199703_eksperymentalna_powodz_w.pdf

Eksperymentalna powd

w Wielkim Kanionie

Naukowcy stale kontroluj skutki sztucznego wezbrania wywo¸anego

wczesn wiosn 1996 roku. Jego celem by¸o przywrcenie

rzece Kolorado i jej otoczeniu naturalnych warunkw

Michael P. Collier, Robert H. Webb i Edmund D. Andrews

nyon pi«trzy¸a wody rzeki Kolo-

rado powyýej Wielkiego Kanio-

nu Ð rozleg¸ego, kr«tego jaru na pustyni

w po¸udniowo-zachodniej cz«æci USA,

zaliczanego do jednego z cudw natury.

Chociaý wielu ludzi przyznawa¸o, ýe ta-

mowanie przep¸ywu mog¸oby zniszczy

grny bieg rzeki, tylko nieliczni przewi-

dywali powaýne nast«pstwa w jej dol-

nym biegu. Jednak z czasem naukowcy,

urz«dnicy paÄstwowi oraz zawodowi

przewodnicy po rzece coraz bardziej

uæwiadamiali sobie zmiany, ktre zasz¸y

w obr«bie Wielkiego Kanionu.

Zapora zmieni¸a naturalne letnie

gwa¸towne wezbrania rzeki na ¸agodne

dzienne odp¸ywy oraz przep¸ywy wy-

muszane zapotrzebowaniem na energi«

odleg¸ych miast. W ten sposb wyelimi-

nowa¸a normaln sezonow zmiennoæ

przep¸ywu rzeki i po¸oýy¸a kres ogrom-

nym wezbraniom, ktre corocznie na-

wiedza¸y kanion. Mimo ýe wezbrania te

trwa¸y jedynie przez kilka tygodni w ci-

gu roku, by¸y one g¸wn si¸ rzebi-

c koryto rzeki. Wody powodziowe

zmywa¸y wszystko z wyjtkiem najwy-

ýej po¸oýonej roælinnoæci nadbrzeýnej,

osadza¸y ¸awice piasku, wyrywa¸y oto-

czaki z progw wodnych. Uruchomie-

nie zapory Glen Canyon spowodowa¸o

wi«c rozwj egzotycznej roælinnoæci, wy-

P rzez ponad 30 lat zapora Glen Ca-

mycie piaszczystych ¸ach oraz zatkanie

g¸wnego koryta stertami otoczakw.

26 marca 1996 roku o godzinie 6.20 ra-

no sekretarz Departamentu Zasobw

Wewn«trznych, Bruce Babbitt, otworzy¸

pierwsz z czterech gigantycznych rur

strumieniowych w zaporze Glen Ca-

nyon, rozpoczynajc tym æmia¸y ekspe-

ryment, ktrego celem by¸a rekonstruk-

cja ærodowiska naturalnego. Przez na-

st«pne dziewi« godzin trzy pozosta¸e

rury oraz osiem hydroelektrycznych tur-

bin zwi«kszy¸y strumieÄ do 1270 m 3 /s Ð

odp¸yw o 50% wi«kszy aniýeli maksy-

malny przep¸yw przez same turbiny.

Kiedy juý opad¸a fala pi«trzca, zwier-

ciad¸o wody podnios¸o si« o 5 m. W su-

mie pop¸yn«¸o przez kanion 900 mln m 3

wody podczas trwajcego tydzieÄ ekspe-

rymentu. Nigdy dotd nie spowodowa-

no umyælnie fali powodziowej, aby po-

prawi warunki ærodowiska natural-

nego, chcieliæmy wi«c uczestniczy przy

ocenie wynikw eksperymentu.

ciep¸ych, zamulonych wodach dziko

p¸yncej rzeki Ð bujnie si« rozwin«¸y

w zimnej, czystej wodzie poniýej zapo-

ry. Stabilizacja przep¸ywu sprzyja¸a roz-

rastaniu si« drzew i krzeww na obsza-

rach przybrzeýnych, stanowicych no-

we miejsca bytowania dla pewnych za-

groýonych gatunkw ptakw. Zielone

pasmo nowej roælinnoæci uczyni¸o z nie-

urodzajnego kanionu bardziej goæcin-

ny obszar dla nowych gatunkw dzi-

kich zwierzt, a takýe przyciga¸o na

biwak turystw podrýujcych po rze-

ce w celach rekreacyjnych.

W rzeczywistoæci korzystne zmiany

w ekosystemie kanionu odwraca¸y uwa-

g« od tendencji w z¸ym kierunku. Do

1983 roku wielu naukowcw i obroÄ-

cw przyrody nie zdawa¸o sobie sprawy

z istotnej roli, jak odgrywa¸y wezbrania

w kszta¸towaniu kanionu. W czerwcu

owego roku nag¸e topnienie æniegu za-

legajcego od zimy gwa¸townie wype¸-

ni¸y zbiornik Lake Powell. Zmusi¸o to

dyspozytora zapory Glen Canyon do

upustu wody z pr«dkoæci 2750 m 3 /s.

Przep¸yw by¸ duýo mniejszy niý zareje-

strowany w pewnych sytuacjach powo-

dziowych w przesz¸oæci, wciý jednak

stanowi¸ istotny czynnik.

Podczas awaryjnego upustu wody

w 1983 roku pierwszy raz uýyto ãprze-

lewwÓ, czyli gigantycznych

tuneli spustowych; wyý¸obio-

no je w murach Glen Canyon

obok zapory. Dyspozytorzy

byli pocztkowo skonsterno-

wani, a nast«pnie powaýnie

zaniepokojeni, widzc czer-

wieniejcy odp¸yw rwcej wo-

dy, ktra najpierw wyrwa¸a

beton, a potem wielkie bloki

piaskowca z tuneli przelewu.

Niektrzy przerazili si«, ýe

zniszczenie przeleww pod-

myje zapor« i doprowadzi do

katastrofy. Kryzys jednak mi-

n¸ i inýynierowie mogli prze-

projektowa sp¸ywy, tak aby

zminimalizowa ãkawitacj«Ó,

czyli tworzenie si« cz«æciowej

prýni w poruszajcej si« cie-

czy. Zjawisko to spowodowa-

¸o wyssanie materia¸u ze æcian

tunelu, a nast«pnie niezwykle

szybk jego erozj«.

Skutki powodzi z 1983 ro-

ku obserwowane z biegiem

rzeki rwnieý zaskoczy¸y. Gdy wody

ust«powa¸y z zalanych brzegw, znaj-

cy dobrze rzek« naukowcy i przewodni-

cy byli zdziwieni, widzc wi«ksze niý

uprzednio plaýe pokryte æwieýym pia-

skiem. Powd unicestwi¸a pewne egzo-

tyczne roæliny, ktre ros¸y tu nienatu-

ralnie bujnie, oraz w wielu miejscach

cz«æciowo przywrci¸a ærodowisko

sprzyjajce faunie nadrzecznej. Min«¸o-

by kilka lat zwyk¸ego uýytkowania za-

pory po tej powodzi, a wspominano by

j jako t«, ktra poprawi¸a warunki

w kanionie. Odp¸yw ze zlewni rzeki Ko-

lorado pozosta¸ jednak stosunkowo wy-

soki przez nast«pne trzy lata i dyspo-

zytorzy zapory Glen Canyon byli zmu-

szeni spuszcza olbrzymie iloæci wody

Ð ærednio 23 mld m 3 rocznie.

Czas na nast«pn powd?

Og¸em kaýdego roku aý do 1986,

przynajmniej w krtkich okresach, prze-

p¸ywy osiga¸y wielkoæ 1270 m 3 /s. Pla-

ýe powsta¸e w 1983 roku zosta¸y wkrt-

ce zmyte. Wyglda¸o na to, ýe jedna

duýa powd mog¸a utworzy plaýe,

natomiast cz«sto powtarzajce si«, ale

ma¸e Ð tylko je niszczy¸y.

Gdy tylko naukowcy zdobyli dok¸ad-

niejsze informacje o zagroýeniach i ko-

Zmieniona rzeka

Wraz z naukowcami, ktrzy monito-

rowali eksperymentalne wezbranie rze-

ki, zdawaliæmy sobie spraw«, ýe warun-

ki w kanionie znacznie pogorszy¸y si«

od czasu uruchomienia zapory Glen Ca-

nyon w 1963 roku. Po jej wybudowaniu

ca¸e nap¸ywajce rumowisko osadza¸o

si« powyýej zapory w æwieýo utworzo-

nym zbiorniku Lake Powell; wi«kszoæ

piaszczystych plaý zacz«¸a zaæ stopnio-

wo zanika. Do czasu prbnej powodzi

niektre progi w rzece zosta¸y tak zata-

mowane przez grube czstki rumowi-

ska porwanego z bocznych kanionw,

ýe na pewnych odcinkach nawigacja

by¸a znacznie utrudniona. Okie¸zna-

na rzeka nie mia¸a dostatecznej si¸y,

aby usun pe¸ne otoczakw osady.

Zmiany te wp¸yn«¸y takýe na rozwj

roælinnoæci w kanionie. Rodzima wierz-

ba, a takýe egzotyczny tamaryszek,

krzak Alhagi cameloram , a nawet egno-

don palczasty (z rodziny traw) zapuæci-

¸y korzenie na dotd pustych plaýach.

Stare drzewa jad¸oszynu baziowatego

rosnce na dawnej linii wysokiej wody

zacz«¸y wymiera.

Nie wszystkie zmiany spowodowa-

ne zatamowaniem rzeki by¸y w oczy-

wisty sposb niepoýdane. Pstrgi Ð kt-

re nie wyst«powa¸y we wzgl«dnie

STRUGI WODY wyp¸ywaj podczas eksperymentalnej powodzi z czterech sta-

lowych rur odprowadzajcych (z lewej) . Wbudowano je w podstaw« zapory

Glen Canyon (z prawej) . Woda zmagazynowana w przyleg¸ym zbiorniku Lake

Powell moýe rwnieý p¸yn przez turbiny hydroelektryczne usytuowane u pod-

staw zapory lub Ð w razie nag¸ej potrzeby obniýenia poziomu wody w zbiorni-

ku Ð poprzez dwa ãtunele przelewoweÓ wyý¸obione w æcianach kanionu (wi-

doczne z prawej strony poniýej zapory) .

rzyæciach z wywo¸ania powodzi w ka-

nionie, zdali sobie spraw« z potrzeby

odtwarzania pewnego typu wezbraÄ.

Geolodzy, ktrzy badali ruch rumowi-

ska w rzece Kolorado, byli przekonani,

ýe sztuczna powd moýe by tylko ko-

rzystna dla kanionu i stali si« or«downi-

kami tego pomys¸u w ærodowisku na-

ukowym od 1991 roku. Jednak w toku

dyskusji niektrzy biolodzy wyraýali

obawy, ýe powd narazi na szwank

zdobycze terytorialne gatunkw zagro-

ýonych zamieszkujcych obszar kanio-

nu. Kilku geologw by¸o rwnieý za-

niepokojonych, ýe plaýe znajdujce si«

najbliýej zapory Glen Canyon zostan

niezamierzenie zmyte. Antropolodzy

zaæ pracujcy w kanionie podejrzewa-

li, ýe nowe wezbranie przyspieszy ero-

zj« i zagrozi stanowiskom archeologicz-

nym w pobliýu rzeki.

Panowa¸a jednak oglna opinia, ýe

celowa powd przysporzy¸aby wi«cej

korzyæci niý szkd. Od 1993 roku nie-

æmia¸e poparcie powodzi zamieni¸o si«

w ýdanie. Najg¸oæniej wypowiadali si«

przewodnicy po rzece, ktrzy musieli

organizowa kempingi na coraz mniej-

szych plaýach, mimo ýe miliony metrw

szeæciennych piasku dociera¸o kaýdego

roku do rzeki Kolorado dwoma g¸w-

nymi dop¸ywami poniýej zapory Ð Paria

i Ma¸e Kolorado. Podczas normalnej

pracy zapory Glen Canyon tylko 450 tys.

ton tego piasku jest wynoszone z bie-

giem rzeki poza Wielki Kanion. Piasek

zatem wype¸nia¸ kanion, ale nie groma-

dzi¸ si« na brzegach. Osiada¸ raczej na

dnie rzeki.

Wszyscy zatrudnieni w projekcie

Glen Canyon Environmental Studies

Program, realizowanym przez U.S. Geo-

logical Survey (USGS) oraz Bureau of

Reclamation (Urzd ds. Rekultywacji),

byli pewni, ýe wezbranie powinno

unieæ osady i u¸oýy je w formie fa¸d

wzd¸uý brzegw, podobnie jak natural-

nie czyni¸a to rzeka, zanim powsta¸a za-

pora. Ale jaki rodzaj powodzi by¸by naj-

bardziej odpowiedni? Ludzie poszuku-

jcy odpowiedzi na to pytanie zgodzili

si«, ýe najlepszy okres na przeprowa-

dzenie pierwszej prby to zaledwie kil-

ka dni pod koniec marca, kiedy tar¸o

ryb oraz kie¸kowanie tamaryszka s naj-

mniej prawdopodobne, a bielik amery-

kaÄski oraz wodne ptactwo zimujce

w kanionie w tym czasie przebywa juý

w innych rejonach. Jednak wybr opty-

malnej wielkoæci powodzi pozostawa¸

wciý niejasny.

Jedn z przyczyn tej trudnoæci by¸a

duýa zmiennoæ iloæci piasku transpor-

towanego przez rzek« odpowiednio do

nat«ýenia przep¸ywu. Na przyk¸ad gdy

nat«ýenie przep¸ywu zwi«ksza si« dwu-

krotnie, strumieÄ piasku roænie oæmio-

krotnie. W konsekwencji dla danej obj«-

toæci fali wezbraniowej wi«cej piasku

zostanie wprawione w ruch i osadzone

na brzegach przez wielkie, krtkotrwa-

¸e wezbranie niý przez mniejsze, ale

trwajce d¸uýej.

Andrews przekonywa¸ do zrzutu

wody o nat«ýeniu 1500 m 3 /s, co by-

¸o bliskie 2 / 3 wielkoæci typowego rocz-

nego wezbrania z okresu przed wy-

budowaniem zapory. Skoro za cel po-

stawiono sobie odtworzenie krytyczne-

go naturalnego procesu, dlaczego nie

sprbowa choby zbliýy si« do tego

poziomu?

Istnia¸o jednak bardzo waýne ogra-

niczenie o charakterze logistycznym:

przep¸yw przez zapor« o nat«ýeniu

wi«kszym niý 1270 m 3 /s wymaga¸by

uýycia przeleww. Pomimo napraw i

ulepszeÄ urz«dnicy Bureau of Recla-

mation nie byli sk¸onni ryzykowa

powtrki straszliwego doæwiadczenia

z roku 1983. Ograniczenie wezbrania

do 1270 m 3 /s minimalizowa¸oby rw-

nieý zagroýenie ælimaka ýyjcego bli-

sko zapory. Wi«kszoæ rzecznikw spo-

wodowania powodzi uzna¸a taki po-

ziom za sensowny i zgodzi¸a si«, ýe

tygodniowe wezbranie wystarczy do

rozprowadzenia znacznej iloæci piasku

oraz nie wyczerpie ca¸ego zapasu pia-

sku z dna rzeki.

W przededniu eksperymentu oba-

wialiæmy si« najbardziej, ýe woda

nie b«dzie mia¸a dostatecznej mocy

do zbudowania rozleg¸ych plaý. Tyl-

ko John C. Schmidt, geolog z Utah

State University, ktry rwnieý popiera¸

4000

3500

NATURALNA POWîD

1957

3000

2500

2000

1500

KONTROLOWANA POWîD

1996

1000

500

MARZEC

RîDüO: Robert H. Webb

MAJ

CZERWIEC

LIPIEC

SIERPIEÁ

NAT¢ûENIE PRZEPüYWU podczas ekspe-

rymentalnej powodzi trwajcej tydzieÄ mo-

ýe si« wydawa niezmiernie pot«ýne, ale

wraýenie to przymiewaj naturalne zda-

rzenia z przesz¸oæci, takie jak powd

w 1957 roku (wykres) , ktra trwa¸a przez du-

ý cz«æ wiosny i lata.

64 å WIAT N AUKI Marzec 1997

KWIECIEÁ

eksperyment, zg¸asza¸ innego typu

zastrzeýenia: ýe naukowcy w swojej aro-

gancji mog zrujnowa to, co zosta¸o

w sercu Wielkiego Kanionu.

Na fali przyp¸ywu

Wezbranie rozpocz«to planowo 26

marca 1996 roku. Wody rzeki przybra¸y

i podýy¸y wartkim nurtem w d¸ ka-

nionu. Na sygna¸ naukowcy z USGS

wprowadzili do rzeki tuý poniýej zapo-

ry 30 kg nietoksycznego barwnika flu-

oroscencyjnego u¸atwiajcego æledzenie

pr«dkoæci wody, mierzc czas przyby-

cia tego barwnika do 6 punktw usta-

wionych wzd¸uý i w poprzek kanionu,

w ktrych umieszczono czu¸e fluorome-

try. Model numeryczny opracowany

przez badaczy z USGS dok¸adnie prze-

widywa¸ rozwj powodzi. Zarwno mo-

del, jak i pomiary wykaza¸y, ýe wody

powodziowe przyspiesza¸y podczas

przechodzenia przez kanion i wypiera-

¸y wody rzeczne daleko do przodu.

Pierwsza kulminacja fali dotar¸a wi«c do

Lake Mead, w dolnym koÄcu kanionu,

prawie o dzieÄ wczeæniej, aniýeli wody

w¸aæciwego wezbrania.

Na zachd, powyýej Lake Mead, po-

wd zniekszta¸ci¸a pewne fragmenty

rzeki. Przyk¸adowo w odcinku bystrza

zwanym Lava Falls, oko¸o 300 km poni-

ýej zapory, woda przybiera¸a na roz-

leg¸ym stoýkowatym brzegu zbudo-

wanym z sypkiego namu¸u i otoczakw,

ktry uformowa¸ si« przed rokiem, gdy

przep¸yw rumowiska zasypa¸ ujæcie

ma¸ego bocznego kanionu. Materia¸

osadzony przy tej kaskadzie zw«zi¸ rze-

k« Kolorado z szerokoæci 50 m w tym

miejscu do niemal 30 m. Niektrzy geo-

lodzy uwaýali, ýe jedynie wielkie wez-

branie moýe oczyæci to przew«ýenie,

my jednak uznaliæmy zaplanowane za

wystarczajce.

PARIA

LAKE

POWELL

PîüNOC

ZAPORA

GLEN CANYON

KOLORADO p¸ynie przez Arizon« od La-

ke Powell w kierunku zachodnim do Lake

Mead (mapa) . Pomi«dzy tymi zbiornikami

rzeka otrzymuje pot«ýne zastrzyki piaszczy-

stych osadw z g¸wnych dop¸yww Paria

(na zdj«ciu powyýej) i Ma¸e Kolorado.

ARIZONA

KOLORADO

LAVA FALLS

MAüE

KOLORADO

LAKE

MEAD

GRANICA

PARKU NARODOWEGO

WIELKIEGO KANIONU

MILE

30 40

60 70

KILOMETRY

Toteý byliæmy zadowoleni wi-

dzc, jak skuteczna okaza¸a si«

eksperymentalna powd. Na-

t«ýenie przep¸ywu w Lava Falls

27 marca przekroczy¸o 850 m 3 /s,

woda o wi«kszej energii szybko

przebi¸a si« przez nowy stoýek

nap¸ywowy, zmniejszajc go o 1 / 3 .

Obserwowaliæmy to zjawisko

dzi«ki nadajnikom radiowym

umieszczonym w 10 wielkich ka-

mieniach. Pomimo znacznych

rozmiarw (dochodzcych do

0.75 m w przekroju poprzecz-

nym) wszystkie kamienie leýce

blisko szczytu progw pow«dro-

wa¸y podczas wezbrania w d¸

strumienia. Korzystajc z anten

kierunkowych, zlokalizowaliæmy

osiem z nich; przesun«¸y si« æred-

nio o 230 m.

W Lava Falls mierzyliæmy teý

osadzanie si« piasku w kilku waý-

nych miejscach. Do badaÄ wybra-

liæmy pi« wirw Ð tam gdzie rze-

ka nagle si« rozszerza i w pobliýu

brzegw woda cyrkuluje w gr«

rzeki. Wykorzystujc laserowe

urzdzenie æledzce czstki ru-

mowiska oraz ma¸ ¸dk« wypo-

saýon w echosond«, sporzdzi-

liæmy map« piaszczystego dna

podczas wezbrania. Wyniki by¸y

zaskakujce. Stwierdziliæmy, ýe duýa

cz«æ piasku gromadzi¸a si« podczas

pierwszych 36Ð48 godzin. Gdy strumieÄ

dop¸ywajcego piasku by¸ mniejszy,

wwczas piasek z dna wiru znw

osadza¸ si« w g¸wnym korycie.

Zjawisko to pocztkowo nas zaintry-

gowa¸o. Po dok¸adniejszym zbadaniu

wynikw pomiarw stwierdziliæmy, ýe

duýa cz«æ rumowiska pocztkowo

osiada¸a pod ktem wi«kszym aniýeli

tzw. kt tarcia (kt usypu) 1 . Ta niesta-

bilna konfiguracja by¸a przyczyn osu-

ni«cia si« piasku z powrotem do g¸w-

nej cz«æci koryta. W pi«ciu kartowanych

przez nas miejscach zauwaýyliæmy

zwi«kszenie oglnej iloæci piasku po

przejæciu fali powodziowej.

Podczas eksperymentu wielu innych

naukowcw przeprowadzi¸o waýne ob-

serwacje. Blisko dolnego wylotu Wiel-

kiego Kanionu J. Dungan Smith zmie-

rzy¸ pr«dkoæ rzeki oraz st«ýenie ru-

mowiska 2 utrzymywanego w zawiesze-

niu przez turbulentn wod«. Celem by-

¸o porwnanie iloæci rumowiska wyp¸u-

kanego z kanionu podczas wezbrania

z normalnie dostarczan przez rzeki

Paria i Ma¸e Kolorado. Smith wciý ana-

lizuje uzyskane wyniki; wkrtce powi-

nien okreæli, jak cz«sto moýna przepusz-

cza fal« wezbraniow bez uszczuplenia

istniejcych zapasw piasku.

OSADZANIE PIASKU w obr«bie wiru, gdzie blisko brzegw woda wiruje pod

prd, podnios¸o dno wzd¸uý jednego brzegu rzeki (brzowawe powierzchnie na dia-

gramie) w pierwszych dniach powodzi. Pniej duýa iloæ piasku uciek¸a do g¸w-

nego koryta (niebieskie powierzchnie na diagramie) . Akumulacj« rumowiska oraz

jego usuwanie rejestrowano z ¸odzi wyposaýonej w akustyczn echosond« (zdj«-

cie dolne) ; mierzy¸a ona g¸«bokoæ wody, natomiast pozycj« ¸odzi okreæla¸y urz-

dzenia geodezyjne rozmieszczone na ldzie (zdj«cie grne) .

PRZED POWODZI

DZIEÁ 1

DZIEÁ 2

DZIEÁ 3

DZIEÁ 4

DZIEÁ 5

DZIEÁ 6

DZIEÁ 7

PO POWODZI

822

821

820

819

818

817

816

815

814

812

810

PîüNOC

808

0 100 METRîW

POZIOM DNA RZEKI

66 å WIAT N AUKI Marzec 1997

Plik z chomika:

Inne pliki z tego folderu:

Inne foldery tego chomika: