Przeczytaj fragment - Wydawnictwo UMCS

System stoku zmywowego i jego modelowanie statystyczne – na przykładzie wyżyn Lubelsko-Wołyńskich,
Grzegorz Janicki, Wydawnictwo UMCS, Lublin 2016
Wstęp
Jednym z pierwszych, który zwrócił uwagę na możliwość zastosowania zasad hydrauliki koryt otwartych do opisu spływu powierzchniowego i badań
stoków zmywowych, był amerykański geolog G.K. Gilbert (1877). Zaproponowane rozwiązanie wdrożono do badań hydrologicznych znacznie później,
bo dopiero w latach 30. i 40. XX wieku. Pionierem takich badań nad spływem
powierzchniowym był R.E. Horton (1932, 1945), który również opracował
prawa dotyczące rozwoju systemu rzecznego i morfologii jego zlewni. Badania tego typu były kontynuowane w kolejnych latach, m.in. przez D.A. Parsonsa (1949), który szczegółowo opisał warunki hydrodynamiczne spływu
powierzchniowego. W kolejnych dekadach znacznie wzrosła liczba badań
nad hydrologią stoku i hydrauliką spływu powierzchniowego, głównie na
skutek wprowadzenia badań stacjonarnych na poletkach i w zlewniach eksperymentalnych (Leopold i in. 1966; Carson, Kirkby 1972; de Ploey 1972;
Emmett 1970; Mosley 1974; Kirkby 1978; Dunne, Dietrich 1980; Swat 1980;
Savat 1982; Abrahams i in. 1986 a, b; Govers 1987; Poesen 1987; Parsons i in.
1992; Selby 1993). Należy podkreślić wkład w rozwój hydrologii stoku badań
eksperymentalnych E.E. Emmetta (1970), który szczegółowo opisał warunki
hydrodynamiczne spływu powierzchniowego.
W Polsce stacjonarne badania hydrologiczne i geomorfologiczne nad
obiegiem wód opadowych i spływem powierzchniowym na stoku zapoczątkowano w zlewni eksperymentalnej Bystrzanki PAN w Szymbarku pod koniec
lat 60. XX wieku (Słupik 1973; Gil 1976). Początkowo badania prowadzono
na poletkach doświadczalnych, a następnie w latach 70. badania stacjonarne
objęły również stoki doświadczalne w zlewni Homerki (Słupik 1981). Badania spływu powierzchniowego w systemach stokowych były prowadzone
również w innych uniwersyteckich ośrodkach krajowych (Wrocław, Poznań,
Kraków, Warszawa, Lublin), w większości przypadków towarzyszyły one badaniom procesów zmywowych (spłukiwania) prowadzonych na poletkach
10
WSTĘP
doświadczalnych (Klementowski 2002; Smolska 1993, 2005, 2010; Szpikowski 1998, 2001, 2002; Twardy 1995; Klimczak 1993; Święchowicz 2002,
2008, 2010; Rodzik, Stępniewski 2005; Rodzik, Smolska 2010). Badania warunków hydrodynamicznych spływu powierzchniowego w zlewniach stokowych zapoczątkował w kraju A.K. Teisseyre (1992, 1994), który zastosował
podejście i metody geometrii hydraulicznej. Wytyczne A.K. Teisseyre’a pozwoliły na określenie warunków hydrodynamicznych spływów stokowych,
które były rejestrowane na obszarze Wyżyn Lubelsko-Wołyńskich podczas
ulew i deszczów nawalnych (Rodzik i in. 1996, 1998; Janicki, Zgłobicki 1998;
Janicki i in. 1999; Janicki 2002; Rodzik, Janicki 2003).
Procesy spływu powierzchniowego były również przedmiotem zainteresowania wielu gleboznawców polskich z różnych ośrodków krajowych, którzy
prowadzili badania nad erozją wodną gleb (Ziemnicki 1949, 1951, 1960; Figuła 1955, 1960; Reniger 1959; Uggla i in. 1961). S. Ziemnicki zapoczątkował
również w latach 50. badania erozji wodnej w zlewniach eksperymentalnych
w okolicach Lublina, które były kontynuowane przez pracowników Akademii
Rolniczej w Lublinie (Mazur 1960, 1972, 1988; Ziemnicki, Orlik 1971; Pałys 1985; Mazur, Pałys 1991; Pałys i in. 1998). Badania erozyjne i rejestracja
spływu wody na poletkach doświadczalnych prowadzone są również obecnie
w okolicach Lublina, a ich wyniki używane są do kalibracji modeli erozyjnych
(Rejman 1997, 2006; Rejman Brodowski 2010).
Zastosowanie zawansowanych narzędzi modelowania matematycznego
do opisu spływu powierzchniowego w II poł. XX wieku wymusiło szczegółowe rozpoznanie warunków i mechanizmów spływu powierzchniowego
w ostatnich latach oraz zdecydowanie przyczyniło się do poznania mechanizmów spływu powierzchniowego. Badania modelowe stosowane były
początkowo niezależnie przez hydrologów, geomorfologów i gleboznawców. W opracowaniach stosowano głównie modele konceptualne i racjonalne oraz empiryczne, znacznie rzadziej używano modeli teoretycznych. Na
przełomie XX i XXI wieku badaniom modelowych towarzyszyły szczegółowe
badania eksperymentalne prowadzone w laboratoriach oraz na poletkach
doświadczalnych. W kontrolowanych warunkach badania eksperymentalne
umożliwiły zrozumienie fizycznej strony procesów spływu powierzchniowego. Efektem prowadzonych badań jest wzrost zastosowań modeli teoretycznych, opartych na prawach mechaniki płynów, do opisu i predykcji
procesów spływu powierzchniowego. Ukształtowały się również nowe kierunki badawcze: hydrologia i geomorfologia stoków (ang. slope hydrology
and slope geomophology lub hillslope hydrology – Kirkby 1978; Selby 1993;
Teisseyre 1994) oraz hydrologia powierzchni (ang. surface-water hydrology
– Singh 1996).
WSTĘP
11
Prowadzone współcześnie stacjonarne badania na poletkach doświadczalnych i w zlewniach eksperymentalnych dostarczają wielu danych obserwacyjnych, które są często nieporównywalne ze względu na duże zróżnicowanie
poszczególnych części i segmentów stoku (Rodzik, Stępniewski 2005; Rejman
2006; Poesen i in. 2003; Kirkby 2001). Stacjonarne badania wymagają ponoszenia znacznych kosztów i są czasochłonne, a uzyskanych danych empirycznych z reguły nie można ekstrapolować na całą zlewnię (Słupik 1981; Froehlich
1982; Froehlich, Słupik 1986; Bryan 1987, 1990; Magnuszewski 1993; Teisseyre 1994; Poesen i in. 2003). Dane uzyskane z dość kosztownych badań eksperymentalnych odznaczają się dużą rozdzielczością, natomiast są one uzyskane
w warunkach i skali, które nie odpowiadają warunkom naturalnym (Kirkby 1994; Abrahams i in. 1986a; Anderson, Sambles 1988; Boardman, Favis-Mortlock 1998). Złożoność procesów spływu powierzchniowego komplikuje
również stosowanie podejścia modelowego (Favis-Mortlock, Boardman 1995;
Favis-Mortlock 1998), chociaż stosowane są coraz częściej zawansowane modele teoretyczne (de Roo, Jetten 1999; Singh 1996; Gawrysiak 2003, 2004)
oraz sprzężone z GIS (Magnuszewski 1997; Beven 2000, 2012).
Zastosowanie zawansowanych modeli teoretycznych do opisów procesów związanych wymaga nie tylko rozbudowanego aparatu teoretycznego
z dziedziny mechaniki płynów, ale również dostępności wysokorozdzielczych
danych obserwacyjnych, niezbędnych do kalibracji i walidacji używanych modeli matematycznych. Prowadzone przeze mnie badania dotyczące procesów
zmywowych nakierowane były więc na pozyskanie szczegółowych danych
obserwacyjnych, obejmujących parametry hydrodynamiczne wyznaczone
dla różnych faz i odmian spływu powierzchniowego. Uzyskany materiał empiryczny umożliwia zaś przeprowadzanie badań modelowych w systemach
stokowych różnej skali.
Badania dynamiki procesów zmywowych i rozwoju stoku zmywowego
rozpocząłem w 1994 roku z inicjatywy profesora Józefa Wojtanowicza w Zakładzie Geografii Fizycznej i Paleogeografii, a następnie kontynuowałem pod
kierunkiem profesor Marii Łanczont. Podstawowe badania terenowe przeprowadziłem w latach 1995–2014 w obrębie zróżnicowanych litologicznie
typów rzeźby Wyżyn Lubelsko-Wołyńskich (Rodzik i in. 1996; 1998; Janicki,
Zgłobicki 1998; Janicki i in. 1999; Janicki 2002, 2014; Rodzik, Janicki 2003).
Prace terenowe wykonywałem po każdorazowym zgłoszeniu informacji
o wystąpieniu ekstremalnego zdarzenia przez obserwatorów, służby zarządzania kryzysowego bądź środki masowego przekazu. Badaniami objąłem
efektywne pod względem hydrologicznym i geomorfologicznym spływy propluwialne. Prowadziłem również badania porównawcze w regionie Syberii
Południowej oraz na Spitsbergenie, które umożliwiły przetestowanie używa-
12
WSTĘP
nych technik i metod badań oraz koncepcji systemu deluwialnego w odmiennych strefach morfoklimatycznych.
Przeprowadzone badania były finansowane ze środków MNiSW, KBN
i NCN w ramach następujących projektów badawczych: 1. „Wpływ zdarzeń
katastrofalnych na funkcjonowanie systemu deluwialnego na przykładzie
Wyżyny Lubelskiej” (6 P04E 003 21); 2. „Ekstremalne zdarzenia meteorologiczne i hydrologiczne w Polsce” (PBZ KBN 086/PO4/2003); 3. „Predykcja
gwałtownych ulew i modelowanie matematyczne ich skutków środowiskowych i społeczno-ekonomicznych” (NCN 306 571640). Dane pomiarowe
zostały również zgromadzone podczas badań finansowanych ze środków
Wydziału Biologii i Nauk o Ziemi UMCS w latach 1995–2011 oraz Wydziału
Nauk o Ziemi i Gospodarki Przestrzennej w latach 2011–2015.
Badania terenowe prowadziłem w różnych zespołach badawczych, złożonych głównie z pracowników Instytutu Nauk o Ziemi, a później Wydziału
Nauk o Ziemi i Gospodarki Przestrzennej UMCS. Kolegom z macierzystego
wydziału dziękuję bardzo za okazaną pomoc i owocną dyskusję. Również studentom i doktorantom wydziału chciałem podziękować za ich udział w moich pracach terenowych.
Chciałbym również serdecznie podziękować dr. hab. Arturowi Magnuszewskiemu, prof. UW za trud wykonania recenzji wydawniczej niniejszej
pracy oraz za cenne uwagi i komentarze, które przyczyniły się podniesienia
jakości prowadzonej dyskusji naukowej. Podziękowanie kieruję również do
dr. hab. Jana Rodzika, prof. UMCS oraz prof. dr. hab. Zdzisława Michalczyka za
cenne dyskusje i uwagi dotyczące zebranego materiału empirycznego.