Fluvial processes on the wet Miszkowice fan. Part II: Sediment transport, with special reference to the August 1977 flood.
Abstract
Being in flood the lower Złotna carries several kinds of materials transported as the floating, dissolved, suspended, saltation and the bed-load. It has been found that the suspended load comes mostly from the lower part of the catchment basin underlain by relatively weak deposits of Lower Carboniferous age. This part of the basin is for a large part deforested and subjected to intense farming at least throughout the last 700 years.
Field investigations have also demonstrated that the distance of travel of gravel-size solid materials may be large even during a single flood. It is likely that during one catastrophic flood in August 1977. metalimestone cobbles were transported from the riverhead portion of the catchment basin to the river mouth (ca. 9-10 km). In the process of flood transport, gravel is subjected to hydraulic sorting mostly according to grain shape (sphericity) and size (immersed weight). Flat gravels, carried chiefly in saltation, tend to be concentrated on lateral and/or point bars. This is the result of lateral diffusion of the saltation load of the river. At the same time, highly spherical gravels (relatively heavy) or the largest flat clasts are usually concentrated in the streambed as a natural pavement or channel-lag deposit. It has been found that during flood large spherical gravels may be rolled along the thalweg to a relatively large distance in a sinuous or even meandering channel without being deposited. During the August 1977 flood, the heaviest boulder transported as the bed-load to a distance of at least several hundred metres showed immersed weight of ca. 100 kG, while the heaviest object moved by water amounted to ca. 2 T (immersed weight).
Field measurements and observations have indicated that the formulae for critical velocity and critical bed shear stress published by Neill (1967, 1968a,b) and Krey-Schoklitsch (Schoklitsch 1950) may be applied to rivers floored by coarse gravel provided that constants they contain are carefully adjusted to local conditions of flow and sediment type. The modified formulae adjusted to the conditions prevailing within the lower River Złotna are given in the text.
Measurements of gravel size performed on the Miszkowice Fan after the August 1977 flood have demonstrated that dimensions of gravel diminished downfan. The diminution in gravel size is correlated with the cross-sectional area of flow, the bankfull discharge and/or the total stream power. It may not be correlated, however, with the mean flow velocity, the hydraulic slope, and the bed shear stress. Also, it may be demonstrated that at least in the statistic sense the suspended sediment discharge is a function of the water discharge and/or the total stream power. The 24-hour suspended sediment discharge for the lower River Złotna is given by the equation GSS = 7535 (Q/Qb)2.632.
It seems to be evident from field observations that the fluvial processes in general and the development of a channel of a gravel-bed river in particular may be analysed qualitatively and quantitatively in categories of some threshold discharges or corresponding total stream powers. Among the most important threshold discharges is a discharge corresponding to the initiation of movement of the gravelly streambed. For the lower River Złotna the discharge corresponds roughly to the 3/4 full discharge in the warm half of the year. However, in the cold half of the year, the discharge is evidently lower than in the warm season.
During the water year, the River Złotna not only changes its discharge, but also the character of its load. Each year from 5 to 7 months the river carries mostly the dissolved load. The gravelly streambed of the river is living from 2 to 9 days per year (data from a decade 1971-1980). In an average water year, the River Złotna is for about 6 months a suspended load stream including from 2 to 4 days during which the river load is mixed. In an exceptionally wet water year 1976/1977, the River Złotna was a suspended load stream for 7 months, during 6 days the river load was mixed, and on 3 days it was a bed load stream (i.e., during the August 1977 flood). It is suggested that the River Złotna has been a suspended load stream throughout the historic period including the last 700 years.
During the catastrophic August 1977 flood, the 84-hour runoff from the catchment basin was equal to 26.2 per cent mean annual runoff. The runoff of the suspended load attained a value of ca. 23 000 T (or some 71.3 per cent total sediment load). Mean discharge of the suspended load amounted to 0.03886m3 s-1 (Q/QSS = 323), while mean discharge of the saltation and the bed load was estimated to be 0.01 488 m3 s-1 (Q/QSS = 845). The ratio of the saltation load to the bed load ranged from 2.03 to 3.55 (approximate indirect estimation).
A yearly rate of denudation of the River Złotna catchment basin computed for an average water year 1977/1978 was 0.536 mm/yr for the whole basin and 1.786 mm/yr for its arable portion. During the 84-hour period of the August 1977 flood, the denudation rate was 0.58 mm and 1.93 mm for the whole catchment basin and its arable portion, respectively. It has been found that the lower part of the basin underlain by the Lower Carboniferous rocks is subjected to perceptibly stronger denudation than its upper part underlain by metamorphic rocks. It is suggested that such a tendency has been sustained throughout the Cainozoic leading to the exposure of metamorphic mountain ranges from under their sedimentary mantle.
Procesy fluwialne na „mokrym” stożku Miszkowic. Część II: Transport osadu ze szczególnym uwzględnieniem powodzi w sierpniu 1977 roku
Abstrakt
Rzeka Złotna, górski dopływ górnego Bobru w Sudetach Zachodnich, może być uważana za typową małą żwirodenną rzekę Sudetów. Jest to rzeka o deszczowo-śnieżnym ustroju zasilania (Q ok. 0,46 m3 s-1), odwadniająca zlewnię o powierzchni ok. 28 km2. Badania geologiczno-środowiskowe prowadzone przez autora w ciągu 7 lat (1977-1984) umożliwiły określenie obciążenia Złotnej oraz warunków jego transportu w ujściowym odcinku rzeki, na stożku Miszkowic.
Dolna Złotna transportuje w czasie powodzi obciążenie flotacyjne, rozpuszczone, zawiesinowe, saltacyjne i denne. Stwierdzono, że obciążenie zawiesinowe rzeki pochodzi głównie z dolnej części dorzecza podścielonej przez średnio odporne skały dolnego karbonu. Ta część dorzecza jest w większości wylesiona i użytkowana rolniczo od ok. 700 lat.
Wykazano, że zasięg powodziowego transportu żwiru może być bardzo duży. Jest bardzo prawdopodobne, że w czasie jednej katastrofalnej powodzi gruby żwir może być przetransportowany z obszaru źródłowego Złotnej na jej stożek napływowy przy ujściu rzeki do Bobru (ok. 9-10 km). W czasie transportu powodziowego żwiry ulegają sortowaniu hydraulicznemu, głównie według kształtu (sferyczność) i wielkości (ciężar w zanurzeniu). Żwiry płaskie, transportowane głównie przez saltację, maja tendencję do koncentrowania się na łachach bocznych i meandrowych. Jest to wynik bocznej dyfuzji obciążenia saltacyjnego rzeki. Żwiry o dużej sferyczności (ciężkie) lub żwiry płaskie o dużej średnicy koncentrują się na dnie koryta tworząc bruk korytowy. Stwierdzono, że duże żwiry o dużej sferyczności są w czasie powodzi toczone wzdłuż talwegu na długich odcinkach koryta krętego, a nawet meandrującego, nie ulegając po drodze depozycji. W czasie powodzi sierpniowej 1977 r. najcięższy blok skalny toczony po dnie ważył pod wodą ok. 100 kG, a największy obiekt poruszony przez wodę ważył w zanurzeniu ok. 2 T. Stwierdzono, że formuły Neilla (1967. 1968a, b) oraz Krey-Schoklitscha (Schoklitsch 1950) dają prawdziwe wartości prędkości krytycznej i krytycznego naprężenia ścinającego inicjującego ruch żwiru pod warunkiem, że występujące w nich stałe zostaną w sposób ostrożny dostosowane do lokalnych warunków przepływu. W pracy zaproponowano zmodyfikowane formuły, sprawdzone w terenie w korycie dolnej Złotnej.
Pomiary wielkości żwirów wykonane na stożku Miszkowic po powodzi w sierpniu 1977 r. wykazały, że wielkość żwirów maleje w kierunku w dół stożka. Spadek wielkości żwirów wykazuje dobrą korelację z polem przekroju przepływowego koryta, przepływem pełnokorytowym lub z całkowitą mocą strumienia. Zmniejszanie się średnic żwiru może natomiast nie wykazywać korelacji ze średnią prędkością przepływu, spadkiem hydraulicznym i naprężeniem ścinającym na dnie. Pomiary koncentracji zawiesiny wykazały, że przepływ obciążenia zawiesinowego może być rozpatrywany jako funkcja przepływu wody lub całkowitej mocy strumienia Dotychczasowe obserwacje wskazują, że dobowy przepływ zawiesiny w dolnej Złotnej może być przybliżony równaniem empirycznym GSS = 7535(Q/Qb)2.632. Wykazano, że przebieg procesów korytowych i rozwój koryta rzeki żwirodennej można analizować jakościowo i ilościowo w kategoriach przepływów progowych i odpowiadających im całkowitych mocy strumienia. Spośród najważniejszych przepływów progowych należy wymienić przepływ inicjujący ruch żwirowego dna rzeki. Stwierdzono, że w ciepłej połowie roku hydrologicznego przepływ ten odpowiada w dolnej Złotnej stanowi 3/4 pełnokorytowemu lub zbliżonemu, a w zimnej połowie roku analogiczny przepływ jest wyraźnie mniejszy.
W ciągu roku hydrologicznego Złotna nie tylko zmienia przepływ, ale także charakter obciążenia. Obserwacje prowadzone w latach 1971-1980 wykazały, że w ciągu 5-7 miesięcy w roku Złotna niesie prawie wyłącznie obciążenie rozpuszczone. Ruch żwirowego dna rzeki odbywa się w ciągu roku w okresie 2-9 dni. W przeciętnym roku hydrologicznym Złotna jest przez 6 miesięcy rzeką o obciążeniu zawiesinowym, w tym w ciągu 2-4 dni obciążenie rzeki ma charakter mieszany. W wyjątkowo mokrym roku hydrologicznym 1976/1977 Złotna była przez 7 miesięcy rzeką o obciążeniu zawiesinowym, a przez 6 dni miała obciążenie mieszane (obciążenie denne stanowiło wtedy 3-11% obciążenia całkowitego), a przez 3 dni była rzeką o obciążeniu dennym (powódź w sierpniu 1977 roku). Sugeruje się, że zawiesinowy charakter obciążenia Złotnej utrzymywał się prawdopodobnie w ciągu całego okresu historycznego (ostatnie 700 lat).
W czasie katastrofalnej powodzi w sierpniu 1977 roku w ciągu 3,5 doby odpływ ze zlewni Złotnej wynosił 26,2% średniego rocznego odpływu, zaś odpływ zawiesiny osiągnął wartość ok. 23 tys. T (czyli ok. 71,3% całkowitego obciążenia osadem). Średnie natężenie przepływu zawiesiny wynosiło 0,03886 m3 s-1 przy Q/QSS = 323, natomiast średnie natężenie przepływu obciążenia dennego i saltacyjnego osiągnęło wartość 0,01488 m3 s-1 przy Q/QSb = 845. Stosunek obciążenia saltacyjnego do dennego wynosił 2.03-3.55 (przybliżone dane pośrednie).
Roczne tempo denudacji zlewni Złotnej, wyliczone dla przeciętnego roku hydrologicznego 1977/1978, wynosiło ok. 0,536 mm/rok dla całego dorzecza i 1.786 mm/rok przy uwzględnieniu tylko części dorzecza użytkowanej rolniczo. W czasie 3,5 doby powodzi sierpniowej denudacja osiągnęła wartość 0,58 nim dla całego dorzecza i 1,93 mm dla części dorzecza użytkowanej rolniczo. Stwierdzono, że dolna część dorzecza, podścielona przez utwory dolnego karbonu, ulega denudacji szybciej niż część górna podścielona przez skały metamorficzne. Przypuszczalnie tendencja taka utrzymywała się w ciągu całego kenozoiku powodując wypreparowanie grzbietów górskich zbudowanych ze skal metamorficznych spod ich osadowej pokrywy.