Hidrológiai Közlöny 2010 (90. évfolyam)

2. szám - Csáfordi Péter–Griborszki Zoltán–Válint Zsuzsanna–Kalicz Péter: Kisvízfolyások anyagszállításának vizsgálata két árhullám példáján

55 Kisvízfolyások anyagszállításának vizsgálata két árhullám példáján Csáfordi Péter, Gribovszki Zoltán, Válint Zsuzsanna, Kalicz Péter Nyugat-Magyarországi Egyetem, Erdőmérnöki Kar, Geomatikai, Erdőfeltárási és Vízgazdálkodási Intézet, 9400. Sopron, Bajcsy-Zsilinszky u. 4., Tel.: +36-99-518146, E-mail: csafordip@emk.nyme.hu Kivonat: A kisvízfolyások hordalékszállítása jelentős térbeli és időbeli ingadozást mutat, melyben több hidrológiai és hidraulikai tényező is szerepet játszik. A legtöbb hordalék a nagyvízi időszakokban hagyja el a kisvízfolyások vízgyűjtőjét, amelyek mintázása automata műszerek hiányában - bonyolult feladat. A nagyvizes periódusok elégtelen gyakoriságú hordalékmérése viszont a tényleges hordalékhozam nagyságrendekkel való alábecslését is eredményezheti, ezért elengedhetetlen az árhullámok hordalékszállításának gyakoribb vizsgálata. Tanulmányukban a Szerzők két 2009. évi nyári árhullám hatását elemezték a Soproni-hegység két kisvízfolyásának lebegtetett és görgetett hordalékhozamára, valamint oldott szervetlen anyagáramára. Számszerűsített eredményeiket összevetették az alapvizes időszakok anyagszállításával, továbbá a két kisvízgyüjtő anyaghozamait egymással is összehasonlították. A lebegtetett hordalék-koncentráció és a vízhozam kapcsolatát hiszterézis-analízissel vizsgálták. Kimutatták, hogy adott árhullám alatt a hordalékkészletek elérhetősége jelentősen befolyásolja a két vízfolyás hordalékszállítását. Kulcsszavak: árhullám, lebegtetett hordalék, görgetett hordalék, oldott szervetlen anyagáram, hiszterézis-analízis. 1. Bevezetés A vízgyűjtőt elhagyó hordalék megbízható előrejelzése mind a mérnöki gyakorlat, mind a környezetvédelem számára egyre fontosabbá válik. A szállított hordalékmennyiség ismerete nélkülözhetetlen a víztározók hasznos élettartamának meghatározásához, folyómedrek, folyópartok stabilitásának vizsgálatához, a vízminőségre gyakorolt hatások feltárásához. A hordalékszállítás hatással van a vízi ökoszisztémákra, a hordalékszemcsékhez különböző szennyezőanyagok kapcsolódhatnak. A mederben leülepedő hordalék megnövelheti az árvízszinteket (Maidment 1993). Hordalékmozgás szempontjából az eróziós folyamatok vízfolyások által szállított termékei a következőképpen osztályozhatók. A mederfenéken mozgó hordalékot görgetett hordaléknak, a vízben lebegtetett állapotban mozgó hordalékot lebegtetett hordaléknak nevezzük. A görgetett hordalék fontos szerepű a mederváltozásokban, áthelyeződésekben. A nagy szemcsék a nagyobb árhullámoknál a romboló vagy eltömő hatásban főszerepet játszanak, veszélyeztetik a műtárgyak állagát. Mennyiségét tekintve azonban a lebegtetett hordalék a jelentősebb. Általánosan elfogadott, hogy a lebegtetett hordalékszállítást csaknem kizárólagosan a vízfolyásbajutott hordalékmennyiség, a vízfolyás medrében és a vízgyűjtőn tározott és elérhető készletek, vagyis a hordalék-utánpótlás határozzák meg, tehát értéke a hidrológiai tényezőktől függ leginkább (Bogárdi 1971, Lidén 2000, Gordon et al. 2004 és Chang 2006). A kisvízfolyások lebegtetett hordalékhozamának alakításában több faktor is közrejátszik, így az térben és időben erős fluktuációt mutat (Thomas 1985, Lenzi and Marchi 2000). A legnagyobb lebegtetett hordalékhozamot a ritkán előforduló nagy vízhozamok eredményezik. Thomas (1985) írja, hogy nem egyedi jelenség, amikor egy adott időszakban a hordalékhozam felét a vízhozam 15 %-át kitevő árvizek szolgáltatják, melyek időtartama a mérési időszak mindössze 2 %-át teszi ki. Estrany et al. (2009) tanulmányában még szélsőségesebb esetről számol be. Az általa vizsgált mediterrán kisvízgyűjtőn az adott időszak 90 %-ában tapasztalt vízhozamok összesen 1 %-át adták az összes lebegtetett hordalékhozamnak, míg az összes hordalékhozam 50 %-a a vizsgált időperiódus 0,13 %-ában érkezett le. Hasonló eredményekről számol be Antonelli et al. (2008) és Xu et al. (2005) nagy folyók esetében is. Az árhullámok lebegtetett hordalékszállításának elégtelen mérése ezért a hordalékhozamok nagymértékű alábecsléséhez vezethet. A háborítatlan erdővel borított területeken, ahol az eső a meghatározó csapadékforma, a rövid nagyvizes időszakok közötti periódusban a hordalék-koncentráció viszonylag alacsony és állandó, de az árhullámok időszakában a vízhozamok és a hordalék-koncentráció is széles tartományban mozog. A patak menti földcsúszások, a hordalékdepóniák megindulása, a mederelfajulás, a vízi műtárgyak, erdészeti és más jellegű antropogén beavatkozások hatására ez az egyébként is nehezen megmintázható hordalékhozam még változatosabbá válik. Az előbb felsorolt jelenségek ugyanis nagy mennyiségű finom hordalék-utánpótlást biztosítanak a pataknak (Thomas 1985). A vízfolyások hordalékszállítása és erdészeti tevékenységek közti összefüggések vizsgálatára számos tanulmány született az USA-ban, ahol különösen nagy károkat okozott a - részben a helytelen fakitermelési technológiák miatt jelentkező - gyorsított erózió (Surfleet et al. 1996, Lisle et al. 1998, Lewis 1998). A hordalékkészletek elérhetősége, illetve a hordalék-utánpótlás tanulmányozására jó lehetőség a hiszterézis-analízis módszere. A lebegtetett hordaléktöménység és vízhozam kapcsolata egy árhullám alatt is időben változó: mások az ugyanakkora vízhozamhoz tartozó lebegtetett hordaléktöménység értékek az árhullám felszálló ágában, és mások a leszálló ágában (Estrany et al. 2009). A vízhozam függvényében ábrázolt hordaléktöménység általában a következő alakot ölti: egyenes, egyenes egy hurokkal, óramutató járásával megegyező hurok, óramutató járásával ellentétes irányú hurok, nyolcas alakú hurok (Zabaleta et al. 2007). Lefrancois et al. (2007) Williams (1989) alapján magyarázza az árhullámok alatt tapasztalható lebegtetett hordalék-koncentráció-vízhozam kapcsolat elméleti típusait (1. ábra). 1 típus: a csúcsvizhozam és a ma-imális hordaléktoménység egy időre esik 2. típus: a hordaléktoménység ma.imuma megelőzi az áitiullamcsucsot 3. típus: az árhullámcsúcs megelőzi a hordaléktöménység maximumértékét 1. ábra. Lebegtetett hordaléktöménység és vízhozam kapcsolatának három elméleti típusa árhullám alatt (Williams (1989) in Lefrancois et al. 2007) Az első esetben a hordalékkészlet az árhullám teljes ideje alatt könnyen elérhető, a hordalékforrások minden vízhozam-tartományban korlátlanul rendelkezésre állnak. A második esetben az adott vízhozam számára a hordalékszemcsék mobilizálhatósága korlátolt, ekkor főként a mederben lerakódott hordalék kiürülése jellemző. A 3. típus a vízgyűjtő távolabbi részén elhelyezkedő készletek bepótlódását jelzi, illetve olyan folyamatok szolgáltatják a hordalék-utánpótlást, melyek a vízhozam emelkedésénél lassabban men-