procesów erozji wodnej gleb na Pojezierzu Drawskim
5.3. Erozja wodna gleb w warunkach symulowanego opadu
Pomiary spływu powierzchniowego i spłukiwania gleby prowadzono również podczas eksperymentów
terenowych, podczas których wytworzono sztuczne opady o określonej warstwie, natężeniu i erozyjności. W każdym z trzech eksperymentów powierzchnia nawadniana była jednakową warstwą opadu, równą 16 mm. W związku z różnym czasem trwania desz- czowań, natężenie opadu było niższe podczas pierw-szego eksperymentu i wyniosło 32 mm h−1 . W dru-gim i trzecim eksperymencie terenowym natężenie opadu zwiększono do 38,4 mm h−1 . Nawadniania róż- niły się również erozyjnością opadu (EI30). W pierw-szym eksperymencie, obejmującym 5 deszczowań, łączna erozyjność równała się 201,9 MJ mm ha−1 h−1, a w drugim i trzecim, przy 4 deszczowaniach, wynio-sła 188,8 MJ mm ha−1 h−1 .
Wartości wskaźnika EI30 podczas przeprowadzo-nych eksperymentów znacznie przekroczyły erozyj-ności pojedynczych opadów w latach hydrologicznych 2012–2014. Nie oznacza to jednak, że na Pojezierzu Drawskim deszcze o takiej erozyjności nie występu-ją. Od zainstalowania elektronicznego pluwiografu w Stacji Geoekologicznej w Storkowie, czyli od roku 2001, trzykrotnie wystąpiły opady o erozyjności przekraczającej 180 MJ mm ha−1 h−1 (tab. 22). Ponad- to w czerwcu 1988 roku w zlewni Młyńskiego Poto- ku zarejestrowano opad trwający 135 minut o war-stwie 130 mm (Klimczak 1993). Obliczona dla tego deszczu erozyjność wyniosła 2090,9 MJ mm ha−1 h−1, czyli przewyższyła nawet średnią roczną erozyjność opadów na Pogórzu Karpackim (Święchowicz 2013) oraz w Beskidzie Niskim (Kijowska-Strugała, Dem-czuk 2015).
Wszystkie eksperymenty były przeprowadzo-ne w zbliżonych warunkach pogodowych (tab. 23). Istotny dla wilgotności gruntu wskaźnik opadów uprzednich (Lambor 1962) dla każdego dnia z sy-mulacją opadu mieścił się w przedziale 0,43–0,46. Warunki anemologiczne w pierwszych dwóch perymentach były bardzo sprzyjające. Podczas eks-Tabela 22. Charakterystyki opadów o największej erozyjno- ści w Storkowie w latach 2001–2014 (na podstawie da-nych Stacji Geoekologicznej UAM w Storkowie) Table 22. Characteristics of most-erosive rainfall events in Storkowo in 2001–2014 years (based on data from AMU Geoecological Station in Storkowo) Data Date Czas trwania Duration Suma opadu Rainfall amount EI30 [min] [mm] [MJ mm ha−1 h−1] 17 .07 .2002 117 30,2 189,80 10 .08 .2006 30 22,6 273,98 11 .06 .2010 25 22,8 287,43 Tabela 23. Warunki atmosferyczne i warunki podłoża podczas eksperymentów terenowych w zlewni Chwalimskiego Potoku (10.07.2013, 13.09.2013) i w zlewni Kłudy (10.07.2014) Table 23. Weather conditions and soil conditions during field experiments in the Chwalimski Brook catchment (10.07.2013, 13.09.2013) and in the Kłuda catchment (10.07.2014) Eksperyment 1
1st experiment Eksperyment 22nd experiment Eksperyment 33rd experiment Data Date 10 .07 .2013 13 .09 .2013 10 .07 .2014 Wskaźnik opadów uprzednich Soil moisture index 0,43 0,46 0,45 Początkowa wilgotność objętościowa gruntu Initial volumetric water content 7,7% 7,0% 10,1% Stan powierzchni gruntu
Surface condition zaskorupiona/spulchnionacrusted/loosened spulchnionaloosened spulchnionaloosened Temperatura powietrza
Air temperature 20,7°C 17,7°C 21,9°C
Prędkość wiatru
Erozja wodna gleb w warunkach symulowanego opadu
perymentu w zlewni Kłudy, średnia prędkość wiatru wynosiła 3 m s−1. Warunki te nie uniemożliwiały przeprowadzenie deszczowań, ponieważ wiatr pół-nocno-wschodni był zgodny ze spadkiem stoku i nie powodował znoszenia strug sztucznego opadu poza powierzchnię testową.
Zmienność wilgotności objętościowej powierzch-niowej warstwy gruntu w trakcie kolejnych desz-czowań była zróżnicowana. W obu eksperymentach w zlewni Chwalimskiego Potoku, wraz z każdym kolejnym deszczowaniem zwiększała się wilgotność. W pierwszym eksperymencie ten wzrost był mniej więcej równomierny po każdym opadzie i wynosił od 0,9% do 3,7%. W wyniku wszystkich deszczowań wilgotność wzrosła o prawie 10 punktów procento-wych: od 7,7% do 17,3%. W związku z większym natężeniem opadu podczas drugiego eksperymentu, już po pierwszym deszczowaniu wilgotność wzrosła o prawie 10 punktów procentowych i wyniosła 16,7%.
Spowodowało to mniejszy wzrost wilgotności po ko-lejnych deszczowaniach. Po ostatnim opadzie, wil-gotność wyniosła 18,8%. Inna sytuacja miała miejsce podczas eksperymentu w zlewni Kłudy. W wyniku pierwszych dwóch deszczowań wilgotność zwięk-szyła się z 10,1% do 21,4%. Jednak podczas trzeciego i czwartego deszczowania wilgotność spadała, odpo-wiednio o 2,1 i o 1,9 punktów procentowych, aby po całym eksperymencie osiągnąć wartość 17,5% (ryc. 72). Możliwe, że spadek wilgotności nastąpił w wy- niku pokonania przez wodę oporu infiltracji i łatwiej-szego jej wsiąkania w podłoże.
Przyrost spływu powierzchniowego z każdym kolejnym deszczowaniem nie był równomierny. Pod-czas pierwszego eksperymentu spływ powierzch-niowy zwiększał się konsekwentnie aż do trzeciego deszczowania: od 4,2 dm3 m−2 po pierwszym desz-czowaniu do 10,0 dm3 m−2 po trzecim. W wyniku
spulchnienia powierzchni gruntu, po czwartym opa-Ryc. 72. Zmiany wilgotności objętościowej (Wo) gruntu
A – w pierwszym eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 10.07.2013, B – w drugim eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 13.09.2013, C – w trzecim eksperymencie w zlewni Kłudy, 10.07.2014
Fig. 72. Volumetric water content (Wo) changes
A – in the first experiment in the Chwalimski Brook catchment, 10.07.2013, B – in the second experiment in the Chwalimski Brook catchment, 13.09.2013, C – in the third experiment in the Kłuda catchment, 10.07.2014
Ryc. 73. Spływ powierzchniowy podczas eksperymentu w zlewni Chwalimskiego Potoku, 13.09.2013
Przebieg i wielkość procesów erozji wodnej gleb na powierzchniach testowych
66
dzie spływ zmalał do 4,4 dm3 m−2 , aby po piątym wy-niósł 9,6 dm3 m−2. Zmniejszoną objętość spływu na powierzchni spulchnionej można tłumaczyć zwięk-szoną szorstkością podłoża poprzez wytworzenie bogatego mikroreliefu oraz większą zdolnością in- filtracyjną (Rejman 2001). Podczas drugiego ekspe-rymentu spływ wzrastał systematycznie z każdym kolejnym deszczowaniem (po pierwszym wyniósł 2,8 dm3 m−2, a po czwartym 10,2 dm3 m−2 ). Zauwa-żalny był największy (o 6,4 dm3 m−2) wzrost objętości spływu między pierwszym a drugim deszczowaniem (ryc. 75). Spowodowane to było osiągnięciem dużej wilgotności objętościowej gruntu już po pierwszym opadzie, a co za tym idzie przekroczeniem jego zdol- ności infiltracyjnych, co sprzyjało powstawaniu spły-wu nasyconego (ryc. 73). W trzecim eksperymencie, między pierwszym, a drugim deszczowaniem, ob-jętość spływu wzrosła o blisko 50%: z 2,1 dm3 m−2
do 3,0 dm3 m−2. W kolejnych dwóch nawadnianiach spływ utrzymywał się na zbliżonym poziomie. W po-równaniu z drugim deszczowaniem, w trzecim
deszczowaniu spływ był mniejszy o 0,3 dm3 m−2, a w czwartym większy o 0,3 dm3 m−2 (ryc. 74, 76).
Podobne zależności wystąpiły w przypadku spłu-kiwania gleby. Różnica zauważalna jest jedynie we wpływie stanu powierzchni gruntu podczas pierw- szego eksperymentu. Według Rejmana (2001) zasko-rupiona czy też spulchniona powierzchnia znaczą-co nie wpływa na wielkość jednostkowego zmywu gleby. W wyniku przeprowadzonego eksperymentu wystąpił znaczny wzrost spłukiwania po spulchnie- niu poletka. Wiązać to można z wzmożonym proce-sem rozbryzgu na powierzchni spulchnionej, który mógł zapoczątkować proces spłukiwania. W pierw-szych trzech deszczowaniach, na zaskorupionej po-wierzchni, spłukiwanie wyniosło od 0,045 kg m−2 do 0,062 kg m−2. W dwóch kolejnych, na powierzchni spulchnionej, zwiększyło się blisko trzykrotnie: do 0,146 kg m−2 i 0,170 kg m−2. W drugim ekspery- mencie zmyw gleby osiągnął większe wartości i wy-niósł od 0,055 kg m−2 po pierwszym deszczowaniu do 0,327 kg m−2 po czwartym. Spłukiwanie podczas Ryc. 74. Spływ powierzchniowy podczas eksperymentu w zlewni Kłudy, 10.07.2014 Fig. 74. Surface runoff during experiment in the Kłuda catchment, 10.07.2014 Ryc. 75. Zmienność spływu powierzchniowego (SR) A – w pierwszym eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 10.07.2013, B – w drugim eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 13.09.2013, C – w trzecim eksperymencie w zlewni Kłudy, 10.07.2014 Fig. 75. Surface runoff (SR) changes A – in the first experiment in the Chwalimski Brook catchment, 10.07.2013, B – in the second experiment in the Chwalimski Brook catchment, 13.09.2013, C – in the third experiment in the Kłuda catchment, 10.07.2014
Erozja wodna gleb w warunkach symulowanego opadu
trzeciej symulacji opadu, podobnie jak w przypad-ku spływu, największy przyrost osiągnęło między pierwszym a drugim deszczowaniem, aby w kolej-nych dwóch utrzymywać się na zbliżonym poziomie (ryc. 77).
Wielkości spływu powierzchniowego i spłukiwa-nia z pierwszych dwóch eksperymentów, przepro-wadzonych w zlewni Chwalimskiego Potoku, zde-cydowanie przewyższały wartości uzyskane podczas trzeciego eksperymentu, zrealizowanego w zlewni Kłudy (ryc. 76, 77). W zlewni Kłudy nawadniana powierzchnia miała większe nachylenie (10°) od sto-ku w zlewni Chwalimskiego Potoku (4°). Jednak na wielkość spływu powierzchniowego większy wpływ od spadku może mieć zdolność infiltracyjna gruntu (Słupik 1981). Przeprowadzone pomiary infiltracyjne wykazały, że współczynnik filtracji dla powierzchni testowej w zlewni Kłudy (2,8 10−3-4,5 10−3 cm s−1) osiągnął większe wartości niż w zlewni Chwalim-skiego Potoku (1 10−3-2,2 10−3 cm s−1 ). Gleby w zlew-ni Kłudy odznaczają się większą przepuszczalno-ścią wody, a zatem również większą odpornością na uszczelnienie powierzchni. Powoduje to, że nachyle-nie stoku pozytywnie wpływa na wielkość infiltracji, a negatywnie na objętość spływu powierzchniowego (Poesen 1984) .
Największy łączny spływ powierzchniowy wy-stąpił w pierwszym eksperymencie, obejmującym 5 deszczowań i wyniósł 35,8 dm3 m−2 . W drugim spły-nęło 31,8 dm3 m−2 wody, a w trzecim 11,08 dm3 m−2
(w obu miałymiejsce 4 deszczowania). Największą średnią objętość spływu osiągnięto podczas drugiego eksperymentu i wyniosła ona 7,95 dm3 m−2 (w pierw-szym 7,16 dm3 m−2, w trzecim 2,77 dm3 m−2 ). W przy-Ryc. 76. Spływ powierzchniowy (SR) w warunkach symulowanego opadu 1 – w pierwszym eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 10.07.2013, 2 – w drugim eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 13.09.2013, 3 – w trzecim eksperymencie w zlewni Kłudy, 10.07.2014 Fig. 76. Surface runoff (SR) under simulated rainfall 1 – in the first experiment in the Chwalimski Brook catchment, 10.07.2013, 2 – in the second experiment in the Chwalimski Brook catchment, 13.09.2013, 3 – in the third experiment in the Kłuda catchment, 10.07.2014 Ryc. 77. Spłukiwanie (SW) w warunkach symulowanego opadu 1 – w pierwszym eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 10.07.2013, 2 – w drugim eksperymencie w zlewni Chwalimskiego Potoku, 13.09.2013, 3 – w trzecim eksperymencie w zlewni Kłudy, 10.07.2014 Fig. 77. Slope wash (SW) under simulated rainfall 1 – in the first experiment in the Chwalimski Brook catchment, 10.07.2013, 2 – in the second experiment in the Chwalimski Brook catchment, 13.09.2013, 3 – in the third experiment in the Kłuda catchment, 10.07.2014
Przebieg i wielkość procesów erozji wodnej gleb na powierzchniach testowych 68 padku spłukiwania, największą łączną wartość osią-gnęło ono w drugim eksperymencie i wyniosło 0,823 kg m−2, przy średnim zmywie równym 0,206 kg m−2 . W pierwszym zmyw osiągnął wartość 0,483 kg m−2 (średnio 0,097 kg m−2), a w trzecim zaledwie 0,105 kg m−2 (średnio 0,261 kg m−2) . W eksperymentach w zlewni Chwalimskiego Po-toku, wraz ze wzrostem wilgotności objętościowej gruntu rosło spłukiwanie. Nawadnianie zeskoru-pionej powierzchni w pierwszych deszczowaniach podczas pierwszego eksperymentu spowodowało, że spływ powierzchniowy nie charakteryzował się taką
tendencją. W drugim eksperymencie spływ wzrastał wraz ze wzrostem wilgotności. W eksperymencie w zlewni Kłudy wahania wilgotności przewyższały wahania spływu i spłukiwania, dlatego wykazano słabą zależność obu procesów od wilgotności (ryc. 78). W przypadku zwięzłości gruntu zachodziła od- wrotna zależność. Wraz ze zmniejszaniem się zwię- złości wzrastały spływ powierzchniowy i spłukiwa-nie. Związek ten wykazano dla wszystkich trzech eksperymentów w przypadku spłukiwania, a w przy-padku spływu w drugim i trzecim eksperymencie (ryc. 79).
Ryc. 78. Zależność spływu powierzchniowego (SR) i spłukiwania (SW) od wilgotności objętościowej gruntu (Wo) podczas eksperymentów terenowych w zlewni Chwalimskiego Potoku (10.07.2013, 13.09.2013) i w zlewni Kłudy (10.07.2014)
Fig. 78. Relation between volumetric water conent (Wo ) and surface runoff (SR) and slope wash (SW) during field experi-ments in the Chwalimski Brook catchment (10.07.2013, 13.09.2013) and in the Kłuda catchment (10.07.2014)
Ryc. 79. Zależność spływu powierzchniowego (SR) i spłukiwania (SW) od zwięzłości gruntu (c) podczas eksperymentów terenowych w zlewni Chwalimskiego Potoku (10.07.2013, 13.09.2013) i w zlewni Kłudy (10.07.2014)
Fig. 79. Relation between soil cohesion (c) and surface runoff (SR) and slope wash (SW) during field experiments in the Chwalimski Brook catchment (10.07.2013, 13.09.2013) and in the Kłuda catchment (10.07.2014)