Szacowanie natężenia przepływu w warunkach silnego zarastania i wielokierunkowej antropopresji na przykładzie rzeki Dąbrocznej w profilu wodowskazowym Słupia Kapitulna

      Rzeka Dąbroczna jest prawostronnym dopływem Orli, do której uchodzi w km około 19,6. Całkowita powierzchnia zlewni tego cieku wynosi około 237 km2 [2] (rys. 1).

Rys. 1. Mapa lokalizacyjna profilu wodowskazowego Słupia Kapitulna
i profilu hydrometrycznego Kołaczkowice na rzece Dąbroczni

źródło oprac. własne na podstawie [2, 7]*
Odwzorowanie Pseudo Merkator, elipsoida WGS84

      Kilkadziesiąt lat temu Dąbroczna była ciekiem kontrolowanym pod względem hydrologicznym - Państwowa Służba Hydrologiczno-Meteorologiczna posiadała własny wodowskaz w pobliżu miejscowości Słupia Kapitulna, w km 7,4 biegu rzeki (lewy brzeg, w dół od mostu w ciągu drogi Rawicz - Słupia Kapitulna). Łata wodowskazowa była wyskalowana od 200 do 480 cm. Według roczników hydrograficznych wodowskaz założono w 1888 roku. Obserwacje stanu wody były nieciągłe. Stany opublikowane kończą się na roku 1931. W 1955 roku wznowiono obserwacje wodowskazowe, jednak już 8 lat później zostały wstrzymane, jak się okazało tylko na chwilę, bowiem na wniosek i potrzeby Komitetu Przeciwpowodziowego, od lutego 1964 roku kontynuowano odczyty z łaty wodowskazowej. Ostatecznie jednak, z końcem lat 60., obserwacje przerwano na stałe [1].

    Od momentu założenia wodowskazu do lat 60. XX wieku rzędna "0" została zmieniona co najmniej raz. Początkowo wynosiła ona 89,3 m n. Kr., a zmianie uległa najprawdopodobniej w czasie II wojny światowej - rzędną obniżono o około 2 metry. W 1955 rzędna "0" wodowskazu ustalono na 87,1 m n. Kr. [1].

     Aktualnie łata wodowskazowa wyskalowana jest od 200 do 350 cm, chociaż biorąc pod uwagę istnienie obserwacji stanu wody przekraczających 400 cm, w zaroślach może się znajdować kolejna łata chyba, że została uszkodzona, zniszczona itd. W każdym razie stan ostrzegawczy w profilu wodowskazowym Słupia Kapitulna wynosi 350 cm, a alarmowy 380 cm [5]. W 2010 roku (powódź w lutym-marcu i w maju) stan wody przekraczał 400 cm.

Fot. 1. Profil wodowskazowy Słupia Kapitulna (km 7,7; A = 189,55 km2) na rzece Dąbrocznej

Widok z lewego brzegu. Data wykonania zdjęcia: 2013-07-20, koryto silnie zarośnięte
źródło: fot. własna

Fot. 2. Łata wodowskazowa na rzece Dąbroczniej(profil Słupia Kapitulna)

Data odczytu stanu wody: 2013-07-20, H = 230 cm
źródło: fot. własna

      Stan wody 20 lipca 2013 wyniósł 230 cm, jednak trudno na jego podstawie oszacować natężenie przepływu. Z jednej bowiem strony ów stan wynika z podpiętrzenia wody przez roślinność silnie rozwiniętą w korycie, a z drugiej przez jaz znajdujący się poniżej wodowskazu. Pomiar natężenia przepływu wykonany w miejscowości Kołaczkowice, tj. w km 24,73 biegu rzeki (powierzchnia zlewni A = 79,55 km2) wykazał, że Q = 0,012 [m3/s], w tym prawdopodobnie około 0,005 [m3/s] ścieków pochodzących z oczyszczalnie w Pępowie [4] (fot. 3, rys. 2).

Fot. 3. Profil hydrometryczny na rzece Dąbroczni, w rejonie miejscowości Kołaczkowice (km 24,73)

źródło: fot. własna

Rys. 2. Przekrój poprzeczny powierzchni czynnej koryta rzeki Dąbroczni (km 24,73; A = 79,55 km2)
źródło: oprac. własne na podstawie wyników własnych pomiarów

     Aby uzyskać wartość natężenia przepływu (Q) w profilu wodowskazowym Słupia Kapitulna, należy wykonać ekstrapolację liniową wartości z pomiaru przeprowadzonego w Kołaczkowicach, proporcjonalnie do przyrostu powierzchni zlewni. Trzeba przy tym uwzględnić gospodarkę wodną na odcinku Kołaczkowice - Słupia Kapitulna, czyli w praktyce dodać wartość średniodobową zrzutu ścieków z oczyszczalni w Karolinkach (Miejska Górka) oraz zakładów drobiarskich i cukrowni w Miejskiej Górce [3]. Co prawda należałoby uwzględnić również pobór na potrzeby tzw. Zbiornika Balaton w Miejskiej Górce (fot. 4), ale z powodu braku danych o wielkości poboru, który w okresie letnim, dla tego typu obiektów jest z reguły niewielki, rzędu kilku litrów na sekundę, popełnimy mały błąd w szacowaniu przepływu.

Fot. 4. Główne ujęcie wody dla tzw. Zbiornika Balaton w Miejskiej Górce

Na fotografii 5 przepustów przeprowadzających wodę w czasie stanów średnich wysokich i wysokich
(głównie roztopy wiosenne, ewentualnie śródzimowe).

źródło: fot. własna

Pomiar w profilu wodowskazowym jest bardzo utrudniony z powodu gęstej szaty roślinnej i pracy jazu, które powodują zmniejszenie prędkości przepływu na tyle istotne, że pomiar młynkiem hydrometrycznym tylko z tego powodu mógłby być obarczony błędem przewyższającym samą wartość przepływu.

 

źródło: oprac. własne

      Zatem średni przepływ w profilu Słupia Kapitulna, 20 lipca 2013 roku wyniósł 0,052 [m3/s], tj. nieco ponad ćwierć litra na sekundę z kilometra kwadratowego (0,27 l/s km2). Szacowanie natężenia przepływu na podstawie stanu wody przynosi wartość średnią około 0,23 [m3/s] przy rozrzucie od około 0,040 [m3/s] do ponad 0,500 [m3/s], który wynika ze zmiennych warunków wykonywania pomiarów hydrometrycznych - silne zarastanie i praca jazów prowadzące do spiętrzania wody w czasie hydrologicznego lata z jednej strony oraz stosunkowo swobodny odpływ wody w czasie hydrologicznej zimy, przy znacząco zredukowanej roślinności korytowej i otwartych zastawkach oraz jazach, z drugiej strony. Dąbroczna jest prawostronnym dopływem rzeki Orli kontrolowanej w profilu wodowskazowym Korzeńsko (km ~ 16,00; A ~ 1225 km2), gdzie 20 lipca 2013 roku natężenie przepływu wynosiło 1,1 [m3/s] [5]. Przeliczając tą wartość na powierzchnię zlewni 189,55 km2 w profilu Słupia Kapitulna uzyskujemy 0,17 [m3/s]. Jest to jednak wartość czysto teoretyczna. Wydaje się, że ekstrapolacja wartości zmierzonej w Kołaczkowicach, przy uwzględnieniu wpływu największych użytkowników wody w zlewni poniżej, jest bardziej wiarygodna. Oznacza to jednak, że odpływ jednostkowy w tej części Niziny Południowowielkopolskiej (głównie Wysoczyzna Kaliska) jest bardzo zróżnicowany, o czym świadczą wyniki pomiarów hydrometrycznych prowadzone na ciekach odwadniających północny skłon Wysoczyzny.


* Źródłem danych hydrograficznych jest Mapa Podziału Hydrograficznego Polski wykonana przez Zakład Hydrografii i Morfologii Koryt Rzecznych Instytutu Meteorologii i Gospodarki Wodnej na zamówienie Ministra Środowiska i sfinansowana ze środków Narodowego Funduszu Ochrony Środowiska i Gospodarki Wodnej.
________________
Literatura
[1] Ujda K.  (1969): Wodowskazy na rzekach Polski. Część 1: Wodowskazy w dorzeczu Odry i na rzekach Przymorza między Odrą i Wisłą. Wydawnictwa Komunikacji i Łączności.
[2] Rastrowa Mapa Podziału Hydrograficznego Polski 
[3] Internetowe materiały RZGW Wrocław z konsultacji społecznych prowadzonych w ramach opracowania Warunków korzystania z wód regionu wodnego
[4] Aktualizacja Programu Ochrony Środowiska dla Gminy Pępowo na lata 2009-2012 z perspektywą na lata 2013-2016
[5] Program Ochrony Środowiska dla miasta i gminy Rawicz. proGEO, Wrocław 2006.
[6] Monitor Hydro IMGW-PIB
[7] OpenStreetMap

Wpływ użytkowania wody w zlewni rzeki Kani na wielkość odpływu rocznego na przykładzie ZWiK w Gostyniu

     Zlewnia rzeki Kani zajmuje powierzchnię około 110 km2 [1], chociaż według mnie to 104 km2 (różnica wynika z decyzji o wyłączeniu ze zlewni kilku km2 powierzchni zlokalizowanej na północny-zachód od miejscowości Piaski Wielkopolskie). Z punktu widzenia obliczeń hydrologicznych jest to jednak różnica nieistotna.

     Zasoby wodne zlewni kształtowane są przede wszystkim przez procesy naturalne, a więc dopływ wód podziemnych (częściowo alimentowany opadami atmosferycznymi) oraz spływ powierzchniowy (zasilanie opadowe). W poście poświęconym wartości przepływu średniego rocznego w wieloleciu 1981-2010 przyjąłem, że SSQ naturalny dla rzeki Kani w profilu ujściowym wynosi 0,36 [m3/s] [2], co w skali przeciętnego roku hydrologicznego oznacza odpływ 11,36 mln [m3].

    W przedmiotowej zlewni nie prowadzi się poboru wody z koryta rzeki Kani, m.in. ze względu stan jakościowy (stan zły, klasa V) [3]. Gostyń i okolice zaopatrywane są w wodę podziemną czerpaną z GZWP nr 308 (Główny Zbiornik Wód Podziemnych) - Międzymorenowy Zbiornik rzeki Kani. Natomiast rzeka Kania jest odbiornikiem ścieków ze znacznej części gminy Gostyń oraz częściowo z gminy Piaski Wielkopolskie. Zrzut ścieków oczyszczonych przez ZWiK (Zakład Wodociągów i Kanalizacji) w Gostyniu odbywa się rurą o przekroju 800 [mm], której wylot znajduje się w km 3+250 biegu rzeki Kani (rys. 1). Oczyszczalnia działa od 1981 roku. Początkowo wielkość zrzutu w skali roku nieznacznie sięgała około 1,5 mln [m3], ale z upływem czasu, w związku z rozwojem gminy Gostyń i wzrostem liczby jej mieszkańców, ilość ścieków wzrosła o ponad 50%. Niewykluczone jednak, że maksimum produkcji ścieków i konsumpcji wody przypada na przełom lat 80. i 90. XX wieku. Później, w związku ze wzrostem cen wody i ścieków, pobór wody na mieszkańca i produkcja ścieków uległa zmniejszeniu. W ostatnich latach nie obserwuje się istotnych zmian w ilości produkowanych ścieków.

Rys. 1. Lokalizacja profilu zrzutu ścieków z ZWiK w Gostyniu do rzeki Kani (po lewej)
wraz z fotografią (po prawej) - widok w górę rzeki

źródło: oprac. własne, fot. własna;
wykorzystano podkład arkusza Mapy topograficznej Polski  w skali 1:10 000 (GUGiK)

Zrzut ścieków odbywa się na podstawie PWP (pozwolenie wodnoprawne) wydanego 28 października 2002 roku przez Starostę Gostyńskiego na okres nieco ponad 13 lat (31 października 2015 r.). Zgodnie z treścią tego pozwolenia, ZWiK W Gostyniu może odprowadzać ścieki do rzeki Kani w km 3+250 w ilości nie przekraczającej:

          - 474 [m3] maksymalnie w ciągu godziny,

          - 7 000 [m3] średnio w ciągu doby,

          - 8750 [m3] maksymalnie w ciągu doby,

          - 2 555 000 [m3] maksymalnie w ciągu roku.

Oczyszczalnia nie wykorzystuje z reguły maksymalnych możliwości wynikających z pozwolenia wodnoprawnego [4]. W ciągu ostatnich lat (2000-2010) wielkość zrzutu ścieków kształtowała się następująco*:

- około 0,070 [m3] średnio w ciągu sekundy,

- około 250 [m3] średnio w ciągu godziny,

- około 6 tys. [m3] średnio w ciągu doby,

- około 2,2 mln [m3] średnio w ciągu roku.

    Z powyższych danych wynika więc, że oczyszczalnia pracowała na poziomie około 85% możliwości określonych w pozwoleniu wodnoprawnym. Z punktu widzenia rzeki Kani ponad 2-milionowy wzrost wielkości odpływu to znaczny udział (około 20% odpływu naturalnego). W efekcie bowiem odpływ średnioroczny wzrasta z około 0,36 [m3/s] do 0,43 [m3/s]. Najciekawsza sytuacja ma miejsce w szczególnie w czasie lata hydrologicznego, kiedy notuje się najniższe wartości przepływu. Otóż w profilu zrzutu ścieków wartości natężenia przepływu obniżają się do 0,10-0,05 [m3/s], co oznacza, że po przyjęciu ścieków natężenie przepływu wzrasta nawet dwukrotnie. Jak istotne znaczenie dla wielkości przepływu ma zrzut z oczyszczalni ścieków, widać na profilu podłużnym rzeki Kani (rys. 2).

Rys. 2. Profil hydrologiczny (podłużny) rzeki Kani (listopad 2012)

źródło: oprac. własne na podstawie własnych pomiarów hydrometrycznych

     Na rys. 2, poza wyraźnym, skokowym wzrostem natężenia przepływu w rzece Kani (po przyjęciu ścieków z oczyszczalni), zaznacza się niewielki udział zrzutu ścieków z cukrowni w Gostyniu. Jednocześnie widać, że przy przepływach zbliżonych do SNQ (przepływ średni z najniższych rocznych w ujęciu wieloletnim) zrzut z oczyszczalni pełni rolę swoistego dopływu, największego w całej zlewni. Suma natężenia przepływu z wszystkich dopływów rzeki Kani wynosiła w listopadzie 2012 roku niecałe 0,045 [m3/s], a więc była niższa od wielkości zrzutu ścieków z ZWiK w Gostyniu.

     Krótko mówiąc, zrzut oczyszczonych ścieków z ZWiK W Gostyniu do rzeki Kani w km 3+250 powoduje istotny przyrost wielkości natężenia przepływu w ujęciu średniorocznym (o około 20%). W czasie roku suchego udział ten wzrasta do 35%, a w latach wybitnie suchych nawet do 50%. Z kolei w latach hydrologicznych mokrych udział zrzutu ścieków w odpływie obniża się przeciętnie do około 10%. Największy udział, przekraczający okresami 100% wielkości przepływu w profilu bezpośrednio poniżej zrzutu, rejestrowany jest w czasie hydrologicznego lata, ewentualnie podczas niżówki jesiennej, czy zimowej (brak pokrywy śnieżnej, zima mroźna, sucha). Najmniejszy udział (poniżej 5%) notuje się w czasie wezbrań śródzimowych, wiosennych oraz letnich. Poza zrzutem z oczyszczalni ścieków, w zlewni rzeki Kani mamy również zrzut ścieków z innych podmiotów gospodarczych, w tym z cukrowni, ale w skali roku hydrologicznego ich udział w odpływie całkowitym nie przekracza 5%.

_____________________________

[1] Rastrowa Mapa Podziału Hydrograficznego Polski

[2] Przepływ średni roczny z wielolecia na przykładzie zlewni rzeki Kani

[3] Raport o stanie środowiska w Wielkopolsce w roku 2010

[4] Program Ochrony Środowiska gminy Gostyń, Poznań 2004-2005

* - wartości obliczone na podstawie ogólnie dostępnych opracowań z zakresu ochrony środowiska gminy Gostyń oraz rocznych raportów o stanie środowiska w Wielkopolsce autorstwa WIOŚ w Poznaniu

Hydrografia i hydrologia zlewni J. Żelazno

     Zlewnia J. Żelazno położona jest w południowej części powiatu kościańskiego, przy granicy z powiatem gostyńskim (rys. 1). Z hydrograficznego punktu widzenia stanowi część zlewni Kościańskiego Kanału Obry, z którym ma połączenie poprzez kanał odpływowy z Jeziora Żelazno, a dalej Kanał Bielewo-Żelazno.

 

Rys. 1. Lokalizacja zlewni J. Żelazno
na tle podziału administracyjnego województwa wielkopolskiego

(źródło: oprac. własne)

     Zlewnia J. Żelazno zajmuje powierzchnię 6,26 km kw., w tym 0,26 km kw. powierzchni jeziornej, a jej obwód wynosi 14,92 km. Teren jest pagórkowaty z deniwelacjami przekraczającymi 30 metrów. Maksymalna wysokość zlewni wynosi 117 m n. Kr., natomiast minimalna (zwierciadło J. Żelazno) - około 78 m n. Kr. Maksymalna wysokość względna sięga więc niemal 40 metrów.

    Na powierzchni zalegają osady czwartorzędowe zlodowacenia Wisły. Zlewnia leży w strefie marginalnej fazy leszczyńskiej. W krajobrazie zaznaczają się formy czołowomorenowe w postaci długich pagórków o orientacji W-E lub SW-NE zbudowane z glin zwałowych. W oddzielających je obniżeniach zalegają osady piaszczyste, głównie piaski i żwiry wodno-rzecznolodowcowe, a także torfy. W zachodniej części zlewni, w obniżeniu między pagórkami morenowymi, występują terasy kemowe zbudowane z piasków i mułków.

    Sieć hydrograficzna zlewni J. Żelazno ogranicza się do geomorfologicznych osi obniżeń międzymorenowych. Woda spływa z zachodu oraz ze wschodu na południe, do J. Żelazno, a stamtąd kanałem odpływowym do Kościańskiego Kanału Obry.

Długość cieków w zlewni wynosi 5,99 km, co oznacza gęstość sieci cieków równą 1 km/km kw. Najdłuższy ciek biorący swój początek w rejonie Bielewa odwadnia wschodnią część zlewni o powierzchni 3,79 km kw. (63,3%). Krótszy ciek odwadnia zachodnią część zlewni o powierzchni 1,72 km kw. (28,7%) (rys. 2.)

Rys. 2. Mapa wybranych elementów środowiska geograficznego zlewni J. Żelazno

(źródło: oprac. własne)

    Nieco ponad 4% powierzchni zlewni zajmuje misa J. Żelazno (A = 0,26 km kw.). Jego zlewnia bezpośrednia obejmuje 0,48 km kw. (48 ha). Rozpatrywany akwen jest pochodzenia polodowcowego, prawdopodobnie wytopiskowego. W tabeli 1 podano wybrane charakterystyki misy jeziornej.

Tab. 1. Wybrane charakterystyki misy J. Żelazno

źródło: oprac. własne na podstawie pomiarów własnych, informacji z map topograficznych, mapy hydrograficznej, ortofotomapy oraz Interaktywnego Panelu Informacji o Środowisku Województwa Wielkopolskiego

    Jezioro Żelazno ma słabo rozwiniętą linię brzegową, na co wskazuje wartość wskaźnika K (por. tab. 1.) - mniejsza niż 1,25. Swoim kształtem przypomina odwrócone jajko. Długość misy jeziornej jest niemal dwukrotnie większa niż szerokość maksymalna i blisko 3-krotnie większa niż szerokość średnia. Jezioro jest płytkie. Średnia głębokość nie przekracza 5 metrów. Najgłębsze miejsce znajduje się nieco ponad 8 metrów poniżej zwierciadła wody. Pojemność misy wynosi 1,31 mln m sześc. Wskaźnik głębokościowy równy 0,6 wskazuje na kształt misy między paraboidalnym (Wg = 0,5) a półkulistym (Wg ~ 0,67). Na rys. 3 przedstawiono zgeneralizowany plan batymetryczny misy J. Żelazno (generalizacja do skali 1:50 000) wraz z profilami batymetrycznymi.

 

Rys. 3. Plan batymetryczny misy J. Żelazno wraz z profilami batymetrycznymi

źródło: oprac. własne na podstawie Mapy Hydrograficznej Polski

    Jezioro Żelazno jest zbiornikiem przepływowym. Średni roczny dopływ (SQ) do akwenu obliczony wzorem Iszkowskiego wynosi około 20 l/s, co daje roczny dopływ całkowity około 606 tys. m sześc., czyli warstwę 2,3 m wody w misie jeziornej. Poza dopływem wody ciekami zasilającymi jezioro, mamy dopływ ze zlewni bezpośredniej jeziora, niewielki, bo około 2 l/s. Odpływ ze zbiornika, najprawdopodobniej, równy jest dopływowi. Wartość odpływu zmierzona 15 czerwca 2013 roku wyniosła 17 l/s (profil pomiarowy - rys. 4), a więc była zbliżona do średniego rocznego odpływu. Kanał odpływowy przedstawia fotografia poniżej (rys. 5).

Rys. 4. Profil pomiarowy na kanale odpływowym z J. Żelazno

źródło: fot. autora

Rys. 5. Kanał odpływowy z J. Żelazno

źródło: fot. autora

     Korzystając z dwóch pozostałych wzorów Iszkowskiego, tj. na przepływ średni niski roczny w wieloleciu (SNQ) i najniższy niski w wieloleciu (NNQ) uzyskujemy wartości dopływu do jeziora w okresach suchych, najczęściej latem i w czasie głębokiej suszy. Wyniki przedstawiono poniżej:

SNQ = 6 [l/s]

NNQ = 3 [l/s]

    Uzyskane wartości należy traktować bardzo orientacyjnie, ale na ich podstawie można powiedzieć, że cieki zasilające J. Żelazno mogą wysychać zarówno w czasie posuchy, jak w okresie lata hydrologicznego. Wartości przepływu rzędu kilku litrów na sekundę odpowiadają błędowi obliczeniowemu, stąd mogą wskazywać na okresowy charakter zasilania jeziora przez wodę prowadzoną dopływami. Możliwość czasowego zanikania dopływu wody zostanie sprawdzona na drodze pomiarów hydrometrycznych w okresie od VII do X 2013 roku.