Czynniki kształtujące rzekę – ruch wody

Potocznym określeniem mówiącym o ruchu wody w rzece jest prąd. Prąd rzeki, czyli prędkość przepływu wody w rzece nie jest jednolita. Inna jest na powierzchni, inna przy dnie a jeszcze inna przy brzegu. Podobnie kierunek prądu może być różny, chociaż generalnie zawsze jest zgodny z biegiem rzeki.

Wymienione różnorodności w prędkości i kierunku wynikają ze spadku zwierciadła wody oraz oporów dna i brzegów. Ruch wody można rozpatrywać w różnych korelacjach i określać za pomocą praw fizycznych. W naszych rozważaniach pominiemy teorię, skupiając się na zagadnieniach praktycznych niezbędnych do określenia warunków pływania na rzece.

W masie płynącej wody wyróżnić możemy warstwę, która jest najszybsza. Nazywamy ją nurtem. Największa prędkość tej masy wody w stosunku do pozostałej masy wody wynika z poruszania się jej w najgłębszej części koryta rzeki, a więc tam gdzie opory podłoża są najmniejsze.

Gdyby koryto rzeki miało jednakową głębokość to nurt obejmowałby całą masę wody. W praktyce nigdy tak nie jest. Wprawdzie są odcinki gdzie głębokości są równomierne i tam następuje jakby rozszerzenie (czy też zanik) nurtu względnie jego podział na dwa lub kilka odgałęzień, jednak ta jednakowa prędkość nie obejmuje nigdy całego przekroju rzeki. Zawsze możemy wyodrębnić linię nurtu, jeżeli nie na przekroju poprzecznym koryta to na kilkunastometrowym odcinku rzeki. Serpentynowanie nurtu w obrębie koryta jest tym większe, im niższy stan wody i bardziej łagodne łuki koryta. Na ogół nurt trzyma się brzegu wklęsłego. Jednak przy wysokich stanach kierunki się prostują. Przy niskich, nurt przerzuca się pod przeciwległy brzeg — wypukły i to nawet przy brzegach o łuku ostrym.

Częste i szybkie zmiany stanu wód powodują zmiany kierunku nurtu. Ustabilizowanie następuje po utrwaleniu się stanu wody i wyżłobieniu przez wodę rynny o profilu parabolicznym w dnie rzeki. Proces żłobienia dna nazywa się wyrabianiem, obcieraniem lub ułożeniem nurtu. Porównując poprzednie miejsce nurtu do aktualnego mówimy o przełożeniu nurtu.

Pływanie na rzekach, gdzie nurt się nie ustabilizował wymaga większej koncentracji, a na rzekach żeglownych ciągłego nadzoru nad prawidłowością oznaczenia szlaku. Płynąc linią nurtu, płyniemy najefektywniej i najbezpieczniej, ponieważ jest to struga wody najszybsza i najgłębsza. Rozpoznawanie linii nurtu jest dla kajakarza umiejętnością podstawową. Zdobycie tej umiejętności wymaga pływania na rzekach i rozumienia podstawowych zjawisk, które na niej zachodzą.

Problematyka związana z dynamiką prądów rzecznych i nurtu będzie omawiana w całym rozdziale a szczególnie uwidoczni się przy określaniu prędkości przepływu wody i ławic wędrujących. Bezpośrednio z ruchem wód związane są takie zagadnienia jak: stan wody, spadek zwierciadła wody, prędkość i objętość przepływu. Stan wody jest wzniesieniem zwierciadła wody w danym przekroju poprzecznym koryta ponad przyjęty, umowny poziom zwany zerem wodowskazu. Wahania stanów wody są jednym ze wskaźników służących do określenia reżimu rzeki.

Rozkład sezonowy wahań stanów wody, oraz amplituda wahań zależna jest od warunków klimatycznych, w jakich znajduje się dorzecze (głównie od wielkości i rozkładu rocznego opadów) od wielkości i kształtu dorzecza, rzeźby terenu (szczególnie spadków) pokrycia i użytkowania dorzecza (obszar zalesiony, bezleśny, pole uprawne) oraz gospodarki wodnej prowadzonej w dorzeczu. Rzeki górskie i nizinne charakteryzują się odmiennym rytmem wahań stanów wody.

Dla dowolnego przedziału czasowego określić można zawsze cztery stany główne pierwszego stopnia są to:

  • WW — stan najwyższy (wielka woda),
  • SW — stan średni (średnia woda),
  • ZW — stan zwyczajny (zwykła woda) jest to stan środkowy spośród uporządkowanego, rosnącego szeregu lub inaczej jest to stan, który bywa tyle razy przekraczany co nieosiągnięty,
  • NW — stan najniższy (niska woda).

Wahania stanów wody dzieli się na strefy stanów: wysokich, średnich i niskich. Każda ze stref posiada swoje stany główne (są to tzw. stany główne drugiego stopnia). Np. w strefie stanów wysokich występuje:

  • WWW — wysoka wielka woda,
  • SWW — średnia wysoka woda,
  • ZWW — zwyczajna wielka woda,
  • NWW — niska wielka woda.

Stany wody na rzece klasyfikuje się także pod kątem różnorodnych potrzeb, np. żeglugowych, budowlanych, regulacyjnych, zabezpieczenia przeciwpowodziowego (np. najwyższy stan wody roboczej).

Dla żeglugi ważny jest najwyższy stan żeglugowy (W żegl, lub Naj W żegl), jest to najwyższy stan wody, przy którym może odbywać się bezpiecznie żegluga. Przy stanach wyższych należy przerwać żeglugę. Stan ten jest ustalany oddzielnie dla poszczególnych odcinków rzeki przez władzę wodną i podawany jest do wiadomości publicznej.

Stany wód odczytywane są ze stałych wodowskazów i podawane w centymetrach. Wodowskazy służą nie tylko do określenia poziomu stanu wód, ale także do wykazywania głębokości tranzytowej. Stąd ustawienie wodowskazów i ich po działek musi być tak dobierane, by głębokości tranzytowe znajdowały się na jednym poziomie.

Porównując wykresy stanów wód stwierdzić możemy pewną cykliczność wahań związane z porą roku. Rzeki Polski charakteryzuje śnieżno-deszczowy ustrój zasilania, z dwoma wysokimi stanami wody w roku. Zasilanie śnieżne spowodowane roztopami, występuje w okresie wiosennym, zasilanie deszczowe związane jest z letnimi maksymalnymi opadami w końcu czerwca i w lipcu.

Wezbraniem nazywamy przybór wody w strefie stanów średnich i wysokich, nie powodujący jednak wystąpienia wody z koryta w łożysko. Powódź jest wezbraniem katastrofalnym, przekraczającym stan wody brzegowej i jest przyczyną strat gospodarczych w dorzeczu.

Letnie wezbranie wód, występujące na ogół w końcu czerwca, nosi nazwę świętojanki (od św. Jana 24 VI).

Zasilanie śnieżno-roztopowe powoduje największe wezbranie wiosenne na rzekach nizinnych. Maksimum stanów wody na rzekach górskich przypada na okres letni i związane jest z zasilaniem deszczowym. Okresy niskiego stanu wód noszą nazwę niżówek. Pojawiają się one na skutek długotrwałego braku opadów atmosferycznych. Rzeka zasilana jest wówczas wyłącznie przez wody podziemne. Na rzekach polskich występują niżówki letnio-jesienne i niżówka zimowa. Pierwsza jest na ogół dłuższa.

Wahania stanów wody na rzece wiążą się w pewien sposób z głębokością szlaku żeglownego. W miarę opadania wody obniża się dno rzeki na przemiałach, czyli miejscach najluźniej związanych z podłożem i najpłytszych (rys. 11). Przykładowo: przy stanie średnim na wodowskazie mamy 150 cm, a głębokość na przemiale wynosi 85 cm, to po opadnięciu wody o 60 cm, głębokość nie będzie wynosiła 25 cm, ale od 60 do 70 cm.

Różnicę wysokości między dwoma dowolnymi przekrojami poprzecznymi rzeki określa się jako spad rzeki. Spadkiem podłużnym natomiast nazywamy stosunek spadu do długości odcinka, na którym został on określony. Różnicę wysokości (spad) wyrażamy w centymetrach lub metrach a za odcinek bierzemy najczęściej jeden kilometr długości rzeki. Stosunek określający obie miary wyrażamy w promilach — %o (cm) lub procentach — °/o (m). Przykładowo: jeżeli zwierciadło wody obniżyło się o 25 cm na długości 1 km to spadek rzeki w danym miejscu wynosił 0,25%o lub 0,025% czyli 25 cm/km albo 0,025 m/km.

Generalnie biorąc spadek rzeki maleje od źródeł do ujścia. Stąd wyróżnia się następujące odcinki rzeki: odcinek źródłowy, bieg górny, bieg środkowy (średni) i bieg dolny. W biegu górnym i odcinku źródłowym spadki są bardzo duże — dochodzą do kilkudziesięciu promili lub kilku o/o. W biegu dolnym zwykle mają poniżej 0,4%o a przy samym ujściu parę centymetrów na kilometr.

Rzeki nizinne żeglowne mają spadki poniżej 0,4%o. Jest to tzw. wartość graniczna, powyżej której pociągi holownicze z trudem albo wcale nie mogłyby poruszać się w górę rzeki. W przypadku, gdy chcemy rzekę przystosować do żeglugi, a spadek jej wynosi więcej niż 0,5%o, możemy ją skanalizować i w ten sposób zmniejszyć spadek.

Lokalnie na pewnych odcinkach wielkości spadku mogą się znacznie różnić od wielkości przeciętnej. Spowodowane to jest przez ławice wędrujące, meandrowanie koryta i wahania stanów wody. Różnice te wzrastają przy wielkich stanach wody. Profil podłużny zwierciadła wody nie przedstawia więc spadku jednostajnego czy też zmiennego w sposób ciągły, lecz składa się z szeregu wyraźnych spadków. Zagięcia i pochylenia ustalone są przez progi skalne oraz ważniejsze dopływy.

Spadek poprzeczny zwierciadła wody występuje na ostrych łukach rzeki przy dużej prędkości wody na skutek działania siły odśrodkowej. W wyniku jej działania woda przy brzegu wklęsłym układa się wyżej niż przy brzegu wypukłym. W niektórych przypadkach spadek poprzeczny przekracza wartość spadku podłużnego.

Poprzeczny spadek zwierciadła wody powoduje cyrkulację wody, której kierunki uzależnione są od zmian w poziomie stanu wody. Przy opadaniu zwierciadło wody ulega wklęśnięciu z najniższym punktem w linii nurtu (rys. 12), w czasie przyboru uwypuklenia w najwyższym punkcie w nurcie (rys. 13). Wystąpienie tego zjawiska spowodowane jest największą prędkością wody w nurcie. Ono też tłumaczy fakt nie nadążania fali powodziowej za nurtem — szczyt fali ma mniejszą prędkość niż nurt.

Prędkość przepływu wody w rzece zależy od spadku wody i od głębokości rzeki. Mierzymy ją w metrach na sekundę lub kilometrach na godzinę. Przelicznik m/sek w km/godz. wynosi 3,6.

Pomiaru prędkości przepływu dokonuje się za pomocą przyrządu, zwanego młynkiem hydrometrycznym. Mniej dokładny jest pomiar prędkości powierzchniowej cieku przy pomocy tzw. pływaków (stosunek drogi do czasu).

W miarę podnoszenia się stanu wody rosną głębokości a tym samym i prędkości. Mogą one powiększać się nawet o 100% w stosunku do stanu średniego. Średnia szybkość w biegu środkowym naszych rzek wynosi ok. 3 km/godz. przy małej wodzie obniża się do ok. 1,5 km/godz. zaś przy wysokich stanach osiąga prędkość 4—5 km/godz.

Występowanie różnych prędkości w masie wody powoduje, że chcąc obliczyć objętość przepływu trzeba określić średnią szybkość. Dane do obliczenia tej średnicy uzyskujemy przez dokonanie tzw. pomiarów prędkości w pionach przekroju poprzecznego rzeki. Rysunek 14 i 15 przedstawia wykresy z takich pomiarów.

Prędkości przy dnie są niższe niż przy powierzchni i na pewnych głębokościach, co spowodowane jest oporami koryta. Najbardziej typowy przebieg ma rozkład prędkości w pionie VI. Maksimum prędkości przypada tu na 1/3 głębokości liczonej od powierzchni. Prędkość powierzchniowa jest mniejsza od prędkości występujących pod powierzchnią wody na skutek tarcia dwóch różnych ośrodków: wody i powietrza. Prędkości powierzchniowe często są jeszcze niższe przez dodatkowo działającą siłę jaką jest wiatr wiejący pod prąd rzeki. W przypadku wiatru wiejącego zgodnie z biegiem rzeki prędkości powierzchniowe często są prędkościami maksymalnymi w całym pionie.

Praktycznie przyjmuje się, że prędkość średnia jest o 15% mniejsza od szybkości powierzchniowej.

Rozkład prędkości w przekroju pionowym (tzw. tachoida) może przebiegać rozmaicie. Ogólnie w rzekach o większym spadku tachoida ma postać paraboli, przy mniejszych spadkach zbliżona jest do linii prostej. Ogólną formułę dotyczącą objętości przepływu wody zapisujemy następująco: Q=FxV

  • Q — objętość wody wyrażona w m3/sek.
  • F — powierzchnia przepływu (przekroju poprzecznego w m2)
  • V — szybkość średnia w m/sek.

O tym jak wielką potęgę stanowi płynąca woda świadczą następujące liczby: objętość przepływu na Wiśle przy średnim stanie wody wynosi pod Krakowem 84 m3/sek., pod Warszawą 591 m3/sek. a pod Toruniem 1030 m3/sek. Odpływ wody pod Warszawą w ciągu doby wynosi więc 51 milionów m3, to jest 51 milionów ton. Dla przewiezienia ładunku o takim ciężarze potrzeba 51 tysięcy pociągów towarowych. W czasie przepływu wielkiej wody, liczby te wielokrotnie rosną i tak np. pod Warszawą przy katastrofalnej wielkiej wodzie przepływa w ciągu doby 717 milionów ton wody.

Ile pracy może wykonać taka energia i ile może wyrządzić szkód świadczą zjawiska erozji i akumulacji oraz powodzie.

Mówiąc o szybkościach jednostek pływających należy określić czy podajemy je w stosunku do brzegu (szybkość bezwzględna) czy w stosunku do wody (szybkość względna).

Dodaj komentarz

Twój adres email nie zostanie opublikowany. Pola, których wypełnienie jest wymagane, są oznaczone symbolem *