Projekt okładki i stron tytułowych

Lidia Michalak

Ilustracja na okładce

Shutterstock/Rashevskyi Viacheslav

Wydawca

Katarzyna Włodarczyk-Gil

Redaktor

Joanna Forysiak

Redaktor prowadzący

Adam Kowalski

Produkcja

Mariola Grzywacka

Skład wersji elektronicznej na zlecenie Wydawnictwa Naukowego PWN
Marcin Kapusta / konwersja.virtualo.pl

Książka, którą nabyłeś, jest dziełem twórcy i wydawcy. Prosimy, abyś przestrzegał praw, jakie im przysługują. Jej zawartość możesz udostępnić nieodpłatnie osobom bliskim lub osobiście znanym. Ale nie publikuj jej w internecie. Jeśli cytujesz jej fragmenty, nie zmieniaj ich treści i koniecznie zaznacz, czyje to dzieło. A kopiując jej część, rób to jedynie na użytek osobisty.

Szanujmy cudzą własność i prawo.

Więcej na www.legalnakultura.pl

Polska Izba Książki

Copyright © by Wydawnictwo Naukowe PWN SA

Warszawa 2017

eBook został przygotowany na podstawie wydania papierowego z 2017 r., (wyd. I)

Warszawa 2017

ISBN: 978-83-01-19618-9

Wydawnictwo Naukowe PWN SA

02-460 Warszawa, ul. Gottlieba Daimlera 2

tel. 22 69 54 321, faks 22 69 54 288

infolinia 801 33 33 88

e-mail: pwn@pwn.com.pl; reklama@pwn.pl

www.pwn.pl

PRZEDMOWA

Duża skala przemian ilościowych, jakościowych i przestrzennych w zakresie stosunków oraz zasobów wodnych Polski w drugiej połowie wieku XX i na początku XXI sprawiła, że bardzo szybko wzrasta nie tylko zainteresowanie rzetelną i naukową wiedzą na temat obiegu wody w czasach współczesnych, ale również zapotrzebowanie na wiarygodne i wartościowe prognozy zmian hydrologicznych w przyszłości – zarówno w skali regionalnej, jak i krajowej.

W 1963 r. wydano pierwszy podręcznik akademicki, który względnie całościowo prezentował ówczesną wiedzę na temat zasobów i stosunków wodnych Polski. Nosił on tytuł Zarys hydrografii Polski, a jego autorem był Profesor Zdzisław Mikulski. Przez ponad pół wieku dzieło to stanowiło ważne i jedyne kompleksowe źródło informacji o regionalnym zróżnicowaniu zasobów wodnych i procesów hydrologicznych w Polsce.

Ostatnie dziesięciolecia przyniosły znaczny postęp w zakresie pozyskiwania i przetwarzania informacji hydrologicznej, jak również jej wykorzystania w coraz lepiej oddających rzeczywistość modelach procesów hydrologicznych. Wiedza ta miała jednak charakter rozproszony, bowiem wyniki badań były rozrzucone w licznych szczegółowych opracowaniach (artykułach, monografiach, mapach), co m.in. utrudniało nauczanie hydrologii Polski według względnie jednolitego kanonu.

Idea opracowania współczesnej hydrologii Polski narodziła się w 2016 r. na jednym z posiedzeń Komisji Hydrologicznej Polskiego Towarzystwa Geograficznego, kiedy to przewodniczący Komisji przedstawił projekt zgromadzenia, ujednolicenia i zaprezentowania współczesnej wiedzy w zakresie hydrologii Polski w postaci nowego podręcznika akademickiego skierowanego do studentów i naukowców kierunków przyrodniczych, rolniczych i technicznych oraz tych wszystkich, którzy są zainteresowani współczesnym stanem wiedzy o warunkach hydrologicznych i zasobach wodnych Polski. Zamiar ten udało się zrealizować poprzez przygotowanie wieloautorskiej monografii Hydrologia Polski.

Zakres tematyczny książki jest bardzo szeroki, ujmuje bowiem zarówno wody podziemne, jak i powierzchniowe oraz czynniki warunkujące ich rozkład przestrzenny i dynamikę. Uwzględnia też zmiany metodyczne i merytoryczne, jakie zaszły w zakresie oceny i zarządzania zasobami wodnymi po wstąpieniu Polski do Unii Europejskiej, a także pokazuje historię, czasy współczesne i projekcje przemian tych zasobów w nawiązaniu do innych elementów środowiska, scenariuszy zmian klimatycznych i wzrastającej antropopresji.

Podręcznik jest bogato ilustrowany, zawiera szereg autorskich map tematycznych, schematów i fotografii oraz wiele zestawień tabelarycznych zawierających informacje pochodzące z najnowszych baz danych. Uzupełnia go obszerny spis literatury, dzięki której można poszerzyć wiedzę z danego zakresu. Autorami poszczególnych rozdziałów książki są wysokiej klasy specjaliści w zakresie hydrologii i nauk geograficznych, a jednocześnie doświadczeni wykładowcy i dydaktycy reprezentujący niemal wszystkie uniwersyteckie ośrodki hydrologiczne w Polsce (m.in. 10 uniwersytetów, placówki PAN, instytuty naukowe). Redaktorami naukowymi podręcznika są członkowie Komisji Hydrologicznej Polskiego Towarzystwa Geograficznego.

Paweł Jokiel, Włodzimierz Marszelewski, Joanna Pociask-Karteczka

Spis treści

1. Hydrologia Polski – uwarunkowania i problemy

2. Historia i rozwój hydrologii w Polsce

3. Położenie hydrograficzne Polski na tle Europy

4. Geograficzne uwarunkowania obiegu wody w Polsce

4.1. Budowa geologiczna

4.2. Rzeźba

4.3. Warunki klimatyczne

4.4. Użytkowanie terenu

5. Wody podziemne strefy retencji czynnej w Polsce

5.1. Wody strefy aeracji i ich rola w procesach retencji i krążenia

5.2. Wody strefy saturacji, rodzaje, zasoby i formy drenażu

5.3. Źródła i inne wypływy wód podziemnych

5.4. Monitoring i jednolite części wód podziemnych

5.5. Wykorzystanie i zagrożenia wód podziemnych

6. Sieć hydrograficzna Polski

6.1. Ewolucja systemów dolinnych i zmiany obiegu wody od ustąpienia ostatniego zlodowacenia

6.2. Struktura sieci hydrograficznej

6.3. Doliny i koryta rzek

6.4. Jednolite części wód powierzchniowych

6.5. Obserwacje i źródła informacji hydrologicznej

6.6. Jakość i stan ekologiczny wód rzecznych

6.7. Wykorzystanie i zagrożenia rzek i wód rzecznych

7. Odpływ rzeczny w Polsce

7.1. Odpływ średni, zmienność w czasie i zróżnicowanie przestrzenne

7.2. Formy odpływu rzecznego i ich zróżnicowanie przestrzenne

7.3. Fazy odpływu rzecznego

7.3.1 Wezbrania i powodzie

7.3.2 Niżówki i susze

7.4. Przepływy charakterystyczne, miarodajne i konwencjonalne

7.5. Modele i prognozy hydrologiczne

8. Zjawiska lodowe w rzekach Polski

9. Transport fluwialny w rzekach Polski

9.1. Materiał klastyczny

9.2. Materiał rozpuszczony

10. Reżimy rzek Polski

11. Jeziora i zbiorniki wodne w polsce

11.1. Geneza i rozmieszczenie jezior

11.2. Zasoby i bilans wodny jezior

11.3. Wykorzystanie jezior

11.4. Sztuczne zbiorniki wodne i ich funkcje

11.5. Jakość wody oraz stan ekologiczny jezior i zbiorników zaporowych

12. Mokradła w Polsce

12.1. Zróżnicowanie i rozmieszczenie mokradeł

12.2. Rola mokradeł w obiegu wody

12.3. Wykorzystanie i zagrożenia mokradeł

12.4. Jakość wód na obszarach mokradeł

13. Bilans i zasoby wodne Polski

13.1. Wody powierzchniowe

13.2. Wody podziemne

14. Zmiany zasobów i stosunków wodnych w Polsce w czasach historycznych

15. Projekcje ewolucji zasobów wodnych Polski w wyniku zmian klimatu i wzrastającej antropopresji

Literatura

Przypisy

4
GEOGRAFICZNE UWARUNKOWANIA OBIEGU WODY W POLSCE

4.4.
UŻYTKOWANIE TERENU

4.4.1.
WPŁYW LASU NA OBIEG WODY

Roman Soja, Uniwersytet Pedagogiczny
Joanna Pociask-Karteczka, Uniwersytet Jagielloński

Kształtowanie się powierzchni leśnej w Polsce jest wynikiem procesów historycznych, w których decydującym czynnikiem była potrzeba powiększania upraw rolnych kosztem lasu. Proces ten miał charakter selektywny, zagospodarowywane były zawsze tereny mające korzystne warunki do uprawy roli, czyli w miarę płaskie, z dobrymi glebami. Mniej korzystne tereny zagospodarowywano jako pastwiska i łąki, a las pozostawał w miejscach najbardziej niedostępnych i niedogodnych. Presja rolnicza doprowadziła do wyeliminowania lasów na glebach lessowych już w neolicie, na początku rolniczego użytkowania przestrzeni, a jej apogeum przypada na drugą połowę XIX wieku. W tym czasie w Karpatach głód ziemi doprowadził do wylesienia stoków i sięgnął wierzchowin. Las na zwartych powierzchniach pozostawał we własności arystokracji, dla której był źródłem dochodów z eksploatacji drewna, a także był dzielony na mniejsze kawałki i sprzedawany chłopom. Eksploatacja lasów zmieniała ich skład gatunkowy i wiekowy. Lasy współczesne i lasy z czasów piastowskich są zupełnie różnymi geoekosystemami, które w ograniczonym zakresie zachowały te same właściwości.

Współcześnie powierzchnia gruntów leśnych oraz zadrzewionych i zakrzewionych w Polsce wynosi 9674,3 tys. ha, co stanowi prawie 31% powierzchni kraju (tab. 4.4.1.1). Polska pod względem lesistości należy do czołówki państw europejskich. Po II wojnie światowej lesistość kraju wynosiła zaledwie 21%. Wzrost powierzchni zalesionej z punktu widzenia obiegu wody jest bardzo korzystnym zjawiskiem. Podstawą prac zalesieniowych jest Krajowy program zwiększania lesistości, zakładający do roku 2050 wzrost lesistości do 33%. Jedną z przyczyn wzrostu zalesienia w większości europejskich państw jest świadomość roli, jaką pełnią lasy w środowisku.

Rozkład przestrzenny lasów Polsce jest nierównomierny. Największa powierzchnia lasów występuje w województwach zachodniopomorskim oraz mazowieckim, lesistość wynosi tam odpowiednio 36,1% i 23,3%. Natomiast największy udział lasów posiada województwo lubuskie, którego lesistość wynosi aż 51,4%. Najmniejszą lesistością, nieprzekraczającą 25%, odznaczają się województwa kujawsko-pomorskie, mazowieckie, łódzkie oraz lubelskie (tab. 4.4.1.2).

Tabela 4.4.1.1. Powierzchnia gruntów leśnych oraz zadrzewionych i zakrzewionych w Polsce

Rok

2010

2012

2013

2014

2015

Powierzchnia [tys. ha]

9531,0

9599,6

9634,0

9658,4

9674,3

Udział w powierzchni kraju [%]

30,5

30,7

30,8

30,9

30,9

Źródło: Rocznik statystyczny rolnictwa 2015

W latach osiemdziesiątych ubiegłego wieku pojawił się w literaturze anglojęzycznej termin „hydrologia leśna”, rozumiany jako nauka badająca obieg wody na obszarach leśnych (Kowalik 1995, Suliński 2002). Zamiennie używane jest pojęcie „hydrologia ekosystemu leśnego”. Skala problemu niedostatku wody w Polsce i na świecie wzrasta. Idące za tym badania podstawowe i aplikacyjne, również te dotyczące hydrologii leśnej, mają finansowy priorytet. W efekcie rośnie liczba publikacji na ten temat. Zadaniem hydrologii leśnej jest badanie kształtowania się bilansu wodnego zbiorowisk leśnych i odpływu wody z lasu oraz opracowanie odpowiednich modeli zlewni zalesionych (Miller 2008). Natomiast zadaniami hydrologii leśnej o charakterze aplikacyjnym są: ocena potencjalnych zdolności retencyjnych w kompleksach leśnych, prognoza zmian stosunków wodnych wynikających ze zmian klimatycznych oraz przebudowy drzewostanów i klęsk żywiołowych, opisanie relacji pomiędzy biometrycznymi cechami drzewostanów a składowymi bilansu wodnego, oszacowanie wpływu infrastruktury technicznej na środowisko wodne w lasach.

Tabela 4.4.1.2 Powierzchnia gruntów leśnych oraz zadrzewionych i zakrzewionych w poszczególnych województwach w Polsce

Województwo

Grunty leśne oraz zadrzewione i zakrzewione [tys. ha]

Razem

Lasy

Grunty zadrzewione i zakrzewione

Polska

9674,3

9382,6

291,7

Dolnośląskie

625,8

611,6

14,2

Kujawsko-pomorskie

438,9

428,8

10,1

Lubelskie

608,6

583,4

25,2

Lubuskie

718,8

710,9

7,9

Łódzkie

402,3

391,3

11,0

Małopolskie

464,0

440,7

23,3

Mazowieckie

881,0

828,6

52,4

Opolskie

263,0

259,0

4,0

Podkarpackie

728,7

685,0

43,7

Podlaskie

643,8

630,0

13,8

Pomorskie

690,5

682,2

8,3

Śląskie

412,6

403,0

9,6

Świętokrzyskie

345,9

335,1

10,8

Warmińsko-mazurskie

796,1

771,5

24,6

Wielkopolskie

797,1

786,5

10,6

Zachodniopomorskie

857,3

835,1

22,2

Źródło: Rocznik statystyczny rolnictwa 2015

Lasy górskie i lasy niżowe

W klasyfikacjach i typologiach lasów za podstawowe cechy różnicujące lub wspólne przyjmuje się wiele składowych, biotycznych i abiotycznych. Podział na lasy liściaste, iglaste i mieszane jest tylko wielkim przybliżeniem złożoności problematyki. Typy siedlisk rozbudowane są bardzo szczegółowo, lecz z uwagi na hydrologiczną rolę lasu najważniejszy jest podział na lasy górskie i niżowe, w którym to podziale podstawową rolę odgrywa rzeźba terenu. W warunkach polskich podział ten jest dość prosty: lasy górskie obejmują obszary karpacki i sudecki, gdzie rzeźba terenu, warunkowana budową geologiczną, wpływa w sposób decydujący na obieg wody. Niemniej gwałtowna zmiana zalesienia w zlewni zmienia warunki obiegu wody (fot. 4.4.1.1).

Czynnikiem ważnym, ale drugorzędnym w tym podziale są zmieniające się wraz ze wzrostem wysokości bezwzględnej warunki termiczne i opadowe. Lasy w pasie wyżynnym zalicza się do lasów niżowych, na wyżynach bowiem dominują formy rzeźby typowe dla niżu. Płaskie, rozległe wierzchowiny tylko sporadycznie rozcinane są dolinami o stromych, ale krótkich stokach. Na niżu rzeźba terenu jest przyczyną mozaikowego układu płatów leśnych. Utrudniony odpływ wody warunkuje występowanie wilgotnych bagiennych siedlisk sąsiadujących z siedliskami przesuszonymi, np. na wydmach.

Wpływ lasu na obieg wody

Odpowiedź na pytanie: czy las zwiększa opad? – w sensie jakościowym jest dość prosta. Opady poziome i kondensacja pary wodnej w lesie są znacznie większe niż na otwartej przestrzeni. W lasach górskich są to znaczące ilości wody, zwiększające przychód wody w zlewni. Jednocześnie w monokulturowych lasach niżowych wielkości te są zwykle niewielkie, nawet na granicy błędu pomiarowego. Śnieg w lasach nie jest przewiewany, co może mieć również znaczenie w bilansie wodnym. W latach pięćdziesiątych i sześćdziesiątych XX wieku pojawiły się prace dokumentujące efekt zwiększania opadów przez obszary zalesione. W nowszych pracach brakuje odniesień do tego zagadnienia, jednak wydaje się, że rozwiązanie tego problemu będzie możliwe dzięki technikom teledetekcyjnym.

Fot. J. Pociask-Karteczka

Fot. 4.4.1.1. Wiatrołomy powodują zmianę warunków obiegu wody (zlewnia Potoku Olczyskiego w Tatrach)

Czy las zwiększa odpływ? – to kluczowe pytanie w hydrologii lasu pozostaje nadal bez jednoznacznej odpowiedzi. Typowym ujęciem jest badanie dwu lub więcej zlewni różniących się zalesieniem, co zostało przeprowadzone w alpejskich zlewniach Sperbel i Rappengraben przez Burgera (1934) na początku XX wieku. Okazało się, że ze zlewni o zalesieniu 99% odpływ w okresie suszy był większy niż ze zlewni o lesistości równej 30%, jednak odpływ całkowity był w niej wyraźnie mniejszy. Podsumowanie licznych badań zachodnioeuropejskich i rosyjskich wykonanych do połowy XX wieku zawiera monografia Mołczanowa (1960).

Wpływ lasu na odpływ jest najsilniej widoczny w niewielkich zlewniach i maleje ze wzrostem powierzchni zlewni z powodu m.in. zwiększonej retencji obszarów zalewowych (rys. 4.4.1.1). Na przykład w zlewniach o powierzchni do 10 km^2 po wylesieniu w ciągu 5 lat 85% ich powierzchni leśnej obserwuje się wzrost przepływu kulminacyjnego wezbrań średnio o 57% (Archer 1989, Guillemette 2015, za: Bogusz, Tokarczyk 2016). Wpływ lasu na odpływ jest też zróżnicowany: z badań 11 zlewni o powierzchniach od 240 do 3858 km^2 wynika, że w przypadku krótkich wezbrań większy procent zalesienia wpływa na redukcję odpływu, natomiast w przypadku długich wezbrań las zwiększa odpływ (Sriwongsitanon, Taesombat 2011, za: Bogusz, Tokarczyk 2016). Wyodrębnienie czynnika dominującego w kształtowaniu odpływu (klimat, gleba, rzeźba terenu, rodzaj i wiek oraz stan drzewostanu, cechy biometryczne, gęstość cieków i sieci drogowej) jest bardzo trudne.

Za pierwszą polską pracę dotyczącą zagadnienia wpływu lasu na obieg wody należy uznać pozycję Eugeniusza Romera z 1913 r Praca ta, już prawie całkiem zapomniana, dokumentuje wpływ lasu na poziom wód gruntowych w lasach dobrostańskich koło Lwowa, wskazując na wyższy poziom wód gruntowych na obszarze zalesionym. Uproszczone rozumowanie Romera nie jest sprzeczne z dzisiejszą wiedzą na temat mechanizmu zasilania wód gruntowych. Na przykład badania Baca (1968) wskazują na większy opad i odpływ ze zlewni zalesionych i proporcjonalny wzrost współczynnika odpływu.

Na podstawie badań prowadzonych w Pieninach w latach 1965–1968 stwierdzono, że w zlewni o dużym zalesieniu (Czarna Woda) średni odpływ podziemny stanowi 83,7% średniego odpływu całkowitego ze zlewni, natomiast w zlewni Białej Wody (mniejsze zalesienie) jest o 13,5% mniejszy (Pawlik-Dobrowolski 1977). W wyniku późniejszych badań prowadzonych w tych zlewniach w latach 1970–2001 okazało się, że w zlewni Czarnej Wody (zalesienie 83%) średni odpływ podziemnych stanowi 51,4% średniego odpływu całkowitego, natomiast w zlewni Białej Wody (zalesienie 56%) jest o 14,2% mniejszy (Kostuch 2003). Wpływ lasu jest też zróżnicowany w ciągu roku: w półroczu zimowym w zlewni Czarnej Wody występuje więcej dni z niskimi przepływami niż w zlewni Białej Wody, natomiast w półroczu letnim odwrotnie, to w zlewni Czarnej Wody występuje o ok. 23% mniej dni z przepływami niskimi niż w zlewni Białej Wody (rys. 4.4.1.2).

Rys. 4.4.1.1. Zależność między stopniem wylesienia i przepływem w zlewniach o powierzchni do 10 km^2

Źródło: Grant i in. 2008, za: Bogusz, Tokarczyk 2016

Rys. 4.4.1.2. Czas trwania niskich odpływów jednostkowych w zlewniach Czarnej Wody i Białej Wody w latach 1970–2001

Źródło: Kostuch 2003

Długa seria obserwacji odpływu z małych zlewni w Sudetach, w których w wyniku zanieczyszczeń atmosferycznych zniszczony został las, pozwoliła na stwierdzenie, że odpływ ze zlewni niezalesionych był o ok. 35% większy od odpływu z terenów leśnych. Działo się tak głównie na skutek zmniejszenia intercepcji i zwiększenia spływu powierzchniowego (patrz rozdz. 7.2). Jednocześnie stwierdzono, że przy bardzo wysokich opadach i wypełnieniu pojemności retencyjnej zlewni wpływ lasu jest znikomy (Dubicki, Woźniak 1993; Pierzgalski 2003).

W lasach niżowych także nie ma jednolitych wyników wskazujących na większe odpływy ze zlewni o dużym zalesieniu. Na przykład w czasie lata ze zlewni górnej Baryczy (stosunkowa duże zalesienie) odpływ był dwukrotnie wyższy niż ze zlewni Orli, której zalesienie było wyraźnie mniejsze (Szymański 1958). Niektóre prace wskazują raczej na brak związku lesistości z wielkością odpływu (Kucharska i in. 1982). Można doszukiwać się przyczyn i mnożyć wątpliwości co do poprawności wnioskowania, ale pozostaje pytanie, czy stwierdzone przeciwstawne zależności są wynikiem błędu, czy raczej stopień złożoności problemu pozwala na tak różne reakcje zlewni na zmiany powierzchni leśnej. Nowsze prace koncentrują się raczej na dokumentowaniu wpływu lasu na reżim odpływu (Tyszka 2008), a poszukiwania ilościowego udokumentowania różnicy w odpływie są na dalszym planie.

Próby oceny wpływu lasu na odpływ wody pojawiają się regularnie w polskiej literaturze hydrologicznej w miarę wzrostu liczby badań wykorzystujących długie ciągi danych obserwacyjnych. Okolicznością sprzyjającą takim analizom były np. znaczące zmiany zalesienia w Bieszczadach i Beskidzie Niskim bezpośrednio po II wojnie światowej. Dość powszechnie dokumentowany jest wzrost odpływu z wymienionych obszarów. Odbywa się on jednak przy równoczesnym wzroście opadów, wahaniach innych elementów klimatycznych i wzrastającej zmienności opadu z roku na rok. Trudno zatem o jednoznaczne wskazanie, w jakim stopniu zmiana odpływu wynika ze zmian zalesienia.

Rys. 4.4.1.3. Wielkość intercepcji w drzewostanach świerkowym i bukowym podczas zróżnicowanego natężenia i sumy opadów (patrz fot. 4.4.1.2)

Źródło: Bultot i in. 1972, za: Gutry-Korycka 1989

Wątpliwości nie budzi natomiast regulacyjna rola lasu. Powszechnie przyjmuje się również, że na odpływ silnie oddziałuje przestrzenne rozmieszczenie powierzchni zalesionych w obrębie zlewni. Wiadomo także, że:

■ las zmienia warunki gromadzenia i tajania opadów śniegu,

■ gleba leśna ma wyjątkowo korzystne zdolności retencyjne,

■ las wpływa łagodząco na kształt i parametry fali wezbraniowej,

■ las wpływa łagodząco na głębokość i czas trwania niżówek,

■ spływ powierzchniowy w lesie występuje sporadycznie, tylko w czasie wyjątkowo wysokich opadów.

Przykładem znaczenia lasów w odbiegu wody jest jego łagodzący wpływ na wezbrania. Objętość wody odpływającej w czasie wezbrania pomniejszana jest o pojemność retencyjną gleby leśnej i intercepcję. Pojemność retencyjna lasu w czasie wysokich opadów o dużym natężeniu ulega szybkiemu wypełnieniu, toteż później wpływ lasu na tempo i wielkość odpływu przestaje mieć znaczenie. Badania nad wpływem lasu na wielkość parowania, transpiracji, retencji powierzchniowej i podziemnej są nieliczne i nie dają jednoznacznych wyników. W połowie XX wieku udział intercepcji w sumie opadów szacowano na 15% (średnia dla wszystkich zbiorowisk leśnych). Większą pojemnością intercepcji cechują się jednak lasy iglaste niż liściaste, przy uwzględnieniu koron drzew (rys. 4.4.1.3).

Zróżnicowanie intercepcji sięga 10–30% i te wartości znajdują potwierdzenie w wielu publikowanych pracach, także z ostatnich lat. W tego typu badaniach postęp jest ilościowy, lecz nie jakościowy. Mierzony jest spływ wody po pniach wraz z określeniem zmian właściwości fizykochemicznych wody, jednak wiele zagadnień nadal czeka na wyjaśnienie. W ramach programu Zintegrowany Monitoring Środowiska Przyrodniczego na kilku stacjach w Polsce rozpoczęto w latach dziewięćdziesiątych XX wieku badania nad intercepcją, spływem po pniach i zmianami składu chemicznego wody. Wyniki tych badań są dostępne w bazach danych tego programu i publikacjach (http://www.staff.amu.edu.pl/~zmsp/). Podobnie z badaniami nad spływem powierzchniowym na poletkach leśnych: spływ ten w lesie zdarza się sporadycznie, jego wystąpienie jest uwarunkowane cechami ściółki i leśnej gleby. Na obszarach górskich w czasie opadów rozlewnych pojawia się głównie spływ podpowierzchniowy, wpływający na złagodzenie przepływów maksymalnych i wydłużenie czasu wezbrania (Gil 1999). Spływ ten zachodzi na pograniczu luźnej warstwy gruntu (zwykle zwietrzeliny) i słabo przepuszczalnego podłoża (skały) – zwykle na obszarach o znacznej deniwelacji.

Stopień oddziaływania lasu na zasoby wodne zależy od struktury wiekowej i gatunkowej drzewostanów. Mają one znaczny wpływ na głębokość występowania zwierciadła wód podziemnych (patrz rozdz. 5.2). Głębokość zwierciadła wód podziemnych na obszarach leśnych jest zależna od wielkości intercepcji i transpiracji szaty roślinnej oraz parowania z powierzchni terenu. Czynniki te są zmienne w czasie i zależą od typu i wieku lasu oraz prowadzonej gospodarki leśnej (wyrąb, nasadzenia). W efekcie zmieniające się stosunki wodne wraz ze wzrostem lasu przyczyniają się na przemian do podnoszenia lub obniżania zwierciadła wód podziemnych. Wahania te mogą wynosić nawet 1 m. Wobec powyższego należy stwierdzić, że struktura wiekowa drzewostanów jest ważnym czynnikiem wpływającym na zdolności retencyjne gruntów i całkowity odpływ ze zlewni, szczególnie w przypadku małych zlewni nizinnych położonych na glebach hydrogenicznych (Król, Soczyńska 1989; Suliński 1990).

Fot. P. Jokiel

Fot. 4.4.1.2. Młoda buczyna i poręba lasu świerkowego w Sudetach

5
WODY PODZIEMNE STREFY RETENCJI CZYNNEJ W POLSCE

5.3.
ŹRÓDŁA I INNE WYPŁYWY WÓD PODZIEMNYCH

Piotr Moniewski, Uniwersytet Łódzki
Janusz Siwek, Uniwersytet Jagielloński

Wypływy wód podziemnych są łącznikiem pomiędzy hydrogeologicznym środowiskiem zlewni a wodami powierzchniowymi. Na obszarach licznego ich występowania ten szczególny, punktowy rodzaj drenażu warstw wodonośnych determinuje reżim hydrologiczny cieków, a często również właściwości fizyczne i hydrochemiczne ich wód. Badanie źródeł, uwzględniające rozmieszczenie, różnorodność typologiczną, pomiary wydajności i rozpoznanie cech jakościowych wody, jest domeną krenologii (Jokiel i in. 2007).

Liczba wypływów odniesiona do jednostki powierzchni określana jest poprzez wskaźnik krenologiczny (nźr∙km-2). Natomiast najważniejszą cechą ilościową źródła jest jego wydajność (np. Qśr – średnia), wyrażana w jednostkach przepływu cieku odprowadzającego wodę (dm^3∙s-1, m^3∙s-1, dm^3∙min-1). Odnosząc sumaryczną wydajność wypływów w zlewni do przepływu cieku, oblicza się wskaźnik drenowania zlewni, a do jednostki powierzchni – odpływ jednostkowy pochodzenia źródlanego (dm^3∙s-1∙km-2). Współczynnik zmienności wydajności (R) E. Maillete’a, uwzględniający wydajności ekstremalne (R=Qmaks/Qmin), dzieli wypływy na stałe (R = 1–2), mało zmienne (R = 2–10), zmienne (R = 10–50) i bardzo zmienne ( R > 50). Wskaźnikiem jakościowych cech środowiska hydrogeologicznego wód źródlanych jest natomiast mineralizacja ogólna (Mo), wyrażana jako sucha pozostałość, czyli masa osadu pozostałego po odparowaniu wody (mg∙dm-3).

Zmienność wydajności wypływów wód podziemnych jest na ogół mniejsza niż amplituda przepływu cieków. Szczególnie dotyczy to dużych źródeł, które stabilizują odpływ rzeczny, podtrzymując przepływy minimalne podczas niżówek (patrz rozdz. 7.3). Źródła wpływają także na zmniejszenie amplitudy temperatury wód powierzchniowych. Wprowadzają też do cieków wody, które wskutek długiego kontaktu ze środowiskiem geologicznym mają podwyższoną alkaliczność i relatywnie wysoką mineralizację (tab. 5.3.1). Na skutek zmian: ciśnienia, stężenia tlenu lub temperatury wody w miejscach jej wypływu gromadzą się produkty procesu utleniania rozpuszczonych związków (np. wodorotlenku żelaza, rzadziej dwutlenku manganu). Przykładem są wypływy wód mineralnych w Beskidach, Kotlinie Kłodzkiej i na wielu innych obszarach. Liczne są też przykłady wytrącania martwicy wapiennej w miejscach wypływu źródeł, których wody są bogate w węglan wapnia (np. na obszarach młodoglacjalnych, wyżynach węglanowych, a także na Śląsku Cieszyńskim, w Gorcach i w południowej części Wzniesień Łódzkich).

Na obszarze Polski wyodrębniono 14 regionów krenologicznych różniących się rozmieszczeniem i cechami hydrogeologicznymi wypływów (Dynowska 1986; rys. 5.3.1).

Do obszarów najbardziej uźródłowionych należy zaliczyć pas gór i wyżyn południowej Polski. Średni wskaźnik krenologiczny polskiej części Tatr (region I) szacowany jest na 4,8–5,5 źr∙km-2, jakkolwiek prace inwentaryzacyjne źródeł wciąż nie są ukończone. Średni jednostkowy odpływ wód źródlanych wynosi tam ok. 13 dm^3∙s-1∙km-2. Obszarem szczególnym pod względem krenologicznym w regionie tatrzańskim są Tatry Zachodnie, odznaczające się silnym wewnętrznym zróżnicowaniem zarówno ilości, wydajności, jak i rodzajów wypływów. Najliczniejszą grupę stanowią tam, relatywnie niewielkie, źródła szczelinowo-krasowe o wydajności do kilku dm^3∙s-1, zasilane bezpośrednio z węglanowych utworów serii reglowej i wierchowej lub za pośrednictwem pokryw zwietrzelinowych lub morenowych. Najbardziej rozpoznawalnym elementem krenologicznym są jednak zasilane z rozległych systemów krasowych wywierzyska: Chochołowskie Lodowe, Goryczkowe, Bystrej, Olczyskie (numery odpowiednio 1–5, rys. 5.3.1 i tab. 5.3), których wydajność może sezonowo przekraczać 1000 dm^3∙s-1, a epizodycznie dochodzić do 10 000 dm^3∙s-1 (Różkowski i in. 2015). Wysokiej wydajności wywierzysk sprzyjają wysokie sumy opadów rocznych oraz rozciągnięte w czasie zanikanie pokrywy śnieżnej w poszczególnych piętrach wysokościowych. Kluczowe jednak znaczenie mają warunki hydrogeologiczne – obecność spękań i szczelin krasowych w utworach węglanowych umożliwia infiltrację wód, a następnie ich migrację systemem kanałów krasowych, obejmujących również jaskinie. Systemy krasowe umożliwiają doprowadzenie wody z rozległych obszarów zasilania, obejmujących także sąsiednie doliny (Barczyk 2008). Najwyższe wydajności wywierzysk krasowych obserwowane są po wystąpieniu roztopów, które w Tatrach trwają ok. 2–3 miesiące, zwykle od połowy marca do końca maja. Maksymalne wydajności przypadają więc na okres od maja do lipca. W sierpniu zaznacza się zwykle stopniowe obniżanie zwierciadła wód podziemnych w systemie krasowym i w konsekwencji zmniejszanie się wydajności wywierzysk. Najniższa wydajność obserwowana jest zimą, kiedy zasilanie zbiornika wód podziemnych prawie ustaje, stąd duża i bardzo duża zmienność wydajności wywierzysk (R 13,0–125,0). Natomiast w Tarach Wysokich warunki hydrogeologiczne nie sprzyjają zasilaniu źródeł z rozległych obszarów alimentacji. Na podłożu krystalicznym spotykane są jedynie niewielkie wypływy o przeciętnej wydajności do 0,5 dm^3∙s-1. Większe znaczenie mają liczne wypływy zasilane z płytkich pokryw stokowych lub morenowych o średniej wydajności 2,4 dm^3∙s-1. Wydajność tego rodzaju źródeł nie przekracza zwykle kilku litrów na sekundę, a same wypływy mają w większości przypadków charakter okresowy lub epizodyczny (Małecka 1997).

Tabela 5.3.1. Wydajności i mineralizacja wody wybranych źródeł i wywierzysk Polski

Nr

Nazwa wypływu

Region

fizyczno-geograficzny

Qśr

[dm^3∙s-1]

Qmaks

[dm^3∙s-1]

Mo

[mg∙dm-3]

1

Wyw. Chochołowskie

Tatry Zachodnie

400

520

108–211

2

Wyw. Lodowe

Tatry Zachodnie

650

ok. 10 000

90–215

3

Wyw. Goryczkowe

Tatry Zachodnie

800

8650

40–167

4

Wyw. Bystrej

Tatry Zachodnie

321,0 (1979–1990)

4110

53–160

5

Wyw. Olczyskie

Tatry Zachodnie

500

7315

93–164

6

Źr. Pod Wysokim Działem

Pieniny

0,8 (2007–2011)

5,5

b.d.

11

Źr. Markowego Potoku

Beskid Żywiecki

1,0 (2013–2014)

3,5

37–178

17

Źr. Spod Roha

Bieszczady

8,6 (2010–2014)

40,1

118–181

41

Źr. Będkówki

Wyż. Krakowsko-Częstochowska

88,6 (1974–2011)

153

320–354

42

Źr. Krztyni

Wyż. Krakowsko-Częstochowska

130,6 (1974–2011)

207,9

349–388

48

Źr. Łakotnik

Wyż. Krakowsko-Częstochowska

117,0 (1974–2011)

150,0

309–355

51

Źr. Ireny

Niecka Nidziańska

71,5 (1969–2011)

101,2

235–782

52

Źr. Geologów

Niecka Nidziańska

79,2 (1973–2011)

192,9

402–675

54

Źr. Bielny Młyn

Wyż. Krakowsko-Częstochowska

86,1 (1974–2011)

135

335–391

55

Źr. w Iwanowicach

Wyż. Krakowsko-Częstochowska

72,7 (1974–2011)

86,6

513–590

61

Źr. w Rzędowicach

Niecka Nidziańska

97,0 (1969–2011)

168,2

490

70

Źr. Kaśki Stok

Góry Świętokrzyskie

b.d.

19,8

b.d.

74

Źr. Bobrzy

Góry Świętokrzyskie

b.d.

8,1

b.d.

85

Źr. Stryjno Drugie

Wyż. Lubelska

163,4 (1998–2008)

356,2

272–304

86

Źr. Lute

Roztocze

120,0*

185,7*

b.d.

87

Źr. Wierzchowiska-Stoki

Roztocze

128,7 (1959–2012)

241,3

462

88

Źr. w Piotrowicach

Wyżyna Lubelska

127,6 (1998–2008)

183,7

307–342

89

Źr. Zakrzówek I

Wyżyna Lubelska

118,4 (1998–2008)

258,5

284–297

90

Źr. Wąwolnica

Wyżyna Lubelska

87,0 (1946–2009)

160

417–434

95

Źr. Staniszewskie Zdroje

Pojezierze Kaszubskie

47,2

57,3

b.d.

102

Źr. Łyny

Pojezierze Olsztyńskie

30,0

b.d.

b.d.

111

Źr. Biazielnica

Wysoczyzna Białostocka

23,0

27,0

b.d.

112

Źr. Ciosny

Wzniesienia Łódzkie

22,0 (1998–2013)

43,5

196–345

113

Źr. Rosanów I

Wzniesienia Łódzkie

44,9 (1998–2013)

77,4

217–361

114

Źr. Borki

Wzniesienia Łódzkie

32,7 (1998–2001)

42,1

152–311

115

Źr. Wardzyn

Wzniesienia Łódzkie

13,0*

27,1*

310–460

125

Źr. Niebieskie Źródła

Dolina Białobrzeska

59,9 (1986–1990)

92,5

198–246

Objaśnienia: Nr – numer źródła na rys. 5.3.1 i w tekście; Q śr – wydajność średnia; Qmaks – wydajność maksymalna; Mo – mineralizacja ogólna; * – łączna wydajność wypływów; b.d. – brak danych; podano okres monitoringu wypływów

Źródło: opracowanie własne na podstawie wielu dostępnych materiałów źródłowych

Red. i wyk.: P. Moniewski, J. Siwek, A. Bartnik

Rys. 5.3.1. Wybrane źródła Polski na tle regionalizacji krenologicznej

Objaśnienia: 1 – rzeki; 2 – granice państwa; 3 – miasta wojewódzkie; 4 – źródła wymienione w tekście (wybrane w tab. 5.3.1); 5 – regiony krenologiczne (wg Dynowskiej 1986, zmienione): I – liczne, wydajne źródła szczelinowe i krasowe w wapieniach i dolomitach oraz mało wydajne źródła szczelinowe w skałach krystalicznych; II – liczne, mało wydajne źródła szczelinowe w wapieniach, marglach i piaskowcach; III – bardzo liczne i mało wydajne źródła szczelinowe we fliszu oraz porowe w pokrywie zwietrzelinowej; IV – mniej liczne i bardzo mało wydajne źródła szczelinowe we fliszu oraz porowe w pokrywie zwietrzelinowej; V – bardzo nieliczne, wyjątkowo mało wydajne wypływy porowe w piaskach i w pokrywie zwietrzelinowej; VI – mało wydajne źródła szczelinowe w skałach krystalicznych oraz w wapieniach, dolomitach i piaskowcach, a także porowe w pokrywie zwietrzelinowej; VII – bardzo wydajne źródła szczelinowe, niekiedy podpływowe, w wapieniach i dolomitach oraz porowe w piaskach; VIII – bardzo wydajne źródła szczelinowe i krasowe, niekiedy podpływowe, w wapieniach; IX – bardzo wydajne źródła szczelinowe i szczelinowo-warstwowe, niekiedy podpływowe, w marglach; X – wydajne źródła szczelinowe i krasowe, niekiedy podpływowe, w wapieniach i piaskowcach; XI – bardzo mało wydajne wypływy porowe w pokrywie zwietrzelinowej; XII – bardzo wydajne źródła szczelinowe i szczelinowo-warstwowe, niekiedy podpływowe, w marglach i wapieniach; XIII – nieliczne wypływy porowe w piaskach i żwirach, o zróżnicowanej wydajności, na obszarze młodoglacjalnym (XIIIa) i staroglacjalnym (XIIIb); XIV – brak źródeł wskutek gospodarczej ingerencji człowieka

Nazwy i numery zaznaczonych na mapie źródeł podano w tekście, a niektóre w tab. 5.3.1

Źródło: opracowanie własne na podstawie Chełmicki i in. 2011