Czasowo-przestrzenne zróżnicowanie ustroju termicznego nizinnych rzek Mazowsza

Ustrój termiczny odgrywa zasadniczą rolę w funkcjonowaniu ekosystemów lotycznych; maksymalne wartości temperatury wody wyznaczają granice występowania poszczególnych gatunków ryb i bezkręgowców, zmienność sezonowa i dobowa temperatury warunkuje ich bioenergetykę oraz tempo procesów fizjologicznych, natomiast czas występowania określonych wartości temperatury w ciągu roku ma duże znaczenie w kontekście tarła i migracji. Pomimo istotnego znaczenia ekologicznego temperatury problematyka dotycząca ustroju termicznego wód płynących stanowi rzadko poruszane zagadnienie badawcze w polskiej literaturze hydrologicznej. Cel niniejszej rozprawy został tym samym ukierunkowany na określenie czasowo-przestrzennego zróżnicowania wybranych cech ustroju termicznego cieków nizinnych. Obszar badań objął zlewnie czterech rzek płynących w okolicy Warszawy: Jeziorki, Rządzy, Świdra oraz Utraty. Źródłem danych empirycznych był własny eksperyment terenowy, prowadzony z wykorzystaniem cyfrowych rejestratorów temperatury wody; składał się on z trzech niezależnych etapów, odznaczających się odmiennym zakresem czasowym oraz przestrzennym. Długoterminowym monitoringiem temperatury (V 2015–X 2017) objęto 9 punktów zlokalizowanych w czterech wspomnianych zlewniach, natomiast w letnich półroczach (V–X) hydrologicznych 2016 i 2017 roku pomiary prowadzono dodatkowo w 8 punktach położonych w profilu podłużnym Świdra i Utraty oraz w 15 niewielkich dopływach Świdra. Na podstawie uzyskanych danych obliczono szereg parametrów termicznych, mających uzasadnienie statystyczne (miary położenia i zmienności) oraz ekologiczne (m. in. czas trwania optymalnej temperatury wody dla ryb zimno i ciepłolubnych). Podobieństwo punktów pod względem poszczególnych parametrów termicznych określono za pomocą metody aglomeracji Warda oraz testów statystycznych. Wyznaczono również względną częstość występowania ekstremalnych wartości temperatury wody w ciągu doby, a średnie dobowe, tygodniowe i miesięczne wartości temperatury wody powiązano z odpowiednimi wartościami temperatury powietrza za pomocą liniowych i logistycznych modeli regresji. Zastosowanie modeli regresji wielokrotnej umożliwiło z kolei określenie związków pomiędzy parametrami termicznymi oraz metrykami krajobrazowymi, obliczonymi na podstawie MPHP, NMT SRTM, mapy pokrycia terenu CLC 2012 oraz ortofotomapy. Wyniki wskazały, że w ujęciu sezonowym najniższe wartości temperatury wody cieków nizinnych występują w styczniu, natomiast najwyższe latem, od czerwca do sierpnia. Największe dobowe wahania temperatury obserwowane są w półroczu letnim, przede wszystkim w maju i czerwcu, najmniejsze z kolei w półroczu zimowym, z minimum w styczniu. W ciągu doby przebieg temperatury wody przyjmował z reguły kształt sinusoidy, osiągając wartości minimalne w godzinach porannych, zazwyczaj od 06:00 do 10:00, natomiast wartości maksymalne po południu, od 14:00 do 18:00. W zlewniach objętych długoterminowym monitoringiem temperatury wody zróżnicowanie parametrów termicznych było nieistotne statystycznie, a główną przyczyną kontrastów termicznych okazała się działalność człowieka. W przypadku niewielkich dopływów Świdra analiza statystyczna pozwoliła na wyróżnienie dwóch głównych grup, odznaczających się odmienną zmiennością temperatury wody. Tam też udowodniono, że parametry termiczne były w sposób istotny statystycznie skorelowane z powierzchnią zlewni, spadkiem koryta, jego zacienieniem oraz współczynnikiem morfometrii koryta. W cechach fizyczno-geograficznych zlewni oraz antropopresji znalazła odzwierciedlenie także jakość dopasowania oraz wartości parametrów liniowych i logistycznych modeli regresji, wiążących temperaturę wody i temperaturę powietrza. Wykazano w końcu, że badane cieki odznaczają się korzystnymi warunkami termicznymi zarówno dla ciepłolubnych, jak i zimnolubnych gatunków ryb. Przedstawione w pracy wnioski, oprócz poszerzenia wiedzy teoretycznej dotyczącej warunków termicznych cieków nizinnych, stanowią cenny materiał dla użytkowników rybackich oraz instytucji ochrony środowiska.

Summary: The thermal regime plays a fundamental role in the functioning of the lotic environment; maximum temperature determines the boundaries of the occurrence of fish species and invertebrates, seasonal and diurnal water temperature variations affect their bioenergetics and the rate of physiological processes, while the timing of specific water temperature values during the year is important in the context of spawning and migrations. Despite the ecological significance of water temperature, stream thermal regime was a rarely discussed research topic in Polish hydrological literature. The purpose of this dissertation was thus focused on determining the spatiotemporal differentiation of selected features of the thermal regime of lowland streams. The research area covered the catchments of four rivers flowing around Warsaw: the Jeziorka, Rządza, Świder, and Utrata rivers. Empirical data was obtained from the field experiment conducted using digital water temperature recorders; it consisted of three independent stages characterized by a different time and spatial range. Long-term temperature monitoring (05.2015 – 10.2017) covered 9 points located in the four mentioned catchments, while in 2016 and 2017 summer half-year measurements were additionally carried out in 8 points located in the longitudinal profile of the Świder and Utrata rivers, as well as in 15 small tributaries of the Świder River. On the basis of the measurement data, thermal parameters were calculated, having both statistical (measures of magnitude and variability) and ecological justification (duration of optimal water temperature for coldwater and warmwater fish guilds). The similarity of points in terms of thermal parameters was determined using cluster analysis (Ward method) and statistical tests. Also, the relative frequency of daily water temperature extremes timing was calculated, as well as linear and logistic regression models, which related the mean daily, weekly, and monthly water temperature values with relevant air temperature values. The use of multiple regression models made it possible to determine the relationships between thermal parameters and landscape metrics, which were calculated on the basis of digital hydrographic map, DEM SRTM, CLC 2012 land cover map, and orthophotomap. The results indicated that seasonally, the lowest temperature values of lowland rivers occur in January, while the highest in the summer, from June to August. The largest daily temperature fluctuations are observed in the summer half-year, mainly in May and June, while the lowest in the winter half-year, with a minimum in January. In the diurnal timescale water temperature has a clear sinusoidal pattern, reaching minimum values in the morning, usually from 6:00 to 10:00, while the maximum values in the afternoon, from 14:00 to 18:00. In catchments covered by the long-term monitoring of water temperature, the differentiation of thermal parameters was statistically insignificant, and the main reason for thermal contrasts was human activity. In the case of small tributaries of the Świder River, statistical analysis allowed for the distinguishing of two main groups, characterized by different variability of water temperature. In such catchments thermal parameters were statistically significantly related with the catchment area and its slope, channel shading, and the width:depth ratio. Landscape metrics and anthropopressure were also the reason for the variability of the fit quality and regression parameters of linear and logistic models. Finally, it was shown that the studied rivers are characterized by favorable thermal conditions for both warmwater and coldwater fish guilds. The conclusions presented in the dissertation, in addition to expanding the theoretical knowledge regarding the thermal conditions of lowland rivers, are considered as valuable material for fisheries managers and environmental protection institutions.