Directions of changes in relief and deposition of sediments in multi-channel fluvial systems of the Vistula and Danube rivers under the impact of hydrotechnical facilities – comparative study

Zaplanowane w projekcie badania mają odpowiedzieć na pytanie, jak funkcjonują i w jakim kierunku przekształcają się anastomozujące systemy fluwialne o minerogenicznej budowie równiny zalewowej w warunkach dużych przekształceń koryta spowodowanych zabudową hydrotechniczną. Oddziaływanie zabudowy hydrotechnicznej, w tym przede wszystkim zapór na warunki przepływu oraz wielkość transportowanego ładunku materiału klastycznego wpływa w przypadku rzecznych systemów wielokorytowych na zmianę oddziaływań między korytem głównym, a korytami drugorzędnymi. Określenie charakteru powiązań między poszczególnymi korytami w zmienionych warunkach morfodynamicznych, a także rozpoznanie mechanizmów procesów erozyjno-depozycyjnych prowadzących do zmiany parametrów geometrii koryt i powstawania nowych elementów rzeźby w ich dnach i łożysku rzeki jest zasadniczym celem tego projektu.

Zagadnienie to przeanalizowane zostanie na przykładzie dwóch rzek - Wisły i Dunaju. Ich systemy korytowe już od dziesięcioleci funkcjonują w warunkach determinowanych antropogenicznie. Współczesny mechanizm funkcjonowania systemów wielokorytowych Wisły i Dunaju wyrażony w morfologii i litologii koryt odniesiony zostanie do warunków hydrodynamicznych zapisanych w rzeźbie, osadach i litofacjach łożysk badanych rzek. Stwarza to możliwość rekonstrukcji funkcjonowania badanych systemów wielokorytowych w warunkach zmieniającej się z czasem zabudowy hydrotechnicznej.

Realizacja celu badań wymaga określenia w jakim stopniu w efekcie przeprowadzonych prac regulacyjnych i powstania zapór wodnych oraz towarzyszącej im infrastruktury uległy przekształceniu: układ i wielkość koryt, warunki przepływu, przebieg procesów korytowych oraz przebieg sedymentacji pozakorytowej. Porównany zostanie również przebieg procesów sedymentacyjnych oraz charakter cech tekstualnych i strukturalnych osadów deponowanych w korytach i łożyskach rzek podlegających oddziaływaniu różnych pod względem rozwiązań hydrotechnicznych stopni wodnych: zapora ze zbiornikiem typu przepływowego (Zbiornik Włocławski) oraz zapora z kanałem derywacyjnym (Vodne Delo w Gabcikowie).

Syntetyczny opis uzyskanych wyników.

1. Układ koryt i budowa równiny zalewowej badanego odcinka Dunaju pozwala zaliczyć jego system fluwialny według klasyfikacji Rosgena (1994) do typu 4DA, czyli żwirodennej rzeki rozgałęzionej (anabranching) z korytem głównym typu roztokowego i korytami bocznymi typu krętego. Według tej samej klasyfikacji system fluwialny Wisły reprezentuje układ typu 5DA/D, czyli  układ piaskodennej rzeki rozgałęzionej z przewagą koryt typu roztokowego.

2. Wybudowanie stopni wodnych Čunovo-Gabčíkovo  nie zmieniło w istotnym stopniu układu koryt "starego Dunaju".  W przypadku układu koryta Wisły zarówno poniżej zapory wodnej we Włocławku jak i powyżej cofki jej zbiornika zanotowano istotną zmianę odnosząca się do rozmiarów i liczby form rozdzielających koryta. Zaobserwowano tendencję polegającą na zmniejszaniu się ich liczby przy jednoczesnym powiększaniu się powierzchni form. Odnosząc te zmiany do klasyfikacji Brice'a (1975) zmodyfikowanej przez Teisseyre'a (1991) oraz Szmańdę i Luc (2010) można stwierdzić, że system fluwialny Wisły ewoluuje z układu koryt rzeki rozgałęzionej z przewagą wysp międzykorytowych w kierunku układu rzeki rozgałęzionej z przewagą obszarów międzykorytowych.

3. Interpretacja litodynamiczna warunków przepływu wody na równinach zalewowych wykonana w oparciu o wyniki analiz uziarnienia aluwiów pozakorytowych wykazała, że powyżej cofki zbiornika włocławskiego nie doszło do istotnej zmiany warunków  przepływu przed i po zbudowaniu zapory we Włocławku. Na tym odcinku łożyska rzeki depozycja aluwiów pozakorytowych odbywa się w warunkach dolnego reżimu lub reżimu przejściowego z tendencją do podkrytycznego (poza warunkami przepływów ekstremalnych, na przykład takich jak przepływy podczas przerwań wałów przeciwpowodziowych - jak to miało miejsce latem 2010 r. w Świniarach).

4. Warunki przepływu podczas depozycji aluwiów pozakorytowych w dnie doliny Dunaju zarówno powyżej jak i poniżej stopnia wodnego Čunovo różnią się. Zarejestrowane w osadzie warunki przepływu wskazują, że poniżej zapory depozycja aluwiów odbywa się niemal wyłącznie podczas przepływów spokojnych, natomiast powyżej zapory mimo, że dominowała depozycja podczas przepływów podkrytycznych to część aluwiów była akumulowana w warunkach przepływów rwących lub przejściowych. Na obniżenie energii transportowej przepływu wód powodziowych na równinach zalewowych w dolnym odcinku mogła mieć wpływ budowa zapory wodnej.

5. Analiza warunków ruchu materiału klastycznego podczas depozycji na równinach zalewowych zarówno Wisły jak i Dunaju wskazuje na duże jego podobieństwo. Interpretacja litodynamiczna warunków depozycji badanych aluwiów na podstawie analizy rozmieszczenia parametrów uziarnienia badanych próbek osadów na diagramie Passegi (1964) wykazała, że transport osadu odbywał się gównie w zawiesinie gradacyjnej i jednorodnej (Szmańda 2010). Z analizy kształtu krzywych kumulacyjnych analizowanych według metody Mossa (1962) i Vishera (1969) wynika jednak, że większość ziaren niezależnie od wielkości w momencie poprzedzającym unieruchomienie przemieszczało się w saltacji lub przerywanej zawiesinie (Szmańda 2010).

6. Analiza aktywności 137Cs w profilach osadów pobranych z równin zalewowych na badanych obszarach w kilku przypadkach wykazała dwa piki podwyższonej aktywności tego radioizotopu na głębokości kilku (4-6 cm) i kilkunastu (10-16 cm) centymetrów. Zmierzone wartości aktywności dla pików bliżej powierzchni równiny zalewowej są wyższe niż na niższej głębokości. Pierwsze z nich powiązano z emisją radiocezu podczas awarii elektrowni atomowej w Czarnobylu w 1986 r., drugie z natomiast z depozycją związana z globalnym opadem promieniotwórczym wynikającym z próbnych wybuchów atomowych (1963 rok). Na podstawie wyników analiz aktywności radioizotopu cezu można wykazać, że przeciętne tempo depozycji aluwiów pozakorytowych na badanym obszarze zmniejszyło się o połowę w czasie ostatnich 25 lat w stosunku do depozycji w okresie pomiędzy latami 60-80. XX w. Warto nadmienić, że w innych obszarach równin zalewowych dolnej i środkowej Wisły tempo to spadło średnio 5. krotnie.

7. Analiza litologii i struktury aluwiów pozakorytowych nie wykazała istotnych różnic w przebiegu ich depozycji ostatnim stuleciu. Nie można wobec tego stwierdzić, by wybudowanie zapór wodnych wpłynęło na ciągłość akumulacji mad rzecznych. Należy jednak podkreślić, że mady deponowane na nowo powstających fragmentach równin zalewowych w korytach rzecznych poniżej zapór we Włocławku i Čunovie charakteryzują się zwykle piaszczystą teksturą.