Hidrológiai Közlöny 2011 (91. évfolyam)

3. szám - Csáfordi Péter–Kalicz Péter–Gribovszki Zoltán: Erdősült kisvízgyűjtő éves hordalékhozamának becslése – és egy hordalékkúp hatásának vizsgálata

CSÁFORDI P. - KALICZ P. - GRIBOVS2KJ Z.: Erdösült kisvízgyüjtő hordalékhozama 47 szállítani. Ezért a lebegtetett hordalékszállítás a vízfolyás hidraulikai tényezőitől (vízhozam, vízsebesség) többnyire független, és elsősorban a hordalék-utánpótlás mértékét befolyásoló hidrológiai jellemzők (vízgyűjtőterület sajátosságai, csapadékmennyiség- és eloszlás) határozzák meg. Mivel végeredményben a hidrológiai tényezők alakítják egy vízfolyás hidraulikai tényezőit, valószínűségelméleti kapcsolatok állíthatók fel a lebegtetett hordalékszállítás és a vízhozam illetve a vízsebesség között. A lebegtetett hordalékszállítás előrejelzésére számos sztochasztikus modellt fejlesztettek ki, de általános érvényű összefüggést - a transzport-folyamatok és a rájuk ható tényezők komplexitása és helyspecifikussága miatt - még nem sikerült megadni. Bizonyos fokig minden modell empirikus, ezért az adott területre kalibrálni szükséges (Bogárdi 1971, Gordon et al. 2004, Chang 2006). A legelteijedtebben alkalmazott módszer a lebegtetett hordalékhozam számítására a Leopold és Maddock-féle hordalékhozam görbe, mely a vízhozam és hordalékhozam, illetve vízhozam és hordaléktöménység között felismert hatványfüggvény alakú összefüggésen alapul: Q

s=pQ

J, illetve C

s=aQ

b,{ 1) ahol C

s a hordaléktöménység [F-L"

3]; Q a vízhozam [L

3-T ']; Qs a hordalékhozam egységnyi idő alatt [L

3-T"' vagy F-T ']; p,j, a, b: empirikus együtthatók. Adott időszak hordalékhozama az átlagos hordaléktöménység és az átlagos vízhozam szorzatával egyenlő. Gribovszki (2000) soproni-hegységi lebegtetett hordalékvizsgálatai során a fenti regressziós modellbe a vízhőmérsékletet is bevonta. A lebegtetett hordalékhozam meghatározására más statisztikai alapú eljárásokat is alkalmaztak (Cobaner et al. 2009; aggregált statisztikai modell - Lewis 1998). Cobaner et al. (2009) neuro-fuzzy modell és neurális hálózatok segítségével jelezte előre a napi lebegtetett hordalékhozamot, felhasználva a napi csapadékmennyiség és vízhozam adatokat. Liquete et al. (2009) tanulmányában olyan általános hordalékhozam modelleket alkalmaz, mint Jansen és Painter általános egyenlete (1974), a négyparaméteres Probst-formula (1992) és a BQART modell. Lewis (1998) - utalva arra, hogy a hordaléktöménység változékonysága miatt gyengén korrelál a vízhozammal - a turbiditásból lineáris regresszióval becsülte és jelezte előre a lebegtetett hordalékmenynyiséget. A hordalékmozgás előrejelzésére számítógépes modelleket is kifejlesztettek. Syvitski et al. (1995) RIVER 1-3 és azok továbbfejlesztésével készült HYDROTREND modellje a vízhozam és hordalékhozam becslésére szolgáló numerikus modellek. Utóbbi modellben Syvitski et al. (1998) a különböző eredetű - hóolvadás (Q

mv

ai), eső (Q

ra

m), gleccser (Qice), talajvíz (Qgroundwatcr) - vízhozamokat választotta szét, és azokhoz rendelt empirikus paramétereket (a

n, b

n, a

n b

n a„ bj, Og, b

g) az (1) egyenlet mintájára: Qs =QC

S = a„Q

b

n:

va

l+a

rQ

b;

m

n + aßfc,+a

gQ

b^

a,„ - (2) Lidén (1999) a félig osztott paraméterű HB V-SED modellel becsülte egy vízgyűjtőről távozó teljes lebegtetett hordalékhozamot, míg Brauner (1999) osztott paraméterű modellel vizsgálta egy alpesi vízgyűjtő hordalékhozamát. Az egyes becslési módszereknél a hordalékszállításra ható egyéb tényezőket is figyelembe vettek, mint például a csapadék erozivitását (Krishnaswamy et al. 2001, López-Tarazón et al. 2010). Általánosan elfogadott, hogy a lebegtetett hordalékszállítást csaknem kizárólagosan a vízfolyás medrében és a vízgyűjtőn tározott és elérhető készletek határozzák meg (Bogárdi 1971). Emiatt 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 hordalék-utánpótlás tanulmányozására jó lehetőség a hiszterézis-analízis módszere (Williams 1989, Lenzi és Marchi 2000). Richards (1984) az óramutató járásával megegyező irányú hiszterézis-görbe modellezésére az (1) egyenletet a vízhozam idő (t) szerinti első deriváltjával korrigálta (c empirikus paraméter). C

s=aQ> dt ) A hordalékkészlet évszakos változásának felismerése vezetett az összegzett vízhozam modellhez (Moog and Whiting 1998): C

s=aQ»§ Q)f,(4) ahol SQ az évszakonként összegzett vízhozam. Az alacsony vízhozamok esetén tározódó, majd nagy vízhozamoknál kiürülő hordalékkészletek hatásának jellemzésére Van Sickle és Beschta (1983) bevezette az ún. tározódási/kimosódási tényezőt (G(SJ): C

s=a&G(S) (5) G(

S) = í/cxp ,(6) ahol So a teljes elérhető hordalékmennyiség; q és r empirikus paraméterek. Az (5) és (6) egyenlet kombinálásával leírható a lebegtetett hordalék-koncentráció időbeli változása, és a hordalék-utánpótlást (S) a következőképpen kapjuk: - = -ßQ-(

7) dt s Azaz a hordalékkészlet időbeni (t) csökkenése megegyezik a negatív előjelű hordalékhozammal. Korábbi vizsgálatok alapján (Csáfordi et al. 2010) megállapítható, hogy a Farkas-ároki-patakban nemcsak az alapvízhozam és az árhullámok anyagszállítása között van jelentős különbség, hanem egy-egy árhullám között is, sőt az egyes árhullámokon belül is nagy tér- és időbeli változatosság jelentkezik az anyagáramokban. Ennek oka, hogy a patak hordalékszállítására több tényező hat, például a lefolyásképző csapadék, a vízgyűjtők geológiája és geomorfológiája, illetve a hordalékkészletek elérhetősége. A lebegtetett hordalékszállítás becslésekor ezért a készletorientált modellek és a vízhozamokat különböző időszakokra illetve tartományokra felbontó modellek felé kell fordítani a figyelmet. 2. TerUletleírás Tanulmányunk helyszíne a Soproni-hegységben, a Rákpatak felső vízgyűjtőjén található erdősült mellékvölgy, a Farkas-árok (1. ábra). A vizsgált kisvízgyüjtő 0,63 km

2 kiterjedésű területén kristályos pala aljzatra települtek több rétegben, más-más ülepedési viszonyok között a szárazföldi törmelékes kőzetek (konglomerátum, kavics, homok, iszap) (Kárpáti 1955, Kisházi és Ivancsics 1981-1985). A völgyben az átlagos lejtés meghaladja a 21 %-ot, a völgyfenék átlagos lejtése pedig 7,7 %. A patak hossz-szelvényében zúgó -tavacska szekvenciák is előfordulnak. A legfelső talajszintben (0-50 cm) mindenhol jellemző az igen nagy mennyiségű finom homok frakció jelenléte, a fizikai talajféleség homokos vályog, vályogos homok, illetve iszapos vályogos homok. Sok helyen 70-80 cm-rel a talajfelszín alatt agyagos réteg húzódik (Bellér 1996). Az eró-