Sezonowość przepływu

Przepływy rzek, z oczywistych powodów, wykazują mocniej lub słabiej za-znaczone wahania wynikające ze zmian pór roku. Sezonowość ta znajduje po-twierdzenie w toku wielu analiz, m.in. statystycznych. Warto jednak podkreślić, iż składnik sezonowy tego samego podokresu charakteryzuje się dość wyraźną zmiennością w wieloleciu, na którą wpływ wywiera zespół czynników decydu-jących o aktualnym stanie retencji (podziemnej, powierzchniowej). W różnych latach składnik ten może więc przyjmować różne wartości, a częstym zjawi-skiem są przesunięcia ekstremów oscylacji, zaś w efekcie okresowe zachwianie lub nawet zmiana struktury sezonowości. Fluktuacje takie są częste i wynikają z ogromnej złożoności i zmienności niestacjonarnych elementów bilansu wod-nego i stacjonarnych lub quasi-stacjonarnych warunków fizycznogeograficznych zlewni.

Rys. 9.11. Wskaźniki sezonowości dobowych przepływów Pilicy w Przedborzu (1961–1990)

Objaśnienia: Ws – dobowy wskaźnik sezonowości przepływu.

Jedną z miar informujących o sezonowości w odniesieniu do poszczególnych podokresów (tutaj dni) może być tzw. wskaźnik sezonowości (Ws), wyrażany w procentach i obliczany za pomocą prostej formuły podanej w podrozdz. 11.1.F.

Przeciętny rozkład dobowych wskaźników sezonowości w roku prezentu-je rys. 9.11. Zawierają się one w przedziale od mniej niż –30% do ponad 70%. Od drugiej dekady grudnia (z przerwą w drugiej dekadzie stycznia) do początku maja wskaźniki Ws są dodatnie, zaś w okresie od maja do grudnia – przeważnie ujemne (por. rys. 9.4). Wskaźniki wyższe od 20% i niższe od –20% są charakte-rystyczne odpowiednio dla późnej zimy, przedwiośnia i wczesnej wiosny oraz dla lipca, września i początku października. W tych okresach sezonowość procesu przepływu jest więc największa.

Interesującymi miarami pozwalającymi ilościowo opisać charakter i poziom sezonowości przepływu są pora koncentracji i jej pochodna, nazwana indeksem sezonowości (Markham 1970). Wskaźniki Markhama zostały skonstruowane dla potrzeb analizy zmienności wieloletniej opadów, a w odniesieniu do odpły-wów rzecznych po raz pierwszy zastosowano je w pracy P. Jokiela i K. Kożu-chowskiego (1989). Później z powodzeniem były stosowane w pracach łódzkiego ośrodka hydrologicznego (np. Bartnik, Jokiel 2001, Tomaszewski 2001, 2012, Jokiel 2004, 2009). Ich konstrukcja jest oparta na podstawach geometrii anali-tycznej (por. podrozdz. 11.1.F).

Indeks sezonowości (IsQ) może zawierać się w przedziale od 0 do 100%, przy czym wartości najmniejsze dotyczą dwóch sytuacji. Po pierwsze – wtedy, gdy od-pływ rozłożony jest równomiernie w ciągu roku (długość wszystkich wektorów jest taka sama), a po drugie – wówczas, gdy układ wektorów cząstkowych tworzy dwie przeciwstawne wypadkowe. Całość odpływu występuje wtedy w dwóch na-przeciw siebie położonych miesiącach (np. listopad i maj) lub dniach (np. 1 paź-dziernika i 1 kwietnia). W warunkach Polski są to sytuacje czysto teoretyczne, ale w wielu rzekach świata odpływy występują niemal wyłącznie w tzw. porach

deszczowych, natomiast w jeszcze innych, z uwagi na ich położenie geograficzne, odpływ rzeczny jest sezonowo mało zróżnicowany (np. Amazonka). Takie sytu-acje są jednak możliwe i należy zachować szczególną ostrożność interpretacyjną (Bartnik, Jokiel 2012).

Rys. 9.12. Pory koncentracji i indeksy sezonowości Markhama dla dobowych przepływów Pilicy

w Przedborzu

Objaśnienia: lata: A – 1975 (najwcześniejsza pora koncentracji); B – 1974 (najpóźniejsza pora koncentracji); C – średnia z wielolecia 1961–1990. Strzałki oznaczają wektory wypadkowe pory koncentracji (WpkQ), liczby – indeksy sezonowości (IsQ).

Drugą z charakterystyk zaproponowanych przez Markhama do badania sezonowości jest wskaźnik pory koncentracji (tu: przepływu) – WpkQ. Ba-zuje on na tych samych założeniach, co indeks sezonowości. Oblicza się go zgodnie z formułą podaną w podrozdz. 11.1.F. W niektórych analizach wy-godniej jest jednak używać konkretnej daty. Możemy to osiągnąć, przekształ-cając wzór służący obliczeniu kąta nachylenia wektora wypadkowego pory sezonowości tak, aby po lewej stronie równania pozostała wartość indeksu L_s. Liczbę dni względem początku roku (w Polsce – 1 listopada) można już wtedy łatwo uzyskać.

Sposób konstrukcji obu statystyk zmusza, co prawda, do ostrożności przy ich interpretacji, ale korzyści z numerycznego zapisu terminu koncentracji prze-pływu, powstającego przy uwzględnieniu wszystkich informacji płynących z co-dziennego hydrogramu, są oczywiste, choćby w aspekcie śledzenia zmian i fluk-tuacji reżimu rzeki w wieloleciu.

Dobrą ilustracją omawianych wyżej zagadnień są diagramy zawarte na rys. 9.12. Pierwsze dwa ilustrują rozkład przepływu Pilicy w Przedborzu w latach charakteryzujących się najwcześniejszą (A) i najpóźniejszą (B) porą koncentracji w badanym trzydziestoleciu 1961–1990. Kolejny pokazuje zaś uśredniony dla tego wielolecia rozkład przepływu w ciągu roku. Zauważmy, że przeciętna pora koncentracji obliczona dla uśrednionego hydrogramu do-bowego przypada tuż po 8 marca (Dzień Kobiet), zaś przeciętny indeks se-zonowości Pilicy wynosi ok. 12% (rys. 9.12 C). Położenie pory koncentracji może być jednak bardzo zmienne w wieloleciu. Nawet w sąsiednich latach wektory wypadkowe mogą wskazywać na skrajne wartości (rys. 9.12 A, B). Podobną uwagą można opatrzyć również wieloletnią zmienność rocznych in-deksów sezonowości.

Przepływ w korycie rzeki jest więc niewątpliwie zjawiskiem charakteryzu-jącym się zmiennością sezonową, która w oczywisty sposób uwarunkowana jest przez sezonowy bieg elementów pogody czy też związany z nimi roczny cykl życiowy w przyrodzie. Rytm ten jest jednak stale zakłócany przez różnego ro-dzaju anomalie, „wygładzany” wskutek oddziaływania szeroko pojętej retencji, a często także ukrywany przez wszechobecny „szum klimatyczny”. Na dodatek sezonowa struktura przepływu znajduje się pod coraz silniejszą presją działalno-ści gospodarczej człowieka, która również wywołuje szereg zmian ilodziałalno-ściowych i jakościowych. Dlatego też w analizach sezonowości przepływu rzek nie wy-starczy dziś stwierdzenie, że wezbrania przeciętnie pojawiają się kwietniu lub (i) w lipcu, a niżówki we wrześniu czy np. w styczniu. Potrzebne są więc metody oraz rozwiązania służące do bardziej precyzyjnego opisu sezonowości tego zja-wiska, jak też narzędzia pozwalające śledzić jego zmienność i zmiany w skali wielolecia. Sądzimy, iż niektóre z przedstawionych wyżej metod zasługują w tym względzie na uwagę.