Powódź czy wezbranie? O wodzie okiem geologa
Prof. Jurand WOJEWODA
Woda nierozumiana, źle wykorzystywana lub nieujarzmiona sprawia, że jej energia zwraca się przeciwko ludziom i ich wytworom – pisze geolog i hydrogeolog prof. Jurand WOJEWODA
.Od początków swojego istnienia człowiek zdaje sobie sprawę, czym w jego życiu jest woda – poczynając od jej zastosowań oczywistych, jako cieczy spożywanej i koniecznej dla życia czy płynu używanego dla utrzymania higieny osobistej, po jej właściwości fizyko-chemiczne i techniczne, jako medium generującego siły i transformującego energię. Rozwój człowieka sprawił, że nauczyliśmy się wodę odnajdywać, pozyskiwać, magazynować, uzdatniać i wykorzystywać do różnych celów, takich jak transport, hodowla zwierząt czy produkcja żywności. Nie sposób znaleźć choćby jednego aspektu związanego z życiem człowieka, który nie byłby zależny od wody w mniejszym lub większym stopniu. Dostęp do wody, ale również jej obecność były, są i nadal pozostaną głównym czynnikiem rozwoju społecznego i cywilizacyjnego w historii ludzkości.
Jednak woda to również potencjalne niebezpieczeństwo dla człowieka. Nierozumiana, źle wykorzystywana lub nieujarzmiona sprawia, że jej energia zwraca się przeciwko ludziom i ich wytworom. Procesy przyrodnicze i techniczne, które z naszego punktu widzenia uznajemy za „normalne”, to takie, które spełniają nasze oczekiwania: uznajemy je za rozpoznane, przewidywalne czy wręcz zaplanowane. Z kolei wszystkie te, które nie spełniają naszych oczekiwań, traktujemy jako wydarzenia niekorzystne i w zdecydowanej większości klasyfikujemy je jako zagrożenia lub ryzyka. Te związane z wodą, nazywa się zwykle geozagrożeniami – naturalnymi lub technicznymi/antropogenicznymi.
Trzeba podkreślić, że to samo zdarzenie może mieć różną rangę w zależności od przyjętego układu, jak również koincydencja zdarzeń niższego rzędu w czasie lub przestrzeni może skutkować zmianą rangi zdarzenia na wyższą.
Nasza wiedza dotycząca właściwości i zachowania się wody w konkretnym układzie (środowisku, zbiorniku, obszarze) wynika z wielodyscyplinarnych badań monitoringowych i eksperymentalnych (również modelowych), m.in. klimatologów, synoptyków, hydrologów, hydrochemików, hydrotechników i hydrobiologów. Pozyskane dane i stworzone modele przez wyżej wymienionych dają podstawę dla oceny możliwego zachowania się wody w konkretnych okolicznościach i układach takich jak koryto, dolina, zlewnia, obszar administracyjny. Jednak pełny i wiarygodny model predyktywny musi również uwzględniać wiedzę o przebiegu i skutkach konkretnych zdarzeń w przeszłości, jakie miały miejsce w danym układzie. Takiej wiedzy, dla czasów niezbyt odległych od współczesności, mogą dostarczyć historycy w oparciu o dokumenty zawierające opisy konkretnych zdarzeń. Ale również, a może przede wszystkim archeolodzy i geolodzy, których narzędzia i metodologia pozwalają na rekonstrukcję zdarzeń z zapisu kopalnego, sięgającego milionów lat. Dopiero połączone w ten sposób informacje pozwalają zweryfikować często pochopnie przypisywane zdarzeniom określenia „stuletnich” czy nawet „tysiącletnich”. Dalej omówię kilka faktów dotyczących wody, znanych geologom i raczej słabo rozpowszechnionych publicznie.
Skąd bierze się woda?
.Na tak postawione pytanie niemal każdy człowiek ma własną odpowiedź, zależną od jego miejsca w szeroko pojmowanej rzeczywistości przyrodniczej i społecznej oraz od procesów, w których mniej lub bardziej świadomie uczestniczy. Przeciętny konsument czy użytkownik wiąże najczęściej wodę z miejscem jej poboru, czyli np. ze źródłem, studnią lub z jakimś jej zbiornikiem, czyli np. ze stawem, rzeką, ale również z beczką czy chociażby z butelką. Profesjonalista technik zapewne wskaże na jej pochodzenie, przysposobienie oraz sposób transportu, czyli np. ujęcie wód powierzchniowych, podziemnych, stację przysposabiania, sieć wodociągową. Natomiast hydrolog oraz hydrogeolog wskażą przede wszystkim na konkretne elementy systemu migracji/krążenia wody wraz z rozpoznaniem ich relacji i będą próbować oszacować ilościowo te relacje (np. przepływy i retencję wód powierzchniowych i podziemnych).
Geologa interesuje jednak przede wszystkim pochodzenie, rola i udział wody w kształtowaniu Ziemi jako planety w całej historii jej rozwoju. I tutaj pojawiają się ważne, choć mało rozpowszechnione informacje, które w sposób zasadniczy wpływają na całościową ocenę roli wody. Woda istnieje od początku tworzenia się naszej planety, czyli od ok. 4,567 mld lat, lecz jej rola znacząco się zmieniała na różnych etapach. W początkowym, tzw. planetozymalnym etapie rozwoju Ziemi, woda odegrała główną rolę w gęstościowym różnicowaniu się materii ziemskiej i w procesie tworzenia się minerałów oraz skał.
Woda powierzchniowa na Ziemi pojawiła się bardzo późno, tzn. ok. 800 milionów lat temu, jako warstwa wodna lub pokrywa lodowa w naprzemiennych cyklach termicznych. Tylko niewielka jej część to relikt skondensowanej niegdyś protoatmosfery – zasadnicza jej masa powstała we wnętrzu naszej planety i przez wieleset milionów lat wydobywała się na jej powierzchnię przy okazji powstawania oceanów i kontynentów. Z całą pewnością jednak obecny jej skład izotopowy zawiera ślady niemal wszystkich etapów ewolucji Ziemi.
Pierwsza „dostawa” wody z płaszcza nastąpiła w neoproterozoiku, w tzw. kriogenie, w 3–4 epizodach (zdarzeniach), ok. 775–727 Ma (łac. megaannum, 106 lat) (Kaigas), 718–656 Ma (Sturtian), 649–630 Ma (Marinoan) i 576–575 Ma temu. Najprawdopodobniej wiąże się to z późnym okresem formowania się płaszcza Ziemi. Nie rozwijając tematu, dość powiedzieć, że bilans termiczny absorbcji ciepła przez powierzchnię Ziemi był ujemny: więcej ciepła uciekało, niż docierało do powierzchni Ziemi. Tym samym skończyło się to kolejnymi „globalnymi zlodowaceniami” lub jak niektórzy to nazywają – „śnieżnymi kulami” (ang. snowballs).
Kolejne epizody zlodowaceń również wiążą się ze stopniowym rozpadem skorupy ziemskiej i formowaniem się z jednej strony kontynentów, z drugiej oceanów (w znaczeniu geotektonicznym). W paleozoiku mieliśmy dwa kolejne takie zdarzenia: pierwsze w późnym ordowiku (tzw. zlodowacenie andyjsko-saharyjskie, ca 450–420 Ma), związane z intensywnym ryftowaniem i powstaniem m.in. tzw. oceanu Japetus, oraz drugie, bardziej znane, na przełomie karbonu i permu (tzw. zlodowacenie Karoo, ca 360–260 Ma), związane z rozpadem dawnego pralądu Pangei i powstaniem systemu oceanicznego Tetydy, a później uformowaniem się pralądu Gondwany. Również ostatnie zlodowacenie – plejstoceńskie, które rozpoczęło się przed ca 2,58 Ma i które w zasadzie trwa do dzisiaj – poprzedziło ważne zdarzenie zapoczątkowane w triasie: rozpad Gondwany, czemu towarzyszyło m.in. powstanie Atlantyku i wielkiej oceanicznej strefy ryftowej, która współcześnie formuje m.in. największe podmorskie pasmo górskie – Grzbiet Śródatlantycki. Trzeba też pamiętać, że woda w formie pary również stale przedostaje się do atmosfery wszędzie tam, gdzie obecnie ma miejsce aktywny wulkanizm.
Innymi słowy, możemy stwierdzić, że wody w systemie cyrkulacji powierzchniowej Ziemi stale przybywa. Trzeba jednak podkreślić, że geolodzy nie mają w tej kwestii jednolitego stanowiska, a na pytanie, ile wody przybywa, też nie ma jednoznacznej odpowiedzi. Można jednak z całą pewnością stwierdzić, że od kiedy woda pojawiła się na powierzchni Ziemi, przybywa jej średnio nie mniej niż 1 km3 na rok, czyli 1 mln km3 na 1 Ma. A jeśli przyjmiemy ewolucyjny schemat rozwoju hydrosfery ziemskiej, może to być obecnie znacznie więcej. Tym samym, ponieważ udział wody w wymianie termicznej naszej planety jest tak ważny, mogło to stanowić ważny czynnik powodujący cykliczne zmiany klimatu, jakie geolodzy dokumentują w przeszłości Ziemi. Również i teraz taki proces może mieć miejsce, co być może wzmaga inne czynniki kształtujące klimat planety.
Czym są naturalne koryta, doliny i zlewnie rzek?
.Czym jest koryto rzeki, wie niemal każdy, kto stoi na jej brzegu i widzi płynącą wodę. Rzadziej jesteśmy w stanie zobaczyć dolinę rzeczną, która zwykle zajmuje znacznie większy obszar, jest szersza i często w jej obrębie występuje więcej niż jedno koryto. W niektórych dolinach rzecznych możemy napotkać nieczynne koryta – suche, okresowo lub stale wypełnione wodą, czyli starorzecza. Z kolei obszar, z którego do doliny rzecznej w konkretnym miejscu dociera woda, czy to z opadu, czy to powierzchniowa, czy też ta podziemna, nazywamy ogólnie zlewnią. Granice zlewni wyznaczają umowne granice, które wynikają z różnych kierunków spływu (odpływu), które nazywamy wododziałami. Doliny, zlewnie oraz wododziały tworzą hierarchiczny system, który ostatecznie wieńczą obszary głównych zlewni/dorzeczy rzek uchodzących do konkretnego morza lub oceanu światowego. W przypadku Polski są to np. dorzecza Wisły i Odry, ale również niektórych innych rzek uchodzących bezpośrednio do Bałtyku. Nieliczne tylko rzeki znajdujące się w Polsce uchodzą do innych mórz: do zlewni Morza Czarnego dopływa Morawa, a do Morza Północnego – Cicha Orlica.
Relacje przestrzenne między wymienionymi elementami dolin rzecznych pokazuje w dużym uproszczeniu rys. 1. Widać na nim, że kształt i liczba koryt rzecznych zależą od odcinka doliny, a przede wszystkim od nachylenia terenu, na którym te formy się tworzą. Warto tu wspomnieć, że w warunkach naturalnych przyroda nie kształtuje żadnych elementów prostoliniowych i powierzchni płaskich, co wynika m.in. ze sferycznej natury powierzchni Ziemi i geologicznych procesów fizycznych, jakie zachodzą w jej obrębie. Dotyczy to również wody płynącej, a w szczególności koryt rzecznych. W górnych odcinkach (np. w górach) doliny rzeczne są mocno nachylone i głęboko wcięte w podłoże, natomiast koryta wykazują niewielką krętość i często tworzą systemy wielokorytowe – tzw. roztoki. Tam wezbrania są gwałtowne, a fale powodziowe przypominają wielkie krople wody, które spływają po stromo nachylonych dnach dolin. Właśnie wtedy formują się nowe i optymalne dla danej rzeki/zlewni ścieżki spływu powierzchniowego, dlatego warto je dokumentować i wykorzystywać przy planowaniu i zagospodarowaniu przestrzennym.
W odcinkach środkowych doliny rzeczne są słabiej nachylone i wyraźnie zaznaczone. Koryta wykazują znacznie większą krętość w obrębie dolin, a wezbrania wypełniają znacznie większe obszary dolinne. W tych odcinkach najskuteczniej można ograniczyć obszary zalewowe poprzez retencję stacjonarną i dostosowane do niej obwałowania.
Wreszcie na obszarach nizinnych doliny rzeczne są słabo widoczne w terenie i tworzą rozległe równiny aluwialne, często zalewane na dużych obszarach w okresach wezbraniowych. Koryta rzeczne są bardzo kręte, miejscami rzeki meandrują (czyli woda płynie pozornie w górę doliny). Bardzo często po okresach dużych wezbrań rzeki formują nowe koryta, a w starorzeczach woda stagnuje i są one zalewane wyłącznie w czasie ponownych wezbrań. Właśnie te miejsca mają szczególne znaczenie dla rozpoznania, jak często w dolinach rzecznych można spodziewać się wezbrań. W starorzeczach mamy zapisane zarówno stany „spokoju” środowiskowego, pod postacią osadów zasobnych w materię organiczną, którą można skutecznie datować np. metodą radiowęglową, jak i okresowe dostawy dużych ilości zawiesiny powodziowej. Ot, takie zadanie dla sedymentologów i paleobotaników środowiskowych w przyszłości!
Jak lepiej przewidywać powodzie?
.To pytanie bardzo często zadają mi zarówno dziennikarze, jak i mieszkańcy terenów zalewowych. Wszak to oni są najbardziej zainteresowani potencjalnymi stanami ekstremalnymi wód w dolinach rzecznych. Cóż, sedymentolodzy co nieco wiedzą na ten temat, a najwięcej danych dostarcza sama dolina rzeczna. Jak już wcześniej wspomniałem, w środkowych odcinkach rzek takim wskaźnikiem w konkretnym miejscu jest rzędna (zasięg) na powierzchni osadów „powodziowych”.
W tym miejscu świadomie wziąłem słowo „powodziowych” w cudzysłów, ponieważ nie każde wezbranie oznacza powódź, a i nie każda powódź może być tak samo oceniana w różnych miejscach doliny. Wezbranie jest pojęciem/zdarzeniem przyrodniczym i całkowicie normalnym w przypadku rzek. Powódź zaś nie jest kategorią przyrodniczą, ale ekonomiczną, społeczną, czasem polityczną. Skutki wezbrania są oczywiste i przewidywalne w systemach naturalnych. Dlatego większość przyrody (rośliny, zwierzęta) nie ponosi jej skutków w sposób nadzwyczajny. Składowe przyrodnicze danego środowiska są albo wpisane/dostosowane do zachowań rzeki, albo znacznie wcześniej wyczuwają sygnały nadchodzącej zmiany. Dlatego powódź jest zawsze kategorią ocenną, zależnie od układu, jaki rozpatrujemy, i strat, jakie człowiek ponosi w związku z wezbraniem. Trzeba zawsze pamiętać, że nieumiejętna lub nadmierna ingerencja w naturalne środowisko, zwłaszcza na przekór naturze, na ogół skutkuje wymiernymi konsekwencjami dla jego użytkowników.
Wysokość największego zatopienia dolin rzecznych na równinach aluwialnych wyznaczają wierzchołki tzw. odsypów meandrowych, jakie są zachowane w dolinach rzecznych (rys. 2.). Odsypy te w dojrzałej (kompletnej) strukturze są nadbudowywane zawsze w warunkach pełnego ich zatopienia wodami dolinnymi w okresach wezbraniowych.
.Aby chronić ludzi osiadłych w zlewniach rzek, przyglądajmy się z większą uwagą nie tylko brzegom dolinnym czy reliktom osadów zalewowych, ale również wewnętrznej architekturze dolin. Nasze przewidywania będą wtedy bardziej wiarygodne i lepiej przystosujemy się do potencjalnych geozagrożeń, tak jak człowiek je pojmuje.
