POLSKA AKADEMIA NAUK KOMITET INŻYNIERII ŚRODOWISKA

MONOGRAFIE Nr 69

HYDROLOGIA W OCHRONIE I KSZTAŁTOWANIU ŚRODOWISKA

Tom 2

Pod redakcjąArtura Magnuszewskiego

WARSZAWA 2010

Pod redakcją: dr hab. Artura Magnuszewskiego, prof. UW

Komitet Redakcyjny:

prof. dr hab. Lucjan Pawłowski - Redaktor Naczelny

prof. dr hab. inż. Kazimierz Banasik

dr hab. Jadwiga Bernacka, prof. IOŚW

dr hab. Elżbieta Bezak-Mazur, prof. PŚk

prof. dr hab. inż. January Bień

prof. dr hab. inż. Ryszard Błażejewski

prof. dr hab. inż. Michał Bodzek

prof. dr hab. inż. Józef Dziopak

dr hab. inż. Stanisław Gruszczyński

prof. dr hab. inż. Janusz Jeżowiecki

dr hab. inż. Andrzej Jędrczak

dr hab. inż. Krzysztof Knapik, prof. PK

prof. dr hab. inż. Marian Mazur

prof. dr hab. inż. Korneliusz Miksch

prof. dr hab. inż. Krystyna Olańczuk-Neyman

prof dr hab. inż. Jan Pawełek

prof. dr hab. inż. Czesława Rosik-Dulewska

dr hab. inż. Marian Rosiński, prof. PW

prof. dr hab. inż. Jerzy Sobota

prof. dr hab. inż. Marek Sozański

prof. dr hab. inż. Kazimierz Szymański

dr hab. inż. Marek Zawiłski, prof. PŁ

prof. dr hab. inż. Roman Zarzycki

prof. dr hab. inż. Jerzy Zwoździak

prof. dr hab. inż. Piotr Kowalik

prof. dr hab. inż. Wojciech Adamski

dr hab. Marzenna Dudzińska, prof. PŁ

prof. dr hab. inż. Andrzej Królikowski

prof. dr hab. inż. Hanna Obarska-Pempkowiak

dr hab. inż. Bernard Quant, prof. PG

prof. dr hab. inż. Tomasz Winnicki

© Komitet Inżynierii Środowiska PAN

ISBN 978-83-89293-94-7

DRUK: Perfekta info

ul. Doświadczalna 48, 20-280 Lublin

tel. 81 46 10 229

www.perfekta.info.pl

SPIS TREŚCI

Mapa cyfrowa podziału hydrografi cznego Polski (MPHP)H. Czarnecka, B. Głowacka, J. Krupa-Marchlewska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7

Zarządzanie informacją o środowisku w Europie. Przykład międzynarodowej współpracy w zakresie jakości wody w projekcie GENESIS

R. Konieczny, D. Kubacka, U. Opial-Gałuszka, M. Siudak, T. Walczykiewicz, G.Schernewski, E. Fischer, B. Schippmann, M. Erlich, A. Cabal, M. Gerbaux, A. Levasseur . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17

Zmienność odpływu rocznego Odry i Wisły w latach 1901-2008J. Stachý . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31

Maksymalne przepływy i odpływy w Polsce w latach 1951-2006A. Bartnik, P. Jokiel . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 43

Regiony Polski najbardziej zagrożone powodziami katastrofalnymiA. Dobrowolski, M. Mierkiewicz, J. Ostrowski, M. Sasim . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 55

Zmiany częstości występowania chmur opadowych w Polsce (1966-2000)E. Żmudzka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 71

Hydrometeorologiczna interpretacja gwałtownych wezbrań małych cieków w źródłowej części Wielopolki w dniu 25 czerwca 2009 roku

T. Bryndal, W. Cabaj, R. Suligowski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 81

Katastrofalne powodzie Wisły poniżej Warszawy w zarysie historycznymM. Gutry-Korycka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 99

Przepływ wód wielkich Wisły w Warszawie – rekonstrukcja powodzi histo-rycznych

P. Kuźniar, A. Magnuszewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 109

Sezonowa zmienność elementarnej struktury hydrografi cznej na obszarach młodoglacjalnych

J. Fac-Beneda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 119

Dynamika i uwarunkowania odpływu w południowej części zlewni WdyD. Szumińska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Uwarunkowania hydrologiczne województwa lubuskiegoE. Ogiołda . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 139

Wstępna analiza środowiskowa koncepcji rewitalizacji międzynarodowej drogi wodnej E-70 w rejonie dolnej Warty

M. Hudak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 149

4

Wpływ miasta na przepływ rzeczny na przykładzie LublinaZ. Michalczyk, J. Sposób . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 159

Przeciwdziałanie skutkom suszy w prawie krajowym i unijnymM. Kępińska-Kasprzak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 169

Charakterystyka występowania niżówek Wyżyny Kieleckiej na przykładzie rzeki Świśliny

E. Kaznowska, Ł Chudy . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 179

Dynamika wód strefy aeracji w zlewni nizinnej w świetle koncepcji stabil-ności czasowej

U. Somorowska, I. Piętka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 193

Uwilgotnienie gleb w zlewni Liwca na podstawie danych modelowychI. Piętka . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 205

Zróżnicowanie parametrów modelu WETSPA w zlewniach Sidry i KamiennejL. Porretta-Brandyk, J. Chormański . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 215

Rozmieszczenie i wydajność źródeł w PolsceW. Chełmicki, P. Jokiel, Z. Michalczyk, P. Moniewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 129

Naturalne wypływy wód podziemnych jako element drenażu Wysoczyzny Kałuszyńskiej na przykładzie zlewni Osownicy i Witówki

A. Furmankowska, S. Zabłocki . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 243

Zróżnicowanie hydrochemiczne wód torfowiska retencyjno-ewaporacyjnego na tle bilansu wodnego

M. Ziułkiewicz, M. Walisch . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 253

Oddziaływanie systemu uprawy roli na natężenie zmywu powierzchniowego w uprawie pszenicy jarej w warunkach opadu symulowanego

M. Chowaniak, T. Głąb . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 267

Rola obszaru zurbanizowanego w kształtowaniu transportu fl uwialnego podczas wezbrań roztopowych na przykładzie zlewni Silnicy i Sufragańca w Kielcach

T. Ciupa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 275

Analiza punktowych źródeł zanieczyszczeń związkami biogennymi w zlewni Pilicy oraz wykorzystanie podejścia ekohydrologicznego dla ich redukcji

E. Kiedrzyńska, A. Macherzyński, M. Skłodowski, M. Kiedrzyński, M. Zalewski 285

Hydrochemiczna charakterystyka wód obszaru Natura 2000 „Dolina Kostrzy-nia” w granicach zlewni Witówki

A. Furmankowska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 297

5

Wykorzystanie technik GIS do oceny stanu pasów brzegowych, jako pod-stawy do poprawy warunków hydromorfologicznych

B. Garncarz-Wilk, A. Pasiecznik, A. Bogusz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 307

Zróżnicowanie oceny atrybutów hydromorfologicznych dopływów Nysy Łużyckiej na obszarze województwa dolnośląskiego

M. Adynkiewicz-Piragas, I. Lejcuś . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 315

Weryfi kacja oceny stanu ekologicznego rzeki na podstawie stanu hydromor-fologicznego i fi zyczno-chemicznego

M. Sojka, S. Murat-Błażejewska, J. Kanclerz . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 325

Ocena hydromorfologiczna rzek metodą RHS – problemy praktyczneJ. Suchożebrski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 333

Wpływ zmian klimatycznych na temperaturę wód powierzchniowych w północnej Polsce

W. Marszelewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 341

Próba oceny temperatury wody za pomocą bilansu cieplnego w węzłach hydrologicznych

M. Oksiuta . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 351

Czy rejestracja elektroniczna może zastąpić obserwatorów w pomiarach na jeziorach?

B. Nowak, A. Grześkowiak . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 361

Ocena przepuszczalności osadów dennych wybranych jezior zlewni BrdyB. Nowicka, E. Wołoszyńska . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 371

Przestrzenne zróżnicowanie i czasowa zmienność stężeń wybranych wskaź-ników chemicznych w wodach jeziora Sarbsko

Ł. Chromniak, R. Cieśliński . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 381

Rozkład przestrzenny zawartości polichlorowanych bifenyli w zbiornikach zaporowych: Jezioro Włocławskie, Jeziorsko i Jezioro Sulejowskie

M. Urbaniak, H. Dąbrowska, M. Zalewski . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 389

Wpływ gospodarki polderowej na wykształcenie i organizację stosunków wodnych równin nadmorskich na przykładzie zlewni jeziora Gardno

R. Cieśliński, A. Ellwart . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 399

Występowanie niskich poziomów morza na południowym wybrzeżu BałtykuI. Stanisławczyk . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 409

MAKSYMALNE PRZEPŁYWY I ODPŁYWY W POLSCE W LATACH 1951-2006

Adam Bartnik1, Paweł Jokiel2

Streszczenie: W opracowaniu przeanalizowano maksymalne przepływy, odpływy i indeksy powo-dziowości Françou-Rodiera K ustalone dla ponad 460 wodowskazów na rzekach Polski. W analizach wykorzystano dane z lat 1951-2006. Ustalono równanie obwiedni przepływu maksymalnego dla rzek Polski. Stwierdzono stosunkowo małe zróżnicowanie indeksów powodziowości K w Polsce. Niemal 95 % tych indeksów nie przekracza 4,0 (mediana obliczona wcześniej przez autorów dla rzek półkuli północnej – 3,8). Jednocześnie w przypadku ok. 10 % rzek, indeksy nie są większe od 1,0. Z punktu widzenia indeksu K, największą powodziowością charakteryzują się obserwowane w Polsce rzeki gór-skie, a szczególnie karpackie. Ważnym elementem przeprowadzonych badań była także ocena zmian stopnia powodziowości rzek Polski w poszczególnych latach drugiej połowy XX. wieku. Dokonano jej przy użyciu, zdefi niowanego we wcześniejszych pracach autorów, wskaźnika nazwanego „indeksem wysokiej wody” (IWW). Z przeprowadzonych analiz wynika, iż w ostatnich 20 latach XX. wieku, względna liczba ekstremalnie wysokich wezbrań rzecznych w Polsce była wyraźnie niższa od zanoto-wanej w latach 70. i 80. Wyjątek stanowi tu jedynie rok 1997, kiedy to indeks IWW osiągnął maksimum dla badanego wielolecia.

Słowa kluczowe: Polska, hydrologia, odpływ rzeczny, przepływy maksymalne, indeks Françou-Rodiera

WPROWADZENIE

Mimo, że ekstremalne zjawiska meteorologiczne i hydrologiczne nie mają w Polsce tak wielkich rozmiarów, jak to ma miejsce w innych częściach świata, to przecież deszcze nawalne i gwałtowne wezbrania rzek, także u nas stwarzają poważne zagrożenie dla gospodarki, a bywa, że również dla życia ludzi. Im bogatsza infrastruktura i poziom zagospodarowania terenu, tym szkody wywołane przez wody powodziowe są coraz większe. Łatwo więc wykazać, że straty powodowane przez powodzie wzrastają w miarę rozwoju gospodarczego i cywilizacyjnego. Zatem, pomimo wielu starań i niewątpliwych osiągnięć w zakresie ochrony przeciwpowodziowej, nasza wrażliwość na klęskę powodzi jest nadal duża i ciągle rośnie.

W warunkach Polski, wysokie wezbrania rzek i towarzyszące im niekiedy powodzie występują we wszystkich porach roku. Właśnie, ze względu na porę występowania, a co za tym idzie, z uwagi na genezę zjawiska, wyróżnić można kilka rodzajów wezbrań, a w konsekwencji, kilka typów genetycznych powodzi. Najważniejszy jest podział uwzględniający charakter czynnika sprawczego. Rozróżnia się tu 4 typy genetyczne wezbrań: opadowe, roztopowe, zimowe, sztormowe. Niektóre z nich dzielą się na podtypy, np. zimowe przyjęto dzielić na: śryżowe, zatorowe i lodowe (Byczkowski, 1996). Wszystkie wymienione tu typy wezbrań można równocześnie podzielić na dwa podstawowe rodzaje: wezbrania wywołane zwiększonym zasilaniem i wezbrania wywołane podpiętrzeniem wody w korytach i utrudnieniem odpływu. Czynnikami sprzyjającymi powstawaniu gwałtownych wezbrań i powodzi w rzekach są zwykle:

1 Adam Bartnik – Katedra Hydrologii i Gospodarki Wodnej UŁ, e-mail: abartnik@geo.uni.lodz.pl2 Paweł Jokiel – Katedra Hydrologii i Gospodarki Wodnej UŁ, e-mail: joker@geo.uni.lodz.pl

44

niekorzystne warunki atmosferyczne, mała zdolność retencyjna dorzecza i doliny rzecznej, nieprawidłowa zabudowa hydrotechniczna rzek systemu, wylesienie lub urbanizacja zlewni, katastrofy budowlane oraz wiele innych czynników lokalnych.

Na podstawie długoletnich obserwacji można już dziś wyodrębnić w Polsce obszary o przeważającym typie genetycznym wezbrań. Na nizinach i na Wyżynie Lubelskiej najczęstsze są wezbrania roztopowe. W Małopolsce, w południowej części Mazowsza, na Śląsku oraz w Bieszczadach przeważają zaś opadowo-roztopowe. Natomiast w Sudetach i w Karpatach licznie występują wezbrania opadowe. Można też określić pory najczęstszego pojawiania się wezbrań określonego typu, jak i przeciętną liczbę wezbrań w roku w danym regionie (Mikulski, 1963; Byczkowski, 1996; Dobrowolski i in., 2007).

Gwałtowne i wysokie wezbrania rzek można badać na szereg różnych sposobów, poczynając od mniej lub bardziej sformalizowanego opisu kształtu i parametrów fali wezbraniowej (np. jej objętości i wysokości oraz tempa propagacji i opadania), przez ocenę ich częstości i analizę wpływu czynników sprawczych (np. w kontekście zmian klimatu oraz charakteru zlewni i struktury obiegu w niej wody), aż do budowy modelu wezbrania, pozwalającego przewidzieć nie tylko jego kształt, wielkość kulminacji, czy objętość, ale również ocenić ryzyko jego wystąpienia i postawić prognozę ewentualnych skutków.

Jednym z najważniejszych i najbardziej frapujących aspektów badań nad konsekwencjami globalnego ocieplenia jest dziś przewidywanie zmian, które mogą wystąpić w obrębie ekstremalnych charakterystyk obiegu wody, w tym przepływów i odpływów maksymalnych, a co za tym idzie częstości i rodzaju wezbrań. Wnioski na ten temat są, jak dotąd, dość jednoznaczne i w zasadzie nie zależą od zastosowanych procedur prognozowania (modele empiryczne lub teoretyczne). Przeważnie prowadzą one do konkluzji, iż w małych i średnich zlewniach, globalne ocieplenie prowadzi do wzrostu wysokości i częstości wezbrań rzecznych i to zarówno w aspekcie ekstremów absolutnych, jak i charakterystyk sezonowych.

MATERIAŁ I METODY

W prezentowanym niżej opracowaniu, podjęto próbę usystematyzowania i zbadania maksymalnych przepływów (WWQ) i odpowiadających im odpływów jednostkowych (WWq) zaobserwowanych w 462 przekrojach wodowskazowych Polski, w okresie 1951-2006. Powierzchnie uwzględnionych zlewni są zróżnicowane i zawierają się w przedziale od 4,1 do 194 376 km2. Wzięte pod uwagę przekroje położone są w różnych regionach fi zycznogeografi cznych Polski i traktowane jako grupa reprezentują pełne spektrum warunków oddziałujących na formowanie się odpływu maksymalnego w naszym kraju. Warto dodać, że autorzy dysponowali znacznie większą liczbą zanotowanych maksimów (dane z 885 przekrojów). Do analiz posłużyły jednak tylko te wartości WWQ, które pochodziły z serii co najmniej 20. letnich. Nie był przy tym ważny horyzont czasowy (okres), który seria taka obejmowała (rys. 1), a wyłącznie jej długość. Uznaliśmy bowiem, że wartości WWQ pochodzące z ciągów krótszych niż 20 lat nie powinny być używane w tego rodzaju analizach statystycznych.

Podjęte badania mają dać odpowiedzi na następujące pytania: Czy i w jaki sposób zmieniała się w Polsce częstość i wysokość maksymalnych przepływów i odpływów w skali wielolecia? I czy są dziś dowody na to, że w naszym kraju rośnie liczba i wysokość absolutnych ekstremów przepływu i powodziowość rzek? Analizy przeprowadzone zostaną m.in. na podstawie zdefi niowanego wcześniej przez autorów, indeksu wysokiej wody (Bartnik i Jokiel, 2007, 2008), bazującego na indeksie Françou (K). Zaprezentujemy też kilka uwag odnośnie sezonowego zróżnicowania WWQ w wieloleciu oraz próbę wyznaczenia obszaru zmienności WWQ i WWq w Polsce.

45

Rys. 1. Liczba obserwowanych przekrojów w poszczególnych latach

WYNIKI BADAŃ I WNIOSKI

Przepływy i odpływy maksymalne

W trakcie wezbrania odpływa rzeką ogromna ilość wody. Jej objętość zależy oczywiście od warunków w jakich formuje się wezbranie oraz od wielkości i charakteru dorzecza i rzeki. Maksymalne przepływy wezbraniowe rzek Polski, ze względu na panujące w naszym kraju warunki klimatyczne i hydrografi czne, nie dorównują oczywiście wielkościom notowanym na świecie. Amazonka w czasie kulminacji wezbrań wprowadza do Atlantyku ok. 200 tys., Jenisej – 100 tys., a Missisipi – 70 tys. m3·s-1 wody. W porównaniu z tymi przepływami, objętości wody w trakcie maksimów wezbrań Wisły i Odry prezentują się niezbyt okazale: Wisła przy ujściu – ok. 8 tys. m3·s-1, Odra – 3,3 tys. m3·s-1. Także najwyższe odpływy jednostkowe, obliczone dla kulminacji największych wezbrań zanotowanych w rzekach naszego kraju są wyraźnie niższe od maksimów zarejestrowanych na świecie (Shaw, 1994; Herschy, 1998; Smith i Ward, 1998; Arnell, 2002; Ozga-Zielińska i in., 2003; O’Connor i Costa, 2004; Jokiel i Tomalski, 2004), choć różnice nie są tu już tak duże.

Badania teoretyczne oraz obserwacje prowadzone na poletkach i w małych zlewniach eksperymentalnych wskazują, że w skrajnie niekorzystnych warunkach, maksymalne odpływy jednostkowe w górach i na wyżynach mogą dochodzić nawet do 35 tys. dm3·s-1·km-2, a na nizinach do 12 tys. dm3·s-1·km-2 (Smith i Ward, 1998). Dla terytorium Polski, przyjmuje się także teoretyczną granicę jednostkowego odpływu maksymalnego bliską 30 tys. dm3·s-1·km-2 (Byczkowski 1996; Stachy i in., 1996). Wielkość tę zdają się potwierdzać zarówno wyniki pomiarów i oszacowań odpływów ekstremalnych pochodzące z małych zlewni, dotkniętych katastrofalnymi deszczami (gwałtownymi roztopami), zebrane przez Dębskiego (1970) i Ciepielowskiego (1970), a później przez Twaroga (2004), Dobrowolskiego i in. (2004) i Bryndala (2009), jak i wartości teoretyczne, uzyskane przy użyciu różnych formuł empirycznych i modeli hydrologicznych (Byczkowski, 1996; Soczyńska, 1997; Ozga-Zielińska i in, 2003; Ostrowski i Zaniewska, 2007).

Maksymalne przepływy rzek Polski są z oczywistych powodów znacznie niższe od reje-strowanych w największych rzekach świata. W badanej grupie zlewni zawierały się one w prze-

46

dziale: od 1,78 do 7840 m3·s-1. Fizycznogeografi cznie uwarunkowane obwiednie związków między maksymalnymi przepływami rzek (WWQ) i powierzchniami ich zlewni (A), uzyskane wcześniej przez autorów dla półkuli północnej (wzór 2), Europy (wzór 3) (Bartnik i Jokiel, 2007, 2008) oraz na podstawie analizowanego materiału z Polski – wzór 4, prezentuje rys. 2. Podano tam również krzywą obwiedni obliczoną wcześniej dla rzek całego świata (wzór 1) przez Rodiera i Roche (1984). Funkcje tych obwiedni opisują poniższe równania:

= ⋅ 0,43SW

WWQ 500 A (1)

= - ⋅ + ⋅ +2PP

log WWQ 0,053 (log ) 0,858 log 1,914A A (2)

= - ⋅ + ⋅ +2EU

log WWQ 0,0899 (log ) 1,083 log 1,13A A (3)

- ⋅ + ⋅ +2PL

log WWQ 0,977 (log ) 1,14 log 0,546A A (4)

gdzie:WWQX – przepływ maksymalny [m3·s-1]; SW – świat, PP – półkula północna, EU – Europa, PL – Polska,A – powierzchnia zlewni [km2].

Rys. 2. Obwiednie związków między maksymalnymi przepływami rzek (WWQ) i powierzchniami ich zlewni (A) opisane równaniami 1-4

Podane tu funkcje mogą być traktowane jako swoiste granice wielkości przepływu w cza-sie kulminacji wezbrań w zlewniach o określonej powierzchni. Łatwo zauważyć, że krzywą obwiedni określoną dla zaobserwowanych maksimów rzek Polski opisuje ten sam rodzaj funkcji co obwiednie uzyskane dla półkuli północnej i Europy. Krzywa ta położona jest jednak wyraźnie „niżej” niż trzy pozostałe funkcje. Dla danej powierzchni zlewni, zaobserwowane w Polsce maksima przepływu są więc kilkakrotnie mniejsze od notowanych w Europie, przy czym stosunek ten dość szybko maleje wraz ze wzrostem A.

Maksymalne odpływy jednostkowe ze zlewni obserwowanych w Polsce mieszczą się także w szerokim zakresie: od 9 do 4251 dm3·s-1·km-2. Przedział ten jest niemal identyczny z uzyskanym w toku symulacji fal wezbraniowych (opad 1 %) małych zlewni modelem MORE-MAZ-2 w ramach Programu Małych Zlewni (Ostrowski i Zaniewska, 2007). Zakres zmienno-ści WWq, uwarunkowany zróżnicowaną powierzchnią zlewni, prezentuje rys. 3. Tylko w 70

47

przekrojach kontrolnych zanotowano odpływy przekraczające 1000 dm3·s-1·km-2, a w 2/3 prze-krojów maksima były niższe od 500 dm3·s-1·km-2. Warto także dodać, że odpływy większe od 1000 dm3·s-1·km-2 wystąpiły tylko w zlewniach o powierzchni mniejszej od 1,0·103 km2.

Rys. 3. Obszar zmienności maksymalnego odpływu jednostkowego (WWq) i powierzchni zlewni (A)

Ciekawe wnioski płyną także z analizy częstości występowania WWQ w poszczególnych miesiącach. Z rys. 4 jasno wynika, że spośród 462 zdarzeń, 137 odnotowano w lipcu, a 142 w marcu i w kwietniu (po 71). Warto też podkreślić, że WWQ mogą wystąpić w rzekach Polski w każdym miesiącu, nawet jesienią (od września do listopada). W półroczu chłodnym zanoto-wano jednak nieco mniej maksimów niż w półroczu ciepłym (44 % wobec 56 % wszystkich WWQ).

Rys. 4. Liczba WWQ w poszczególnych miesiącach

Na terminy występowania WWQ warto również spojrzeć przez pryzmat powierzchni zlewni (rys. 5). Dostrzeżemy wówczas, że maksima jesienne (IX–XII) pojawiały się tylko w zlewniach małych i średnich (50–1000 km2). Natomiast w zlewniach bardzo dużych (>104 km2), WWQ notowano niemal wyłącznie w marcu i kwietniu oraz od czerwca do sierp-nia. Najwyższe odpływy jednostkowe zanotowano w trakcie wezbrań letnich (VI–VII), ale jednocześnie, nieliczne przecież maksima jesienne i majowe charakteryzowały się większymi odpływami jednostkowymi, niż kulminacje wezbrań wiosennych (III–IV).

48

Rys. 5. Terminy WWQ w funkcji powierzchni zlewni

Indeksy powodziowości

Charakterystyką względną pozwalająca waloryzować odpływy maksymalne jest miara zwana indeksem Françou lub też indeksem K (wzór 5) (Françou i Rodier 1969; Rodier 1987; Smith i Ward 1998; Jokiel i Tomalski 2004; Twaróg 2004; Bartnik i Jokiel 2007, 2008). Opiera się ona, podobnie jak odpływ jednostkowy, na natężeniu przepływu i powierzchni zlewni, a jest prostym przekształceniem formuły „obwiedni” przepływów maksymalnych (Françou i Rodier, 1969). Indeks K uzyskujemy ze wzoru:

= ⋅ -log WWQ -6

K 10 (1 )logA-8

(5)

ozn. j.w.

Indeks jest wielkością niemianowaną, pozwalającą porównywać rozmiary kulminacji wezbrań w zlewniach o różnej wielkości. Zdaniem cytowanych wyżej autorów, im wyższy jest ten wskaźnik, tym większa jest podatność zlewni (rzeki) na występowanie powodzi. Jest on więc swoistą miarą powodziowości rzeki. Przy pewnych założeniach, można go nawet traktować jako estymator kulminacji maksymalnego wiarygodnego wezbrania (MWW) (por. Ozga-Zielińska i in., 2003).

Indeksy K dla różnych rzek Ziemi przedstawili w swej pracy Smith i Ward (1998). Najwyższym indeksem K cechuje się Amazonka – 6,76. Nieco mniejsze liczby uzyskano dla japońskiej Shingu Oga – 6,29; indyjskiej Narmady – 6,21, czy północnoamerykańskiej West Nueces – 6,16. Również rosyjska Kołyma ma wysoki indeks 6,39. Skrajnie wysoki indeks K charakteryzował także wezbranie typu „jökulhlaup” islandzkiej Skeiðary – 7,34 (Bartnik i Jokiel, 2007). Pod względem wartości K, największą powodziowością charakteryzują się rzeki azjatyckie, a najmniejszą – europejskie. W odniesieniu do trzech badanych kontynentów półkuli północnej (Ameryka Pn., Azja i Europa), 80 % indeksów powodziowości zawiera się w przedziale: od 2,1 do 5,1, przy medianie bliskiej 3,8 (Bartnik i Jokiel, 2008).

Indeksy K rzek europejskich także mogą być duże: francuska Tech w Pas du Loup – 5,61, brytyjska Divie – 5,01, włoska Orba – 5,46, a hiszpańska Almanzora – 5,24 (Bartnik i Jokiel, 2007). Z cytowanych wyżej obliczeń autorów wynika też, że 90 % wartości K, obliczonych dla rzek europejskich, mieści się w przedziale (1,77 – 4,87). Jednocześnie, teoretyczne prawdopo-dobieństwo przekroczenia K = 4,87, dla rzek naszego kontynentu, wynosi ok. 5 %.

49

Obliczone dotąd dla rzek Polski indeksy K nie przekraczały wartości 5,0: Łopuszanka (Piaski) – 4,64; Kamienica (Łabowa) – 4,26; Miechówka (Miechów) – 4,42; Dunajec (Nowy Sącz) – 4,31 (Twaróg 2004; Jokiel i Tomalski 2004). Tylko w niespełna 10% przypadków indeksy K były większe od 3,5. W trakcie pamiętnej powodzi w dorzeczu Odry w 1997 roku, indeksy odpowiadające kulminacjom fal wezbraniowych były także mniejsze od 4,0.

W badanej grupie przekrojów, indeksy K mieszczą się w przedziale: od nieco powyżej zera do 4,42 (średnia – 2,37; cv – 46 %). Indeksy przekraczające 4,0 występowały dość rzadko (rys.6) i dotyczyły głównie rzek karpackich (por.: Twaróg, 2004; Jokiel i Tomalski, 2004). Zwraca też uwagę dwumodalny charakter rozkładu częstości. Równie częste (po ok. 140 przy-padków) były indeksy z przedziałów: poniżej średniej (1–2) i powyżej średniej (3–4). Pierwsze dotyczą głównie rzek nizinnych, drugie górskich i wyżynnych.

Rys. 6. Indeksy powodziowości (K) rzek Polski w latach 1951-2006

Rys.7. Liczba WWQ i średnie indeksy K w poszczególnych miesiącach wielolecia

Z analizy rys. 7 wynika, że od połowy lat 80. do końca analizowanego okresu, liczba zarejestrowanych WWQ wyraźnie zmalała w stosunku do poprzedniego wielolecia, ale jedno-cześnie, maksima które zanotowano w ostatnim 20-leciu były przeważnie relatywnie wysokie

50

(średnie K > 3,0); wystąpiły też dwa wezbrania o K większym od 4,0. Wydaje się również, że coraz rzadziej notowane są WWQ w miesiącach półrocza chłodnego, ale jeśli już wystąpią, to ich indeksy K są stosunkowo wysokie. Szczególnie liczne wezbrania o wysokich K zanotowano w lipcu 1997 roku (w 31 rzekach odnotowano wówczas WWQ, a ich średnie K było większe od 3,0). Podobny w tym względzie był rok 1970 – 15 wezbrań o średnim K > 3,0. Jeszcze więcej WWQ wystąpiło w marcu i w kwietniu 1979 roku (38 i 31). Jednak średnie indeksy K tych kulminacji były mniejsze od 2,0. Podobną liczbę WWQ odnotowano w lipcu 1980 roku, tym razem jednak, przeciętny indeks K był wyraźnie wyższy od 2,0 (rys. 7).

Nakreślony powyżej obraz wieloletniej i sezonowej zmienności terminów i skali absolut-nych maksimów przepływu musi być rozpatrywany zarówno w kontekście liczby i horyzontu czasowego wziętych pod uwagę serii, jak i faktu iż daną serię reprezentuje zawsze tylko jedna wartość WWQ.

Indeksy wysokiej wody

Zgodnie z wcześniej przedstawioną ideą konstrukcji indeksu wysokiej wody – IWW (Bartnik i Jokiel, 2007), dla każdego roku badanego wielolecia (1951–2006), obliczono liczbę wszystkich maksimów (WWQ), zarejestrowanych w rzekach Polski. Uzyskane wartości przed-stawiono w procentach, odnosząc je do liczby rzek obserwowanych w danym roku – WW (rys. 8A). Wskaźnik ten pokazuje, w jakim procencie rzek Polski, obserwowanych w danym roku, zanotowano WWQ (przepływ najwyższy z okresu obserwacji danej rzeki).

Każde absolutne maksimum przepływu rzeki (WWQ) opisuje porównywalny i niemiano-wany indeks K, charakteryzujący skalę danego zdarzenia. Zatem, iloczyn WW i sumy wartości indeksów K obliczony dla każdego roku pozwala ocenić nie tylko względną liczebność eks-tremów w naszym kraju, ale również porównać ich skalę w odniesieniu do poszczególnych lat wielolecia, a co za tym idzie, umożliwia analizę czasową ewentualnych zmian „powodziowości Polski”:

=

= ⋅ åi i i1IWW WW K

n

j (6)

gdzie:IWWi – indeks wysokiej wody dla roku i,WWi – wskaźnik wysokiej wody dla roku i,Ki – indeks powodziowości dla roku i,n – liczba rzek, w których w roku i zanotowano WWQ.

W stosunku do liczby przekrojów, o seriach co najmniej 20. letnich, procentowo naj-więcej maksimów wystąpiło w 1997 roku (ok. 19%), w latach 1979–1980 (16% i 8%) oraz w roku 1958 i 1970. Jednocześnie w latach: 1959, 1961, 1976, 1984, 1986, 2000 oraz niemal w całym okresie 1990–1995, w żadnej z rzek Polski nie odnotowano WWQ – rys. 8A. Biorąc pod uwagę względną liczbę WWQ w poszczególnych latach i ich skalę mierzoną indeksem K – IWWP, jeszcze wyraźniej widoczna jest dominacja roku 1997 oraz wymienionych wcześniej lat powodziowych (rys. 8B). Warto także podkreślić, iż w ciągu ostatnich 20–30 lat, ani liczba, ani względna wielkość maksymalnych odpływów rzecznych w Polsce, nie tylko nie wzrosły, ale biorąc pod uwagę wartości IWWP, były nawet nieco mniejsze niż w latach 1951–1980. Wydaje się zatem, że zagadnienie siły i kierunków wpływu obserwowanych współcześnie zmian klimatycznych na wzrost częstości i skalę ekstremalnych zjawisk hydrologicznych w Polsce (np. maksimów odpływu) jest nadal dyskusyjne, a wnioski nie dają się łatwo sprowadzić do prostych zależności przyczynowo-skutkowych.

51

Rys. 8. Wskaźniki (A) i indeksy (B) wysokiej wody w Polsce, w przekroju wieloletnim

Rys. 9. Indeksy wysokiej wody dla półkuli północnej (A), Europy (B) i Polski (C), w przekroju wieloletnim

Na wieloletnią zmienność „powodziowości Polski”, mierzoną IWW, można również spojrzeć przez pryzmat powodziowości półkuli północnej i Europy (rys. 9). Lata, w których w Polsce wystąpiło wiele maksimów absolutnych np. 1997 i 1979, w skali półkuli północnej i Europy nie zaznaczyły się wcale. Jednocześnie lata „powodziowe” w Europie – 1968 i 1995 oraz na całej półkuli północnej (1972 i 1996), w Polsce nie zaowocowały szczególnie licznymi WWQ. Jedynie rok 1970 zaznaczył się dość wyraźnie zarówno w skali Europy, jak i Polski. Dostrzec też warto, że dekada lat 80. była okresem niezwykle „spokojnym”. Zarówno w rze-

52

kach półkuli północnej, jak i w rzekach Europy i Polski, zanotowano wówczas bardzo mało maksimów absolutnych. Liczbowym wyrazem braku istotnej współzmienności IWW w skali poszczególnych obszarów są niskie współczynniki korelacji obliczone dla okresu 1951-2000: IWW(PP i EU) – 0,27, IWW(PP i PL) – 0,03, IWW (EU i PL) – 0,03.

LITERATURA

Arnell N., 2002: Hydrology and global Environmental change. Pearson Education, Harlow.Bartnik A., Jokiel P., 2007: Odpływy maksymalne i indeksy powodziowości rzek europejskich.

Gospodarka Wodna, z.1, Wyd. SIGMA-NOT, Warszawa, s. 28-32.Bartnik A., Jokiel P., 2008: Odpływy maksymalne i indeksy powodziowości rzek półkuli pół-

nocnej. Przegl. Geogr., vol. 80, z.3, Wyd. IGPZ PAN, Warszawa, s. 343-365.Bryndal T., 2009: Przepływy maksymalne odnotowane podczas gwałtownych wezbrań spowo-

dowanych krótkotrwałymi ulewnymi opadami deszczu w małych zlewniach karpackich. [w:] Bogdanowicz R., Fac-Beneda J. (red.): Zasoby i ochrona wód. Wyd. Fund. Rozw. Uniw. Gdańskiego, Gdańsk, s. 329-335.

Byczkowski A., 1996: Hydrologia (t.2). Wyd. SGGW, Warszawa.Ciepielowski A., 1970: Maksymalne wielkości spływów jednostkowych z deszczów nawalnych.

Przegl. Geogr., 15, 2, s. 179-193.Dębski K., 1970: Hydrologia. Wyd. Arkady, Warszawa.Dobrowolski A., Czarnecka H., Ostrowski J., Zaniewska M., 2004: Floods In Poland from

1956 to 2001 – origin, territorial extent and frequency. Polish Geological Institute Papers, t.15, Warsaw, s. 69-76.

Dobrowolski A., Ostrowski J., Kondzielski A., Zaniewska M., 2007: Historyczne i współczesne rejony występowania powodzi katastrofalnych w Polsce. [w:] Sekutnicki J., Kossowska-Cezak U., Bogdanowicz E., Ceran M. (red.): Cywilizacja i żywioły. Wyd. IMGW, seria: Monografi e IMGW, Warszawa, s.147-157.

Françou J., Rodier J., 1969: Essai de classifi cation des crues maximales. IAHS/UNESCO/WMO, s. 518-527.

Herschy R.W., 1998 (red.): Encyclopedia of Hydrology and Water Resources. Kluwer Academic Publishers, Dordrecht.

Jokiel P., Tomalski P., 2004: Odpływy maksymalne w rzekach Polski. Czas. Geogr., z.1-2, Wrocław, s. 83-97.

Mikulski Z., 1963: Zarys hydrografi i Polski. PWN, Warszawa.O’Connor J.M, Costa J.E., 2004: The world’s largest fl oods, past and present-their causes and

magnitudes. US Geological Survey Circular, 1254, s. 13-18.Ostrowski J., Zaniewska M., 2007: Odwzorowanie i symulacja katastrofalnych fal powodzio-

wych typu” fl ash fl ood” w Polsce za pomocą modelu MOREMAZ-2. [w:] Sekutnicki J., Kossowska-Cezak U., Bogdanowicz E., Ceran M. (red.): Cywilizacja i żywioły. Wyd. IMGW seria: Monografi e IMGW, Warszawa; s. 177-189.

Ozga-Zielińska M., Kupczyk E., Ozga-Zieliński B., Suligowski R., Niedbała J., Brzeziński J., 2003: Powodziogenność rzek pod kątem bezpieczeństwa budowli hydrotechnicznych i zagrożenia powodziowego. Mat. Bad. IMGW, Seria Hydrol. i Oceanol., 29, Wyd. IMGW, Warszawa.

Rodier J., 1987: Aspekty gidrologii aridnoj zony. [w:] Rodda J.C. (red.): Grani gidrologii. Gidrometeoizdat, Leningrad, s. 255-307.

Rodier J.A., Roche M., 1984: World Catalogue of Maximum Observed Floods. IAHS Publ., No. 143, Wallingford, Oxfordshire.

53

Shaw E.M., 1994: Hydrology in practice. Taylor & Francis Group, New York.Smith K., Ward R., 1998: Floods. Physical Processes and Human Impacts. John Wiley & Sons,

New York.Soczyńska U., 1997: Hydrologia dynamiczna. PWN, Warszawa.Stachý J., Fal B., Dobrzyńska I., Hołdakowska J., 1996: Wezbrania rzek polskich w latach

1951-1990. Mat. Bad. IMGW., Seria Hydrol. i Ocean., 20, Warszawa.Twaróg B., 2004: Powiązanie podejścia Françou-Rodiera z formułami na obliczanie przepły-

wów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia. Mat. XIV Ogólnop. Szkoły Gosp. Wodnej, nt: „Oceny oddziaływania na środowisko w Polsce i w standardach Unii Europejskiej”, Paszkówka (maszynopis).

MAXIMUM DISCHARGES AND MAXIMUM RUNOFFS IN POLAND BETWEEN 1951-2006

Summary: In this article the maximum discharges of Polish rivers (WWQ), the maximum runoffs and Francou-Rodier coeffi cients (K) calculated for more than 462 water gauges were analyzed. The analyses were based on IMiGW data from the 1951-2006 period, and the length of obser-vation series always exceeded 20 years. The established encirclement equation for maximum discharge of Polish rivers was compared with the equivalent formulas obtained for the rivers of the whole world, with those obtained for the northern hemisphere and with those for Europe. For the particular basin area, the discharge maxima observed in Poland were several times smaller than European ones, although this ratio decreased quite quickly with the increasing basin area. The maximum specifi c runoffs obtained for Polish river basins were very differentiated. However, they did not exceed 4.5103dm3s-1km-2. According to the previously introduced idea of “high water level index” construction – IWW (Bartnik, Jokiel 2007), for each year of the investigated multiannual period (1951-2006) the number of all maxima (WWQ) registered for Polish rivers was calculated. In the light of the calculated IWWP, during the last 20-30 years neither the number, nor the relative magnitude of maximum river discharges in Poland has increased. What is more, they are even slightly smaller than in 1951-1980. Many absolute maxima were observed in, for instance, 1997 and 1979. However, in the northern hemisphere and in the European scales they were not so evident. Simultaneously, the “fl oody” years in Europe (1968 and 1995) and those registered for the whole northern hemisphere (1972 and 1996) were not characterized by plenty of WWQ. Only the 1970s appeared to be quite important in European as well as in the Polish scale. It is worth noticing that the decade of the 1980’s was an extremely “peaceful” period. The established number of absolute maxima was very small for the northern hemisphere, for the European and for the Polish rivers.

Key words: Poland, hydrology, rivers fl ow, maximum discharge, Françou-Rodier index