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.
Autor: o