Dynamiczna równowaga cieku
Jak dowodzi porównanie historycznych map, wiele koryt rzek i potoków nie przemieszcza się poza określony pas terenu mimo okresowej zmiany swego przebiegu w planie i profilu. Proste i meandrujące koryta żwirowe mogą być trwałe w inżynierskiej perspektywie czasowej (kilkudziesięciu lat) dzięki trwającym od tysiącleci procesom korytowym w dolinach. Naturalne koryta pozostawione bez inżynierskiej ingerencji potrafią być trwałe dzięki równowadze określonej przez stabilny profil, przekrój i plan, które są zależne od zazwyczaj ustalonego rozkładu zmienności przepływów i transportu rumowiska, materiału dna i brzegów, zasięgu zarośli i lasów nadbrzeżnych oraz spadku dna doliny. Ta równowaga objawia się dostosowywaniem się naturalnego koryta do chwilowych i długoterminowych zmian dostawy rumowiska lub do zmian rozkładu przepływów poprzez dostosowanie parametrów koryta do zmienionych warunków. Jaskrawym przykładem dostosowywania się koryt do zmniejszonej dostawy rumowiska jest opancerzenie dna cieku żwirem i kamieniami o średnim uziarnieniu grubszym niż osady w dnie doliny. Zmniejszenie częstości występowania przepływów powodziowych spotykane czasem poniżej zbiorników zaporowych objawia się zarastaniem koryta i zwężeniem jego przekroju. Te procesy dostosowawcze w naturalnych korytach nie są gwałtowne, choć w dłuższych okresach zmieniają parametry geometryczne koryt.
Równowaga cieku może być łatwo naruszona ingerencją inżynierską poprzez usunięcie lasów i zarośli nadbrzeżnych, wyprostowanie i skrócenie koryta, umocnienie brzegu materiałem skalnym, przekształcenie przekroju poprzecznego lub zniszczenie opancerzenia dna cieku. W konsekwencji naruszenia równowagi objawy niepożądane mogą być obserwowane już po pierwszym wezbraniu nie tylko na przekształconym odcinku cieku, ale także na odcinkach daleko sięgających w górę i w dół cieku. Każde kolejne wezbranie większe od poprzedniego będzie przekształcało koryto aż do czasu, kiedy kilkakrotne przejście wody brzegowej ustali nowe warunki równowagi w korycie. Staje się ono zazwyczaj bardziej pojemne niż poprzednio. Obecnie takim najczęściej obserwowanym długoterminowym skutkiem regulacji rzek i potoków górskich jest przekształcenie dawnych rozplecionych koryt aluwialnych (żwirowych) w jednonurtowe koryta skalne lub kaskadowe, w których obecność w dnie cieku kamieni i żwiru bywa stabilizowana seriami betonowych i kamiennych stopni. Zwiększona erozja wgłębna cieku głównego powoduje ponadto występowanie przeszkód w łączności wód nie tylko poprzez jego przegradzanie stopniami, ale także poprzez obniżenie podstawy erozyjnej dopływów. Powoduje to, że przepusty drogowe wszystkich dopływów stają się przeszkodami nie do przebycia dla organizmów wodnych.
Równania równowagi cieku żwirowego
Spośród równań określających stan równowagi dynamicznej koryt żwirowych tylko równania Hey’a–Thorne’a uwzględniają ilość wleczonego rumowiska i meandrujący kształt koryta oraz pozwalają na określenie zróżnicowania wymiarów przekrojów strefy bystrzy i plos. Równania te powstały jako seria korelacji dotyczących parametrów koryt rzek i potoków żwirodennych z całego świata. Powszechnie przyjmowanym założeniem jest, że stabilne koryto żwirowe jest kształtowane przez przepływ brzegowy. W jednostkowych zastosowaniach praktycznych powinno się przyjmować do równań przepływ brzegowy taki, jak w sąsiadujących z rozpatrywanym odcinkiem przekrojach.
Równania równowagi stabilnych naturalnych koryt żwirowych (według: Thorne C. R., Hey R. D., Newson M. D., „Applied Fluvial Geomorphology for River Engineering and Management”. Wiley, Chichester 1997 r.) podają dane wyjściowe i pozwalają na obliczenie parametrów koryta naturalnego wystarczające do opisu jego zmienności w planie (szerokość lustra wody brzegowej, odległość między bystrzami, krętość koryta) oraz w profilu (spadek wody brzegowej, średnie głębokości bystrza i plosa). Ponadto podają maksymalne głębokości bystrza i plosa oraz zróżnicowanie szerokości wody brzegowej bystrza i plosa. Takie parametry można bezpośrednio skonfrontować z wymiarami naturalnego przekroju bez konieczności jego przekształcania. Tak sparametryzowany przekrój nie ma więc nic wspólnego z „przekrojem regulacyjnym” czy „typowym” stosowanym w projektowaniu kanałów regulacyjnych. Typowy projekt kanału lub rowu składa się z profilu istniejącego i projektowanego dna, założonego przekroju o przyjętej szerokości poziomego dna i ustalonym nachyleniu skarp. Plan kanału i rowu jest zazwyczaj uproszczony, bo składa się z prostych i łuków podyktowanych pożądanym kierunkiem odwodnienia lub dopasowaniem do innych budowli. W następstwie takiego projektowania realizowany jest najczęściej trapezowy (czasem złożony – dwudzielny) przekrój o płaskim dnie, jednakowej szerokości i jednolitym spadku. Nie ma to nic wspólnego z kształtem naturalnego cieku. Ciek taki charakteryzuje się sinusoidalnym planem, w którym pomiędzy skręcającymi naprzemiennie w prawo i w lewo zakolami głębszych plos występują w punktach przegięcia płytsze i szersze bystrza. Szerokości koryta i długości fal meandrów zależą od stopnia zarośnięcia brzegów drzewami i krzakami. Łatwo sobie wyobrazić, co stanie się po dokonaniu wycinki drzew i krzewów koniecznej dla wykonania ujednoliconego przekroju „autostrady dla potoku”, zanim nawet przystąpi się do realizacji tradycyjnego projektu regulacji. Tak wykonany kanał na zawsze będzie skazany na wykonywanie prac utrzymaniowych, których celem będzie ciągłe przeciwdziałanie naturalnym procesom korytowym.
Tymczasem zastosowanie równań Hey’a–Thorne’a daje wiele możliwości, które można podsumować następująco:
- Po obliczeniu parametrów koryta w równowadze, można porównać te parametry z pomierzonymi w terenie i wyciągnąć odpowiednie wnioski. Może się okazać, że koryto jest w równowadze, a istniejąca terasa zalewowa jest wystarczająca dla przeniesienia wód powodziowych i wtedy nie jest konieczna żadna ingerencja inżynierska w sąsiadujący z drogą potok. W taki też sposób można dokładnie wyznaczyć odcinki potoku, które ingerencji inżynierskiej wymagają.
- Najczęściej nie ma danych dotyczących ilości wleczonego rumowiska koniecznych do zastosowania równań, ale można dopasować ten parametr do rzeczywistego spadku cieku na zasadzie prób i błędów i w ten sposób dokonać oszacowania tej wielkości.
- Jednym z objawów nierównowagi koryta jest jego większa pojemność niż wielka woda półtoraroczna czy dwuletnia. Jeśli uziarnienie dna potoku nie wytrzymuje energii zwiększonych przepływów pełnokorytowych, to konieczne staje się obniżenie terasy zalewowej dla zmniejszenia przekroju koryta. Alternatywnie, jest też możliwe w tym przypadku podwyższenie koron bystrzy poprzez nasyp żwiru i kamieni o odpowiednim (obliczonym) uziarnieniu.
- Jeśli istniejące proste koryto ma spadek większy niż obliczony wzorami równowagi, to dla ustalenia równowagi najczęściej nie ma innego wyjścia, jak wyznaczyć nowy, sinusoidalny przebieg koryta w celu zwiększenia jego krętości i zastosowania sekwencji bystrze–ploso. Materiał, z którego będzie się wykonywało koryto nie może pochodzić z wykopu w korycie, gdyż uziarnienie miejscowych żwirów jest zawsze drobniejsze niż opancerzenie dna wzięte do obliczeń. Miejscowy materiał należy zatem doziarnić grubszym dowiezionym materiałem lub ewentualnie dowieźć z zewnątrz całość potrzebnego materiału do wykonania korekty przebiegu koryta.
- Analizując koryta wcześniej uregulowane łatwo określić za pomocą równań Hey’a–Thorne’a deformacje pozostałe po ingerencji inżynierskiej, takie jak: przekroczenie maksymalnej głębokości bystrza, brak dostaw rumowiska wleczonego, zbyt mała lub zbyt duża pojemność koryta, konieczność obsadzenia koryta drzewami itp.
- Jeśli konieczne jest przełożenie koryta na pewnym odcinku, to można tego dokonać stosując uziarnienie materiału dna i parametry koryta takie, jakie wynikają z równań Hey’a–Thorne’a w sekwencji naprzemiennie występujących plos i bystrzy, co włączy nowy odcinek od samego początku w procesy korytowe adekwatne dla całości cieku.
Zastosowanie wzorów jest ograniczone do spadków doliny poniżej 2,2%. Dalszym ograniczeniem stosowania wzorów Hey’a–Thorne’a jest dolna granica przepływów pełnokorytowych (3,9 m3 s-1), co oznacza, że nie jest możliwa parametryczna ocena niewielkich strumieni o dużych spadkach i zlewni mniejszej niż około 5 km2. W przypadku konieczności analizy mniejszych cieków warto jednak wziąć pod uwagę koryta o parametrach podobnych do występujących w sąsiedztwie, identyczne uziarnienie materiału dna i odpowiednio szerokie terasy zalewowe.
Zależność odległości pomiędzy bystrzami z od szerokości lustra wody brzegowej W jest zasadą generalną, a według wielu pozycji literatury:
gdzie α = 5 do 7 dla cieków naturalnych i 5 do 9 dla cieków uregulowanych. Szerokość koniecznej terasy zalewowej można oszacować poprzez zastosowanie podejścia takiego, jak w przypadku projektowania regulacyjnych przekroi dwudzielnych, przyjmując głębokość i prędkość rozlanej wody tak, by nie niszczyła zagospodarowania zalanego terenu.
Z podanego powyżej opisu wynika, że obliczenie równań Hey’a–Thorne’a powinno być wstępem do jakichkolwiek analiz środowiskowych żwirodennych potoków i rzek przepływających w sąsiedztwie dróg, jak również do ustalenia zakresu i sposobu ich przekształceń inżynierskich.
