniejszym zmianom z biegiem cieku. Ponadto w przypadku cieków charakteryzujących się zwiększonym zasilaniem podziemnym, wpływ warunków meteorologicznych na kształtowanie się temperatury wody może ulegać osłabieniu [6]. Profil Kościan położony jest bardzo daleko od rzeki Kani, a więc woda do niego dopływająca jest z pewnością cieplejsza, co może powodować przeszacowanie wartości dla rzeki Kani w profilu km 0+540. Z drugiej jednak strony woda w Kani jest najpewniej podgrzewana zrzutami ścieków różnego pochodzenia. Biorąc to zatem pod uwagę można dojść do wniosku, że zastosowanie zależności między oboma ciekami powinno być całkiem miarodajne.

Na początku ustalono zależność między średnimi miesięcznymi wartościami temperatury powietrza w Lesznie-Strzyżewicach w latach 1956-1970 a średnimi miesięcznymi wartościami temperatury wody w profilu Kościan, w analogicznym okresie (rys. 1).

Rys. 1. Temperatura wody w profilu Kościan (Kościański Kanał Obry)
w funkcji temperatury powietrza w Lesznie-Strzyżewicach w latach 1956-1970
krzywa czerwona - zależność wielomianowa 2-stopnia, krzywa zielona - zależność liniowa
źródło: opracowanie własne na podstawie [1]

 Z rys. 1 wynika, że opisana liniowo i wielomianowo (funkcja kwadratowa) zależność pozwala na wiarygodne i miarodajne oszacowanie wartości temperatury wody, średnio w miesiącu, w oparciu o średnie miesięczne wartości temperatury powietrza. Siła zależności wg współczynnika determinacji wynosi 98%, a wg współczynnika korelacji 99%. Wartość najbardziej odbiegająca od linii trendu dotyczy grudnia i w zasadzie tylko dla tego miesiąca błąd oszacowania przekracza 1 st.C. Co prawda, jak już wspomniano, w literaturze mówi się o modelu liniowym temperatury wody w funkcji temperatury powietrza, ja jednak, w związku z nieco lepszym dopasowaniem, postanowiłem skorzystać z wielomianu 2-stopnia. W celu zweryfikowania miarodajności przyjętego modelu regresji, jako zmienną niezależną wykorzystano wartości średniej temperatury powietrza zmierzone w czasie pomiaru temperatury wody w rzece Kani. Uzyskano bardzo wysoką zgodność (rys. 2).

Rys. 2. Zależność temperatury wody obliczonej od zmierzonej w rzece Kani, w profilu Ostrowo
w układzie roku hydrologicznego
źródło: opracowanie własne na podstawie [4]

Pomimo, iż rys. 2 sugeruje bardzo dobre dopasowanie, należy mieć na uwadze fakt, że średnia roczna temperatura wody uzyskana z 12 wartości chwilowych zmierzonych raz w miesiącu jest zawyżona tak, jak przeszacowana jest analogiczna średnia temperatura powietrza. Wobec tego wykorzystanie modelu regresyjnego z danych Kościańskiego Kanału Obry w profilu Kościan spowoduje, iż oszacowane wartości temperatury wody dla Kani będą nieco zawyżone. Stąd zasadne wydaje się obliczenie średnich miesięcznych wartości temperatury powietrza dodatkowo z zależności ustalonej dla rzeki Kani w ciągu jednego roku (brak dłuższego ciągu danych).
Zatem, korzystając z ustalonych zależności, można oszacować przebieg temperatury wody z krokiem miesięcznym w układzie roku hydrologicznego dla wielolecia 1981-2010 jako miarodajnego dla warunków meteorologicznych w warunkach zmieniającego się klimatu (rys. 3).

 
Rys. 3. Przebieg temperatury wody w rzece Kani, w profilu Ostrowo
w układzie roku hydrologicznego
kolor zielony - wg modelu z Kościańskiego Kanału Obry,
kolor fioletowy - wg modelu z Kani
źródło: opracowanie własne

Przebieg temperatury wody (rys. 3) naśladuje wyraźnie zmiany temperatury powietrza atmosferycznego. Średnia roczna temperatura wody wynosi nieco ponad 11 st. C wg modelu regresyjnego Kościańskiego Kanału Obry oraz nieco ponad 10 st.C dla modelu regresyjnego rzeki Kani (krótki ciąg pomiarowy). Różnica 1 st.C nie jest bardzo istotna, ale różnice widać przy przebiegu miesięcznym. Wyższe wartości obliczone na podstawie danych zarejestrowanych w Kościanie w okresie letnim mogą wynikać z dłuższej ekspozycji wody na warunki atmosferyczne, szczególnie temperaturę powietrza, przed dotarciem do wspomnianego profilu. Skoro więc Kania jest zdecydowanie krótsza, jako miarodajny termogram roczny można przyjąć średnie miesięczne wartości temperatury wody uzyskane z obu modeli regresji, bądź uśrednić jedynie wartości od maja do września pozostawiając wyższe wartości, z modelu Kani, dla pozostałych miesięcy

Ogólnie biorąc można powiedzieć, że zaprezentowana metoda przenoszenia informacji termicznej z profilu kontrolowanego do niekontrolowanego na cieku niekontrolowanym, przy poczynionych założeniach, wydaje się miarodajna i bardzo wiarygodna

_______________________
[1] Atlas hydrologiczny Polski tom II, IMGW, Wyd. Geologiczne, Warszawa 1986.
[5] Ozga-Zielińska M, Brzeziński J. (1994): Hydrologia stosowana; PWN, Warszawa.

piątek, 8 listopada 2013

Wybrane zagadnienia ilościowego bilansowania wodnogospodarczego wód powierzchniowych zlewni niekontrolowanej na przykładzie rzeki Kani

     Bilans ilościowy wód powierzchniowych stanowi istotną część warunków korzystania z wód zlewni oraz regionu wodnego, które wg ustawy Prawo wodne są ważnymi dokumentami planistycznymi gospodarowania wodami oraz instrumentami zarządzania zasobami wodnymi. Aktualnie wykonuje się dwa typu bilansów ilościowych: statyczne i dynamiczne. Pierwsze z nich mają już swoją, dość długą, historię, ponieważ są względnie proste w przygotowaniu, natomiast drugie wymagają wdrażania skomplikowanych procedur matematycznych i implementacji informatycznych; mają bowiem charakter symulacyjny. Ponadto można wyróżnić bilanse ilościowe typu aktualnego i perspektywicznego.

Bilansem wodnogospodarczym w odniesieniu do części ilościowej wód powierzchniowych nazywa się specjalistyczne opracowanie analityczno-rachunkowe wykonywane dla zlewni, a obejmujące ilościowe porównanie zasobów tych wód z potrzebami użytkowników, przy uwzględnieniu pracy obiektów hydrotechnicznych, hierarchii użytkowników, wymogów ochrony środowiska, w powiązaniu z funkcjonowaniem i eksploatacją zasobów wód podziemnych [1].

Na przykładzie rzeki Kani przedstawię uproszczony, statyczny bilans ilościowy wód powierzchniowych. Uproszczenie polega na:
  • przyjęciu miesięcznego kroku czasowego,
  • uwzględnieniu przepływu nienaruszalnego jedynie wg metody parametrycznej Kostrzewy,
  • pominięciu eksploatacji wód podziemnych Międzymorenowego Zbiornika Wód Podziemnych rzeki Kani (GZWP nr 308) oraz ich wpływu na przepływu w bilansowej rzece.
    Celem bilansu rzeki Kani jest wskazanie kolejnych kroków jego przygotowywania, nie zaś ustalenie miarodajnych zasobów wodnych zlewni. Należy przy tym wspomnieć, że Kania jest ciekiem niekontrolowanym w ujęciu wieloletnim i stąd wszelkie dane hydrologiczne obliczono metodami empirycznymi, ewentualnie uwzględniając możliwe zależności regionalne. Stąd, między innymi, wspomniane uproszczenia.
Zasadniczym celem ilościowym bilansu statycznego jest ocena zasobów wodnych, przede wszystkim dyspozycyjnych, w ustalonych profilach bilansowych, zarówno w kontekście aktualnego użytkowania wody w zlewni, jak i jego wymiaru perspektywicznego.

Zgodnie z zapisami Metodyki opracowywania warunków korzystania z wód regionu wodnego oraz warunków korzystania z wód zlewni [2] profile bilansowe powinny być zlokalizowane:
  • na recypiencie powyżej ujść znaczących dopływów,
  • powyżej ujścia do rzeki wyższego rzędu,
  • w profilach zamykających SCWP (Scalone Części Wód Powierzchniowych),
  • w miejscach znaczących poboru wody i zrzutu ścieków,
  • w miejscach usytuowania obiektów hydrotechnicznych kształtujących reżim przepływów,
  • w profilach wodowskazowych i monitoringowych,
  • na granicach jednostek administracyjnych i obszarów RZGW.
Wobec tego dla rzeki Kani ustala się następujące profile bilansowe:

Bilans przygotowano dla miesiąca o najmniejszym i największym średnim miesięcznym przepływie:
  • w wieloleciu 1961-2010 (wrzesień i marzec),
  • w roku hydrologicznym 2012 (wrzesień i marzec),
  • w roku hydrologicznym 2013 (październik i kwiecień).
Dla każdego z wybranych miesięcy, w profilu pomiarowym (głównym) obliczono:
  • przepływ średni miesięczny naturalny SSQm(nat) (1961-2010), SQm(nat) dla IX 2012, III 2012, X 2013, IV 2013,
  • sumę użytkowania (Σi),
  • przepływ średni miesięczny rzeczywisty SSQm(rz) (1961-2010), SQm(rz) dla IX 2012, III 2012, X 2013, IV 2013,
  • przepływ nienaruszalny Qn wg kryterium hydrobiologicznego (metoda parametryczna Kostrzewy),
  • przepływ dyspozycyjny Qd.
Przepływy średnie miesięczne naturalne oraz przepływ nienaruszalny przeliczono w funkcji powierzchni zlewni na pozostałe profile bilansowe. Poza tym, dla każdego profilu, ustaloną sumę użytkowania wody (suma poborów wody i zrzutów ścieków) (Σi) obejmującą użytkowanie jednostkowe (i) rozpatrywanego profilu bilansowego wraz z sumą poborów i zrzutów powyżej. Dysponując wartościami średnich miesięcznych przepływów naturalnych oraz sumą użytkowania, dla każdego profilu bilansowego obliczono:
  • średni miesięczny przepływ rzeczywisty: SSQm(rz) (1961-2010), SQm(rz) dla IX 2012, III 2012, X 2013, IV 2013,
  • średni miesięczny przepływ dyspozycyjny Qd.
Wyniki zamieszczono w tabeli poniżej. Wszystkie wartości podano w metrach sześciennych na sekundę.

Obliczone wartości przepływu dyspozycyjnego, w profilu podłużnym rzeki Kani, przedstawiono na wykresie poniżej.


    Z wykresu wynika, że w warunkach przeciętnych lat 1961-2010, zarówno w miesiącu z największym (marzec) jak i z najmniejszym średnim miesięcznym przepływem (wrzesień), przepływ dyspozycyjny zapewniony jest w całym profilu podłużnym rzeki Kani. W roku hydrologicznym 2012, który z hydrologicznego punktu widzenia był suchy, przepływ dyspozycyjny w miesiącu o największym średnim przepływie był o ponad połowę niższy niż średnio w wieloleciu, a w miesiącu o najmniejszym średnim przepływie, na odcinku od początku cieku do cukrowni w Gostyniu, realnie biorąc nie było już wolnych zasobów, chociaż Qd jest dodatni. Trzeba bowiem pamiętać, że mamy do czynienia z ciekiem, de facto, niekontrolowanym, a więc duża część obliczeń ma charakter teoretyczny i może być obarczona większym błędem, niż wartość przepływu dyspozycyjne rzędu kilku litrów na sekundę. Co prawda wolne zasoby wody pojawiają się poniżej profilu zrzutu ścieków z cukrowni, to jednak nie jest to stałe źródło dopływu, więc na dobrą sprawę, przepływ dyspozycyjny możliwy do wykorzystania pojawia się dopiero poniżej profilu zrzutu ścieków z oczyszczalni. W tym miejscu warto też dodać, że nawet w czasie bardzo głębokiej niżówki i suszy, gdyby przepływ naturalny w rzece Kani zbliżył się do zera, wielkość zrzutu ścieków z ZWiK w Gostyniu na poziomie około 0,07 [m3/s] pozostawiałaby w korycie około 0,01 [m3/s] przepływu dyspozycyjnego.
Z kolei w w roku hydrologicznym 2013 przepływ dyspozycyjny miesiąca z największym średnim przepływem rzeczywistym był porównywalny z warunkami przeciętnymi w wieloleciu, natomiast w przypadku miesiąca najsuchszego układał się nieco poniżej normy.

_____________________________
[1] Tyszewski S. (2008): Zasoby wodne w metodyce jednolitych bilansów wodnogospodarczych (prezentacja Stowarzyszenia Hydrologów Polskich)
[2] Tyszewski S. (2008): Metodyki opracowywania warunków korzystania z wód regionu wodnego oraz warunków korzystania z wód zlewni. PRO-WODA, Warszawa.

środa, 6 listopada 2013

Wybrane wyniki prac obserwacyjno-pomiarowych i wstępna ocena sytuacji hydrologicznej w zlewni rzeki Kani powyżej profilu most w km 0+535

   Zlewnia rzeki Kani, w roku hydrologicznym 2013 (XI 2012 - X 2013), była ciekiem kontrolowanym pod względem hydrologicznym. W dwóch profilach:
  • km 0+535, A = 104 km2 (profil główny),
  • km 3+900, A = 97 km2 (profil kontrolny),
prowadziłem bowiem obserwacje stanów wody (H, cm) oraz pomiary natężenia przepływu (Q, m3/s), ze zmienną częstością:
  • 1 raz lub 2 razy w tygodniu w okresach bezopadowych,
  • kilka razy w tygodniu (na ogół co drugi dzień) w okresach roztopowych oraz opadowych (głównie rozlewnych),
  • kilka razy na dobę w czasie opadów (głównie przelotnych).
    Uzyskane wyniki pozwoliły obliczyć średnie dobowe wartości natężenia przepływu w dniach wykonywania pomiarów. W pozostałym okresie wartości Q były interpolowane, początkowo wg funkcji liniowej (wersja uproszczona, robocza), a następnie wg funkcji zbliżonej do wykładniczej, której parametry oszacowano na podstawie krzywych opadania i wysychania dobranych metodą najmniejszych kwadratów do obliczonych uprzednio średnich, dobowych wartości przepływu.

    Opracowaną bazę codziennych przepływów wykorzystano następnie jako ciąg kalibracyjny w modelu hydrologicznym typu opad-odpływ. Jako dane wejściowe w roboczej wersji modelu użyto średnie dobowe wartości temperatury powietrza oraz sumy dobowe opadów atmosferycznych zarejestrowane na stacji synoptycznej Leszno-Strzyżewice. Graficzny wynik modelu roboczego dla okresu od listopada 2012 do połowy sierpnia 2013 w profilu kontrolnym przedstawia ryc. 1.

 Ryc. 1. Hydrogram obserwowany i symulowany rzeki Kani w profilu kontrolnym (km 3+900, A = 97 km2)

    Jak widać, model nie jest idealny, choć nie taka jest jego rola. Model hydrologiczny stanowi bowiem jedynie pewną aproksymację (przybliżenie) rzeczywistości opisanej danymi obserwacyjnymi i pomiarowymi. Z matematycznego i statystycznego punktu widzenia jakość modelu roboczego należy ocenić na dobrą, o czym świadczy wartość współczynnika NSE i r2 (determinacji) na poziomie blisko 0,78. Oznacza to, że wypracowany model tłumaczy zmiany natężenia przepływu w 78%.
  Analiza hydrogramu wskazuje, miejscami, na znaczne różnice między wartościami obserwowanymi, a wartościami symulowanymi. Ważniejsze przypadki zaznaczono zielonymi elipsami. Pierwszy dotyczy listopada, kiedy zaznacza się zbyt szybkie zmniejszanie się Q w stosunku do rzeczywistości. Jest to widoczne każdorazowo w długich okresach bezopadowych i wymaga dalszych korekt. Najwyraźniej problem uwidocznił się w marcu. Tutaj niezbędna będzie najprawdopodobniej ingerencja w wartości parametrów modelu, szczególnie w zakresie wód podziemnych.
Z drugiej strony model zaniża wartości przepływów maksymalnych w czasie wezbrań, choć nie jest to regułą i w związku z tym pozwala przypuszczać, że zmiana danych wejściowych, szczególnie stacji opadowej z Leszna na położoną bliżej, np. Krzemieniewo lub Szelejewo bądź obliczenie opadu średniego, ważonego dla zlewni rzeki Kani ze stacji opadowych: Dolsk, Szelejewo, Ciołkowo i Krzemieniewo, poprawi kształt wezbrań.
Jak na razie udało się uzyskać symulowany średni roczny przepływ (SQ) niemal identyczny z wartością obserwowaną oraz wysoką zgodność symulowanych średnich miesięcznych wartości przepływu (SQm) z wartościami obserwowanymi.

     Tradycyjnie obliczono wartości przepływów charakterystycznych, głównych I stopnia, tj.: NQ, SQ i WQ, które w profilu główny wyniosły odpowiednio:
  • NQ = 0,15 [m3/s] - listopad 2012 r.,
  • SNQm = 0,25 [m3/s] - średnia z wartości NQm,
  • SQ = 0,50 [m3/s],
  • SWQm = 1,30 [m3/s] - średnia z wartości WQm,
  • WQ = 3,30 [m3/s] - lipiec 2013 r.
    Poniżej profilu głównego (most w km 0+535), rzekę Kanię zasila jeszcze prawostronny dopływ o nazwie Rów Ostrowski. Ponieważ całkowita powierzchnia dorzecza Kani wynosi 110 km2, to ekstrapolacja SQ z profilu głównego na ujście daje średni roczny odpływ rzeką Kanią do Kościańskiego Kanału Obry na poziomie 0,52 [m3/s], co oznacza:
  • całkowity roczny odpływ V = 16,4 mln m3,
  • średni roczny odpływ jednostkowy Sq = 4,7 [l/s km2],
  • warstwę odpływu rocznego H = 0,149 [m],
  • współczynnik odpływu c = 0,25 [-].
    W tym miejscu należy zaznaczyć, że na całkowity odpływu składa się  około 2,2 mln m3 ścieków odprowadzany z Zakładu Wodociągów i Kanalizacji w Gostyniu oraz około 0,3 mln m3 ścieków z cukrowni Pfeifer&Langen Polska. Naturalizacja przepływów w rzece Kani polegająca na odjęciu sumy zrzutu ścieków od obserwowanych wartości natężenia przepływu daje następujące przepływy naturalne (Qnat) w profilu km 0+535:
  • NQ(nat) = 0,08 [m3/s] - listopad 2012 r.,
  • SNQm(nat) = 0,18 [m3/s] - średnia z wartości NQm(nat),
  • SQ(nat) = 0,43 [m3/s],
  • SWQm(nat) = 1,30 [m3/s] - średnia z wartości WQm(nat),
  • WQ(nat) = 3,30 [m3/s] - lipiec 2013 r.
Po naturalizacji można też obliczyć naturalne wartości dla dorzecza Kani:
  • całkowitego rocznego odpływu V ~ 14,0 mln m3,
  • średni roczny odpływ jednostkowy Sq = 4,0 [l/s km2],
  • warstwę odpływu rocznego H = 0,129 [m],
  • współczynnik odpływu c = 0,21 [-].
    
    Poniżej hydrogram roczny średnich miesięcznych przepływów w rzece Kani w profilu głównym (km 0+535) na tle średniego hydrogramu z wielolecia 1961-2010.

Ryc. 2. Hydrogram przepływu naturalnego (Qnat) rzeki Kani w profilu km 0+535 za rok hydrologiczny 2013
 na tle hydrogramu średniego z wielolecia 1961-2010

    Średni przepływ (SQnat) w roku hydrologicznym 2013 w porównaniu z SSQ (1961-2010) jest nieznacznie wyższy, o około 10%, co pozwala stwierdzić, że całościowo analizy rok można uznać na normalny pod względem hydrologicznym. Początek roku (XI, XII) cechował się przepływami niższymi od średnich wieloletnich. Ich zrównanie nastąpiło w styczniu. Wartości wyższe w stosunku do normy obserwowano z kolei w kwietniu, czerwcu i wrześniu. W pierwszym przypadku wynikało z trwającej o blisko miesiąc dłużej zimy z pokrywą śnieżną, co opóźniło ostatnie roztopy, natomiast w czerwcu i wrześniu było skutkiem dużych opadów efektywnych (szczególnie przełom maja i czerwca).
   W tym roku odnotowaliśmy trzy wezbrania roztopowe (styczeń/luty, luty/marzec, marzec/kwiecień) oraz 4 opadowe (maj/czerwiec, czerwiec/lipiec, koniec lipca i wrzesień). W ujęciu wieloletnim roztopy występują najczęściej w lutym. Średni hydrogram za lata 1961-2010 dla rzeki Kani opracowano na podstawie danych obserwacyjnych rzeki Lutyni w profilu wodowskazowym Raszewy oraz zależności regionalnych i wzoru Iszkowskiego. Stąd też słabiej, niż ma to miejsce w rzeczywistości, zaznaczone wezbranie opadowe letnie. Pomimo, iż długie, letnie wezbrania w roku hydrologicznym 2013 oraz dłuższa zima stanowią element nietypowy dla przeciętnego obrazu warunków hydrologicznych w zlewni rzeki Kani, rok 2013 można uznać za zbliżony do normalnego.

wtorek, 5 listopada 2013

Dopływ z Goli czy Rów Starogostyński?

     Dopływ z Goli, wg Mapy Podziału Hydrograficznego Polski, jest lewostronnym dopływem Kanału Mosińskiego, do którego uchodzi w km około 59+740. Z kolei wg Wielkopolskiego Zarządu Melioracji i Urządzeń Wodnych (WZMiUW) w Lesznie recypientem (odbiornikiem) Rowu Starogostyńskiego jest Kościański Kanał Obry, do którego rozpatrywany ciek uchodzi w km około 31+890. W tym miejscu warto zwrócić uwagę na bałagan w hydronimii (nazewnictwo elementów hydrograficznych). W MPHP z jednej strony kanał nazywa się Mosińskim, z drugiej jego zlewnię określa się jako Kanał Obry. Ta ostatnia nazwa funkcjonuje w Państwowym Rejestrze Nazw Geograficznych i ma charakter urzędowy. W dalszej części będę pisał o Kościańskim Kanale Obry, ponieważ ta nazwa ma swoje uzasadnienie historyczne. Pojęcie Kanału Mosińskiego jest tworem sztucznym, wg mnie nieuzasadnionym nie tylko historycznie, ale też nie mówiącym nic o genezie cieku.

Rys. 1. Wybrane elementy i obiekty hydrograficzne zlewni Dopływu z Piasków i Rowu Starogostyńskiego

       Z powyższej mapy (rys. 1) wynika, że zlewnię odwadniają dwa zasadnicze cieki: Dopływ z Goli oraz Rów Starogostyński. Pierwszy z nich bierze swój początek w rejonie wsi Czajkowo, około 3 km na południe od Goli, natomiast drugi w okolicy Rezerwatu Torfowisko Źródliskowe na terenie wsi Stary Gostyń. Oba kończą bieg w korycie Kościańskiego Kanału Obry, na zachód od Stankowa i powyżej jednegoo z wielu jazów. W tym miejscu uwagę zwraca sformułowanie: oba cieki kończą bieg w korycie KKO. Oczywiście jest to niemożliwe. Jeden z nich musi być ciekiem głównym, drugi tylko dopływem. Pytanie jakie się rodzi dotyczy tego, jak je sklasyfikować. Otóż wg WZMiUW ciekiem głównym jest Rów Starogostyński (podobnie podaje Mapa hydrograficzna Polski GUGiK), natomiast na MPHP pojawia się nazwa Dopływ z Goli odnosząca się do głównego cieku zlewni. Takim pojęciem posługuje się też Regionalny Zarząd Gospodarki Wodnej w Poznaniu.
Biorąc pod uwagę fakt, że administratorem zlewni Kościańskiego Kanału Obry w rejonie Gostynia jest WZMiUW w Lesznie posługujący się od lat, pewno kilkudziesięciu, a może i dalej, nazwą Rów Starogostyński, taki hydronim należałoby przyjąć jako obowiązujący i do tego bym się skłaniał. To jest nazwa mająca swoją historię, stosowana przez zarządcę zlewni już od dawien dawna. Dopływ z Goli pojawia się jako realizacja zasady przyjętej przez autorów MPHP, według której ciekom o nieuregulowanym nazewnictwie nadaje się sformułowanie Dopływ z ... lub Dopływ w ..., podając nazwę miejscowości, w rejonie której ciek bierze początek lub przez którą przepływa. I rzeczywiście, biorąc pod uwagę przebieg cieku, nazwa Dopływ z Goli wydaje się słuszna. Uważam jednak, że to dość powierzchowne potraktowanie sprawy. Przyjęta bowiem zasada jest sztuczna, bardzo wygodna, ale nie uwzględnia elementarnej hydrologii zlewni. Otóż nie od dziś wiadomo, że ciek płynący z rejonu Goli ma charakter okresowy. W roku hydrologicznym 2013, który skończył się kilka dni temu (31 października), woda płynęła korytem Dopływu z Goli tylko do lipca. W kolejnych miesiącach koryto było już suche, a przecież nie był to okres suchy, czy tym bardziej wybitnie suchy. Z hydrologicznego oraz meteorologicznego punktu widzenia mieścił się w tzw. normie wieloletniej. Wobec tego czynienie cieku okresowego ciekiem głównym zlewni wydaje się nieuzasadnione. Jedynym ciekiem głównym jest Rów Starogostyński. W minionym roku hydrologicznym woda płynęła w nim ciągle, oczywiście z różnym natężeniem, okresami tylko kilku litrów na sekundę. Tymczasem w korycie Dopływu z Goli, od lipca, ruch wody widoczny był dopiero w rejonie połączenia z Rowem Starogostyńskim, czasami nieco bardziej w górze cieku. Stałe zasilanie zapewnione jest bowiem jedynie w obniżeniu dennomorenowym północnej krawędzi Wysoczyzny Leszczyńskiej, gdzie zwierciadło wody podziemnej pierwszego horyzontu znajduje się na głębokości poniżej 1 metra zasilając cieki lateralnie (bocznie) przez cały rok hydrologiczny. Charakter stały ma także rów melioracji szczegółowych odwadniający wschodnią krawędź Wysoczyzny Leszczyńskiej zasilany młaką (rys. 1 - wypływ wód podziemnych). Ostatnia wizja terenowa wskazała też na stały dopływ z miejscowości Kosowo (rys. 1), chociaż nie wody, a ścieków w ilości kilku dziesiątych litra na sekundę.
       Przykładów niezrozumiałego podejścia do kwestii hydronimów jest w rejonie Gostynia więcej. Można wskazać na Starą Kanię (wg WZMiUW w Lesznie), czyli Dopływ z Piasków (wg MPHP, RZGW w Poznaniu), ciek który nie ma urzędowej nazwy, bowiem nie figuruje w bazie Państwowego Rejestru Nazw Geograficznych (PRNG). Jest to o tyle zaskakujące, że już Rów Bodzewski, znacznie krótszy ciek o blisko 4-krotniej mniejszej powierzchni zlewni niż Dopływ z Piasków (A = 9 km2), znalazł się w PRNG. W tym jednak przypadku zachodzi przynajmniej zgodność w nazewnictwie, bowiem niezależnie od instytucji, mówimy o Rowie Bodzewskim. Zbliżoną powierzchnię do Rowu Bodzewskiego ma Rów Ostrowski (p. dopływ Kani), a mimo to nie znalazło się dla niego miejsce w PRNG, podobnie jak dla Brzezinki (l. dopływ Kani) o powierzchni zlewni blisko 20 km2, która istnieje jedynie w WZMiUW oraz w RZGW.
      Właściwie rozpatrując tych kilka cieków trudno sformułować jasne zasady, według których kwalifikowano liniowe elementy hydrograficzne do państwowej bazy danych PRNG. Nie jest to bowiem ani powierzchnia zlewni, ani długość cieku, ani jego zasilanie, o innych kryteriach hydrologicznych nie wspominając, a przecież nie są to rowy melioracji szczegółowych, lecz cieki melioracji podstawowej będące ponadto odbiornikami ścieków różnego rodzaju, a więc mające znaczenie choćby w bilansowaniu wodnogospodarczym.

piątek, 16 sierpnia 2013

Obliczanie przepływu nienaruszalnego metodą Kostrzewy według kryterium hydrobiologicznego na przykładzie rzeki Kani

     W poprzednim poście (por. tutaj) wspomniałem o metodach obliczania przepływu nienaruszalnego najczęściej stosowanych w Polsce. Więcej miejsca poświęciłem kryterium hydrobiologicznemu (metoda Kostrzewy), ponieważ ma ono umocowanie prawne, stosowane jest w każdym opracowaniu dotyczącym bilansu wodnogospodarczego zlewni lub regionu wodnego, a także dlatego, że może być stosowane w zlewniach niekontrolowanych.

Poniżej przedstawiam tok obliczeniowy przepływu nienaruszalnego wg kryterium hydrobiologicznego w dwóch wariantach:
  • uproszczonym,
  • tradycyjnym (metoda hydrauliczna).
Poniższe obliczenia wykonano dla rzeki Kani w profilu km 3+940 (poniżej ujścia Brzezinki do Kani, odcinek między zbiornikami Cukrowni Pfeiffer&Langen) zamykającego zlewnię o powierzchni około 95 km2*.

Kryterium hydrobiologiczne (wariant uproszczony)

     Hydrologiczną podstawą uproszczonej wersji kryterium hydrobiologicznego w metodzie Kostrzewy jest przepływ średni niski roczny SNQ, który obliczono metodami zaproponowanymi w poprzednim poście (por. tutaj).
  • "Metoda" odpływu jednostkowego ze zlewni podobnej (metoda analogii hydrologicznej),
Pod względem powierzchni zlewni i większości cech fizycznogeograficznych, podobna do Kani jest zlewnia Rowu Polskiego powyżej profilu wodowskazowego Rydzyna (A = 334 km2). Metoda ta jest wprawdzie nieco ryzykowna, szczególnie w międzyrzeczu Kościańskiego Kanału Obry i Baryczy, ale dotychczasowe moje pomiary i obserwacje wskazują na jej dużą przydatność.

  • "Metoda" odpływu jednostkowego zaczerpniętego z Atlasu hydrologicznego Polski [1],
  • Formuła wg Stachy'ego,
Stosowany w formule Stachy'ego średni roczny odpływ jednostkowy pochodzenia podziemnego odczytywany jest z Atlasu... jako przedział wartości. Dla zlewni Kani SSqp mieści się w przedziale od 1,0 do 1,5 [l/s km2]. W obliczeniach przyjęto średnią z przedziału, czyli 1,25 [l/s km2]. Dla wartości skrajnych SNQ zawiera się w przedziale od 0,037 do 0,055 [m3/s].
  • Formuła wg Iszkowskiego,
  • "Metoda" współczynnika redukcyjnego WSNQ dla regionów wodnych.
Dla zlewni nizinnej o powierzchni poniżej 2000 km2 położonej w regionie wodnym Warty współczynnik redukcyjny WSNQ przyjmuje wartość 0,171 [3]. Stąd:

Z obliczeń wynika, że trzy spośród pięciu metod dają zbliżone wyniki (0,043; 0,046; 0,060). Biorąc jednak pod uwagę podobieństwo fizycznogeograficzne zlewni rzeki Kani i zlewni Rowu Polskiego można domniemywać, że wartość SNQ obliczona poprzez analogię będzie najbardziej zbliżona do rzeczywistej. Niemnie, jako SNQ, postanowiono przyjąć średnią z dwóch metod:
  • zlewni podobnej (rz. Rów Polski),
  • formuły Stachy'ego.
Formuła Iszkowskiego na SNQ jest bardzo mało wiarygodna ze względu na znaczne przeszacowanie, co potwierdzają testy przeprowadzone na zlewniach nizinnych, kontrolowanych. Z kolei odpływ jednostkowy średni niski z Atlasu ... jest wartością zbyt uogólnioną, a do tego przedmiotowa zlewnia położona jest na obszarze, gdzie SNQ zależy nie tylko od powierzchni zlewni, ale także od głębokości drenowania warstw wodonośnych. Współczynnik redukcyjny WSNQ opracowano natomiast dla zlewni o bardzo dużym rozrzucie wielkości powierzchni zlewni.

W efekcie uzyskano wartość SNQ = 0,036 [m3/s].

Zatem przepływ nienaruszalny wg kryterium hydrobiologicznego (wariant uproszczony) wynosi:


Jeśli zamiast wartości parametru k = 1 skorzystamy z możliwości jego ekstrapolacji, to zwiększymy przepływ nienaruszalny od około 30 do nawet 50%:


Wydaje się jednak, że nie ma ani społecznych, ani tym bardziej środowiskowych przesłanek do aż takiego zwiększenia przepływu nienaruszalnego. Dla Kani nie oblicza się Qn wg kryterium rybacko-wędkarskiego z powodu, w zasadzie, braku ichtiofauny. Odcinkami, m.in. w rejonie ujścia Dopływu z Piasków do Kani oraz pod mostem w km 2+720 występują ławice niewielkich ryb, ale Kania nie została włączona do żadnej z dwóch ichtiologicznych grup rzek, tj. karpiowatych lub łososiowatych.
Obliczony przepływ nienaruszalny wg kryterium hydrobiologicznego (wariant uproszczony) odpowiada też wartości uzyskanej z metody NFOŚiGW, gdzie Qn = SNQ.

Kryterium hydrobiologiczne (wariant hydrauliczny)

     Wariant hydrauliczny polega na wyprowadzeniu matematycznej zależności między przepływem a jedną z charakterystyk hydraulicznych koryta cieku w profilu obliczeniowym (szerokość, średnia głębokość, średnia prędkość). Na ogół przyjmuje się związek Qn = f(Vśr) i tak uczyniono.

Prowadzone od listopada 2012 roku (rok hydrologiczny 2013) pomiary natężenia przepływu oraz charakterystyk hydraulicznych koryta umożliwiają wyprowadzenie zależności natężenia przepływu od średniej prędkości wody w korycie. Jej graficzną realizację przedstawiono poniżej:


Wyznaczenie Qn na podstawie opracowanej zależności polega na obliczeniu lub odczytaniu z wykresu średniego natężenia przepływu przy prędkości miarodajnej (Vm), która dla rzeki nizinnej o powierzchni poniżej 1000 km2 wynosi 0,20 [m/s]. W sytuacji wyrównania zależności Qn(Vśr) funkcją potęgową, zgodnie ze wzorem ogólnym [4], Qn = 0,046 [m3/s]. Niemniej nieco lepsze dopasowanie uzyskano dla funkcji wykładniczej; w tym przypadku Qn = 0,066 [m3/s]. Z kolei według pomiarów hydrometrycznych prędkość miarodajna charakteryzuje przepływ około 0,075 [m3/s].

Podsumowując można powiedzieć, że po wyłączaniu skrajnych wyników SNQ, przepływ nienaruszalny dla rzeki Kani w analizowanym profilu mieści się w przedziale od 0,36 do 0,054 [m3/s], zależnie od przyjętej wartości parametru k lub funkcji aproksymującej (potęgowa/logarytmiczna). Uśrednienie uzyskanych wartości przynosi Qn = 0,046[m3/s].

Wnioski i spostrzeżenia:
  • Wartości SNQ obliczane metodami empirycznymi są do siebie na ogół zbliżone.
  • Zarówno powyższy przykład, jak i analiza związku SNQ z obserwacji wodowskazowych i SNQ obliczonego formułą wg Iszkowskiego, wskazują na dużą słabość wzoru Iszkowskiego polegającą na znacznym przeszacowaniu obliczanej charakterystyki hydrologicznej.
  • Przepływ nienaruszalny obliczany metodą Kostrzewy, o ile nie ma problemu z wyznaczeniem SNQ, dla zlewni o powierzchniach mieszczących się w granicach zdefiniowanych przez autorkę metody dla poszczególnych typów hydrologicznych rzek, nie stwarza specjalnych trudności. Jeśli jednak obliczenia prowadzone są dla bardzo małych zlewni, pojawia się problem z parametrem k.
  • Uzyskane powyżej wyniki Qn są niejednokrotnie wyższe od SNQ, co sugeruje konieczność ekstrapolacji parametru k; możliwe, że powinien być on większy od 1 tym bardziej, że zlewnie przebadane przez Kostrzewę, mające powierzchnię mniejszą od 500 km2, posiadały wartość parametru k rzędu 1,1-1,2.
  • Wydaje się jednak, co zasygnalizowano powyżej, że nadmierne zwiększanie Qn za pomocą parametru k, w przypadku rzeki nieobjętej klasyfikacją ichtiologiczną dla kryterium rybacko-wędkarskiego, płynącą poza obszarami chronionego krajobrazu, rezerwatami, parkami narodowymi, czy nie będącą siedliskiem gatunków chronionych, nie znajduje uzasadnienia. Wobec tego jako miarodajny można przyjmować Qn równy 0,058 [m3/s].
  • Dyskusyjną, wg mnie, pozostaje kwestia ekstrapolacji lub interpolacji parametru k. W literaturze nie spotkałem jednoznacznych, miarodajnych, obowiązujących zależności funkcyjnych parametru k od powierzchni zlewni, zwłaszcza małych. Problem zaznacza się najwyraźniej w przypadku rzek nizinnych z racji przebadania niewielkiej ich liczby (głównie zlewnie średnie i duże) oraz z powodu znacznej zmienności parametru k.



* - Zależnie od przyjętej mapy do wyznaczania powierzchni zlewni, uzyskuje się wartości od około 90 do 97 km2. Różnica jest niewielka, szczególnie w kontekście szacunkowego charakteru obliczeń przepływu nienaruszalnego.
____________________________________
[1] Atlas hydrologiczny Polski. IMGW, Wyd. Geologiczne, Warszawa, 1987.
[2] Byczkowski A. (1999): Hydrologia. t. 2. Wyd. SGGW, Warszawa.
[3] Tyszewski S. i in. (2008): Metodyka opracowywania warunków korzystania z wód regionu wodnego oraz warunków korzystania z wód zlewni. Pracowania Gospodarki Wodnej PRO-WODA, Warszawa.
[4] Witowski K., Filipkowski A., Gromiec M. (2001): Obliczanie przepływu nienaruszalnego. Zakład Gospodarki Wodnej IMGW, Warszawa.

Przepływ nienaruszalny - podstawy prawne i definicje. Metoda wielokryterialna H. Kostrzewy w małych, niekontrolowanych zlewniach nizinnych

Podstawy prawne i definicje przepływu nienaruszalnego
    
    Przepływ nienaruszalny, jako jedna z nielicznych charakterystyk hydrologicznych, ma umocowanie prawne, tj. ustawowo określoną definicję, według której jest to przepływ minimalnej ilości wody, niezbędnej do utrzymania życia biologicznego w cieku wodnym [1]

Przytoczona definicja, jak niejedna w polskim ustawodawstwie, zawiera błąd o charakterze merytorycznym i językowym. Nie mówimy bowiem o ciekach wodnych, lecz o ciekach. Ciek , ze swej natury, to woda (nic innego) płynąca w korycie pod wpływem siły ciężkości. Z językowego punktu widzenia sformułowanie ciek wodny jest pleonazmem (pot. masło maślane).

Z kolei w załączniku nr 1 pkt 1 (Główne problemy gospodarki wodnej na obszarze dorzecza) do rozporządzenia Ministra Środowiska z dnia 28 kwietnia 2004 roku [2], przepływ nienaruszalny w danym przekroju cieku i dla danego okresu roku zdefiniowano jako umowny, właściwy dla założonego ekologicznego stanu cieku, przepływ, którego wielkość i jakość, ze względu na zachowanie tego stanu, nie mogą być, a ze względu na instytucję powszechnego korzystania z wód, nie powinny być, z wyjątkiem okresów zagrożeń nadzwyczajnych, obniżane przez działalność człowieka (...). Dalej na stronie 8896, czytamy, że wielkością przepływu wód zabezpieczającą założony stan ekologiczny cieku regionu wodnego jest przepływ nienaruszalny. Wielkość tego przepływu jest wyznaczana wg metody Kostrzewy, z uwzględnieniem kryterium hydrobiologicznego i rybacko-wędkarskiego (przeżywalność ryb), lub wg metody małopolskiej. Wielkości przepływów nienaruszalnych są określane na podstawie wielkości przepływów wody.

        Znaczenie przepływu nienaruszalnego jest niebagatelne. Jego obliczanie ma zastosowanie m.in. dla wyznaczania zasobów dyspozycyjnych wody, czy przy projektowaniu budowli hydrotechnicznych. Determinuje możliwości poboru wody, w danym profilu cieku i w danym okresie roku.
Pomimo całkiem precyzyjnej definicji przepływu nienaruszalnego, jego obliczanie, a czasami szacowanie (przy braku ciągów przypływów na ciekach niekontrolowanych), przysparza wielu problemów, a dodatkowo rodzi poważne konsekwencje prawne, społeczne i ekonomiczne o charakterze konfliktów. Wynika to z kilku przyczyn:
  • mnogości (wielości) metod obliczeniowych przy braku jednoznacznych wskazań czy wytycznych nt. warunków stosowalności poszczególnych metod,
  • braku ciągów przepływów, co najmniej dekadowych (10-dniowych), dla cieków niekontrolowanych,
  • konfliktu interesów.
Co prawda w załączniku nr 1 do rozporządzenia MŚ [2] wskazano dwa kryteria metody Kostrzewy (hydrobiologiczne i rybacko-wędkarskie) do wykorzystania w procedurze obliczeniowej przepływu nienaruszalnego (Qn), jednak stoją one częściowo w sprzeczności z fragmentem definicji przepływu nienaruszalnego. Z jednej bowiem strony Qn należy określać dla danego okresu roku, z drugiej kryterium hydrobiologiczne nie daje takiej możliwości - umożliwia bowiem obliczanie Qn jako wartości średniej dla całego roku.

Poza definicjami zawartymi w aktach prawnych, w nauce funkcjonują również inne, zaproponowane m.in. przez Halinę Kostrzewę, J. Florkowskiego czy pracowników IMGW-PIB.
Według Kostrzewy [3] przepływ nienaruszalny to ilość wody wyrażona w m3/s, która powinna być utrzymywana jako minimum w danym przekroju poprzecznym rzeki ze względów biologicznych i społecznych, przy czym konieczność utrzymywania tego przepływu w zasadzie nie podlega kryteriom ekonomicznym.
Z kolei Florkowski [4] uważa, że przepływ nienaruszalny to ilość wody wyrażona w jednostce natężenia przepływu, którą należy pozostawić w danym przekroju poprzecznym rzeki ze względów ochrony środowiska naturalnego. Przepływ nienaruszalny stanowi cechę rzeki. Definicja, w stosunku do Kostrzewy, uogólnia kwestię jednostki natężenia przepływu i zwraca uwagę bardziej na względy ochrony środowiska naturalnego niż względy społeczne.
I na koniec definicja wg poradnika IMGW [5] - przepływ nienaruszalny to graniczna wartość przepływu rzecznego, poniżej której przepływy wody w rzekach nie powinny być zmniejszane na skutek działalności człowieka.


Metoda wielokryterialna wg Haliny Kostrzewy

Jak już wspomniano, istnieje wiele metod obliczania wartości przepływu nienaruszalnego. W Polsce najczęściej stosowane są metody:
- wielokryterialna Kostrzewy,
- Stochlińskiego (tzw. małopolska),
- NFOŚiGW (Narodowy Fundusz Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej),
- ekologiczna.


Zgodnie z rozporządzeniem MŚ [2], swoje umocowanie prawne mają dwa kryteria obliczania przepływu nienaruszalnego metodą Kostrzewy, tj. kryterium hydrobiologiczne i rybacko-wędkarskie [3]. Natomiast ogólnie biorąc, metoda wielokryterialna Kostrzewy polega na obliczaniu przepływu nienaruszalnego wg czterech kryteriów:
- hydrobiologicznego (metoda uproszczona), tj. iloczynu przepływu średniego z najniższych rocznych (SNQ) oraz parametru k:
- hydrobiologicznego (metoda hydrauliczna), tj. związku między wielkością przepływu a charakterystykami hydraulicznymi koryta cieku (średnia głębokość, średnia prędkość, szerokość); najczęściej bada się zależność natężenia przepływu (Q) od średniej prędkości (Vśr):

- rybacko-wędkarskiego, tj. analizy średnich niskich miesięcznych przepływów (SNQm) w poszczególnych fazach życia ryb (karpiowatych lub łososiowatych); dla okresu tarła, rozrodu i wzrostu jako Qn przyjmuje się najniższą wartość SNQm z tych miesięcy:

natomiast dla okresu przezimowania jako Qn przyjmuje się na ogół najniższy NNQm z miesięcy XII-II:
- turystyki wodnej i rekreacji, tj. metody hydraulicznej polegającej na wyznaczeniu takiego przepływu, który zapewni głębokość umożliwiającą uprawianie turystyki i sportów wodnych; zakłada się istnienie zależności funkcyjnej między średnią głębokością w profilu a natężeniem przepływu.

- ochrony środowiska przyrodniczego, czyli zachowanie istniejącej równowagi stosunków wodnych w obrębie parków narodowych, rezerwatów przyrody i stref chronionego krajobrazu.

Kryterium hydrobiologiczne - metoda uproszczona

Kryterium to jest zgodne z rozporządzeniem MŚ [2] i najczęściej stosowane w praktyce hydrologicznej. Jego zaletami są:
  • prostota,
  • możliwość stosowania w przypadku cieków niekontrolowanych,
wadami natomiast:
  • ryzyko przeszacowania w przypadku małych zlewni niekontrolowanych,
  • czysto teoretyczny charakter z powodu obliczania SNQ metodami empirycznymi,
  • problematyczność wyznaczania parametru k.
Hydrologiczną podstawą przepływu nienaruszalnego wg uproszczonego kryterium hydrobiologicznego jest SNQ zdefiniowany w rozporządzeniu MŚ [6] jako średnia arytmetyczna wartość obliczona z minimalnych rocznych przepływów w określonych latach. Jest to bodaj jedyny przepływ charakterystyczny zdefiniowany aktem prawnym. Przy okazji warto wspomnieć, że w tym samym rozporządzeniu zapisano także definicję przepływu nienaruszalnego rozumianego jako przepływ poniżej budowli piętrzącej niezbędny do zachowania życia biologicznego w cieku.

W przypadku cieków niekontrolowanych, SNQ można obliczyć kilkoma metodami:
- przez analogię do podobnej zlewni kontrolowanej, tj. proporcjonalnie do jej powierzchni zlewni wg formuły:
- jako iloczyn średniego niskiego odpływu jednostkowego odczytanego z Atlasu hydrologicznego Polski [7] lub z mapy dostępnej tutaj oraz powierzchni zlewni w profilu niekontrolowanym:
- formułą zaproponowaną przez J. Stachy'ego dla Polski pozakarpackiej [8]:

- wzorem wg Iszkowskiego jako 40% wartości przepływu średniego rocznego w wieloleciu, czasami zredukowanego współczynnikiem v [9]:
 

- iloczynem współczynnika redukcyjnego WSNQ ustalonego dla właściwego regionu wodnego (RZGW) zależnego od powierzchni zlewni oraz przepływu średniego rocznego SSQ:
I krótka ewaluacja wskazanych metod obliczania SNQ. Metoda tzw. analogii hydrologicznej, w przypadku SNQ, może być dość ryzykowna o tyle, że nie we wszystkich regionach Polski zachodzi zależność wprost lub odwrotnie proporcjonalna między SNq a powierzchnią zlewni [10]. Według Walkowicza m.in. w zlewni Kościańskiego Kanału Obry i zlewni rzeki Barycz SNq nie zależy od powierzchni zlewni.
Metoda średniego niskiego odpływu jednostkowego zaczerpniętego z Atlasu hydrologicznego Polski, co do zasady, nie różni się specjalnie od metody tzw. analogii hydrologicznej. Należy bowiem pamiętać, że mapa izorei SNq powstaje na drodze interpolacji wartości SNq obliczonych w poszczególnych profilach wodowskazowych.
Ciekawym i bardzo wiarygodnym rozwiązaniem jest zastosowanie formuły wg Stachy'ego. W tym przypadku należy odczytać średni roczny odpływ jednostkowy pochodzenia podziemnego z [8] lub z Atlasu hydrologicznego Polski, obliczyć średni spadek zwierciadła wody jako iloraz różnicy wysokości między początkiem cieku a profilem obliczeniowym i odległością między nimi, a także wskaźnik jeziorności, tj. udział powierzchni jezior w powierzchni zlewni, jako wartość niemianowaną.
Bardzo słabą metodą obliczania SNQ jest formuła wg Iszkowskiego. Uzyskiwane w ten sposób wartości przepływu średniego niskiego są bardzo przeszacowane, np. dla profilu wodowskazowego Rydzyna na Rowie Polskim SNQ z obserwacji wodowskazowych wynosi około 0,10 [m3/s], a z formuły Iszkowskiego 0,33 [m3/s], z kolei dla profilu Raszewy na rzece Lutyni SNQ z obserwacji wodowskazowych wynosi około 0,26 [m3/s], a z formuły Iszkowskiego 0,72 [m3/s].
Ostatnią metodą, dość rzadko stosowaną, jest iloczyn współczynnika redukcyjnego ustalonego dla poszczególnych regionów wodnych w oparciu o analizę statystyczną przepływów charakterystycznych z lat 1951-1970 zawartych w opracowaniu pt. Przepływy charakterystyczne rzek polskich w latach 1951-1970 (IMGW, Wyd. Komunikacji i Łączności, W-wa 1980) [11].

Parametr k stanowiący współczynnik zmniejszający lub zwiększający Qn wyznaczany jest na podstawie tabeli, zależnie od typu hydrologicznego rozpatrywanego cieku (nizinny, przejściowy, podgórski, górski) oraz powierzchni zlewni.


W przypadku zlewni nizinnych o powierzchni do 1000 km2, parametr k przyjmuje wartość 1. Zatem w praktyce Qn = SNQ, a więc dokładnie tak jak w metodzie NFOŚiGW.
Istnieje jednak tendencja do interpolowania lub ekstrapolowania wartości parametru k. Dla rzek nizinnych zależność k(A) może przyjmować następującą postać graficzną:


Powyższa funkcja jest zbliżona do logarytmicznej. Z wykresu można odczytać, że k dla zlewni o powierzchni 100 km2 wynosi około 1,30. Dla funkcji logarytmicznej niezmodyfikowanej wartość k osiąga 1,51, natomiast dla funkcji potęgowej 2,00. W przypadku rzek nizinnych występuje największa niepewność ekstrapolowanej wartości parametru k. Trzeba też mieć świadomość, że Kostrzewa przebadała raptem 15 cieków nizinnych, przy tym najmniejsza przeanalizowana powierzchnia wynosiła 371 km2 [3] i dla niej parametr k wyniósł około 1,20.

Kryterium hydrobiologiczne - metoda hydrauliczna

Metoda hydrauliczna sprowadza się do ustalenia zależności funkcyjnej między przepływem a charakterystyką hydrauliczną koryta, najczęściej średnią prędkością przepływu. Metoda ta znajduje zastosowanie głównie do cieków kontrolowanych, bowiem aby ustalić zależność Q(Vśr) należy dysponować wartościami przepływów i odpowiadającymi im wartościami średniej prędkości wody w korycie. Dla rzeki Kani, pomimo iż nie jest ona kontrolowana przez PSHM IMGW-PIB, istnieją takie dane (pomiary własne).
Założeniem tej metody jest uznanie średniej prędkości jako ważnego czynnika warunkującego procesy zachodzące w korycie cieku. Prędkość miarodajna (Vm) nie dopuszcza do niekorzystnych zmian morfometrycznych koryta. W Polsce wyznaczono 4 typy rzek i przydzielono im wartości prędkości miarodajnej. Dla rzek nizinnych ustalono Vm = 0,20 [m/s].
Kwalifikacja cieku do określonego typu odbywa się na podstawie średniego rocznego odpływu jednostkowego (SSq). W przypadku rzek nizinnych SSq jest mniejszy od 4,15 [l/skm2].

Cała procedura obliczeniowa przepływu nienaruszalnego wg kryterium hydrobiologicznego (metoda Kostrzewy) dostępna będzie w kolejnym poście - Obliczanie przepływu nienaruszalnego metodą Kostrzewy według kryterium hydrobiologicznego na przykładzie rzeki Kani.


_____________________________
[3] Kostrzewa H. (1977): Weryfikacja kryteriów i wielkości przepływu nienaruszalnego dla rzek Polski. Mat. Bad., Seria: Gospodarka Wodna i Ochrona Wód, IMGW, Warszawa.
[4] Florkowski J. (1991): Propozycja ustalania przepływów nienaruszalnych dla formułowania warunków szczególnego korzystania z wód dorzecza. Hydroprojekt Oddział Kraków.
[5] Witowski K., Filipkowski A., Gromiec M. (2001): Obliczanie przepływu nienaruszalnego. Zakład Gospodarki Wodnej IMGW, Warszawa.
[6] Rozporządzenie Ministra Środowiska z dnia 17 sierpnia 2006 r. w sprawie zakresu instrukcji gospodarowania wodą (Dz. U. Nr 150 poz. 1087)
[7] Atlas hydrologiczny Polski. IMGW, Państwowe Wyd. Geologiczne, Warszawa, 1987.
[8] Byczkowski A. (1999): Hydrologia, t. 2. Wyd. SGGW, Warszawa.
[9] Dołęga J., Rogala R. (1973): Materiały pomocnicze do obliczeń z hydrologii. Skrypt Instytutu Geotechniki PWr, Wrocław.
[10] Walkowicz J. (1988): Zależność SNq od powierzchni zlewni. [w:] Ochrona Środowiska, 1(34).
[11] Tyszewski S. i in. (2008): Metodyka opracowywania warunków korzystania z wód regionu wodnego oraz warunków korzystania z wód zlewni. Pracowania Gospodarki Wodnej PRO-WODA, Warszawa.

Kolejność w zestawieniu źródeł (literatura) odpowiada kolejności ich pojawiania się w tekście.

środa, 14 sierpnia 2013

Czy Brzezinka jest potokiem górskim?

     Tak postawione pytanie może budzić uśmiech, ale tylko pozornie jest ono niedorzeczne. Z punktu widzenia ustawy Prawo wodne wydaje się uzasadnione. Na początek definicja potoku górskiego wg wspomnianego aktu prawnego:

Art. 9. 1. Ilekroć w ustawie jest mowa o:
(...)
9) potokach górskich - rozumie się przez to cieki naturalne o łącznych poniższych cechach:
a) powierzchnia zlewni jest nie większa niż 180 km2,
b) stosunek przepływu o prawdopodobieństwie wystąpienia 1% do przepływu średniego z wielolecia jest większy od 120,
c) spadek zwierciadła wody jest nie mniejszy niż 0,3%;
(...).

     Zatem potokiem górskim jest przede wszystkim ciek naturalny, a więc de facto liniowy element sieci hydrograficznej powstały bez udziału człowieka. W przypadku Brzezinki naturalność cieku można co prawda podważyć, bo w końcu na pewnym odcinku jest ona uregulowana, ale ciek ten wykorzystuje naturalne rozcięcie erozyjne na północno-wschodnim stoku Wysoczyzny Leszczyńskiej, a więc całościowo geneza jego pozostaje naturalna.

    W przywoływanej ustawie nie zdefiniowano potoku górskiego jako cieku płynącego w określonym kontekście krajobrazowym, a więc na przykład w górach, bo te trzeba było z kolei zdefiniować w innym akcie prawnym. Wobec tego potoków górskich można szukać wszędzie.

    Powierzchnia zlewni Brzezinki do profilu kładki przy ul. Strzeleckiej wynosi około 13 km2, a powierzchnia zlewni powyżej profilu ujściowego cieku do Kani niemal 20 km2. Zatem spełnione jest kryterium z pkt. 9 ppkt. a).

Nieco bardziej skomplikowana jest realizacja ilorazu (stosunku) przepływu o prawdopodobieństwie przewyższenia 1% do przepływu średniego z wielolecia. Nawiasem mówiąc, stosowanie sformułowania prawdopodobieństwo wystąpienia zamiast przewyższenia jest błędem metodycznym wynikającym z niezrozumienia istoty rachunku prawdopodobieństwa, szczególnie w hydrologii. W każdym razie, w pierwszej kolejności należy wyznaczyć SSQ, czyli przepływ średni roczny w wieloleciu.
Najbezpieczniej byłoby uzyskać taką daną wprost z obserwacji wodowskazowych. Brzezinka jest jednak ciekiem niekontrolowanym pod względem hydrologicznym. Nie istnieją zatem stany czy tym bardziej przepływy (dobowe, miesięczne czy inne). Wobec tego SSQ należy obliczyć metodami empirycznymi lub innymi, np.
  • wzorem wg Iszkowskiego,
  • iloczynem powierzchni zlewni i SSq (średni roczny odpływ jednostkowy w wieloleciu - Atlas hydrologiczny Polski IMGW),
  • przez analogię do cieku kontrolowanego o podobnych właściwościach fizycznogeograficznych zlewni.
     Wzór Iszkowskiego jest dość stary, ale całkiem skuteczny, oczywiście o ile dysponujemy wiarygodnymi danymi wejściowymi, tj. przeciętną roczną sumą opadów atmosferycznych w przyjętym wieloleciu oraz współczynnikiem odpływu.
Pierwszy problem to ustalenie miarodajnej przeciętnej sumy rocznej opadów atmosferycznych w zlewni Brzezinki. W latach 1954-1981, w Gostyniu funkcjonował posterunek opadowy. Dla Leszna z kolei dysponujemy wartościami sumy opadów atmosferycznych od 1961 roku. Zatem dla wspólnego okresu 1961-1981 roczna przeciętna suma opadów wyniosła 553 mm (Leszno) i 591 mm (Gostyń). Ponieważ chciałbym się posłużyć 50-leciem 1961-2010, muszę obliczyć przeciętną sumę opadów atmosferycznych dla Gostynia z proporcji Leszno-Gostyń. Średnia suma opadów atmosferycznych w Lesznie-Strzyżewicach w latach 1961-2010 wyniosła 544 mm, co oznacza, że w Gostyniu, prawdopodobnie, spadło około 581 mm przeciętnie każdego roku w przywołanym 50-leciu.
Problematyczne jest również wskazanie miarodajnego współczynnika odpływu wg Byczkowskiego lub Iszkowskiego, tzn. 0,20 (bagna i niziny) czy 0,25 (niziny i płaskie wysoczyzny). Biorąc pod uwagę odmienność zlewni Brzezinki w stosunku do Kani, czy Dąbrówki, można przyjąć średnią 0,225 lub, bez interpolacji, 0,25.
Wobec tego podstawiając zebrane dane do wzoru Iszkowskiego na SSQ:

uzyskujemy średni roczny przepływ równy 0,054 [m3/s]. Oczywiście, zamiast c (współczynnik odpływu) równego 0,225 można podstawić 0,25 - kwestia zastosowanej wartości jest niepodważalna o tyle, że nie można udowodnić, która z nich jest miarodajna, a więc na dobrą sprawę jedyna i słuszna.


Druga możliwość wyznaczenia SSQ wymaga odczytania wartości SSq z mapy w Atlasie hydrologicznym Polski [2] lub znaleźć mapę średniego rocznego odpływu jednostkowego w zasobach internetowych (np. tutaj). Średni roczny odpływ jednostkowy (nie należy używać pojęcia spływu jednostkowego, ponieważ jego obliczenie wymagałoby wydzielenia warstwy spływu powierzchniowego z odpływu całkowitego) wynosi 3 [l/skm2], a więc SSQ sięga 0,039 [m3/s].
Najtrudniejsze jest jednak znalezienie zlewni kontrolowanej, podobnej do Brzezinki, posiadającej zbliżoną powierzchnię, poniżej 50 km2. Z moje wiedzy wynika, że taka nie istnieje. Program tzw. małych zlewni prowadzony był, czy ewentualnie jest w szczątkowej formie, w górach.

     Drugi element to przepływ maksymalny roczny o prawdopodobieństwie przewyższenia 1% (Qmax,1%). I ponownie, w związku z tym, że Brzezinka jest zlewnią niekontrolowaną trzeba się odwołać do formuł empirycznych. Zgodnie z metodyką wyznaczania przepływów maksymalnych o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia [1], dla zlewni niekontrolowanych o powierzchni do 50 km2 i udziale powierzchni nieprzepuszczalnych poniżej 5%, w południowej części dorzecza Warty stosuje się formułę opadową [1].


Tą metodą uzyskuje się wartość Qmax,1% = 6,33 [m3/s]. Stąd stosunek Qmax,1% do SSQ (0,054-0,060) mieści się w przedziale od 106 do 117, a więc teoretycznie niespełniony jest warunek z Art 9.1. pkt 9, ppkt. b. Jeśli jednak przyjmiemy SSQ na poziomie 0,039 [m3/s], to uzyskamy już 162, a dla średniego SSQ = 0,051 [m3/s] (średnia z 0,054; 0,060 i 0,039) - 124. Czyli Brzezinka spełnia kryteria potoku górskiego.
Można też inaczej udowodnić, że Brzezinka jest potokiem górskim. Wystarczy zastosować metodę Wołoszyna do obliczania przepływów maksymalnych rocznych o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia [1].


Uzyskuje się wtedy Qmax,1% = 7,40 [m3/s], a iloraz Qmax,1% do SSQ mieści się w przedziale od 123 do 137, a więc spełnione jest kryterium z ppkt. b. Z kolei dla SSQ = 0,039 [m3/s], iloraz wynosi 190, a dla SSQ = 0,051 [m3/s] - 145. Gdyby uśrednić wartości Qmax,1% z formuły opadowej i Wołoszyna oraz wartości SSQ, to wspomniany iloraz mieści się w przedziale od 114 do 176 (średnio 135).

Oczywiście, metoda Wołoszyna ma zastosowanie w dorzeczu górnej i środkowej Odry, ale nie można powiedzieć, że jest ona niemiarodajna dla południowych krańców dorzecza Warty. Należy bowiem pamiętać, że zlewnia Brzezinki leży w strefie granicznej dorzecza środkowej Odry i Warty, a stosowanie metod empirycznych wymaga pewnej elastyczności. Absolutnie niewskazane jest utrzymywanie sztywnych granic stosowalności tych metod.

I ostatnie kryterium - nachylenie zwierciadła wody. Oblicza się je jako iloraz różnicy wysokości zwierciadła wody w punkcie początkowym cieku i w profilu obliczeniowym oraz długości cieku na tym odcinku. W przypadku Brzezinki mówimy o różnicy około 5 m na 1 km odległości, czyli o nachyleniu rzędu 0,5%. Kryterium z ppkt. c (Art. 9.1. pkt 9) jest spełniony.

     Zatem, z dużym prawdopodobieństwem graniczącym z pewnością można stwierdzić, że Brzezinka spełnia kryteria ustawy Prawo wodne ws. potoków górskich. Dodatkowo, jeśli powyższe obliczenia zastosujmy dla całej zlewni Brzezinki, a więc włączymy jej miejską część (około 7 km2), to w związku z większym spływem powierzchniowym w mieście (tereny nieprzepuszczalne), uzyskamy w praktyce taki przepływ Qmax,1%, który nawet dla SSQ = 0,060 [m3/s] będzie oznaczał iloraz obu wielkości przekraczający 120.  

Powyższy post ma charakter naukowego wywodu i nie rodzi konsekwencji prawnych wynikających z uznania Brzezinki za potok górski.

 Fot. 1. Brzezinka w czasie wezbrania roztopowego (roztopowo-opadowego) w lutym 2012 r.
Przepływ w czasie wykonania zdjęcia wyniósł około 1,0 [m3/s]

     Zupełnie na marginesie można podać, że Brzezinka faktycznie posiada cechy cieku górskiego lub podgórskiego. Świadczy o tym choćby wartość współczynnika nieregularności przepływów rozumianego jako iloraz przepływu absolutnie najwyższego (WWQ) do absolutnie najniższego (NNQ). Co prawda, jak wspomniano, Brzezinka jest ciekiem niekontrolowanym, ale znane są materiały nt. zasięgu powodzi w zlewni, m.in. w latach: 1854, 1926, 1937, 1957, 2012. Powodzi o różnym zasięgu było więcej (lata 70., 80. XX w.). W każdym razie, opierając się na informacjach o zasięgu największych zalewów można wnioskować, że WWQ wyniósł co najmniej 6-7 [m3/s].
Natomiast NNQ można szacować na blisko 0,0 [m3/s]. Ponieważ jednak w mianowniku 0 (w matematyce klasycznej) nie występuje, można przyjąć 0,001 [m3/s], czyli 1 [l/s]. Niejednokrotnie bowiem się zdarzało, że Brzezinka albo wysychała, albo przepływ był poniżej dolnej granicy oznaczalności. Wobec tego współczynnik nieregularności przepływów wynosi 6000-7000. Dla porównania warto podać, że WWQ/NNQ dla Kani może osiągać 300-400, dla Dąbrówki 1000-2000, a dla górskich odcinków rzeki Bystrzycy czy Ślęzy 5000-10000, a dla krótkich i stromych potoków górskich nawet 15000.


______________________________
[1] - Metodyka obliczania przepływów i opadów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla zlewni kontrolowanych i niekontrolowanych oraz identyfikacji modeli transformacji opadu w odpływ. Raport końcowy. Warszawa, 2009.
[2] Atlas hydrologiczny Polski. IMGW, Warszawa, 1987.