Human influence on functioning of the mountain fluvial systems

JOANNA KORPAK∗, KAZIMIERZ KRZEMIEŃ∗∗, ARTUR RADECKI-PAWLIK∗∗∗ WPŁYW DZIAŁALNOŚCI CZŁOWIEKA NA FUNKCJONOWANIE GÓRSKICH SYSTEMÓW FLUWIALNYCH HUMAN INFLUENCE ON FUNCTIONING OF THE MOUNTAIN FLUVIAL SYSTEMS Streszczenie W artykule przedstawiono współczesny stan wiedzy o przyczynach zmian karpackich koryt oraz ich reakcji na róŜne interwencje. Zaprezentowano teŜ kilka nowoczesnych, alternatywnych rozwiązań w kwestii zarządzania górskimi systemami fluwialnymi. Słowa kluczowe: koryta górskie, regulacja koryt, pobór rumowiska, utrzymanie koryt Abstract The article demonstrates the present state of knowledge about the reasons of Carpathian channel changes and channel response to various interferences. A range of modern alternative solutions in the matter of mountain fluvial system management is also presented. Keywords: mountain channels, channel training, gravel mining, maintaining of channels ∗ Dr Joanna Korpak, Instytut InŜynierii i Gospodarki Wodnej, Wydział InŜynierii Środowiska, Politechnika Krakowska. ∗∗ Prof. dr hab. Kazimierz Krzemień, Instytut Geografii i Gospodarki Przestrzennej, Wydział Biologii i Nauk o Ziemi, Uniwersytet Jagielloński. ∗∗∗ Prof. dr hab. inŜ. Artur Radecki-Pawlik, Katedra InŜynierii Wodnej, Wydział InŜynierii Środowiska i Geodezji, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie. 56 1. Wstęp Doliny rzeczne w Polsce ulegają od stuleci przekształcaniu i zagospodarowywaniu. Szczególnie wraŜliwe na wszelkie ingerencje są koryta rzek górskich. WdraŜana w Polsce Ramowa Dyrektywa Wodna (RDW) Unii Europejskiej obliguje do zmiany w sposobie zarządzania systemami fluwialnymi w celu poprawy ich stanu ekologicznego. Aby temu zadaniu sprostać, naleŜy najpierw zbadać sposób wykształcenia i funkcjonowania koryta, a następnie rozpoznać przyczyny jego zmian i tendencje rozwoju. Dopiero wtedy moŜna rozwaŜać scenariusze działań słuŜących poprawie stanu ekologicznego koryta [5]. Niniejszy artykuł zwraca uwagę na rolę właściwego zarządzania terenami nadrzecznymi, a jego przesłaniem jest zachęcenie do współpracy hydrotechników z przedstawicielami nauk przyrodniczych. 2. Rozpoznanie struktury i dynamiki górskich koryt rzecznych Struktura i dynamika koryta są wynikiem jego ewolucji w długim okresie. Na rozwój koryta wpływają czynniki naturalne i antropogeniczne. W profilu podłuŜnym kaŜdego koryta moŜna wyróŜnić odcinki morfodynamiczne, które róŜnią się wykształceniem i funkcjonowaniem [6]. Nie są one jednak od siebie niezaleŜne, ale tworzą jeden spójny system, w którym kaŜda zmiana moŜe wywołać wiele dalszych zmian w róŜnych odcinkach. Aby zrozumieć sposób funkcjonowania koryta, naleŜy przeprowadzić badania na całej jego długości. Do takich badań moŜna zastosować metodę wypracowaną w Zakładzie Geomorfologii Instytutu Geografii i Gospodarki Przestrzennej UJ [2]. Głównym źródłem informacji jest kartowanie terenowe, uzupełnione analizą map i zdjęć lotniczych. W raptularzu zbierane są jakościowe i ilościowe dane dotyczące kolejnych odcinków koryta, cech hydrodynamicznych rzeki i morfometrycznych zlewni. Poznawszy zróŜnicowanie struktury i dynamiki koryta, moŜna wskazać miejsca najbardziej zmienione oraz prawdopodobne przyczyny tych zmian. 3. Przyczyny zmian koryt Przekształcenia koryt rzecznych są zjawiskiem naturalnym. W ostatnich dziesięcioleciach zmiany koryt górskich osiągnęły jednak niespotykaną skalę i tempo. Przede wszystkim koryta zmieniły przebieg z wielonurtowego lub meandrującego w jednonurtowy prosty lub kręty i uległy znacznemu pogłębieniu od 1,0 m do 4,0 m [3]. Badania wykazują, Ŝe głównym sprawcą tych zmian jest człowiek, który pośrednio lub bezpośrednio ingeruje w funkcjonowanie systemów korytowych [5]. 3.1. Wpływ uŜytkowania ziemi w zlewniach Przez stulecia karpackie stoki były uŜytkowane rolniczo, natomiast od początku II połowy XX w. obserwuje się stopniowe przekształcanie gruntów ornych na uŜytki zielone [4]. Zmniejszenie powierzchni gruntów ornych przy jednoczesnym zadarnianiu lub zalesianiu stoków zwiększyło zdolności retencyjne zlewni. Znaczne zmniejszenie spływu wód opa- 57 dowych i roztopowych spowodowało redukcję rozmiarów spłukiwania materiału zwietrzelinowego do koryt. NiedociąŜone rumowiskiem rzeki wykazują tendencję do pogłębiania swych koryt. 3.2. Wpływ eksploatacji rumowiska korytowego Masowa eksploatacja Ŝwirów z den karpackich koryt rzecznych rozpoczęła się po 1945 r. W jej wyniku zniszczeniu ulega naturalne obrukowanie dna chroniące koryto przed pogłębianiem [7]. Dno koryta obniŜa się w miejscu poboru materiału oraz w odcinku leŜącym powyŜej niego. W wyniku wcinania się rzeki niszczone są budowle regulacyjne i filary mostów. Utrata stabilności dna i brzegów koryt zwiększa ponadto potencjalne skutki wezbrań powodziowych. 3.3. Wpływ zabudowy regulacyjnej szerokość [m] Koryta rzek karpackich regulowane są od początku ubiegłego stulecia, ale szczególne natęŜenie prac odbywało się w latach 60. i 70. XX w. PoniŜej opisano wpływ najpopularniejszych typów regulacji na funkcjonowanie systemu fluwialnego. odległość od ujścia [km] 1– 2– 3– 4– 5– Rys. 1. Regulacja za pomocą ostróg koryta Porębianki w Podobinie w 1962 r.: A – zmiana przebiegu koryta, B – zmiana szerokości koryta po regulacji i po powodzi w 1970 r. Fig. 1. The Porębianka River chanel training with groynes in Podobin in 1962: A – change of the channel course, B – change of the channel width after training and after flood in 1970 58 wysokość [m n.p.m.] Celem ostróg jest wyprofilowanie nowego, jednodzielnego przebiegu koryta na odcinkach naraŜonych na erozję boczną (rys. 1A). Następuje wyprostowanie, skrócenie i zwęŜenie koryta. W tego typu „kanale” zwiększa się spadek i energia przepływu wody, co powoduje pogłębianie koryta na odcinku wzdłuŜ zabudowy i powyŜej niego (wynika to z analizy zwykłej krzywej równowagi). Zerodowany materiał deponowany jest poniŜej uregulowanego odcinka. Koryto zostaje spłycone i wzrasta zagroŜenie powodziowe. Po jakimś czasie, zwykle w efekcie duŜego wezbrania, ostrogi ulegają zniszczeniu i rzeka poszerza swe koryto kosztem nieumocnionych juŜ brzegów (rys. 1B) [5]. PrzewaŜnie brzegi te są juŜ zagospodarowane, co podnosi straty ekonomiczne. Rolą zapór przeciwrumowiskowych jest zatrzymanie transportu rumowiska. Budowle te dzielą system fluwialny na dwa odcinki, które rozwijają się niezaleŜnie od siebie (rys. 2A). Modelowane są one przez róŜne procesy: powyŜej zapory dominuje depozycja rumowiska, a poniŜej erozja wgłębna. W obrębie zbiornika i cofki zapory podnosi się poziom dna koryta, co zwiększa zagroŜenie powodziowe (rys. 2B). Odcinek poniŜej zapory jest pogłębiany i zwęŜany, część dawniej aktywnego koryta przekształca się w terasę. Erozja wsteczna powoduje stopniowe niszczenie budowli. System odzyskuje chwilową łączność jedynie podczas wielkich wezbrań [4]. odległość od ujścia [km] Rys. 2. Zapora przeciwrumowiskowa z 1961 r. w korycie Mszanki w Mszanie Górnej: A – róŜny rozwój koryta poniŜej i powyŜej zapory, B – zmiany poziomu dna koryta poniŜej i powyŜej zapory Fig. 2. Debris dam from 1961 in the Mszanka River channel in Mszana Górna: A – different channel development upstream and downstream from debris dam, B – changes of channel bed level upstream and downstream from debris dam Efektem zastosowania korekcji stopniowej jest jednodzielne koryto o niewielkiej krętości i regularnym kształcie profilu poprzecznego, przedzielone stopniami zmniejszającymi spadek. Sztuczna, jednolita na całym odcinku szerokość koryta jest niedopasowana do zmiennych przepływów rzeki w ciągu roku [4], [5]. Podczas niskich stanów wody koryto jest za szerokie, natomiast podczas wysokich stanów szerokość koryta jest za mała (woda, nie mogąc się zmieścić w korycie, eroduje dno i brzegi, niszcząc stopnie i umocnienia brzegowe). 59 NiezaleŜnie od rodzaju zabudowy hydrotechnicznej, jej wpływ nie dotyczy tylko zmienionego miejsca, ale zaznacza się na znacznie dłuŜszych odcinkach koryta [4, 5]. Przekształcenia morfologii koryta wpływają na modyfikacje w innych komponentach środowiska przyrodniczego. Przerwanie ciągłości systemu korytowego oznacza przerwanie ciągłości korytarza ekologicznego rzeki. Wraz z pogłębianiem następuje wymywanie drobnych frakcji z rumowiska i ujednolicenie materiału dennego, co wpływa na zmniejszenie bioróŜnorodności w rzece. ObniŜanie się dna koryta powoduje wzrost wysokości brzegów – rzeka rzadko występuje na tereny dawniej zalewowe, które nie są wobec tego uŜyźniane i ulegają osuszaniu. ObniŜeniu ulega zwierciadło wód podziemnych. Miejscowo wykonywane regulacje nie rozwiązują teŜ problemu ochrony przeciwpowodziowej. Przeciwnie – zagroŜenie powodzią wzrasta zwykle poniŜej uregulowanego odcinka, a zatem „przesuwa się” w kierunku ujścia. Tu z kolei skutki powodzi są duŜo dotkliwsze, gdyŜ tereny w dolnych biegach rzek są bardziej zagospodarowane. Stosowane do tej pory systemy regulacji koryt górskich okazują się nie tylko szkodliwe dla środowiska, ale równieŜ nieefektywne w dłuŜszym czasie. Współcześnie, w myśl RDW, zaleca się stosowanie nowoczesnych rozwiązań regulacji koryt, uwzględniających potrzebę zachowania rzek w stanie jak najbardziej zbliŜonym do naturalnego. 4. Bliskie naturze rozwiązania utrzymania koryt rzek górskich Najlepszym działaniem w celu właściwego utrzymania górskich systemów fluwialnych byłoby pozostawienie rzekom szerokiego korytarza swobodnej migracji w granicach obszaru zalewowego [1]. Oczywiście, przy aktualnym stanie zagospodarowania terenów nadrzecznych w Karpatach, jest to w wielu wypadkach niemoŜliwe. Trzeba jednak zapobiec dalszej rozbudowie infrastruktury w obszarach zalewowych. W sytuacjach konieczności ingerencji naleŜy stosować takie typy budowli, które naśladują naturalną morfologię i dynamikę systemu korytowego [5]. Przykładem są bystrza o zwiększonej szorstkości, które spełniają zadania tradycyjnych stopni (redukują spadek koryta), ale, w przeciwieństwie do nich, umoŜliwiają migrację ryb i bentosu, sprzyjają natlenieniu wody oraz dobrze harmonizują z krajobrazem (fot. 1A) [9]. Dobrą praktyką inŜynierską jest rekonstrukcja sekwencji przemiałów i plos. Umiejscowienie tych struktur w profilu podłuŜnym koryta jest stałe, co powinno się wykorzystywać przy planowaniu lokalizacji budowli poprzecznych (powinny one powstawać w miejscu naturalnych przemiałów) (fot. 1B) [8]. Innym właściwym działaniem jest zachowanie w korytach rumoszu roślinnego (dotychczas usuwanego w celu zwiększenia przepustowości koryt) ze względu na jego korzystny wpływ na warunki morfologiczne, hydrauliczne i biotyczne koryt [10]. Zaleca się teŜ utrzymanie lub odtwarzanie łach korytowych, gdyŜ stabilizują one dno koryta i są siedliskiem Ŝycia dla wielu organizmów wodnych i lądowych. Z podobnych względów powinno się dąŜyć do odtwarzania róŜnych mikroform korytowych, np. ziaren ponadwymiarowych czy struktur zimbrykowanych [6], [8]. 60 Fot. 1. Bliskie naturze metody utrzymania koryt rzek górskich: A – bystrze o zwiększonej szorstkości, B – sekwencje przemiał–ploso wyznaczające lokalizację poprzecznych budowli hydrotechnicznych Photo 1. Nature-close solutions of maintaining of mountain channel rivers: A – rapid hydraulic structure with increased roughness, B – riffle–pool sequences determining location of transversal hydraulic structures 5. Wnioski Polska ma obowiązek rewitalizacji systemów fluwialnych. InŜynierowie mający za zadanie utrzymanie danego odcinka koryta lub wykonanie konstrukcji z zakresu regulacji rzek lub budownictwa wodnego dokonują przewaŜnie dość ogólnej oceny jego stanu w oderwaniu od reszty systemu korytowego i całej zlewni. Tymczasem właściwe ustalenie działań słuŜących poprawnemu gospodarowaniu terenami nadrzecznymi wymaga dostrzeŜenia i zbadania współzaleŜności wielu elementów przyrodniczych w całym systemie korytowym. Dlatego o sukcesie wdraŜania RDW decydować będzie współpraca hydrotechników z przyrodnikami, a szczególnie z geomorfologami fluwialnymi oraz hydrobiologami. Literatura [1] B o j a r s k i A., J e l e ń s k i J., J e l o n e k M., L i t e w k a T., W y Ŝ g a B., Z a l e w s k i J., Zasady dobrej praktyki w utrzymaniu rzek i potoków górskich, Ministerstwo Środowiska, Departament Zasobów Wodnych, Warszawa 2005. [2] K a m y k o w s k a M., K a s z o w s k i L., K r z e m i e ń K., River channel mapping instruction, Key to the river bed description, [w:] K. K r z e m i e ń (red.), River channels, pattern, structure and dynamics, Prace Geogr. IG UJ 104, Kraków 1999, 9-25. [3] K l i m e k K., Erozja wgłębna dopływów Wisły na Przedpolu Karpat, [w:] Z. K a j a k (red.), Ekologiczne podstawy zagospodarowania Wisły i jej dorzecza, PWN, Warszawa–Łódź 1983, 97-108. [4] K o r p a k J., The influence of river training on mountain channel changes (Polish Carpathian Mountains), Geomorphology 92, Elsevier 2007, 166-181. 61 [5] K o r p a k J., K r z e m i e ń K., R a d e c k i - P a w l i k A., Wpływ czynników antropogenicznych na zmiany koryt cieków karpackich, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, Monografia 4, Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi, PAN, Kraków 2008. [6] K r z e m i e ń K., Zmienność subsystemu korytowego Czarnego Dunajca, Zeszyty Nauk. UJ, Prace Geogr. 53, Kraków 1981, 123-137. [7] R a d e c k i - P a w l i k A., Pobór Ŝwiru i otoczaków z dna potoków górskich, Aura – Ochrona Środowiska, Sigma-NOT, 3, Warszawa 2002, 17-19. [8] R a d e c k i - P a w l i k A., Podstawy hydrogeomorfologii cieków górskich dla biologów, Monografia, AR-UJ, Instytut Nauk o Środowisku UJ, BEL Studio Sp. z o.o., Kraków–Warszawa 2006. [9] Ś l i z o w s k i R., R a d e c k i - P a w l i k A., H u t a K ., Analiza wybranych parametrów hydrodynamicznych na bystrzu o zwiększonej szorstkości na potoku Sanoczek, Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich 2, Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi, PAN, Kraków 2008, 47-58. [10] W y Ŝ g a B., K a c z k a R.J., Z a w i e j s k a J., Gruby rumosz drzewny w ciekach górskich – formy występowania, warunki depozycji i znaczenie środowiskowe, Folia Geographica, Series Geographica-Physica, 33-34, Kraków 2003, 117-138.