Beata Olszewska, Leszek Pływaczyk, Wojciech Łyczko
Instytut Kształtowania i Ochrony Środowiska, Uniwersytet Przyrodniczy we Wrocławiu
Wstęp
Odra naleŜy do najlepiej zagospodarowanych dróg wodnych w Polsce i jest pierwszoplanową osią rozwoju gospodarczego i kulturowego województwa dolno-śląskiego. Stanowi element europejskiego korytarza transportowego na osi północ - południe, a takŜe wschód - zachód.
śegluga Odrą w dawnych czasach była trudnym przedsięwzięciem [MIŁKOWSKI
2003]. Kręta rzeka, z licznymi przeszkodami, o duŜej zmienności stanów wody i nurtu rzeki a takŜe tamami i jazami utrudniała Ŝeglugę. W XVI wieku liczba jazów na Dolnym Śląsku dochodziła do 20 (m.in. w Rzeczycy, Chobieni, Głogowie). Prawie cała Odra na terenie Polski została uregulowana. Naturalny odcinek rzeki zachował się w górnym jej biegu, pomiędzy Chałupkami a ujściem Olzy. Prace nad podniesieniem Ŝeglowności Odry nabrały rozmachu w wieku XVIII. Na przeszkodzie Ŝegludze stał bardzo zły stan rzeki. Coraz większe zasiedlenie doliny powodowało zwęŜenie koryta wód powodziowych. Ludność zaczynała powoli ujarzmiać rzekę róŜnymi sposobami.
Na plan pierwszy wysunęły się obwałowania. Od XIX wieku rozwój Ŝeglugi miał decydujący wpływ na charakter i rozmiar prac regulacyjnych. Na odcinku od Kędzierzyna-Koźla do Brzegu Dolnego wybudowano 27 stopni o łącznym spadzie 63 m. Tu stan obiektów hydrotechnicznych jest zadawalający lecz wymagają one dalszych remontów i modernizacji. Odcinek Odry swobodnie płynącej od budowli w Brzegu Dolnym (281,7 km) do ujścia Nysy ŁuŜyckiej (o długości około 260 km) charakteryzuje się najgorszymi parametrami technicznymi i warunkami Ŝeglugowymi. Najtrudniejszą częścią szlaku jest fragment Odry bezpośrednio poniŜej jazu w Brzegu Dolnym, gdzie postępująca erozja znacznie utrudnia Ŝeglugę. Systematyczne pogłębianie się dna Odry sprzyja rozwojowi drenującego charakteru rzeki poniŜej budowli piętrzącej. Wpływa to na stałe obniŜanie się zwierciadła wody w rzece oraz poziomu wód gruntowych w przyległej dolinie [PŁYWACZYK 1997; PŁYWACZYK i in. 2007].
Celem pracy jest określenie wpływu zmian stanów wody w Odrze na głębokości zalegania wód gruntowych w dolinie poniŜej spiętrzenia oraz określenie ich tempa, które zaleŜy przede wszystkim od stanów wody w Odrze, czasu ich trwania oraz odległości od koryta rzeki.
Materiał i metody
Głównym celem budowy stopnia wodnego na Odrze w Brzegu Dolnym była
B. Olszewska, L. Pływaczyk, W. Łyczko 194
poprawa warunków Ŝeglugi na rzece oraz wykorzystanie spadu uzyskanego na stopniu do produkcji energii elektrycznej [LENCZEWSKI, LESZCZYŃSKI 1969]. Zasadnicze obiekty budowli znajdują się w 281,7 km Odry. Jaz o dokowej konstrukcji posiada pięć przęseł i przystosowany jest do piętrzenia wody w rzece do rzędnej 108,00 m NN (poziom odniesienia Amsterdam tzw. Normal-Null). W roku 1958, kiedy oddano stopień do eksploatacji, pojemność powstałego zbiornika o powierzchni 5,0 km2 szacowano na około 7,0 mln m3. Nieprawidłowa eksploatacja jazu, jego lokalizacja w łuku rzeki a takŜe geometria koryta doprowadziły do znacznego zamulania czaszy zbiornika.
Powódź w lipcu 1997 r. wymyła część osadów, a okresowe obniŜenie piętrzenia wody na stopniu do rzędnej 106,50 m NN spowodowało odsłonięcie wypiętrzonych fragmentów dna. Powstałe w ten sposób wyspy stały się miejscem gniazdowania ptaków. Ich istnienie nie jest korzystne, powstają utrudnienia w przejściu fal powodziowych oraz prowadzeniu Ŝeglugi.
PoniŜej budowli w Brzegu Dolnym występują silne procesy erozji lokalnej i liniowej. W latach osiemdziesiątych XX wieku stwierdzono istnienie trzech duŜych wybojów lokalnych poniŜej stopnia (o maksymalnej głębokości 12,5 m) [GŁOWSKI, PARZONKA 2007], które stanowiły zagroŜenie dla stateczności budowli.
Badania rozwoju erozji liniowej dna Odry były prowadzone od 1925 r. na odcinku poniŜej budowli w Rędzinie. Analiza wyników pomiarów z kolejnych lat badań wykazała, iŜ dynamika procesu erozji na odcinku Odry swobodnie płynącej wynosiła 6,2 cm⋅rok-1 (w okresie 1961-1992) i była dwukrotnie wyŜsza niŜ w okresie do 1961 r.
Swym zasięgiem objęła odcinek ponad 50 km (do miejscowości Ścinawa - 332 km Odry) [SERAFIN, PŁYWACZYK 1991; MOKWA 2002]. Średnie obniŜenie dna na całym odcinku Brzeg Dolny - Malczyce wynosi ponad 1,55 m.
Rys. 1. Plan sytuacyjny obiektu badawczego Fig. 1. Plan of the investigated area
Systematyczny wzrost zasięgu erozji liniowej dna Odry poniŜej Brzegu Dolnego doprowadził do zmiany sposobu oddziaływania rzeki na przyległą dolinę. Zmiany dna spowodowały obniŜanie się stanów wody w Odrze, a tym samym głębokości zalegania wód gruntowych w terenach przyległych. Instytut Kształtowania i Ochrony Środowiska Uniwersytetu Przyrodniczego we Wrocławiu od 1970 roku (z przerwą w okresie 1991-1996) prowadzi kompleksowe badania dotyczące oddziaływania spiętrzenia wód Odry na tereny przyległe. Obejmują one, między innymi, ocenę kształtowania się wód gruntowych w oparciu o cotygodniowe (obecnie w 60 punktach) oraz codzienne od 1976 r. (w 3 piezometrach G3, G4 i G5 zlokalizowanych w róŜnych odległościach od koryta Odry, odpowiednio 120 m, 220 m i 550 m - rys. 1) pomiary głębokości zalegania wód gruntowych. Wyniki bezpośrednich codziennych obserwacji dla piezometrów oraz dane dotyczące stanów wody w Odrze na wodowskazie Malczyce były podstawą obliczeń charakterystycznych stanów wód Odry oraz głębokości zalegania wód gruntowych.
Wyniki i dyskusja
Odra, na analizowanym fragmencie poniŜej Brzegu Dolnego, płynie równo-leŜnikowo wzdłuŜ prawego stoku wysoczyzny, a poniŜej Rzeczycy kieruje się ku lewemu brzegowi. PoniŜej Malczyc gwałtownie zmienia bieg na południkowy, podmywając w okolicach LubiąŜa prawy stok wysoczyzny. Rzeka ma tu charakter typowo nizinnego cieku, o średnim spadku około 0,25 ‰. Obszar ten pokrywają utwory czwartorzędowe i trzeciorzędowe. Wierzchnią warstwę stanowią utwory mało przepuszczalne, o miąŜszości lokalnie do 2,0 m. Pod nimi zalegają utwory o duŜej przepuszczalności i miąŜszości do kilkudziesięciu metrów. Taki układ geologiczny stwarza dobre warunki filtracji wód z Odry w kierunku doliny i odwrotnie. Około 85%
powierzchni analizowanego obszaru zajmują mady, zbudowane głównie z glin średnich i cięŜkich, pozostałe 15% stanowią gleby bielicowe, brunatne i organogeniczne.
LewobrzeŜna część doliny Odry na analizowanym odcinku jest uŜytkowana rolniczo.
Grunty orne zajmują tu około 50% powierzchni, uŜytki zielone 14%, lasy 26%, a pozostałe 10% to tereny komunikacyjne i osiedlowe, wody stojące i płynące, sady oraz nieuŜytki [PŁYWACZYK 1997; OLSZEWSKA 1998]. Fragment doliny Odry na odcinku Brzeg Dolny - Malczyce połoŜony jest w obrębie regionu I - nadodrzańskiego, dla którego średnia roczna temperatura powietrza wynosi 8,7°C, opad roczny 600 mm, a względna wilgotność powietrza około 75%.
W wyniku erozji dna stany wody w Odrze obniŜają się. W tabeli 1 zestawiono średnie roczne oraz najczęściej występujące stany wody w Odrze na wodowskazie Malczyce w okresie 1950-2007 w odniesieniu do obecnie obowiązującego zera wodowskazu, które wynosi 93,10 m NN. Średni roczny stan na wodowskazie Malczyce z lat 2001-2007, w porównaniu z okresem przed wybudowaniem stopnia (1950-1958), uległ obniŜeniu o 1,62 m, a stan najczęściej występujący obniŜył się o 2,0 m w stosunku do okresu przed piętrzeniem wód. Dynamika zmian wynosi ponad 5 cm⋅rok-1.
Tabela 1: Table 1
B. Olszewska, L. Pływaczyk, W. Łyczko 196
Średnie roczne Hs (m) oraz najczęściej występujące Hn (m) stany wody w Odrze na wodowskazie Malczyce w okresie 1950-2007
Mean yearly Hs (m) and the most frequent Hn (m) water levels river at the Odra in the Malczyce water-gauge in the years 1950-2007
Lata; Years Hs (m) Hn (m)
1950-1958 3,80 3,45
1959-1970 3,83 3,35
1971-1980 3,65 3,15
1981-1990 3,03 2,45
1991-2000 3,02 1,55
2001-2007 2,18 1,45
Wahania zwierciadła wody gruntowej w dolinie Odry zaleŜą od szeregu czynników, m.in.: warunków meteorologicznych, hydrogeologicznych, glebowych, uŜytkowania i ukształtowania terenu, odległości od koryta rzeki oraz stanów wody w Odrze. Układ wód gruntowych w dolinie poniŜej budowli w Brzegu Dolnym wskazuje na wyraźne drenujące oddziaływanie rzeki. W latach 1970-1980 na obszarach przy-ległych do Odry średnie głębokości wód gruntowych wynosiły około 2,5-3,0 m poniŜej powierzchni terenu. W kolejnych latach 1980-1990 oraz 1997-2007 obserwowano dalsze obniŜenie się poziomu wód gruntowych o około 0,5-1,0 m. Tempo tych zmian jest zaleŜne od postępujących procesów erozji dna Odry i odległości od koryta rzeki [PŁYWACZYK 1997].
Dla lat 1976-1990 oraz 1997-2005 opracowano [OLSZEWSKA i in. 2006] zaleŜności średnich miesięcznych głębokości zalegania wód gruntowych w piezometrach G3, G4 i G5 od średnich miesięcznych stanów wody w Odrze na wodowskazie Malczyce.
Przedstawiają się one następująco:
- piezometr G3 → Hg = -0,5042⋅H + 417,71; r = 0,87 - piezometr G4 → Hg = -0,4083⋅H + 304,31; r = 0,79 - piezometr G5 → Hg = -0,2565⋅H + 230,83; r = 0,56 gdzie:
Hg - średnia miesięczna głębokość zwierciadła wody gruntowej w piezometrze (cm), H - średni miesięczny stan wody w Odrze na wodowskazie Malczyce (cm),
r - współczynnik korelacji.
Opracowana zaleŜność wskazuje, Ŝe ze wzrostem stanów w Odrze podnosi się poziom wody gruntowej w terenie przyległym oraz dla określonego przedziału zmian stanów wody w Odrze przedział zmian poziomu wody gruntowej maleje wraz ze wzrostem odległości od tej rzeki. Na rysunku 2 przedstawiono przebieg codziennych głębokości zalegania wód gruntowych w analizowanych piezometrach G3, G4 G5 oraz G5-1 i G5-2 (gdzie codzienne obserwacje wód gruntowych prowadzone są od 2001 r., a oddalone są od koryta rzeki odpowiednio 700 i 1000 m) na tle stanów wody w Odrze w przekroju Malczyce w latach hydrologicznych 2006 oraz 2007.
Największe wahania poziomu zwierciadła wody gruntowej, ściśle związane ze stanami wody w Odrze, występują w bezpośrednim sąsiedztwie rzeki - piezometr G3 - 120 m od koryta Odry a amplituda poziomów wody gruntowej maleje wraz z
odległością od rzeki. W roku hydrologicznym 2006 roczna amplituda wynosiła 3,57 m dla G3, 2,33 m dla G4 i 1,04 m dla G5 oraz 0,90 m dla G5-1 i 0,79 m dla G5-2. Natomiast w roku hydrologicznym 2007 - 0,98 m dla G3, 0,72 m dla G4 i 0,55 m dla G5 oraz 0,54 m dla G5-1 i 0,51 m dla G5-2 .
93,00 94,00 95,00 96,00 97,00 98,00 99,00 100,00 101,00 102,00
2005-11-01 2006-05-01 2006-11-01 2007-05-01 2007-11-01
H [m n.p.m.] G3G4
G5 G5-1 G5-2 Malczyce
Rys. 2. Przebieg codziennych głębokości zalegania wód gruntowych H (m n.p.m.) w piezometrach G3, G4, G5, G5-1 i G5-2 na tle stanów wody w Odrze w przebiegu Malczyce w latach hydrologicznych 2006 i 2007
Fig. 2. Course of daily groundwater levels H (m a.s.l.) in piezometers G3, G4, G5, G5-1 and G5-2 against the background of water levels in the Odra river at the Malczyce section in the hydrological years 2006 and 2007
Dysponując zebranymi danymi z lat 1976-2007 (z przerwą w okresie 1991-1996) przeanalizowano tendencję obniŜania się najczęściej występujących głębokości zalegania wód gruntowych w analizowanych piezometrach G3, G4 i G5. Na rysunku 3 przedstawiono przebieg oraz linie trendu obniŜania się najczęściej występujących głębokości wód gruntowych w piezometrach G3, G4 i G5 w latach 1976-1990 oraz 1997-2007.
Z przeprowadzonej analizy wynika, Ŝe głębokości zalegania wód gruntowych w pasie bezpośrednio przyległym do rzeki zwiększają się. Okres prowadzonych badań i oddziaływanie Odry wyraźnie podzieliła powódź z lipca 1997 r. Dla piezometru G3
w okresie od 1976 do 1990 roku stan najczęściej występujący obniŜył się o ok. 0,48 m (tj. 3,2 cm⋅rok-1), dla lat 1997-2007 obniŜenie wyniosło ok. 0,56 m (tj. 5,6 cm⋅rok-1). W przypadku piezometru G4 dla pierwszego okresu o ok. 0,41 m (2,7 cm⋅rok-1), dla drugiego o ok. 0,59 m (tj. 5,9 cm⋅rok-1). W piezometrze G5 zanotowano obniŜenie głębokości zalegania wód o około 0,32 m (tj. 2,1 cm⋅rok-1) dla pierwszego okresu i 0,23 m (tj. 2,3 cm⋅rok-1) w przypadku lat po powodzi w 1997 r.
B. Olszewska, L. Pływaczyk, W. Łyczko 198
G3
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008
H [m]
G4
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008
H [m]
G5
0 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 4
1976 1980 1984 1988 1992 1996 2000 2004 2008
H [m]
Rys. 3. Przebieg oraz linie trendu obniŜania się najczęściej występujących głębokości wód gruntowych H (m) w piezometrach G3, G4, i G5 w latach 1976-2007
Fig. 3. Course and trend line of decreasing of the most frequent groundwater levels H (m) in
the piezometers G3, G4, and G5 in the years 1976-2007
Wnioski
1. Spiętrzenie wody w Odrze w 1958 roku stopniem wodnym w Brzegu Dolnym spowodowało wzmoŜony proces erozji koryta poniŜej budowli. W okresie ponad 40 letniej eksploatacji stopnia dno rzeki na odcinku Brzeg Dolny - Malczyce obniŜyło się średnio o 1,55 m. Średni roczny i najczęściej występujący stan wody w Odrze na wodowskazie Malczyce (z lat 2000-2007) w porównaniu z okresem przed spiętrzeniem wody (z lat 1950-1958) obniŜył się o odpowiednio 1,62 m i 2,00 m.
2. ObniŜanie się stanów wody w Odrze powoduje obniŜanie się zwierciadła wody gruntowej w przyległej dolinie. W latach 1976-2007 najczęściej występujący poziom wody gruntowej obniŜył się o około 0,90 m w odległości 120 m (2,4 cm⋅rok-1), o około 0,70 m w odległości 220 m (1,9 cm⋅rok-1) i o około 0,35 m (0,9 cm⋅rok-1) w odległości 550 m od koryta rzeki.
3. Na odcinku Brzeg Dolny - Malczyce w pasie przyległym do rzeki o szerokości do 1000 m na głębokości zalegania wód oraz amplitudę zmian zwierciadła wody gruntowej decydujący wpływ mają stany wody w Odrze oraz opady atmosferyczne. NajwyŜsze wahania poziomu zwierciadła wody gruntowej występują bezpośrednio w sąsiedztwie cieku i maleją w miarę oddalania się od koryta rzeki.
Literatura
GŁOWSKI R., PARZONKA W. 2007. Eksploatacja i oddziaływanie zbiornika Brzeg Dolny na rzece Odrze. Wyd. AR w Poznaniu, Nauka Przyr. Technol. 1(2): 99-110.
LENCZEWSKI W., LESZCZYŃSKI Z. 1969. Odwodnienie terenów przyległych do zbiornika stopnia wodnego na Odrze w Brzegu Dolnym. Wyd. Kom. i Łączn. Warszawa: 61 ss.
MIŁKOWSKI M. 2003. Odra i Ŝegluga retrospektywnie w XX wieku. Państwowy Instytut Wydawniczy, Zesz. Odrz., Seria Nowa 23, Opole: 117 ss.
MOKWA M. 2002. Sterowanie procesami fluwialnymi w korytach rzek przekształconych antropogenicznie. Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu 439, Rozprawy CLXXXIX: 137 ss.
OLSZEWSKA B. 1998. Wpływ budowli piętrzącej na warunki wodne oraz wybrane ele-menty środowiska przyrodniczego w dolinie na przykładzie Odry w rejonie Brzegu Dolnego. Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu, InŜynieria Środowiska X(349): 107-132.
OLSZEWSKA B., GŁUCHOWSKA B., PŁYWACZYK L. 2006. Związek wód powierzchniowych i podziemnych w dolinie Odry poniŜej stopnia wodnego w Brzegu Dolnym. Wyd.
RZGW Wrocław: 427-440.
PŁYWACZYK L. 1997. Oddziaływanie spiętrzenia rzeki na dolinę na przykładzie Brzegu Dolnego. Wyd. AR we Wrocławiu: 47 ss.
PŁYWACZYK L., OLSZEWSKA B., ŁYCZKO W., KLAUS R. 2007. Oddziaływanie stopnia wodnego na Odrze w Brzegu Dolnym na koryto rzeki i warunki wodne w dolinie. Wiad.
Melior. i Łąkar. 3(414): 106-114.
SERAFIN S., PŁYWACZYK L. 1991. Określenie zmian zwierciadła wody w rzece i terenie
B. Olszewska, L. Pływaczyk, W. Łyczko 200
przyległym w wyniku obniŜania się dna rzeki Odry poniŜej stopnia w Brzegu Dolnym.
Zesz. Nauk. AR we Wrocławiu. Geod. X(210): 205-218.
Słowa kluczowe: erozja dna koryta Odry, wody gruntowe, dolina Odry Streszczenie:
W niniejszej pracy została przeprowadzona analiza średnich miesięcznych i najczęściej występujących głębokości zalegania wód gruntowych w piezometrach G3, G4, G5, zlokalizowanych odpowiednio o 120, 220, 550 m od koryta Odry, na tle odpowiadających stanów na Odrze na wodowskazie Malczyce. Zostały wykorzystane codzienne obserwacje głębokości zalegania wody gruntowej z lat 1976-2007 dla w/w piezometrów. Na podstawie tych danych określono tempo zmian poziomów wód gruntowych w przyległej dolinie. ZaleŜy ono głównie od stanów wody w Odrze, czasu ich trwania oraz odległości od koryta rzeki. Wynosi ono około 2,4 cm⋅rok-1 w odległości 120 m, 1,9 cm⋅rok-1 w odległości 220 m i 0,9 cm⋅rok-1 w odległości 550 m od Odry.
INFLUENCE OF THE ODRA RIVER BED EROSION DOWN THE DAM IN BRZEG DOLNY ON THE GROUNDWATERS
IN THE SELECTED VALLEY SECTION Beata Olszewska, Leszek Pływaczyk, Wojciech Łyczko Institute of Environmental Protection and Development, University of Environmental and Life Sciences, Wrocław Key words: the Odra river bed erosion, groundwater, the Odra valley
Summary
The analysis of mean month by and the most frequent groundwater levels in the piezometers G3,G4, G5, situated at the distance of 120, 220 and 550 m from the Odra bed, against the Odra levels observed in the Malczyce section is presented in the paper.
The daily measurements of the depth of groundwater from the years 1976-2007 for the above mentioned piezometers were used. Basing on these data the rate of groundwater changes in the adjacent valley was estimated. It depends mainly on the water levels in the Odra river, its duration and distance from the river bed. It is about 2.4 cm⋅year-1 at the distance 120 m, 1.9 cm⋅year-1 at the distance 220 m and 0.9 cm⋅year-1 at the distance 550 m from the Odra river bed.
Dr inŜ. Beata Olszewska
Instytut Kształtowania i Ochrony Środowiska Uniwersytet Przyrodniczy
Pl. Grunwaldzki 24 50-363 WROCŁAW
e-mail: beata.olszewska@up.wroc.pl