Procesy fluwialne i rozwój koryta górnego Bobru na odcinku badawczym w Błażkowej (1967-1982). [The River Bóbr in the Błażkowa study reach (Central Sudetes): A study in fluvial processes and fluvial sedimentology]

Abstract

W pracy przedstawiono wyniki badań geologiczno-środowiskowych odcinka górnego Bobru w Błażkowej (Brama Lubawska, Sudety Środkowe) prowadzonych w ciągu 15 lat (1967-1982). Bóbr jest tu małą rzeką górską (Q ok. 1,1 m3/s) o dużym spadku (S ok. 0,011) i żwirowym dnie. Mimo znacznego spadku, w kotlinowatych rozszerzeniach „dolin występują dobrze rozwinięte równie zalewowe wyścielone warstwą glin aluwialnych i mad o grubości 0,5-3 m. Meandrujący przed regulacją bieg rzeki oraz powstanie w dolinach górskich mad stanowią najbardziej rzucające się w oczy efekty geomorfologiczne gospodarczej działalności człowieka (wylesienie, rolnictwo) w okresie historycznym obejmującym ostatnie 700 lat. W niniejszej pracy omówiono procesy prowadzące „do powstania nowego swobodnego koryta krętego w miejscu umocnionej trasy regulacyjnej. Badania tych procesów pozwalają na dokładniejsze poznanie genezy niektórych form oraz osadów rzecznych deponowanych w dolinach rzek górskich. Stwierdzono, że na odcinku mostowym w Błażkowej nowe koryto naturalne rozwijało się w trzech fazach. W fazie pierwszej (1967-1977) w regulacyjnym korycie prostym doszło do zasadniczej i trwałej deformacji dna, polegającej na powstaniu w korycie układu symetrycznych w planie bystrzyków i przegłebień. Deformacja dna i związane z nią zakłócenia przepływu postępowały stopniowo w dół rzeki. W fazie drugiej (1977-1981) jeden z układów bystrzyk/przegłębienie przeobraził się nagle (powódź w sierpniu 1977) w inicjalny zakręt rzeki z asymetrycznym przegłębieniem korytowym i zaczątkiem łachy meandrowej. W styczniu 1982 r. zakręt ten został zasypany żwirem, koryto wyprostowało się w sposób naturalny, a w rozszerzonym odcinku koryta powstała łacha śródkorytowa, znamionująca lokalne przejście do roztopowego biegu rzeki (faza trzecia). Wspomniane zmiany biegu rzeki łączyły się z powodziami. Stwierdzono, że na górnym Bobrze powodzie letnie powodują najczęściej rozwój i wzrost meandrów oraz zwiększenie krętości rzeki, czyli progresywne zmiany w cyklu meandrowym. Z drugiej strony powodzie zimowe, a zwłaszcza powódź w styczniu 1982 r., prowadzą najczęściej do zmian wstecznych przez nadmierne rozszerzanie koryta i częściowe odcinanie łach meandrowych. Lokalnie powstają w ten sposób odcinki roztokowe lub meandrująco-roztokowe. Stwierdzono, że nadmierne rozszerzanie koryta przez powodzie zimowe -związane jest w dużym stopniu z termoerozją boczną. W pracy omówiono najważniejsze wyniki badań hydrologicznych, geomorfologicznych i sedymentologicznych. Stwierdzono, że górny Bóbr jest rzeką o znacznej przewadze obciążenia zawiesinowego nad epizodycznie lub okresowo transportowanym obciążeniem dennym. Zmiana charakteru obciążenia rzeki z mieszanego na zawiesinowe dokonała się prawdopodobnie w okresie historycznym. Okresowe pomiary hydrologiczne wykazały, że najważniejszym zjawiskiem hydraulicznym kontrolującym rozwój koryta krętego jest odwrócenie hydrauliczne. Polega ono na przemieszczaniu się, w miarę wzrostu stanu i przepływu wody, stref największej prędkości i maksymalnego naprężenia ścinającego z bystrzyków (stany niskie i średnie) do przegłębień (duże wezbrania i powodzie). W wyniku tego zjawiska przesunięciu ulegają także strefy erozji i depozycji. W czasie przepływów niskich i średnich erozyjnie rozcinane są bystrzyki (erozja wsteczna i denna na bystrzykach), a depozycja ma miejsce w prze-głębieniach. Deniwelacje dna ulegają zmniejszeniu. W czasie dużych wezbrań i powodzi, przy ruchomym żwirowym dnie rzeki, depozycja zachodzi na bystrzykach (efekt ekspansji strumienia) i na łachach meandrowych (efekt dyfuzji obciążenia rzeki), a erozja w przegłębieniach. Zasadnicze zmiany w ukształtowaniu dna rzeki powodują wezbrania i powodzie wywołujące uruchomienie żwirowego dna koryta (stany i przepływy 3/4 pełnokorytowe lub wyższe). Powodują one zwiększenie deniwelacji między koronami bystrzyków a dnami przegłębień, przy czym zmiany te są na ogół względnie trwałe i po powodzi zanikają bardzo powoli. W pracy omówiono przebieg wietrzenia i procesów stokowych zachodzących na erodowanych skarpach nadrzecznych oraz ich udział w procesie migracji bocznej koryta. Stwierdzono, że procesy te przebiegają z największą intensywnością w zimnej połowie roku, przy znacznym udziale lodu gruntowego i rzecznego. Wykazano, że najważniejszym procesem kontrolującym migrację koryta jest termoerozja boczna. Omówiono budowę litologiczną łach bocznych i meandrowych górnego Bobru. Wykazano, że łachy te składają się z dwóch członów: dolnego nazwanego platformą łachy i górnego określanego jako łacha ponadplatformowa. Stwierdzono, że żwirowa platforma łachy powstaje w wyniku przyrastania bocznego z obciążenia dennego rzeki, natomiast łacha ponadplatformowa zbudowana jest z mulastego piasku jako osadu obciążenia zawiesinowego, deponowanego w wyniku przyrastania pionowego przy udziale roślinności. Łachy rzek krętych o dużym spadku różnią się więc w sposób istotny od łach rzek nizinnych, różne są także fizyczne warunki ich powstawania. Stwierdzono, że model meandrującej rzeki nizinnej nie opisuje wielu zjawisk występujących w krętych i meandrujących rzekach górskich. Przebieg procesów fluwialnych w rzekach górskich jest w dużym stopniu uzależniony od klimatycznego rytmu pór roku. W zimnej i ciepłej połowie roku występują klimatycznie uwarunkowane zjawiska dające przeciwstawne skutki geomorfologiczne. W rzekach górskich pory roku mogą wywołać efekty przypominające różny przebieg procesów fluwialnych w skrajnych warunkach klimatycznych czwartorzędu.The River Bóbr in the Błażkowa study reach (Central Sudetes): A study in fluvial processes and fluvial sedimentologyAbstract The paper deals with environmental studies of the upper River Bóbr at Błażkowa (Brama Lubawska Gap, Central Sudetes) carried out in a 15-year period of 1967-1982. The upper Bóbr is a small gravel-bed mountain river (Q ca. 1.1 m3/s). Despite of a steep slope (S ca. 0.011) basin-like portions of the flat-floored valleys reveal well developed flood plains with a cover of cohesive topstratum deposits 0.5-3 m thick. Prior to regulation the original channel pattern was meandering. Meandering channel pattern and the development of alluvial loams and muds are perhaps the most important modifications to the geographical environment of the valley floor occasioned by man in the historic period (last 700 years). The paper deals mostly with the development of a new natural channel at the expense of an artificial one. A field experiment carried out in a bridge study reach near Błażkowa enables the author to make some contributions to fluvial geomorphology and fluvial sedimentology. It has been found that a new channel is evolving in three main stages. A first stage (1967-1977) was characterized by the development in a straight artificial channel (constant width) of riffles and pools symmetrical in plan. In floods the deformation of the originally even gravelly bed expanded progressively downchannel. The riffles composed of coarse gravel were relatively stable forms of configuration. In a second stage (1977 1981) one of the riffle/pool sequences was transformed to an incipient bend with an asymmetrical pool and two asymmetrical riffles. This sudden change in channel configuration completed in several days was a result of the high flood in August 1977. As a result of the January 1982 flood the bend has been plugged with gravel and the channel straightened naturally. In the wide portion of the channel a mid-channel bar has emerged thus indicating a local transition to braided pattern (a third stage). An inferred fourth stage in the channel modification will correspond to the development of a new bend on the opposite bank of the river. Field observations seem to suggest that summer and winter floods may result in different modifications of a channel pattern and that fluvial processes may be seasonally controlled phenomena. Summer floods are generally higher and short-lived episodes (hours, days). Flood waves are sharp-crested and there is a general tendency to a suspended-load type of the river charge. Such floods lead to progressive changes in a meandering channel pattern. Winter floods, on the other hand, are lower, much more flat-crested, but may be relatively long-lasting phenomena (weeks). The load of the Sudetic rivers is not uncommonly mixed. Moreover, the gravelly river bed is much more easily set in motion (at half-bankfull discharges) than in summer (at 3/4 bankfull discharges or higher). Thus winter floods cause commonly retrogressive changes in a meandering channel pattern. This may be realized by chute cut-off (leading to the development of meandering-braided reaches) or by channel plugging and transition to braided pattern. It has been found that abnormal widening of a river channel in winter is, connected mostly with lateral thermal erosion. Preliminary hydrologic investigations seem to indicate that the upper River Bóbr is a suspended-load stream. It changes to a mixed-load stream during catastrophic floods, particularly in winter. It is suggested that the essential change in load character of the river has been accomplished in the historic period. Systematic measurements of flow velocity have demonstrated that the most important hydraulic phenomenon controlling the development of a sinuous channel is hydraulic reversal. It depends on a migration, with rising stage and discharge, of zones of maximum velocity and maximum bed shear stress from riffles (low and mean stages) to pools (freshets, floods). The migration results, in turn, in the displacement of zones of erosion and deposition. At low and mean discharges erosion takes place on riffles (backward and downward erosion on riffles), while deposition occurs in pools. The relief of a river bed becomes less pronounced. In floods and during high freshets, with live-bed conditions, deposition happens on riffles (the effect of flow expansion) and on bar platforms (the result of diffusion of stream's load), whereas erosion takes place in pools. The relief of a river bed becomes more pronounced. The most important modifications in the channel bed topography are connected with live-bed conditions (discharges 3/4 bankfull in summer or half-bankfull in winter or higher). The configuration of a gravelly channel bed achieved in floods or during high freshets is relatively stable and does not disappear during post-flood discharges. Described in the paper are also processes of weathering and mass movements, which contribute to the lateral migration of a river bank. It has been found that the processes attain their maximum intensity in the cold half of a year. They are strongly influenced by both the soil and the river ice. The most important process controlling the lateral migration of a river bank is thermal erosion (with the exception of high summer floods). Lithological investigations have demonstrated that lateral bars and point bars of the upper River Bóbr comprise two members: a lower member or bar platform and an upper member or supra-platform bar (cf. Bluck 1971). The gravelly bar platform originates as a result of lateral accretion and is composed of bed-material load. On the other hand, the supra-platform bar consists of muddy sand accumulated in the process of vertical accretion from the suspended-material load. Vertical accretion is strongly controlled by plants growing on the supra-platform bar. Thus point bars of gravel-bed mountain streams do differ substantially from their analogues deposited by sand-bed lowland rivers. The model of a lowland meandering river does not account for many processes and deposits known from gravel-bed mountain streams. It has been also found that fluvial processes may be influenced to some degree by seasonal changes. In steep slope valleys the alternating cold and warm seasons may lead to opposite geomorphological effects reminding the modifications occasioned by the extreme climatic periods of the Quaternary.