piątek, 16 sierpnia 2013

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, jest 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, ale całkiem miarodajną, 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.