Stefan Bartoszewski Instytut Nauk o Ziemi Uniwersytet Marii Curie-Skłodowskiej w Lublinie

Wyprawy Geograficzne UMCS w Lublinie na Spitsbergen 1988-1989

Sesja Polarna 1989

Charakterystyka odpływu ze zlewni lodowca Scotta (Zachodni Spitsbergen) w 1988 r.

Characteristics of outflow of the Scott Glacier (Western Spitsbergen) in 1988

Badania hydrologiczne w zlewni lodowca rozpoczęto w roku 1986 i kon-tynuowano w latach 1987 i 1988 (Bartoszewski 1987, 1988). Prace prowadzono w ramach Wypraw Geograficznych Uniwersytetu Marii Curie-Skłodowskiej.

Celem badań było poznanie warunków kształtowania się odpływu oraz próba ilościowego ujęcia zjawiska w powiązaniu z innymi komponentami środowiska geograficznego.

Powierzchnia badanej zlewni wynosi 10,125 km2, z tego lodowiec zajmuje 5,8 km2, co stanowi 57,3% ogólnej powierzchni.

Czynny okres hydrologiczny na obszarze Spitsbergenu Zachodniego rozpoczyna się przeciętnie w czerwcu i trwa do października (Pulina 1986). W oparciu o kryteria hydrologiczne można wyróżnić w tym czasie okresy o specyficznych warunkach obiegu wody, tzw. sezony hydrologiczne: wiosnę, lato, jesień i zimę. Wydzielenia poszczególnych sezonów oparte są na analizie stanów wody zarejestrowanych na limnigramach oraz na zróżnicowaniu typów wód odpływających ze zlewni.

Początek wiosny wyznacza dzień uruchomienia^ odpływu wód roztopowych. Jego źródłem jest tajanie pokrywy śnieżnej na nizinie nadmorskiej. Cieki peryglacjalne mają w tym okresie ablacyjny rytm odpływu charakteryzujący się dobowym cyklem zmian stanów wody i przepływów z minimum około godz. 8 i maksimum o godz. 17 LMT. Za koniec wiosny i początek lata przyjęto moment zaniku zwartej pokrywy śnieżnej na równinie nadmorskiej. Ustaje wówczas ablacyjny rytm odpływu w zlewniach niezlodowaconych (Bartoszewski, Rodzik, Wojciechowski 1988).

W sezonie letnim zlewnie niezlodowacone mają zasilanie zmarzlinowo-deszczo-wo-śnieżne. Źródłem tego ostatniego jest tajanie płatów śnieżnych w obszarach górskich. W odpływie ze zlewni zlodowaconych dominuje odpływ proglacjalny. Rzeki lodowcowe cechuje dobowy rytm odpływu będący następstwem dobowego

ODPŁYW

61

cyklu termicznego (Pardć 1957). Najwyższe przepływy występują około godz. 18, a najniższe o godz. 8 LMT. U schyłku lata spada dopływ energii słonecznej wskutek malejącego kąta padania promieni słonecznych i wzrostu zachmurzenia, zmniejszają się dobowe amplitudy temperatury powietrza. Wielkości godzinnych wartości odpływu ablacyjnego ulegają wyrównaniu, a sam odpływ ulega ograniczeniu. Moment, gdy dobowy cykl odpływu zanika wyznacza koniec lata i początek hydrologicznej jesieni.

Jesień jest okresem zmniejszenia rozmiarów ablacji lodowcowej, ale krótkotrwałe ocieplenia wraz z opadami deszczu i wystąpieniem cyrkulacji fenowej mogą być przyczyną gwałtownych wezbrań. Spadki temperatury w końcowym etapie hydro-logicznej jesieni powodują ograniczenie ablacji lodowcowej, szczególnie odpływu supraglacjalnego. Pojawiają się odpływy niżówkowe.

Początek sezonu zimowego to moment trwałego spadku temperatury powietrza poniżej 0°C i zamarznięcie wierzchniej warstwy gruntu. Przepływy w kolejnych dniach są coraz niższe, opisuje je krzywa wysychania. Koniec hydrologicznej zimy wyznacza zjawisko ustania odpływu powierzchniowego, co bywa utożsamiane z zakończeniem polarnego roku hydrologicznego.

Badania hydrograficzne w roku 1988 prowadzono w okresie od 1 lipca do 8 października. Odpływ całkowity wyniósł prawie 7 173 tys. m3, co odpowiada odpływowi jednostkowemu 82,8 dm3/s • km2 i warstwie odpływu 708,4 mm.

Lato 1988 r. rozpoczęło się 1 lipca, czyli dwa tygodnie wcześniej niż w roku poprzednim, a trwało do 21 sierpnia. Wezbranie roztopowe w 1988 г., które wystąpiło w okresie poprzedzającym rozpoczęcie badań terenowych, miało gwał-towny przebieg. Świadczyła o tym prawie półmetrowa warstwa żwirów osadzonych na lodzie wypełniającym na początku lata dno doliny największego, prawostron-nego dopływu rzeki Scotta. W pierwszych dniach lipca płaty śniegu zachowały się jedynie w obniżeniach terenu i na stokach gór nadbrzeżnych.

Sezon letni charakteryzował się wyrównanym odpływem. Za miernik zmienności uznano współczynnik obliczony według wzoru:

Q m a x Q m i n

ОТ gdzie: Q m a x — najwyższy przepływ dobowy, Q m i n — najniższy przepływ dobowy, Qśr — średni przepływ

sezonowy.

Współczynnik zmienności dla lata 1988 r. wyniósł 2,14. Sezony letnie w okresie poprzednim cechowała większa nieregularność przepływów, o czym świadczą wyższe współczynniki, 3,06 w r. 1986 i 4,17 w r. 1987. Wezbrania w okresie 1986-87 wyróżniały się znacznymi kulminacjami: 3,350 m3/s w 1986 r. i 5,072 m3/s w 1987 r. Niewielkie wezbrania, które zanotowano w połowie lipca i sierpnia 1988 r. miały charakter deszczowo-ablacyjny (rye. 1). Wywołały je opady deszczu w dniach 14-16 lipca oraz 7-9 i 24-27 sierpnia (Gluza 1989).

62

Polarne lato charakteryzuje się dominacją wód proglacjalnych w odpływie. Wydzielenie tej składowej oparto na synchronicznych pomiarach ilości niesionej wody w profilu kluczowym, zamykającym zlewnię o powierzchni 10,125 km2, oraz w profilu zlokalizowanym w przełomie moreny czołowej lodowca Scotta, kont-rolującym odpływ z górskiej części zlewni o powierzchni 7,5 km2. Na początku lipca 1987 i 1988 r. lodowcowa część zlewni dostarczała około 75% całkowitego odpływu. Pozostała część pochodziła z degradacji wieloletniej zmarzliny oraz tajania płatów śniegu zalegających na zboczach górskich.

Okresowe pomiary przepływu w profilach kontrolnych oraz serie przepływów patrolowych na dopływach rzeki Scotta umożliwiły udokumentowanie zjawiska zmniejszania się przepływu wraz z biegiem rzeki, przez co ilość wody odpływającej w profilu kluczowym może być mniejsza od tej samej wielkości w profilu moreny czołowej. Szczególnie sprzyjające warunki do transformacji odpływu powierzch-niowego w podziemny istnieją w obrębie sandru zewnętrznego. Jest on modelowany przez liczne cieki roztokowe o niestabilnych korytach, a żwirowe podłoże stwarza doskonałe warunki do infiltracji wód rzecznych. Na podstawie obserwacji przep-rowadzonych w latach 1987-88 stwierdzono, że anomalie przepływu pojawiają się w drugiej połowie lipca, co prawdopodobnie wiąże się ze wzrostem miąższości warstwy czynnej lub wzrostem tempa jej rozmarzania (Repelewska-Pękalowa, Gluza 1988).

Hydrologiczna jesień w 1988 r. rozpoczęła się 22 sierpnia i trwała do 15 września. Był to okres wzmożonej cyrkulacji cyklonalnej i zwiększonych opadów (Gluza 1989). Sezonowa suma opadu wyniosła 27,4 mm. Odpływ jednostkowy był równy 108,7 dm3/s • km2 i niewiele różnił się od wielkości obliczonej dla sezonu letniego (tab. I). Wskaźnik odpływu był dwukrotnie niższy niż w lecie, co wynika z różnic w czasie trwania poszczególnych sezonów. Jesień cechowała duża zmienność przepływów. Współczynnik zmienności wyniósł 3,12. Na wykresie przepływów widoczne są 3 kulminacje związane z okresowym wzrostem temperatury powietrza do 8,2°C w dniu 6 września i znacznymi opadami deszczu: 11,1 mm w dniach 24-27 sierpnia i 13,1 mm w terminie 7-9 września. Średni dobowy przepływ 3,518 m3/s z dnia 7 września stanowił maksimum przepływu w 1988 r. Zakończenie ostatniego wezbrania jesienngo przyśpieszył szybki spadek temperatury powietrza do wartości poniżej 0°C i zahamowanie odpływu wód supraglacjalnych. Na rzekach pojawiły się zjawiska lodowe.

W dniu 16 września 1988 г., wskutek zamarznięcia wierzchniej warstwy gruntu, przestały funkcjonować niewielkie źródła zlokalizowane w rozcięciach terasy 20-25 m npm. Dzień ten wyznacza początek hydrologicznej zimy. Termin zakończenia sezonu zimowego wiąże się ze zjawiskiem ustania odpływu powierzchniowego ze zlewni Scotta, co nastąpiło 7 października.

Przez cały sezon utrzymywały się ujemne temperatury powietrza, a opady atmosferyczne występowały wyłącznie w postaci śniegu. Zima wyróżniała się bardzo niskimi i malejącymi przepływami. Krzywa codziennych przepływów przyjęła

kształt krzywej wysychania. Najwyższy przepływ dobowy wyniósł 0,083 m3/s, a średni odpływ jednostkowy tylko 2,2 dm3/s-km2. Ta ostatnia wartość była 50-krotnie niższa w stosunku do odpowiednich wartości podczas lata i jesieni.

Niskie temperatury powietrza były przyczyną szybkiego tworzenia się pokrywy lodowej na rzekach. Jednolita pokrywa lodowa w przekroju kluczowym rzeki Scotta powstała w dniu 20 września 1988 r. Zaobserwowano synchroniczny przebieg tego zjawiska w zlewniach Renarda, Blomli, Tjórn, Dyrstad, Logne i Dundrabeisen. Codzienne pomiary miąższości lodu wykazywały systematyczny przyrost pokrywy lodowej, średnio 2-3 cm/dobę. Grubość pokrywy wzdłuż biegu rzeki była zróż-nicowana. Na początku października rzeka Scotta była na płytszych odcinkach zamarznięta aż do dna. ruch wody odbywał się w utworach pokrywowych przy występowaniu znacznego ciśnienia hydrostatycznego. Lokalnie obserwowano pęka-nie pokrywy lodowej, samowypływy i tworzenie się warstwy lodu nałożonego.

Odpływ wód w profilu kluczowym trwał do 7 października 1988 r. Przepływ w tym dniu wynosił 0,002 m3/s, co odpowiada wartości 0,2 dm3/s-km2. Dzień później, czyli 8 października, rzeka zamarzła do dna, a grubość pokrywy lodowej osiągnęła 41 cm. Ustanie odpływu w profilu kluczowym nie oznaczało zakończenia odpływu wód proglacjalnych. Odpływ ten pochodził z systemu drenażu subglacjal-nego i odbywał się pod pokrywą naledzi, pomiar wykonany w tym dniu na przedpolu lodowca Scotta dał wynik 0,009 m3/s, co odpowiada odpływowi jednostkowemu 1,2 dm3/s - km2.

ODPŁYW A TEMPERATURA POWIETRZA

Odpływ w zlewniach glacjalnych jest uwarunkowany przede wszystkim przebie-giem czynników radiacyjno-termicznych. Najbardziej wyraźna zależność między przepływem a temperaturą powietrza występuje w okresie hydrologicznego lata, gdy główną składową odpływu stanowią wody z ablacji lodowcowej. Podczas wiosny dominują w odpływie wody proniwalne, których źródłem jest tajanie pokrywy śnieżnej na równinach nadmorskich. Nie stwierdza się wówczas praktycznie związku korelacyjnego między wysokością temperatury a wielkością odpływu. Współczyn-nik korelacji obliczony dla sezonu wiosennego 1987 r. wyniósł jedynie 0,27.

Analizując dane z lat 1986-88 móżna zauważyć, że zależność odpływu od temperatury powietrza różnie się kształtowała w poszczególnych latach. Współczyn-niki korelacji między średnim przepływem dobowym rzeki Scotta a wysokością średniej temperatury dobowej w Calypsobyen wyniosły: 1986 r. r = 0,83, 1987 r. r = 0,66, 1988 r. r = 0,73. Wszystkie współczynniki są istotne na poziomie 0,1%. Najbardziej istotna zależność wystąpiła w roku 1986, gdy przedmiotem analizy był jeden sezon hydrologiczny—lato, okres o jednorodnych warunkach formowania się odpływu. W pozostałych latach okres obserwacji obejmował różne sezony hydro-logiczne, cechujące się odmiennymi źródłami alimentacji odpływu.

64

Ważnymi czynnikami modyfikującymi układ temperatura — odpływ są opady deszczu oraz występowanie cyrkulacji fenowej. Procentowy udział wód deszczowych w całości odpływu wezbraniowego jest zazwyczaj niewielki, ale deszcz odgrywa szczególną rolę jako czynnik uruchamiający i intensyfikujący ablację. Sytuację taką stwierdzono podczas jesieni 1988 г., gdy wezbrania miały charakter ablacyjno--deszczowy i ablacyjno-fenoWy.

LITERATURA

Bartoszewski S., 1987 — Dynamika odpływu powierzchniowego w zlewniach rzek lodowcowych Scotta, Blomli i Tjórn podczas lata 1986 (Spitsbergen Zachodni). XIV Sympozjum Polarne, Lublin.

Bartoszewski S., 1988 — Warunki kształtowania się odpływu w zlewni rzeki Scotta (Zachodni Spitsbergen). Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Lublin.

Bartoszewski S., Rodzik J„ Wojciechowski K„ 1988 — The outflow of water in permafrost environment — Spitsbergen. V International Conference on Permafrost, Trondheim, Norway.

Gluza A., 1989 — Warunki pogodowe w lipcu, sierpniu i wrześniu 1988 r. w Calypsobyen (Zachodni Spitsbergen). Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Sesja Polarna 1989, Lublin.

Pulina M„ 1986 — Problematyka geomorfologiczna i hydroglacjologiczna polskich wypraw na Spitsbergen w latach 1979 i 1980. Czas. Geogr. vol. LVII, 3, Wrocław.

Parde M„ 1957 — Rzeki. PWN, Warszawa. Repelewska-Pękalowa J., Gluza A., 1988 — Dynamika czynnej warstwy zmarzliny w rejonie

południowego' obrzeżenia Bellsundu (Zachodni Spitsbergen). Wyprawy Geograficzne UMCS na Spitsbergen, Lublin.

SUMMARY

The aim of hydrological studies carried out in the basin of Scott Glacier was getting familiar with outflow formation and quantitative characteristics of this phenomenon. The area of the studied basin is 10.125 km2 but the glacier occupies 57.3% of the total area.

In 1988 investigations were carried out during three hydrological seasons: summer, autumn and winter. The total outflow was 71,730,000 m3 in the period 1 July-7 October, 1988 which corresponds to a unit outflow of 82.8 dm3/s km2 and a outflow layer of 708.4 mm. Table 1 includes typical outflows.

The summer in 1988 was characterized by even outflow compared with previous years. The analysis of spatial differentiation of the outflow showed some outflow anomaly as a result of river water escape into sandur deposits.

Day and night maximum outflow were observed in the end of autumn. The maximum outflow 3518 m3/s was recorded on 7 September, 1988. Floods were caused by rain and foen.

Winter was characterized by very low and decreasing outflows. An everyday outflow curve was similar to that of drying up (Fig. 1). Surface outflow ceased on 8 October, 1988 as the river was frozen to the bottom.

The main factor influencing on the outflow of glacier basins are radiational and thermal conditions. There exists the statistical dependence expressed by the correlation coefficient between the temperature of air and day and night average flows. Its value was as follows: 1986 r = 0.83,1987 r = 0.66,1988 r = 0.73. The highest values could be noticed during the hydrological summer when participation of proglacial waters in the total outflow was most significant.

65

t*C

Rye. 1. Przebieg średnich dobowych przepływów rzeki Scotta oraz temperatury powietrza i opady w Calypsobyen w 1988 r. 1 — temperatura powietrza na wysokości 2 m, 2 — dobowe sumy opadów, 3 — średnie dobowe przepływy Fig. 1. The course of day and night average flows of the Scott's River, air temperature and rain and snow falls in Calypsobyen in 1988.1 — the air temperature at the height of 2 m, 2 — the day and night sums of precipitation, 3 — the day and night average flows

66

Sezony Seasons

lato summer

1.07-21.08 .

jesień autumn 22.08-15.09

zima winter

16.09-7.10

ilość dni duration - days

52 25 22

objętość odpływu tys. m? total outflow

4 752 2 378 43

3 2 odpływ jednostkowy dm/з-km mean unitary flow

104,5 108,7" 2,2

wskaźnik odpływu mm runoff index

469,3 234,9 4,2

Tab. 1. Odpływ rzeki Scotta i sezony hydrologiczne w 1988 r. Tab. 1. The outflow of the river Scott and hydrological seasons in 1988

67