Przebieg zjawisk fluwialnych w zimie na przykładzie małych rzek sudeckich

Abstract

W pracy omówiono procesy zlodzenia i tajania lodu i śniegu rzecznego oraz ich wpływ na przebieg zjawisk fluwialnych i stokowych, jakie kształtują strefy aktywnych koryt rzecznych małych rzek górskich. Stwierdzono, że dla wczesnych faz zlodzenia w warunkach słabego jeszcze wychłodzenia wody i spokojnego przepływu charakterystyczny jest przezroczysty lód brzegowy. Lód prądowy i denny wymagają znacznego przechłodzenia wody i efektywnego odprowadzania ciepła krzepnięcia, toteż tworzą się szczególnie obficie w czasie silnych, zimnych wiatrów, nawet jeżeli spadek temperatury powietrza jest nieznaczny (na przykład -0,5 ÷ -2°C). We wczesnych stadiach zlodzenia obie te odmiany lodu mają tę samą strukturę lodu gąbczastego (frazil, spongy ice). Lód denny jest tym silniej przymarznięty do podłoża, im większa jest liczba podobieństwa Froude'a. Stąd zatory lodowe tworzą się w rzekach górskich z lodu dennego i prądowego, i narastają w czasie zamarzania rzeki na bystrzykach lub w zakolach meandrów. Mogą one spowodować znaczne spiętrzenie wody i lokalne stany wyższe niż pełnokorytowe, także w czasie tajania. Tajanie lodu i śniegu rzecznego zachodzi na rzekach górskich zwykle tak prędko, że pasma nurtu uwalniają się od lodu zanim jeszcze nastąpi poważniejszy wzrost przepływu roztopowego. Stąd rzadkość lub nieobecność w rzekach górskich zatorów odwilżowych. Najważniejsze zmiany w morfologii aktywnych koryt rzecznych zachodzą w czasie roztopów i odwilży. W pracy omówiono głównie erozję uwarunkowaną lub przyspieszoną przez rozwój, a następnie zanik zjawisk lodowych. Obejmują one: 1) drążenie korytarzy w aluwialnych brzegach rzek (bank piping); 2) rolę ruchów masowych śniegu i lodu jako czynnika erozyjnego; 3) niszczenie brzegów koryta przez wody roztopowe oraz 4) wpływ zjawisk lodowych na układ koryta rzecznego, a w szczególności na proces meandrowania. Drążenie korytarzy przez wody płynące w gruncie oraz rzeźbienie jam deflacyjnych przez procesy erozji niveo-eolicznej ułatwiają rozwój innych czynników erozyjnych. Osuwanie się lodu i śniegu rzecznego może spowodować zdarcie darni i odsłonięcie dla erozji rzecznej miękkich osadów aluwialnych. Na skarpach łuków wklęsłych proces ten ułatwia rozwój meandrowania, na brzegach wewnętrznych działa zaś w kierunku przeciwnym. Wody roztopowe niszczą brzegi szczególnie aktywnie i w sposób bardzo zbliżony do termoerozji znanej z krajów o klimacie zimnym. Znaczne natężenie erozji związanej z odwilżami i roztopami wynika przede wszystkim z destrukcyjnego działania lodu gruntowego na strukturę i wytrzymałość wszystkich gruntów aluwialnych, a zwłaszcza kohezyjnych. W gruntach takich termoerozja działa głównie w strefie brzegu między średnią niską wodą a najwyższym stanem roztopowym. Ubytki erozyjne brzegów rzek spowodowane przez wody roztopowe oraz odwilżowe mogą stanowić 60-90 % migracji całorocznej, zwłaszcza w „suchym” roku hydrologicznym. W końcu wpływ zjawisk lodowych na proces meandrowania może być różnorodny, lecz najważniejsze i stosunkowo trwałe zmiany mają charakter retrogresywny i prowadzą do degeneracji meandrów przez częściowe ich odcinanie (chute cut-off).

Fluvial processes in winter, with examples from small Sudetic rivers

Abstract
The paper deals with freezing-up and thawing of river ice and snow and their influence upon the fluvial- and bank-forming processes, which modify the morphology of active river channels. Field examples come from small mountain rivers (Q mean less than 10 m³/s) of the drainage basins of the Upper Bóbr and Strzegomka Rivers in the Central Sudetes. In the area investigated ice rind is characteristic of early stages of freezing of tranquil--turbulent flows (Fr<0.15), especially under conditions of slight supercooling of superficial layers of water. Current ice and anchor ice, on the other hand, form in much more supercooled water and demand a very effective removal of heat of crystallization. Consequently, they grow particularly fast at times of strong icy winter winds, even if air temperature is only just below 0°C (for instance, -0.5 ÷ -2°C). At least during early stages of freezing both the varieties of ice display a very similar structure of typical frazil or spongy ice. The higher the Froude number the stronger the attachment of anchor ice to the river bed. In consequence, ice jams develop in small mountain rivers mostly during freezing-up (early freezing jams). They grow mostly at the expense of both current ice and anchor ice and tend to occur especially on riffles as well as within meander bends. Locally, they may result in stages higher than bankfull. Thawing of river snow and ice takes place so fast that the thalweg is usually free from ice before any substantial rise in river stage. Consequently, a mountain river breaks-up rarely and thawing jams of pressed ice occur rather sporadically. The most important changes in morphology of the active stream channels take place during winter thaws and in early spring thawing. This work covers mostly erosional processes including: 1) bank piping; 2) erosional effects of sliding masses of river snow and ice; 3) bank caving due to thaw waters and increased stream discharge, and 4) the influence of ice phenomena on channel pattern, but especially of meandering rivers. Bank piping as well as sculpturing in a bare fine-grained alluvia of deflation cavities (niveo-aeolian erosion) markedly increase the effectiveness of other erosional processes. Sliding of river snow and ice may result in stripping of turf covers and thus initiate fluvial erosion along what was originally an inactive scarp or bank. When affecting concave banks, this results in acceleration of meandering processes, while with the convex banks the reversal seems to be true. Thaw waters are very effective in eroding the river cutbanks. The process has much in common with thermal erosion known from cold regions of the Earth. The intensity of the erosion is markedly increased by the destructive influence of frost and ground ice on the structure of all alluvial deposits. Field evidence strongly suggests that they result in a considerable diminution in strength of cohesive fine-grained alluvia. Such deposits are eroded mostly in a zone limited by a mean low stage from the below and a maximum thawing stage from the above. It has been found in the field that the lateral winter-early spring migration of the river cutbanks may account for 60-90 per cent mean annual migration, especially in „dry” hydrologie years. Finally, it can be concluded that the most important effects of ice phenomena on the process of meandering seem to be rather retrogressive in character and lead to meander degeneration through chute cut-off.