Zjawiska ekstremalne w hydrologii
Hydrologiczne zjawiska ekstremalne przyciągają coraz większą uwagę z powodu rosnącej częstotliwości pojawiania się gwałtownych wezbrań i dotkliwych susz w różnych częściach świata. Obserwowane zjawiska występują zarówno w skali regionalnej, jak i lokalnej, przy czym w tej drugiej, ich przebieg zaznacza się dużą dynamiką i często nieprzewidywalnym kierunkiem rozwoju, skutkującym dotkliwymi stratami.
Wezbranie rzeczne definiowane jest zazwyczaj jako gwałtowne podniesienie stanu wody lub przepływu wywołane wzmożonym zasilaniem lub zatamowaniem odpływu. Warto podkreślić, iż powódź nie jest tożsama ze zdefiniowanym wyżej pojęciem i nie wiąże się tylko z wystąpieniem wody z koryta. Zjawisko powodzi generuje bowiem konkretne straty materialne i ludzkie.
Okres wezbrania wiąże się z fazą wymuszonej odpowiedzi zlewni, tzn. takiej w której część opadu atmosferycznego (opad efektywny) transformowana jest w systemie zlewni na odpływ bezpośredni, czyli taki, który „buduje” falę wezbraniową. Składają się na niego głównie spływy: powierzchniowy i podpowierzchniowy. Podstawowymi parametrami fali wezbraniowej, szczególnie istotnymi w badaniach prognostycznych są: przepływ maksymalny wezbrania, czas jego koncentracji (liczony np. od początku wezbrania do jego kulminacji) oraz objętość fali wezbraniowej, czyli masa odpływu bezpośredniego.
Geneza wezbrań może być różnorodna. W naszej strefie klimatycznej dominują następujące typy:
deszczowe nawalne – formują się po mniej lub bardziej gwałtownych ulewach, trwają stosunkowo krótko i osiągają wysoką rzędną przepływu kulminacyjnego, niekiedy mają charakter wezbrań błyskawicznych typu flash flood,
deszczowe rozlewne – formują się w efekcie kilkudniowych opadów, zwykle o niewielkim natężeniu, trwają jednak długo, rzędna przepływu kulminacyjnego nie jest zbyt wysoka,
roztopowe – pojawiają się zimą i wiosną, a wywołane są topniejącą pokrywą śnieżną. Ich przebieg może być bardzo różny. Wpływ na niego ma postać pokrywy śnieżnej uformowanej zimą, przebieg warunków termicznych (tempo ocieplania) oraz występowanie deszczów, dostarczających nie tylko wody ale i ciepła wspomagającego proces roztopowy,
zatorowe śryżowe – pojawiają się zwykle wczesną zimą, a związane są ze śryżem, czyli „gąbczastym” lodem tworzącym się w pierwszym etapie zamarzania rzek. Drobiny śryżowe posiada-ją dużą łatwość „przyklejania się” do siebie oraz ciał stałych (np. kry lodowej) i szybkiego zamarzania. W efekcie dochodzi do szybkiego zmniejszania się przekroju poprzecznego koryta i zatamowania odpływu,
zatorowe lodowe – pojawiają się późną zimą i wiosną, a związane są z pochodem kry, której utrudniony spływ występuje głównie w zakolach rzek i miejscach wypłyconych,
sztormowe – mają miejsce w ujściowych odcinkach rzek, gdzie podniesiony poziom morza podczas sztormu wywołuje zjawisko podpiętrzania wód rzecznych – tzw. cofkę,
lokalnie wezbrania mogą być też generowane przez czynniki pojawiające się epizodycznie np. żeremia bobrów, osuwiska, katastrofy budowli hydrotechnicznych itp.
Za niżówkę rzeczną przyjmuje się okres występowania niskich stanów wody lub przepływów wywołanych ograniczonym zasilaniem koryta. Zjawisko to identyfikuje się najczęściej w oparciu o umownie przyjmowany przepływ graniczny. Jest to więc okres, w którym przepływy są niższe od przyjętej wartości progowej. Wartości graniczne niżówek przyjmuje się w oparciu o przepływy charakterystyczne II stopnia (np. SNQ, WNQ) lub wyznaczane z krzywej czasu trwania przepływów wraz z wyższymi (np. Q70%, Q90%, Q95%). Takie stopniowanie kryteriów pozwala również zwaloryzować zidentyfikowane okresy (niżówki płytkie i głębokie). W przeciwieństwie do wezbrania, niżówka rozwija się bardzo powoli, zaś jej podstawowe parametry to: czas trwania, głębokość oraz objętość, czyli ilość wody której brakuje do zdefiniowanego przepływu granicznego.
Z genetycznego punktu widzenia, w naszej strefie klimatycznej pojawiają się niżówki półrocza ciepłego i chłodnego. W sezonie letnim są one zwykle następstwem suszy atmosferycznej, wywołanej brakiem opadów, po której następuje susza glebowa i związana z nią istotna recesja zasobów strefy aeracji. Dalszy brak zasilania oraz ewapotranspiracja przyczyniają się do powstania suszy hydrologicznej. Nieustannie drenowane poziomy wodonośne reagują na ten proces niżówką wód podziemnych, która w krótkim czasie prowadzi do wystąpienia niżówki wód rzecznych. Podczas zimy geneza tego zjawiska jest zgoła odmienna i wiąże się z przemarzaniem gruntu prowadzącym do ograniczenia lub wręcz odcięcia drenażu wód podziemnych przez rzeki i strumienie.
Badania i działania gospodarki wodnej w tym zakresie mają na celu zapobieganie nie tylko samym zjawiskom, lecz przede wszystkim ich negatywnym skutkom. Podstawą większości analiz jest symulacja i prognozowanie zjawisk, a właściwie ich wybranych parametrów. Dotyczy to zwłaszcza tych, które mają istotny wpływ na działanie urządzeń i budowli hydrotechnicznych oraz ujęć wody. Zarówno w przypadku wezbrań, jak i niżówek szczególną rolę odgrywa retencja. Pod pojęciem tym rozumiemy jednak nie tylko zbiorniki wodne, lecz również wszystkie działania mających na celu opóźnienie odpływu ze zlewni i gromadzenie zapasów wody. Ochrona przed skutkami wezbrań wymaga też utrzymywania wysokiej przepustowości koryt odprowadzających wielką wodę, odpowiednich obwałowań itp. Jednak warto zwrócić uwagę, że obecnie coraz większy nacisk kładziony jest na retencję strefy pozakorytowej, w której formuje się spływ inicjujący wezbrania, ale i w której można retencjonować wodę w celu łagodzenia jej niedoborów w okresach deficytowych.
Tematyka ekstremów odpływu była głównym lub towarzyszącym celem wielu prac powstających w ośrodku łódzkim. Do ważniejszych osiągnięć w tym zakresie należy zaliczyć:
propozycje metodyczne oraz ocenę odpływów maksymalnych i indeksów powodziowości rzek w skali Polski, Europy oraz całej półkuli północnej,
ocenę ekstremalnych przepływów rzek środkowej Polski,
propozycje nowych rozwiązań metodycznych w zakresie analizy niżówek i przepływów niżówkowych, w tym: ocenę przestrzennej i czasowej zmienności niżówek w środkowej Polsce w okresie wieloletnim,
identyfikację struktury i relacji pomiędzy niżówkami płytkimi i głębokimi w środowej Polsce,
ocenę czasowej i przestrzennej zmienności odpływów niskich w Polsce,
zbadanie ekstremalnych stanów płytkich wód podziemnych w środkowej Polsce.