Wykorzystanie metod geoinformacyjnych w badaniach morfodynamiki koryta Wisły w Warszawie

Wykorzystanie metod geoinformacyjnych w badaniach morfodynamiki

koryta Wis³y w Warszawie

Tomasz Falkowski

, Piotr Ostrowski

The use of geoinformation methods in Vistula channel morphodynamic research in Warsaw.Prz. Geol., 63: 186–194.

A b s t r a c t. Prerequisite for rational river valleys management is estimation of its evolution processes causes and directions. Such analysis requires from geologist great number of different information, acquisition of which is very often associated with difficulties resulting (for instance) from channel zone inaccessibility. Besides accuracy in location of the observation points such works require also ability in registration of environment changes during short observation periods (e.g. on the base of subsequent measurement campaigns results) as well as during long periods (e.g. comparison of the topographic or remote sensing archival data ). The perfect tool for such purposes, which is capable to integrating various research results are geographic information systems.

In the regulated, downtown section of the Warsaw Vistula channel since the 60s of the last century to the early XXI century was recorded a steady decline in the level of the medium and low water flow. This process became a threat for the channel zone infrastruc-ture. At the same time above and below this channel section, in the zone less equipped with the hydro-technical structures the process of aggradation was observed. This leads to increase of flood risk. The paper presents results of investigations, which were conducted in the Vistula River channel zone in Warsaw. During the research it was found that the reason for a particular channel environment behaviour in reaction on the management is the channel geology. In the narrow, regulated downtown channel section the contempo-rary alluvia substrate (built up with erosion resistant deposits) creates morphologically diverse protrusion. Upstream and downstream of that channel section the roof of alluvia substratum lowers. Lack of possibilities to deepening channel during the high waters pas-sage in downtown narrowed channel reach affects the higher flow speeds and creates conditions of sediment transit . Shallow position of erosion resistant deposits floor affects also the thalweg course. Beyond the culmination of substratum Vistula represents the wild river, overloaded by alluvia.

Keywords: channel processes, alluvia substratum, hydrotechnical constructions, GIS

Doliny rzeczne, a szczególnie ich stre-fy korytowe, s¹ wy-magaj¹cym obiek-tem aplikacyjnych badañ geologicznych. Ogromne znaczenie przyrodnicze (Kajak, 1992; Tomia³ojæ, 1993) i gospodarcze tych obszarów narzuca koniecznoœæ precyzyjnego i wyczerpuj¹cego formu³owania rozwi¹zañ problemów zwi¹zanych z ich zagospodarowaniem. Gro-madzenie danych o œrodowisku dolin rzecznych wi¹¿e siê czêsto z trudnoœciami technicznymi, które wynikaj¹ cho-cia¿by z sezonowej niedostêpnoœci znacznej czêœci równi zalewowej. Tak¿e wyj¹tkowa dynamika œrodowiska flu-wialnego (Vanderberghe, 2002) zmusza do formu³owania prognoz jego rozwoju (np. prognoz geologiczno-in¿ynier-skich; Kowalski, 1988) w oparciu o precyzyjn¹ lokalizacjê geoprzestrzenn¹ elementów, których powstanie i w³aœ-ciwoœci wynikaj¹ z geologicznej historii formy. Do najwa-¿niejszych z nich nale¿¹: morfologia doliny, cechy struktu-ralne osadów, wystêpowanie i przep³yw wód podziem-nych, warunki hydrauliczne w korycie, œrodowisko glebo-we czy te¿ siedliska wystêpuj¹ce na równi zalewoglebo-wej. Dobrym narzêdziem do prowadzenia tego typu z³o¿onych analiz s¹ programy/platformy geoinformacyjne (Ostrowski & Falkowski, 2012). W artykule przedstawiono metodykê i wyniki badañ (g³ównie geologicznych) strefy korytowej

Wis³y warszawskiej (od 495 do 520 km biegu rzeki), które prowadzono z zastosowaniem technik geoinformacyj-nych.

Charakter procesów erozji i akumulacji rzecznej wp³ywa bezpoœrednio na warunki dzia³ania infrastruktury zwi¹zanej z korytem. Na miejskim odcinku koryta Wis³y (od Mokotowa do ¯oliborza) od po³owy XX w. obserwuje siê sta³e obni¿anie poziomu przep³ywu œrednich i niskich wód (Kornacki, 1960; Zieliñska, 1960; Skibiñski, 1963). Proces ten wi¹zany jest z obni¿eniem dna koryta. To nie-bezpieczne m.in. dla ujêæ wody i budowli regulacyjnych zjawisko wi¹zane jest g³ównie z eksploatacj¹ rumowiska z dna koryta (Skibiñski, 1963; Popek & ¯elazo, 2000; ¯ela-ziñski i in., 2005). Skala takiej eksploatacji przez ostatnie kilkadziesi¹t lat przekracza³a czêsto iloœæ rumowiska docieraj¹cego do odcinka warszawskiego koryta Wis³y (¯elaziñski i in., 2005). Istotnymi przyczynamii obni¿ania siê poziomu przep³ywu œrednich i niskich wód by³y tak¿e regulacja koryta i zwê¿enie szerokoœci trasy regulacyjnej na odcinku œródmiejskim z 340 do 220 m (Popek i in., 2009). Zmiana ta doprowadzi³a do ukszta³towania siê wyraŸnych ró¿nic prêdkoœci przep³ywu w korycie pomiê-dzy odcinkiem miejskim (od Mokotowa do ¯oliborza) i odcinkami po³o¿onymi powy¿ej i poni¿ej niego (Gutry--Korycka i in., 2006). W efekcie, jednoczeœnie z obni¿a-niem siê na odcinku miejskim poziomu przep³ywu wód œrednich i niskich, powy¿ej i poni¿ej niego rejestrowano T. Falkowski P. Ostrowski

1

Katedra Geoin¿ynierii, Wydzia³ Budownictwa i In¿ynierii Œrodowiska, Szko³a G³ówna Gospodarstwa Wiejskiego w Warszawie, ul. Nowoursynowska 159, 02-776 Warszawa; tomasz_falkowski@sggw.pl, piotr_ostrowski@sggw.pl.

nadbudowywanie powierzchni strefy korytowej (miêdzy-wala). Proces ten powoduje zwiêkszenie zagro¿enia powo-dziowego (Magnuszewski, 2013), które jest szczególnie istotne w kontekœcie mo¿liwoœci poszukiwania nowych miejsc pod zabudowê i wkraczania inwestorów na obszar równi zalewowej. W dolinie Wis³y warszawskiej na prze-³omie wieków zabudowane zosta³y na przyk³ad: znaczna czêœæ rejonu Siekierek i Kêpy Zawadowskiej, a tak¿e znaczne obszary w okolicach Tarchomina. Ewentualne zalanie tych terenów (Magnuszewski & Gutry-Korycka, 2009; Magnuszewski i in., 2012) spowoduje powa¿ne pro-blemy ekonomiczne i spo³eczne.

Charakter wspó³czesnych procesów rzecznych na odcinku Wis³y warszawskiej zale¿ny jest tak¿e od jego budowy geologicznej i morfologii. Strefa miejska odcinka Wis³y warszawskiej, obejmuj¹ca Mokotów, Œródmieœcie i ¯oliborz, to zwê¿enie równi zalewowej (tarasu zalewowe-go), nazwane „gorsetem warszawskim” (Ró¿ycki, 1972; Biernacki 1975; Falkowski, 1990). W tej strefie zbudowane z trudno rozmywalnych osadów pod³o¿e wspó³czesnych aluwiów korytowych Wis³y tworzy kulminacjê o z³o¿onej morfologii. Formê tê buduj¹ przykryte zazwyczaj rezydu-alnym brukiem trzeciorzêdowe i³y pstre (plioceñskie) oraz ró¿norodne osady plejstoceñskie – gliny zwa³owe, osady zastoiskowe, a tak¿e gruboziarniste, zagêszczone osady plej-stoceñskich rzek (Ró¿ycki & Sujkowski, 1936; Nale¿yty, 1972; Watycha, 1973; Brykczyñska & Brykczyñski, 1974; Falkowski, 1990; Sarnacka, 1992; Falkowski & Ostrowski, 2009). Utwory te ods³aniaj¹ siê w dnie koryta lub przykryte s¹ warstw¹ wspó³czesnych aluwiów o zmiennych mi¹¿szo-œciach (Falkowski & Ostrowski, 2012).

Celem badañ, które prowadzono od 2008 r., by³o okreœ-lenie wp³ywu budowy geologicznej na zmiany morfologii koryta Wis³y warszawskiej, wywo³ane jego zagospodaro-waniem. Wykonane prace terenowe i kameralne pozwoli³y tak¿e na ocenê przydatnoœci i potencja³u aplikacyjnego zastosowanych metod geoinformacyjnych.

ZA£O¯ENIA PROCEDURY BADAWCZEJ Okreœlenie wp³ywu i interakcji wielu czynników na morfodynamikê koryta wymaga³o wspólnej analizy ró¿-nych typów daró¿-nych, pozyskaró¿-nych odmiennymi technikami i ró¿nym sprzêtem badawczym. Zarówno techniki pomia-rowe, stosowany sprzêt badawczy, jak i obowi¹zuj¹ce stan-dardy dotycz¹ce zapisu i opracowywania wyników zmie-nia³y siê znacz¹co w okresie kilkunastu, a uwzglêdniaj¹c materia³y archiwalne, kilkudziesiêciu lat prowadzenia badañ. Dlatego te¿, aby skutecznie rozwi¹zaæ z³o¿ony pro-blem, koniecznoœci¹ sta³o siê zastosowanie metod geoin-formacyjnych. Podstawowym za³o¿eniem prowadzonych prac by³o nadanie wszystkim danym atrybutów georefe-rencyjnych. Umo¿liwi³o to umieszczenie ich we wspólnej bazie danych GIS, w której prowadzono prace kameralne – analizê i wizualizacjê ich wyników.

Jak wspomniano, odcinek Wis³y warszawskiej sk³ada siê z tranzytowego odcinka miejskiego, o najwiêkszych prêdkoœciach przep³ywu wody w korycie, oraz odcinków, w których w warunkach mniejszych prêdkoœci dominuje agradacja osadów. W pierwszym etapie badañ, który reali-zowany by³ w 2008 r., dokumentowano stan tranzytowego odcinka miejskiego od 508 do 520 kilometra (ryc. 1). W

dru-gim etapie (w 2011 r.) skoncentrowano siê na badaniach dynamiki zmian morfologii koryta w strefie przejœciowej od Wysp Zawadowskich do Siekierek (495–503 km). Mimo najwiêkszego nasilenia prac badawczych w latach 2008 i 2011 oraz zakoñczenia obu ich etapów wnioskami, rozbudowa bazy GIS trwa do dziœ.

BADANIA TERENOWE

W trakcie badañ terenowych szczególn¹ wagê przy-k³adano do ich precyzyjnej lokalizacji. W tym celu, w zale¿-noœci od typu badañ, zastosowano odbiorniki globalnych systemów pozycjonowania o ró¿nej dok³adnoœci. W pierw-szym etapie badañ odbiorniki DGPS (Diferential GPS), wspomagane przez system EGNOS (European Geostatio-nary Navigation Overlay Service), oraz odbiorniki DGPS-RTK. W drugim etapie badañ, w zwi¹zku z osi¹gniêciem pe³nej funkcjonalnoœci przez system GLONASS (Globalnaja Nawigacionnaja Sputnikowaja Sistiema), korzystano tak¿e z odbiorników GNSS (Global Navigation Satellite System), dzia³aj¹cych w trybie ró¿-nicowym.

W pierwszym etapie badañ na odcinku miejskim (508 do 520 km) wykonano 81 wierceñ w dnie koryta. Wierce-nia zlokalizowane by³y w 25 przekrojach (œrednio trzy son-dy w przekroju). Linie przekrojów na odcinku miejskim dziêki pomiarom w bazie danych wyznaczano tak, aby znajdowa³y siê w liniach przekrojów opisywanych w serii opracowañ Zak³adu Budownictwa Wodnego Politechniki Warszawskiej, wykonanej pod kierownictwem J. Wierzbic-kiego (1997). Otwory wykonywano zestawem do wierceñ rêcznych firmy Eijkelkamp. W badaniach wykorzystywa-ne by³y dwie ³odzie hybrydowe z silnikami zaburtowymi. G³êbokoœæ otworów (od poziomu zwierciad³a wody) wynosi³a od 4 do 12,5 m. Celem tych prac by³o okreœlenie profilu litologicznego wspó³czesnych osadów facji koryto-wej, a tak¿e po³o¿enia (g³êbokoœci w profilu) oraz litologii utworów stanowi¹cych ich pod³o¿e. Wyniki badañ pos³u¿y³y do uszczegó³owienia obrazu uk³adu granic wydzieleñ litologicznych w powierzchni stropu pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów (Falkowski i in., 1992). Na odcin-ku miejskim w 2008 r. przeprowadzono tylko jeden echo-sonda¿. Pomiary wykonane zosta³y zestawem sk³adaj¹cym siê z echosondy jednowi¹zkowej Sonar-Lite firmy Ohmex zintegrowanej z odbiornikiem DGPS dzia³aj¹cym w syste-mie EGNOS. Punktowe pomiary g³êbokoœci by³y wykony-wane ze sprzêtu p³ywaj¹cego z czêstotliwoœci¹ 1 pomiaru na sekundê (prêdkoœæ p³ywaj¹cego zestawu wynosi³a od 3 do 5 m/s). Równolegle z echosonda¿em na odcinku koryta objêtym badaniami batymetrycznymi wykonano punktowe pomiary rzêdnej zwierciad³a wody za pomoc¹ zestawu GPS-RTK.

W drugim etapie badañ prowadzonych g³ównie w rejo-nie Wysp Zawadowskich wykonano 60 wierceñ w drejo-nie koryta rozmieszczonych w 17 przekrojach poprzecznych. Ze wzglêdu na charakter odcinka rzeki w znacznie szer-szym zakresie wykonano pomiary hydrograficzne. Za³o¿e-niem by³o przeprowadzenie serii pomiarów w ró¿nych warunkach hydrologicznych. Badania prowadzono od 18.05.2011 r. do 27.07.2011 r. przy niskich œrednich i wysokich stanach wody. Wykonane one zosta³y sprzêtem i wed³ug metodyki przyjêtej w 2008 r. Dla ka¿dego echoson-Przegl¹d Geologiczny, vol. 63, nr 3, 2015

da¿u wykonano tak¿e pomiary rzêdnej zwierciad³a wody w korycie za pomoc¹ odbiornika GPS-RTK. Ze wzglêdu na roztokowy charakter koryta (szczególnie w górnej czêœci odcinka) konieczne by³o wyznaczenie granic mezoform korytowych (wysp i ³ach) oraz granic koryta w dniu ka¿de-go pomiaru. Kartowanie koryta wykonano za pomoc¹ mobilnego GIS-u z oprogramowaniem ArcPad. Dane te pos³u¿y³y do korekty map batymetrycznych i

hipsome-trycznych w strefach, gdzie g³êbokoœæ wody uniemo¿liwia³a prawid³owe dzia³anie echosondy (<0,3 m).

ETAPY BUDOWY I ROZBUDOWY BAZY DANYCH GIS

Baza danych wykonana na potrzeby badañ obejmowa³a odcinek Wis³y warszawskiej od 495 do 529 km (ryc. 1). Ryc. 1. Mapa lokalizacyjna terenu badañ

Podk³ad rastrowy stanowi³y mapy topograficzne w skali 1 : 25 000 i PUWG Pu³kowo 1942 strefa 4. Wszystkie dane w celu wspólnej analizy pozyskano lub przekonwertowano do tego uk³adu wspó³rzêdnych. W zwi¹zku z pe³n¹ dostêp-noœci¹ komercyjnego oprogramowania GIS zrezygnowano z u¿ywania aplikacji typu OpenSource. Podstawow¹ plat-formê informatyczn¹ stanowi³ pakiet ArcGIS firmy ESRI. W czasie trwania prac pos³ugiwano siê kolejnymi pakieta-mi oprogramowania od wersji 8.1 w roku 2007 do wersji 10.2.1 obecnie. W pierwszym etapie prac wystarczaj¹ce okaza³o siê oprogramowanie o funkcjonalnoœci ArcView (ArcView 8.1, ArcView 8.2). W drugim, ze wzglêdu na zró¿nicowanie badañ, zdecydowano siê na produkty o naj-wy¿szej funkcjonalnoœci (ArcInfo). Korzystano g³ównie z ArcGIS 9.1 i 9.3.1, a do rozbudowy projektu podczas prac terenowych u¿ywano tak¿e oprogramowanie GIS w wersji mobilnej (ArcPad 7.0). Tylko nieliczne analizy, takie jak modelowanie przep³ywów w korycie czy interpolacja wy-ników pomiarów hydrograficznych, odbywa³y siê czêœcio-wo poza struktur¹ bazy danych. Jednak ich wyniki na eta-pach poœrednich lub koñcowych zosta³y umieszczone w œrodowisku GIS (ryc. 2).

Pocz¹tkowym etapem budowy bazy danych by³o umieszczenie w niej dostêpnych materia³ów archiwalnych. Podstawowymi rastrowymi materia³ami archiwalnymi by³y: plan odcinka miejskiego Wis³y zawieraj¹cy mapê batymetryczn¹ koryta w skali 1: 10 000, wykonan¹ na potrzeby budowy wodoci¹gów w Warszawie w 1901 r.; mapa litologii i morfologii pod³o¿a aluwiów wykonana przez Falkowskiego wraz z zespo³em (Falkowski i in., 1992); mapa dokumentacyjna miêdzywala na podk³adzie ortofotomapy ze zdjêæ PHARE oraz ortofotomapa wyko-nana w 2008 r. na podstawie kolorowych zdjêæ lotniczych pochodz¹cych z pañstwowego zasobu geodezyjnego i kar-tograficznego (GUGiK). Jedynie w przypadku ortofoto-mapy z 2008 r. dysponowano jej wersj¹ elektroniczn¹. Pozosta³e materia³y poddane zosta³y cyfryzacji i zareje-strowane w bazie danych jako rastrowe warstwy informa-cyjne. Mapa litologii i morfologii pod³o¿a aluwiów zosta³a dodatkowo zwektoryzowana. W bazie GIS umieszczono tak¿e wektorow¹ warstwê informacyjn¹ z kilometra¿em Wis³y (RZGW), stanowi¹c¹ element bazy danych, wyko-nanej na potrzeby projektu badawczego „Zwi¹zek dynami-ki wybranych procesów korytowych ze zró¿nicowaniem rzeŸby i litologii pod³o¿a aluwiów na przyk³adzie doliny Wis³y od Annopola do Modlina”, realizowanego w latach 2001–2004 (projekt badawczy nr 8 TO7G 020 21). Kilo-metra¿ ten, w ramach prac Zak³adu Hydrogeologii SGGW w Warszawie, zosta³ w 2001 r. zwektoryzowany na posta-wie czarno-bia³ych panchromatycznych zdjêæ lotniczych.

Kolejnymi etapami rozbudowy bazy danych by³o sys-tematyczne umieszczanie w niej wyników badañ tereno-wych wykonywanych w 2008 r. (tranzytowy odcinek miej-ski), a nastêpnie w 2011 r. (strefa przejœciowa od Wysp Zawadowskich do Siekierek). Ka¿dy z etapów zakoñczony by³ analiz¹, w wyniku której generowane by³y kolejne war-stwy informacyjne oraz powi¹zane z nimi dane opisowe. Ich synteza by³a podstaw¹ okreœlenia zale¿noœci miêdzy budow¹ geologiczn¹, rzeŸb¹, warunkami hydrologicznymi i czynnikami antropogenicznymi a morfogenez¹ badanego odcinka koryta. Efektem koñcowym ka¿dego etapu prac by³a wizualizacja wyników w postaci warstw

informacyj-nych i szeregu map tematyczinformacyj-nych stanowi¹cych ich graficzn¹ ilustracjê.

W bazie danych w postaci wektorowych warstw infor-macyjnych umieszczono miêdzy innymi: lokalizacjê son-dowañ i wierceñ w korycie, pomiary rzêdnej zwierciad³a wody, aktualne granice koryta oraz po³o¿enie elementów jego zabudowy hydrotechnicznej. Na tej podstawie wyzna-czono linie przekrojów geologicznych. Pomiary wykonane w bazie danych umo¿liwi³y ich poprawn¹ lokalizacjê w terenie. Na podstawie analizy zwi¹zków przestrzennych pomiêdzy lokalizacj¹ wierceñ, ich interpretacj¹ (przekroje geologiczne) a archiwaln¹ map¹ litologii i morfologii pod³o¿a aluwiów (Falkowski i in., 1992) wykonano wekto-row¹ warstwê informacyjn¹, obrazuj¹c¹ przebieg izolinii odpornego na erozjê stropu ich pod³o¿a. By³a ona kluczo-wa dla okreœlenia wp³ywu budowy geologicznej strefy korytowej na morfogenezê odcinka Wis³y warszawskiej.

W przypadku opracowania wyników pomiarów baty-metrycznych dane, oddzielnie dla ka¿dego echosonda¿u, by³y interpolowane z wykorzystaniem programu Surfer fir-my Golden Software. Wyniki interpolacji zosta³y skorygo-wane na podstawie danych (g³ównie po³o¿enia granic mezoform korytowych), pozyskanych w czasie kartowania strefy korytowej w dniu wykonywania echosonda¿u. Efek-tem interpolacji by³y wektorowe mapy batymetryczne i hipsometryczne odpowiadaj¹ce ró¿nym warunkom hydro-logicznym (stany wody). Dziêki przypisanym atrybutom georeferencyjnym zosta³y one umieszczone w bazie danych w celu dalszej analizy.

Poza baz¹ danych dokonano tak¿e okreœlenia warun-ków hydraulicznych strefy korytowej dla obu analizowa-nych odcinków. Do obliczeñ zastosowano program OpenFOAM, w którym za pomoc¹ dwuwymiarowego modelu hydrodynamicznego CFD, wykorzystuj¹cego metodê elementów skoñczonych, przeprowadzona zosta³a przez P. Siwickiego symulacja numeryczna przep³ywu. Geometria koryta wprowadzona do modelu pochodzi³a z wygenerowanych map batymetrycznych. Modelowanie wykonano dla ró¿nych wartoœci natê¿enia przep³ywu odpowiadaj¹cym niskim, œrednim i wysokim stanom wody. Efektem tych prac by³y mapy pól i linii prêdkoœci dla analizowanych przep³ywów (Falkowski i in., 2011).

Umieszczenie w bazie danych map batymetrycznych i hipsometrycznych, wykonanych na postawie wszystkich echosonda¿y, pozwoli³o na porównanie morfologii dna koryta w kreœlonym przedziale czasowym, a w konse-kwencji analizê tempa i skali zachodz¹cych zmian. Szcze-gó³ow¹ analizê przeprowadzono dodatkowo w trzech wybranych transektach. Transekty te mia³y postaæ prosto-pad³ych do g³ównego nurtu prostok¹tnych poligonów o szerokoœci 200 m (ryc. 3). Na postawie obliczeñ zmian objêtoœci aluwiów korytowych w wyznaczonych poligo-nach podczas poszczególnych echosonda¿y (wykonanych przy ró¿nych stanach wody) oszacowano zmiany dynamiki transportu rumowiska.

Uproszczony schemat struktury bazy GIS i sposobu analizy danych przedstawia rycina 2.

WYNIKI I DYSKUSJA

Pod³o¿e wspó³czesnych aluwiów korytowych Wis³y na analizowanym odcinku buduj¹ osady pliocenu i plejstoce-Przegl¹d Geologiczny, vol. 63, nr 3, 2015

Ryc. 2. Schemat struktury bazy GIS i analizy danych; w przypadku danych wejœciowych w nawiasach podano sposób ich pozyskania lub Ÿród³o atrybutów georeferencyjnych

Fig. 2. Simplified scheme of the GIS database structure and data analysis; the source georeferenced attributes of the input data or the way was obtained is shown in the parentheses

nu, przykryte warstw¹ rezydualn¹ z³o¿on¹ z grubych ¿wi-rów, otoczaków i g³azów. Powierzchnia ta posiada w analizowanej strefie z³o¿on¹ morfologiê, na któr¹ sk³adaj¹ siê: rynny – w¹skie strefy obni¿enia powierzchni pod³o¿a holoceñskich aluwiów, ci¹gn¹ce siê przewa¿nie zgodnie z biegiem wspó³czesnego koryta rzeki, rygle – formy kopu-laste wystêpuj¹ce czêsto ³¹cznie z rynnami, progi – poprzeczne garby przegradzaj¹ce strefê korytow¹ oraz wyp³aszczenia. Dominuj¹ce w budowie powierzchni pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów korytowych utwory spo-iste (i³y pliocenu, gliny zwa³owe i i³y zastoiskowe) charak-teryzuj¹ siê wiêksz¹ odpornoœci¹ na rozmywanie (por. Hjulström, 1935). Proces ten potêgowany jest silnym glaci-tektonicznym ich skomprymowaniem, które w przypadku i³ów plioceñskich objawia siê wystêpowaniem charaktery-stycznych z³uskowaceñ. Podobnie trudno rozmywalne (termin wprowadzony przez Falkowskiego, 1990) s¹ plej-stoceñskie, gruboziarniste osady rzeczne. Tego typu osady wi¹za³a Sarnacka (1992) z dzia³alnoœci¹ Wis³y w czasie interglacja³u eemskiego. Opisywane przez tê autorkê w dolinie Wis³y warszawskiej osady rzeczne zawieraj¹ ziarna o œrednicy do 15 cm, co zdecydowanie przekracza kompe-tencjê wspó³czesnej, jak i najprawdopodobniej eemskiej rzeki. Warstwy wzbogacone w grube ziarna maj¹ zatem charakter residuum. Odpornoœæ na rozmywanie utworów buduj¹cych pod³o¿e wspó³czesnych aluwiów zwiêksza powszechne obrukowanie ich powierzchni takim w³aœnie materia³em rezydualnym. Zjawisko to w najbardziej spek-takularny sposób jest widoczne przy niskich stanach wody

w strefie tzw. progu ¿oliborskiego (Falkowski & Ostrow-ski, 2012).

Z³o¿ona pod wzglêdem morfologicznym kulminacja trudno rozmywalnego pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów pe³ni na odcinku Wis³y warszawskiej rolê lokalnej bazy erozyjnej. O jej znaczeniu dla stabilnoœci œrodowiska wspó³czesnej równi zalewowej œwiadcz¹ doœwiadczenia zarz¹dcy tego odcinka rzeki – Regionalnego Zarz¹du Gospodarki Wodnej (RZGW) w Warszawie, którego s³u¿by zarejestrowa³y obni¿enie dna koryta, jakie nast¹pi³o po prowadzonej lokalnie eksploatacji g³azów z koryta Wis³y (Wierzbicki i in., 1997). W latach 1989–1991 na odcinku koryta od 508 do 518 km wydobyto oko³o 2845 m3

g³azów, co doprowadzi³o do obni¿enia stropu kulminacji nawet o ponad 3 m (Wierzbicki i in., 1997). Obni¿anie powierzchni dna Wis³y wi¹zane jest jednak g³ównie z eks-ploatacj¹ piasku z dna koryta (Zieliñska, 1960; Skibiñski, 1963; Popek & ¯elazo, 2000). Skala tej eksploatacji w poszczególnych latach przekracza³a wielokrotnie szaco-wany na podstawie analiz hydrologicznych transport rumowiska wleczonego (Skibiñski, 1963; ¯elaziñski i in., 2005).

Jak wykaza³y wyniki przeprowadzonych badañ, mi¹¿szoœæ wspó³czesnych aluwiów w dnie koryta zmienia siê w czasie. W strefie g³ównego nurtu nie przekracza zazwyczaj 1 m. W strefach obni¿enia powierzchni stropu trudno rozmywanego pod³o¿a aluwiów mo¿e, w warun-kach stanów œrednich i niskich, przekraczaæ 15 m. Aluwia korytowe Wis³y to g³ównie piaski œrednie i drobne z prze³awiceniami ¿wirów. Warstwy wzbogacone o grubsze Przegl¹d Geologiczny, vol. 63, nr 3, 2015

Ryc. 3. Mapy batymetryczne w obrêbie transektu T4 na podstawie echosonda¿y i kartowania strefy korytowej Fig. 3. Bathymetric maps of transect T4 based on the echosoundings and channel mapping

ziarna wskazuj¹ g³êbokoœæ przeróbki wezbraniowej. Dowodz¹ tego spotykane wœród ¿wirów i otoczaków buduj¹cych takie przewarstwienia okruchy betonu. W stre-fach zwolnienia prêdkoœci przep³ywu wody i okresowej jej stagnacji deponowane s¹ piaski z prze³awiceniami namu³ów oraz namu³y. Osady takie rejestrowane by³y np. w prze-strzeniach miêdzyostrogowych albo w strefach, w których ze wzglêdu na sztuczn¹ zmianê morfologii stropu pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów dochodzi³o do zmian po³o¿enia g³ównego nurtu. Przyk³adem takiego miejsca jest rejon ujêcia wód przy ul. Czerniakowskiej, gdzie w stropie i³ów plioceñskich dla poprawy warunków ¿eglugi wyciêto ryn-nê, co spowodowa³o koncentracjê nurtu w jej strefie. Znaj-duj¹ce siê po drugiej stronie koryta ujêcie poddenne „Gruba Kaœka” znalaz³o siê w zwi¹zku z tym w strefie okresowej stagnacji wód. W aluwiach korytowych, stano-wi¹cych z³o¿e filtracyjne tego ujêcia, zaczê³y pojawiaæ siê prze³awicenia organiczne (namu³y) (ryc. 4). Fakt ten wp³y-n¹³ na incydentalne pogarszanie siê jakoœci wód eksploato-wanych tym ujêciem (Falkowski i in., 2004).

Najmniejsze g³êbokoœci wystêpowania stropu pod³o¿a aluwiów rejestruje siê na œródmiejskim odcinku koryta poni¿ej Siekierek (506 km). W po³¹czeniu ze zwê¿eniem koryta zabudow¹ regulacyjn¹ jest to przyczyn¹ zwiêkszo-nych prêdkoœci przep³ywu (Gutry-Korycka i in., 2006) i

dominacji na tym odcinku tranzytu rumowiska. Zjawisko to wystêpuje najsilniej na odcinku œródmiejskim. Rejestrowa-ne tu zmiany morfologii koryta (w warstwie wspó³czesnych aluwiów facji korytowej) wynikaj¹ g³ównie z dostosowy-wania siê krzywizny linii nurtu i wielkoœci kot³ów eworsyj-nych powstaj¹cych w s¹siedztwie ostróg regulacyjeworsyj-nych (tam poprzecznych) do zmian natê¿enia przep³ywu (por. Leopold & Wolmann, 1957).

Porównanie wyników badañ prowadzonych w 2008 r. z wynikami badañ archiwalnych (Popek i in., 2009) wskazu-je, ¿e pod koniec XX w. po³o¿enie dna w strefie nurtowej odcinka œródmiejskiego ustabilizowa³o siê. Dno koryta osi¹gnê³o w wielu miejscach poziom stropu trudno rozmy-wanego pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów. Fakt ten potwierdzaj¹ tak¿e wyniki obliczeñ przeprowadzonych przez ¯elaziñskiego z zespo³em (2005). Od 2000 r. obser-wuje siê nawet niewielkie podnoszenie siê powierzchni dna w wyniku akumulacji piasków (Popek i in., 2009). Na odcinku œródmiejskim morfologia stropu pod³o¿a aluwiów warunkuje uk³ad g³ównego nurtu. Dowodzi tego ukszta³-towanie powierzchni dna koryta w rejonie Portu Czernia-kowskiego. Kana³ i basen portu zlokalizowano w odnodze roztokowego koryta Wis³y. Przed regulacj¹ pe³ni³a ona rolê wezbraniowego koryta przelewowego o za³o¿eniach struk-turalnych. Potwierdza to mapa batymetryczna, wykonana Ryc. 4. Wybrane przekroje geologiczne fragmentu strefy korytowej Wis³y

w 1901 r. w zwi¹zku z budow¹ ujêcia wody dla miasta, zlo-kalizowanego przy ulicy Czerniakowskiej. Obraz batyme-trii tej strefy nie uleg³ od tamtych czasów znacz¹cej zmianie (ryc. 5), mimo ¿e rejon portu w efekcie zabudowy brzegów nie jest ju¿ stref¹ przep³ywu wód wezbraniowych. W stagnuj¹cej wodzie przebiega obecnie sedymentacja organiczna, a mi¹¿szoœæ luŸnych osadów sapropelowych osi¹ga w centralnej czêœci basenu portu 2 m.

G³êbokoœæ wystêpowania stropu trudno rozmywanego pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów zwiêksza siê w górê bie-gu rzeki. W rejonie Wysp Zawadowskich nie stwierdzono jego obecnoœci do g³êbokoœci 12,5 m poni¿ej poziomu œredniej wody (Falkowski & Ostrowski, 2012). Na tym odcinku szerokoœæ miêdzywala zwiêksza siê ponad dwu-krotnie w stosunku do odcinka œródmiejskiego i wynosi ok. 1000 m. Mniej intensywna jest tak¿e zabudowa hydrotech-niczna koryta. Na odcinku tym zarejestrowano du¿¹ dyna-mikê zmian morfologii koryta (Ka³mykow-Piwiñska & Falkowski, 2012). W warunkach du¿ej poda¿y rumowiska okresowo obserwuje siê tutaj nadbudowywanie powierzch-ni miêdzywala. Odcinek ten mo¿na okreœliæ jako rzekê quasi-dojrza³¹ swobodn¹ (por. Falkowski, 1971). Podobny charakter ma odcinek koryta poni¿ej Portu ¯erañskiego.

Rejon od Wysp Zawadowskich do Siekierek jest stref¹ przejœciow¹ pomiêdzy odcinkiem koryta rzeki quasi-doj-rza³ej swobodnej, a odcinkiem koryta rzeki m³odej, z nie w pe³ni wykszta³conym coko³em erozyjnym, skrêpowanej zabudow¹ hydrotechniczn¹ (Falkowski, 1971).

WNIOSKI

Zastosowanie metod geoinformacyjnych umo¿liwi³o wspóln¹ analizê geoprzestrzenn¹ wielu materia³ów

archi-walnych oraz danych pozyskanych ró¿nymi technikami na poszczególnych etapach badañ strefy korytowej Wis³y warszawskiej. Pozwoli³o to na precyzyjne wyznaczenie stref o zró¿nicowanej morfodynamice oraz wskazanie przyczyn takiego zró¿nicowania.

W warunkach ewolucji charakteru procesów morfody-namicznych, bêd¹cej cech¹ œrodowisk fluwialnych Ni¿u Polskiego (Starkel, 1983), specyfikê odcinka Wis³y war-szawskiej kszta³tuj¹ dwa czynniki: morfologia stropu pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów oraz zabudowa regula-cyjna koryta. Wp³yw tych czynników jest najwiêkszy w dolnej (œródmiejskiej) czêœci badanego odcinka i stopnio-wo maleje w górê biegu rzeki.

W analizowanym odcinku wyró¿niæ mo¿na trzy strefy morfogenetyczne: rzeki quasi-dojrza³ej swobodnej (rejonu Wysp Zawadowskich), strefê rzeki m³odej skrêpowanej budowlami regulacyjnymi (od Siekierek do Portu ¯erañ-skiego – odcinek œródmiejski) oraz ³¹cz¹c¹ je strefê przejœ-ciow¹.

Uwarunkowana budow¹ geologiczn¹ i sposobem zago-spodarowania du¿a dynamika przep³ywu na odcinku œród-miejskim jest przyczyn¹ tranzytowego pod wzglêdem bilansu rumowiska jego charakteru.

Znaczenie ukszta³towania powierzchni stropowej pod³o¿a wspó³czesnych aluwiów korytowych w stabiliza-cji erozji wg³êbnej narzuca koniecznoœæ jego ochrony.

Autorzy dziêkuj¹ recenzentom niniejszej pracy za cenne uwagi do pierwotnej wersji artyku³u.

LITERATURA

BIERNACKI Z. 1975 – Holocene and Late Pleistocene alluvial sedi-ments of the Vistula River near Warsaw. Biul. Geol., 19: 199–217.

Przegl¹d Geologiczny, vol. 63, nr 3, 2015

Ryc. 5. Porównanie przebiegu g³ównego nurtu Wis³y warszawskiej (509–513 km) w latach 1901 i 2008 na podstawie „Planu odcinka miejskiego Wis³y w skali 1: 10 000” oraz echosonda¿y wykonanych w dniach 9, 12 kwietnia 2008 r. (Falkowski & Ostrowski, 2009) Fig. 5. Comparison between the Warsaw Vistula reach (km 509–513) thalweg direction of 1901 and 2008 on the base of “ Map of the city reach of Vistula River on a scale of 1:10 000” and echo sounding results accomplished in 9 and12 of April 2008 (Falkowski & Ostrowski, 2009)

BRYKCZYÑSKA E. & BRYKCZYÑSKI M. 1974 – Geologia przeko-pu Trasy £azienkowskiej na tle problematyki osadów trzeciorzêdu i czwartorzêdu w Warszawie. Pr. Muz. Ziemi, 22: 199–218. FALKOWSKI E. 1971 – Historia i prognoza rozwoju uk³adu koryta wybranych odcinków rzek nizinnych Polski. Biul. Geol.,12: 5–121. FALKOWSKI E. 1990 – Morphogenetic classification of river valleys developing in formerly glaciated areas fovr needs of mathematical and physical modeling in hydro technical projects. Geogr. Pol., 58: 55–67. FALKOWSKI E., KRA¯ULIS K., GRANACKI W., FALKOWSKI T. & BIEGANOWSKI R. 1992 – Mapa stropu gruntów trudnorozmywal-nych wraz z ich litologi¹ w korycie Wis³y. Zak³ad Badañ Geologicz-nych dla Budownictwa, Warszawa.

FALKOWSKI T, KIEDRYÑSKA L., NOWAK B, PACHOLEC B. & Z£OTOSZEWSKA-NIEDZIA£EK H. 2004 – Jakoœæ wód eksploato-wanych ujêciem poddennym w Warszawie. Prz. Nauk. In¿. Kszta³t. Œrod., 13: 126–137.

FALKOWSKI T. & OSTROWSKI P. 2009 – Budowa geologiczna stre-fy korytowej Wis³y warszawskiej i jej znaczenie dla zwi¹zanej z kory-tem infrastruktury. Nauka Przyroda Technika, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, dzia³: Melioracje i In¿ynie-ria Œrodowiska, 3 (3): 82.

FALKOWSKI T., OSTROWSKI P., SIWICKI P., WIERZBICKI G., KA£MYKOW-PIWIÑSKA A. & BUJAKOWSKI F. 2011 – Badania geologiczne strefy korytowej Wis³y na odcinku od Wysp Zawadow-skich do ujœcia Wilanówki w celu oceny wielkoœci transportu i depo-zycji rumowiska, maszynopis, Katedra Geoin¿ynierii SGGW w Warszawie.

FALKOWSKI T. & OSTROWSKI P. 2012 – Wp³yw budowy geolo-gicznej na zró¿nicowanie dynamiki procesów korytowych w warun-kach silnej antropopresji na przyk³adzie Wis³y warszawskiej. Acta Geographica Lodziensa, 100: 51–63.

GUTRY-KORYCKA M., MAGNUSZEWSKI A., SUCHO¯EBERSKI J., JAWORSKI W., MARCINKOWSKI M. & SZYD£OWSKI M. 2006 – Numerical estimation of flood zones in the Vistula River Valley, War-saw, Poland. Int. Assoc. Hydr. Sci. Publ., 308: 191–195.

HJULSTRÖM F. 1935 – Studies of the morphological activity of rivers as illustrated by the river Fryis. Bull. Geol. Inst. Uppsala, 25: 221–527. KAJAK Z. 1992 – The river Vistula and its floodplain valley (Poland) – its ecology and importance for conservation. [W:] Boon P., Petts G.E., Calow P. (red.), River conservation and management, J. Wiley & Sons: 35–49.

KA£MYKOW-PIWIÑSKA A. & FALKOWSKI T. 2012 – Ocena sta-bilnoœci morfologii koryta w oparciu o analizê archiwalnych mate-ria³ów kartograficznych i fotogrametrycznych wykonywana w œrodowisku GIS. Prz. Nauk. In¿. i Kszta³t. Œrod., 58: 251–262. KORNACKI Z. 1960 – Przyczyny obni¿ania siê dna Wis³y w Warsza-wie. Gosp. Wodna, 7: 305–307.

KOWALSKI W.C. 1988 – Geologia in¿ynierska. Wyd. Geol., Warsza-wa.

LEOPOLD L.B. & WOLMAN M.G. 1957 – River Channel Paterns: Braided, Meandering and Straight. Physiographic and Hydraulic Stu-dies of Rivers 14, U.S. Geological Survey, Professional Paper: 282–300.

MAGNUSZEWSKI A. 2013 – Procesy korytowe rzek nizinnych a bez-pieczeñstwo powodziowe. WGSR UW, Warszawa: 170.

MAGNUSZEWSKI A.& GUTRY-KORYCKA M. 2009 – Rekonstruk-cja przep³ywu wielkich wód Wis³y w Warszawie w warunkach natural-nych. Pr. i Stud. Geogr., 43: 141–151.

MAGNUSZEWSKI A., GUTRY-KORYCKA M. & MIKULSKI Z. 2012 – Historyczne i wspó³czesne warunki przep³ywu wód wielkich Wis³y w Warszawie cz. I i II. Gosp. Wodna, 1: 9–17.

NALE¯YTY W.Z. 1972 – Przekrój geologiczny trasy mostowej „£azienkowskiej” w Warszawie. Prz. Geol., 2: 93–97.

OSTROWSKI P. & FALKOWSKI T. 2012 – GIS jako narzêdzie inte-gruj¹ce metody badañ morfologii dna doliny Bugu na odcinku jego Podlaskiego Prze³omu Przegl¹d Naukowy. In¿. i Kszta³t. Œrod., 21 (3): 151–158.

POPEK Z., FALKOWSKI T. & OSTROWSKI P. 2009 – Analiza potrzeb i mo¿liwoœci przebudowy koryta Wis³y w Warszawie. Nauka Przyroda Technologie, Wydawnictwo Uniwersytetu Przyrodniczego w Poznaniu, dzia³: Melioracje i In¿ynieria Œrodowiska, 3 (3): 97. POPEK Z. & ¯ELAZO J. 2000 – Analiza zmian przekrojów poprzecz-nych i profilu pod³u¿nego koryta Wis³y w rejonie Warszawy. Zesz. Nauk. AR Wroc³. 385, In¿. Œrod., 11: 377–388.

RÓ¯YCKI S.Z. 1972 – Plejstocen Polski œrodkowej na tle przesz³oœci w póŸnym trzeciorzêdzie. PWN, Warszawa.

RÓ¯YCKI S.Z. & SUJKOWSKI Z. 1936 – Profile geologiczne przez Warszawê. Zarz¹d Miejski w Warszawie.

SARNACKA Z. 1992 – Stratygrafia osadów czwartorzêdowych War-szawy i okolic. Pr. Pañstw. Inst. Geol., nr 138.

SKIBIÑSKI J. 1963 – Wleczenie rumowiska dennego przez Wis³ê w rejonie Warszawy. Wiadomoœci S³u¿by Hydrologicznej i Meteorolo-gicznej, 53: 58–63.

STARKEL L. 1983 – The reflection of hydrologic changes in fluvial environment of the temperate zone during the last 15 000 years. [W:] Gregory J. (red.), Background to Paleohydrology, J. Wiley, Chichester: 213–234.

TOMIA£OJÆ J. 1993 – Uwagi wstêpne i podsumowuj¹ce. [W:] L. Tomia³ojæ (red.), Ochrona przyrody i œrodowiska w dolinach nizinnych rzek Polski. Wydawnictwo Instytutu Ochrony Przyrody PAN, Kraków: 1–7.

VANDERBERGHE J. 2002 – The relation between climate and river processes, landforms and deposits during the Quaternary. Quaternary International 91, Pergamon: 17–23.

WATYCHA L. 1973 – Uwagi o budowie geologicznej „Trasy £azien-kowskiej” w Warszawie. Prz. Geol., 21 (8/9), 458–465.

WIERZBICKI J., KUNIAR P. & WILK E. 1997 – Sta³oœæ pionowego uk³adu i morfologii koryta oraz zwierciad³a wody Wis³y Warszawskiej na odcinku po³o¿onym miêdzy ujœciem rzeki Pilicy a ujœciem rzeki Narwi. Zak³adu Budownictwa Wodnego Wydzia³u In¿ynierii Œrodowi-ska Politechniki Warszawskiej; maszynopis, archiwum ODGW War-szawa.

ZIELIÑSKA M. 1960 – Zmiana niwelety Wis³y w Warszawie na tle zmian profilu pod³u¿nego œrodkowej Wis³y. Gosp. Wodna, 11: 477–480.

¯ELAZIÑSKI J., BARAÑSKI J., KAD£UBOWSKI A. & WERESKI S. 2005 – Application of the CCHE Models for Explanation of Factors Causing Deep Erosion of Vistula River Bed in Warsaw. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., E-5 (387): 87–113.

Praca wp³ynê³a do redakcji 16.06.2014 r. Akceptowano do druku 20.02.2015 r.