poniedziałek, 6 maja 2013

Hydrologiczna zima 2013 w dorzeczu Kani - analiza wstępnych wyników pomiarów hydrometrycznych

Z końcem kwietnia minęło pierwsze półrocze roku hydrologicznego 2013 zwane hydrologiczną zimą. Poniżej przedstawiam roboczy hydrogram codziennych przepływów uzyskany na drodze obserwacji stanów wody oraz pomiarów natężenia przepływu wykonywanych w dwóch profilach na rzece Kani:
  • poniżej ujścia Brzezinki, tj. w km 3+910 biegu Kani,
  • poniżej ujścia Rowu Ostrowskiego (km 0+100) oraz dodatkowo poniżej mostu na drodze do Ostrowa (km 0+500).
Pomiary wykonywane były w momentach charakterystycznych, a więc istotnych z punktu widzenia zmienności natężenia przepływu, tj. przed wezbraniami, w ich trakcie oraz w czasie opadania wody, a także dodatkowo w okresach bezopadowych w celu uzyskania przebiegu krzywej wysychania na hydrogramie. Z oczywistych powodów pomiary codzienne były niemożliwe. Nieciągłości zostały na razie uzupełnione metodą interpolacji, natomiast z czasem zostanie przygotowany model hydrologiczny służący symulacji zmienności przepływu. 
Hydrogram przedstawia średniodobowe wartości natężenia przepływu (rys. 1). Ograniczenie się wyłącznie do obserwacji stanów wody o godzinie 6 UTC, zgodnie ze standardami, w przypadku tak małej zlewni, a więc w warunkach gwałtownego odpływu, byłoby dalece niewystarczające, szczególnie w przypadku wezbrań opadowych.

Rys. 1. Hydrogram przepływu dla rzeki Kani za okres hydrologicznej zimy 2013 
przygotowany dla dwóch profilów pomiarowych

Średni przepływ SQ w analizowanym okresie wyniósł:
  • 0,44 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Brzezinki oraz
  • 0,56 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Rowu Ostrowskiego.
Średni odpływ jednostkowy (Sq) wyniósł więc odpowiednio: 4,9 [l/s/km2] oraz 5,4 [l/s/km2].

Najniższy zaobserwowany przepływ (NQ) osiągnął:
  • 0,06 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Brzezinki (odnotowany w listopadzie) oraz
  • 0,15 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Rowu Ostrowskiego odnotowany w listopadzie, w tym około 0,04 [m3/s] zrzutu z oczyszczalni ścieków w Gostyniu.
Zatem odpływ jednostkowy niski (Nq) wyniósł odpowiednio: 0,7 [l/s/km2] i 1,4 [l/s/km2].

W końcu najwyższy przepływ (WQ) odnotowany 31 stycznia oraz 8 kwietnia wyniósł:
  • około 2,60 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Brzezinki oraz
  • około 3,00 [m3/s] w profilu rzeki Kani poniżej ujścia Rowu Ostrowskiego.
Powyższe wartości oznaczają odpływ jednostkowy wysoki (Wq) na poziomie 28,9 [l/s/km2].

Równocześnie prowadzono obserwacje zdalne natężenia przepływu w profilu wodowskazowym Trąbczyn na rzece Czarnej Strudze (l. dopływ Warty), który potraktowano jako reperowy (zlewnia podobna). Wartości średnie miesięczne za okres hydrologicznej zimy, z tego wodowskazu (czynny, sieciowy wodowskaz IMGW-PIB), przeliczono stosunkiem powierzchni zlewni rzeki Kani (A = 104 km2) do rzeki Czarnej Strugi (A = 414 km2), a następnie porównano (tab. 1).

Tab. 1. Średnie miesięczne wartości natężenia przepływu w rzece Kani 
w profilu poniżej ujścia Rowu Ostrowskiego (km 0+100) w okresie hydrologicznej zimy 2013
Analiza porównawcza treści powyższej tabeli wskazuje, że przeliczanie wartości średnich miesięcznych natężenia przepływu z wodowskazu Trąbczyn na profil pomiarowy rzeki Kani daje całkiem niezły efekt, choć nie do końca zadowalający. Przepływ jest bowiem przeciętnie o prawie 15% niższy, szczególnie w okresie wezbrań - w styczniu i lutym niedoszacowanie przekracza nawet 30%. Wynika to z faktu, iż kulminacje wezbrań na rzece Kani nie zawsze są proporcjonalnie mniejsze w stosunku do notowanych w profilu wodowskazowym Trąbczyn na Czarnej Strudze. Niewykluczone, że średnie miesięczne wartości przepływu w miesiącach wezbraniowych należałoby przeliczać korzystając z formuły zwiększającej przepływ przy mniejszych powierzchniach zlewni.

Nie skorzystałem z możliwości przeliczania przepływu z wodowskazu Kościan na Kanale Obry z powodu antropogenicznie przekształconego ustroju hydrologicznego. Obecność Kanału Wonieść oraz licznych jazów sprawia, że przepływ notowany w Kościanie może nie być miarodajny, zwłaszcza w okresie lata hydrologicznego. Ponadto około 10-krotna różnica powierzchni zlewni między Kanią (104 km2) a Kanałem Obry w profilu Kościan (około 1200 km2) jest zdecydowanie za duża i zgodnie z zaleceniami stosowanymi w hydrologii uniemożliwia uzyskiwanie miarodajnych i wiarygodnych wartości przepływu. Między zlewnią Czarnej Strugi w profilu wodowskazowym Trąbczyn a rzeką Kanią w profilu ujściowym 4-krotna różnica powierzchni zlewni jest i tak nieco za duża, bowiem nie powinna przekraczać 150-200% Jednak z uwagi na brak innych zlewni podobnych (d. analog) i w związku z niezłym rezultatem po przeliczeniu, wydaje się, że w przypadku lat przeciętnych pod względem hydrologicznym można z tej zależności korzystać. Nawet codzienne wartości natężenia przepływu w Trąbczynie, po przeliczeniu na rzekę Kanię, niemal nie różnią się od wartości obserwowanych w rejonie ujścia Kani do Kanału Obry. Dotyczy to zarówno stanów niskich, średnich, jak i średnich wysokich, ale w okresach bezopadowych i z wyłączeniem kulminacji wezbrań. Oczywiście nie zawsze istnieje możliwości porównywania zlewni, nawet przy małych różnicach powierzchni - ważną są także cechy krajobrazu i wynikające z nich czynniki odpływotwórcze. W przypadku zlewni Kani i Czarnej Strugi zachodzi duże podobieństwo wyrażone w proporcjonalności przepływów średnich niskich, średnich oraz średnich wysokich.

Ogólnie biorąc tegoroczna hydrologiczna zima w zlewni rzeki Kani okazała się całkiem normalna, typowa, choć kwiecień nieco zaburzył ten obraz. Z reguły średni przepływ w kwietniu wynosi około 0,5 [m3/s], a nie blisko 1 [m3/s]. Nieco wyższe bywają też przepływu w listopadzie i grudniu. Cechą charakterystyczną tegorocznego sezonu zimowego było powtarzanie się roztopów i wezbrań na przełomie miesięcy: stycznia i lutego, lutego i marca oraz marca i kwietnia.

czwartek, 4 kwietnia 2013

Źródło na zboczu doliny Dąbrówki

W marcu 2013 roku, zupełnie przypadkowo, natknąłem się na źródło zlokalizowane na zboczach doliny strugi Dąbrówki, przy linii kolejowej Kąkolewo-Jarocin. (rys. 1).


Pokaż Źródło na większej mapie
Rys. 1. Lokalizacja źródła nad strugą Dąbrówką

Podczas rozpoznania terenowego w zlewni zalegała 10-20-cm pokrywa śnieżna, a wypływ wody w źródle był mniejszy niż granica oznaczalności. Źródło jest nieznacznie zabudowane kamieniami tworząc mikrozbiornik (rys. 2).

Rys. 2. Źródło na wschodnim zboczu doliny Dąbrówki
fot. własna (celowo rozjaśniona)

Z hydrogeologicznego punktu widzenia wspomniane źródło jest wypływem wody gruntowej, której zwierciadło zalega w na głębokości od kilkunastu centymetrów w dnie doliny Dąbrówki do 1-3 metrów w rejonie wysoczyznowym. Źródło to wzbudziło moje zainteresowanie także z innego powodu (rys. 3).

Rys. 3. Figurka Matki Bożej przy źródle
fot. własna
  
  

środa, 3 kwietnia 2013

Ekstremalnie chłodny marzec w dorzeczu Kani

          Wyniki pomiarów meteorologicznych na stacji synoptycznej Leszno-Strzyżewice wykazały, że średnia miesięczna temperatura powietrza w marcu 2013 roku wyniosła (-2) st. C*, a więc różniła się o blisko 6 st. C od średniej z lat 1971-2000 czy 1981-2010. Tak anomalnego miesiąca nie było w regionie od co najmniej kilkudziesięciu lat.

Rys. 1. Przebieg średniej temperatury dobowej w marcu 2013 roku na tle sytuacji w analogicznym okresie 2006 roku i wielolecia 2001-2010 na stacji synoptycznej Leszno-Strzyżewice
źródło: opracowanie własne na podstawie [1]

Przeciętnie, w latach 2001-2010 średnia temperatura dobowa wahała się od nieco ponad 0 st. C na początku miesiąca do ponad 5 st. C na koniec marca. Z kolei w najchłodniejszym marcu XXI wieku (2006 r.) wartości wahały się od około (-2) do nawet 10 st. C, a więc zachowany był trend wzrostowy. Tymczasem w marcu 2013 roku wartości średniej dobowy temperatury powietrza wahały się od nieco ponad 2 st. C na początku miesiąca do nawet (-10) st. C na początku II i III dekady marca zachowując trend spadkowy, zupełnie odwrotnie do typowej tendencji obserwowanej w wieloleciu (rys. 1).

Na rys. 2 przedstawiono rozkład wartości odchylenia standardowego marcowej średniej temperatury powietrza dla wielolecia 1981-2010, dla stacji synoptycznej Leszno-Strzyżewice, wraz z klasyfikacją termiczną wg kryterium p. prof. Lorenc [2]. Z klasyfikacji wynika, że tegoroczny marzec był ekstremalnie chłodny. Widać jednocześnie, że anomalie ujemne zdarzały się rzadziej, jednak wykazywały większą wartość niż anomalie dodatnie.

Rys. 2. Klasyfikacja termiczna marca kolejnych lat okresu 1981-2010 
wg kryterium odchylenia standardowego dla Leszna-Strzyżewic
źródło: opracowanie własne na podstawie [1]

Analiza zmian średniej miesięcznej temperatury w Lesznie, w latach 1961 - 2012 [3] wskazuje na to, że nie odnotowano dotąd tak zimnego marca. Najchłodniej w przytoczonym okresie było w 1964, (-1,3) st. C. Na pewno więc tegoroczny marzec jest najchłodniejszy od 52 lat. Niemniej można się pokusić o dalszą analizę sięgającą roku 1951. Dla okresu 1961-2013 porównano zmienność średniej temperatury miesięcznej marca w trzech stacjach synoptycznych: Poznań-Ławica, Wrocław-Strachowice i Leszno-Strzyżewice. W oparciu o analizę związków, różnic, ich rozkładu statystycznego wyznaczono pole prawdopodobieństwa przewyższenia określonej wartości temperatury powietrza w Lesznie-Strzyżewicach. Stwierdzono, że tegoroczna średnia marcowa temperatura powietrza nie była wyższa od 1951 roku, a więc od 62 lat. Wcześniej, tylko marzec 1942 roku był wyjątkowo zimny, w Poznaniu ze średnią miesięczną temperaturą (-2) st. C**. We Wrocławiu było wówczas tylko kilka dziesiątych stopnia Celsjusza poniżej zera. Ponieważ w ciągu kilkudziesięciu lat obserwacji średnia temperatura marca w Lesznie zawsze zawierała się w przedziale wartości o granicach wyznaczonych przez temperaturę w Poznaniu i Wrocławiu, z bardzo dużym prawdopodobieństwem można powiedzieć, że również w 1942 roku było cieplej niż obecnie. Niepewność jednak pozostaje, bowiem w roku 2013 średnia miesięczna temperatura powietrza w Lesznie-Strzyżewicach była niższa niż w Poznaniu i jednocześnie niższa niż we Wrocławiu.

Rys. 3. Rekonstrukcja wieloletniej zmienności średniej miesięcznej temperatury powietrza w marcu przygotowana dla Leszna-Strzyżewic w oparciu o związek z wynikami pomiarów we Wrocławiu.
krzywa zielona - temperatura średnia, słupki - przedział wartości z oczekiwaną średnią temperaturą miesięczną marca z prawdopodobieństwiem pond 90%
źródło: opracowanie własne na podstawie [4]

Problem można jednak drążyć dalej, choć zakładając większy błąd oszacowania. Wrocław posiada serię wartości średnich miesięcznych temperatury powietrza, po homogenizacji, sięgającą I połowy XIX wieku (rys. 3) [4]. Dla lat 1961-2007 ustalono średnią różnicę wartości temperatury powietrza między Lesznem i Wrocławiem, a także średnie odchylenie standardowe. Stwierdzono, że uzyskane wartości mają rozkład zbliżony do normalnego, wobec tego jako miarę powtarzalności określonych wartości temperatury powietrza w Lesznie przyjęto dystrybuantę wspomnianego rozkładu. Ogólnie biorąc, z prawdopodobieństwem około 90% można powiedzieć, że tegoroczny marzec, w rejonie Leszna, jest najzimniejszy od 1886 roku, z prawdopodobieństwem około 99%, że jest najzimniejszy od 1917 roku. Biorąc pod uwagę fakt, że marzec 2013 roku jest najchłodniejszy od co najmniej 160 lat w Poznaniu, to jeszcze bardziej uprawdopodabnia tezę o najzimniejszym marcu w okolicach Leszna od II połowy XIX wieku.

Jak wspomniałem, w przypadku Leszna, wydłużenie ciągu wartości średnich miesięcznych temperatury powietrza w marcu z lat 1961-2013 do lat 1791-2013 może być opatrzone pewnym błędem (moim zdaniem niewielkim), niemniej wiele wskazuje na to, że mamy jednak do czynienia z najchłodniejszym marcem od półtora wieku.

Poza wszystkim, w przypadku obliczania średniej miesięcznej temperatury powietrza pozostaje kwestia częstości pomiarów cząstkowych. Aktualnie średnią dobową stanowiącą podstawę obliczeń miesięcznych uzyskuje się z wartości zmierzonych w 8 terminach (godz. 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 UTC), co nie zawsze było standardem.


* - średnia obliczona w oparciu o 8 terminów pomiarowych (godz. 00, 03, 06, 09, 12, 15, 18, 21 UTC); średnia z wszystkich pomiarów (cogodzinnych) to (-2,1) st. C
** - średnia temperatura marca 1942 dla Poznania niepewna (na pewno była wyższa)

Źródła:
[1] OGIMET
[2] Czernecki B., Miętus B. (2011): Porównanie stosowanych klasyfikacji termicznych na przykładzie wybranych regionów Polski. Przegląd Geofizyczny, rocznik LVI, 2011, z. 3-4.
[3] European Climate Assesment nad Dataset
[4] K. Bryś, T. Bryś (2010): Reconstruction of the 217-year (1791-2007) Wrocław air temperature and precipitation series. Bulletin of Geography - physical geography series, No 3/2010, s. 121-171.