Jak zmiany w morfologii rzek wpływają na ich zdolność do samooczyszczania

Badania przeprowadzone na rzece Shiwuli w Chinach wykazały, że zmiany morfologiczne koryta rzecznego, a zwłaszcza wzrost jego krętości, mają istotny wpływ na zdolność do samooczyszczania się wód. Wyniki te mogą stanowić podstawę planowania renaturyzacji cieków wodnych na terenach silnie zurbanizowanych.

Autorami badania, którego wyniki opublikowano 3 czerwca br. w czasopiśmie Water są naukowcy z Nanjing Agricultural University w Nankinie i Hohai University oraz eksperci z chińskiego Ministerstwa Zasobów Wodnych.

Wpływ urbanizacji na zdolność do samooczyszczania się rzek

Rzeki stanowią dynamiczne ekosystemy, obejmujące koryto, strefy nadbrzeżne i powiązane tarasy zalewowe. Ich samooczyszczanie, wynikające z procesów fizycznych, chemicznych i biologicznych, jest kluczowe dla utrzymania bioróżnorodności i kondycji środowiska. W wyniku urbanizacji rzeki często są prostowane, co zaburza naturalne procesy i zmniejsza zdolność do samooczyszczania.

W literaturze wskazuje się, że kształt rzeki – a zwłaszcza jej meandryzacja (współczynnik sinusoidalności) – znacząco wpływa na skuteczność oczyszczania. Wcześniejsze badania sygnalizowały, że efektywne usuwanie azotu i fosforu zachodzi przy minimalnej sinusoidalności rzędu około 1,42, ale jak dotąd brakowało szczegółowych badań prowadzonych w warunkach terenowych, zwłaszcza w kontekście rzek zurbanizowanych i roli terenów podmokłych w tym procesie.

Jak prowadzono badanie?

Autorzy wybrali dolny odcinek Shiwuli, przepływający przez miasto Hefei. Przekształcenia morfologiczne rzeki w wyniku urbanizacji znacząco wpłynęły na pogorszenie jakości jej wód i w efekcie zagroziły stanowi ekologicznemu jeziora Chaohu, położonego poniżej. W celu poprawy jakości wód rzeki w latach 2017–2023 w jej dolnym odcinku stworzono sztuczny teren podmokły.

Monitorowanie jakości wód prowadzono na 17 stanowiskach wzdłuż biegu rzeki, od ujścia do jeziora Chaohu. Dodatkowo oceniano efekty oczyszczania na wejściu i wyjściu z mokradeł. Próbki pobierano cztery razy w roku w latach 2017 i 2024 (przed i po konstrukcji mokradła). Analizowano pięć kluczowych wskaźników: tlen rozpuszczony (DO), azot całkowity (TN), azot amonowy (NH₃‑N), fosfor całkowity (TP) oraz chemiczne zapotrzebowanie tlenu (COD).

Co mówią wyniki, czyli kluczowe znaczenie sinusoidalności

Porównując lata 2017 i 2024, autorzy stwierdzili znaczne, sezonowe obniżenie stężeń TP, TN, NH₃‑N i COD, oraz wzrost DO. Średnie stężenie TP spadło z 0,43 mg/l w 2017 r. do ok. 0,13 mg/l w 2024 r., a TN – z 10,19 mg/l do mniej niż 5 mg/l. Zmniejszyły się też NH₃‑N i COD, podczas gdy DO wzrosło z 4,31 mg/l do około 8 mg/l. Na mokradłach obserwowano jeszcze wyraźniejsze efekty: TP obniżyło się nawet o 90,9 proc., TN o 72,6 proc., NH₃‑N o 83,3 proc., a COD o 79,9 proc. W korycie rzeki podobne spadki, choć mniejsze, wyniosły odpowiednio: 63,3 proc., 25,5 proc., 62,1 proc. i 34,8 proc.

Badacze wykazali silną korelację między sinusoidalnością rzeki a tempem samooczyszczania. Im bardziej meandrujący był odcinek (sinusoidalność 1,0–1,84), tym większy notowano spadek stężenia zanieczyszczeń i wzrost stężenia tlenu. Wyniki wskazują jednoznacznie, że większa krętość podnosi zdolność do samooczyszczania.

Mechanizm działania meandrów i mokradeł

W dyskusji autorzy tłumaczą, że większa długość nurtu w meandrach wydłuża czas przebywania wody, co pozwala na większą filtrację i sedymentację. Wzrost krętości nasila erozję brzegów i sprzyja powstawaniu wirów, które zwiększają natlenienie wody (hyporeiczna wymiana z wodami gruntowymi). To z kolei przyspiesza utlenianie azotu i redukcję fosforu.

Na mokradłach dodatkową korzyścią jest większa powierzchnia i wolniejszy przepływ, co sprzyja sedymentacji i wspomaga aktywność mikroorganizmów. Prowadzona przez rośliny fotosynteza zwiększa DO, a mikroorganizmy skuteczniej redukują składniki biogenne i organiczne. Dodatkowo wyższe letnie temperatury sprzyjają aktywności biologicznej.

Kluczowe wnioski

Badanie jasno pokazało, że meandrujące odcinki rzek – zwłaszcza te wspomagane mokradłami – wykazują realnie wyższą zdolność do samooczyszczania. Wyniki sugerują, że nawet przy sinusoidalności zmniejszonej z 1,49 do 1,30, mokradła mogą skutecznie kompensować ten spadek.

Autorzy zalecają, by w procesach rekultywacji rzek stosować takie rozwiązania, jak wydłużenie koryta, zwiększenie jego szerokości, tworzenie terenów podmokłych oraz zapewnienie powiązania z wodami gruntowymi. Wszystko to może istotnie poprawić parametry jakościowe wód w obszarach zurbanizowanych.

Zespół naukowy planuje przeprowadzenie dalszych eksperymentów fizycznych w warunkach modelowych, by jeszcze precyzyjniej zbadać zależność między sinusoidalnością a samooczyszczaniem. Ostatecznym celem jest dostarczenie praktycznych, naukowo potwierdzonych wytycznych dla planistów i projektantów zajmujących się przywracaniem naturalnego biegu rzek i ochroną zasobów wodnych w miastach.

Bibliografia:

Xiao, C.; Chai, Z.; Chen, D.; Luo, Z.; Li, Y.; Ou, Q.; Zhang, Y. Research on the Influence of River Morphological Changes on Water Self-Purification Capacity: A Case Study of the Shiwuli River in Chaohu Basin. Water 2025, 17, 1694. https://doi.org/10.3390/w17111694