PÉCSI TUDOMÁNYEGYETEM
Földtudományok Doktori Iskola
Talajvastagság és talajnedvesség hatása a Sás-patak vízgyőjtıjének lefolyási viszonyaira
Habilitációs Tézisek Czigány Szabolcs
Pécs, 2011
1
1. Bevezetés Idıjárási jelenségek és következményeik gyakran okoznak környezeti katasztrófákat (jégesı, árvizek, iszapfolyások), melyek jelentıs gazdasági veszteséget és esetenként emberéleteket is követelnek. A legsúlyosabb természeti katasztrófák hazánkban légköri konvekciókhoz, szupercellákhoz és viharokhoz köthetık (Horváth 2005). Intenzív konvekciók sokféle légköri jelenséget idézhetnek elı, a gomolyfelhıktıl a pusztító szupercellákig. A katasztrófákat tovább súlyosbítja az a tény, hogy ezeknek a légköri jelenségeknek a pontos helye és intenzitása, valamint idıbelisége nehezen elırejelezhetı. A konvektív folyamatok gyorsan alakulnak ki, jelentıs károkat és katasztrófális következményeket eredményezve. Az ilyen légköri jelenségek egyik legsúlyosabb következménye a domb- és hegyvidéki területeken megjelenı villámárvizek (Horváth 1999). A jelen tudományos dolgozat célja, hogy kiemelt figyelmet fordítson a talaj hatásainak bemutatására a villámárvizek kialakulásában, valamint lefektesse egy országos on line villámárvíz elırejelzı rendszer alapjait (1. ábra). A néhány kiválasztott villámárvíz modellezésére a HEC-HMS (fejlesztés helyszíne: Davis, Kalifornia, Egyesült Államok) hidrológiai modellt használtuk. A modellt, korábbi vizsgálataink alapján alkalmasnak tartjuk kisvízgyőjtıkön megjelenı villámárvizek numerikus modellezésére (Czigány et al. 2009). A program validálást a Sás-patak két kisebb (2008. október 4. és 2008. október 17.) és a 20082009 során tapasztalt két legnagyobb árvizére (2008. június 4. és 2009. július 2.) végeztük el.
1. ábra Egy on line, numerikus modelleken alapuló villámárvíz elırejelzı rendszer operációs sémája
2
2 Eszközök és módszerek 2.1 A Sás-patak vízgyőjtıjének általános jellemzıi A vizsgált terület a Sás-patak felsı vízgyőjtıjén helyezkedik el a Mecsek északnyugati részén, a (2. ábra). A vizsgált két részvízgyőjtı együttes területe 6,7 km2. A Sás-patak felsı szakasza tipikus felsıszakasz-jelleget mutat, meredek falú (20o felett) V-alakú völggyel. A 14 monitoring állomás a nyugati kisebb, 1,7 km2 területő vízgyőjtıben helyezkedik el. Ezek a monitoring állomások talajtani és növényborítottsági szempontból megfelelıen reprezentálják a Sás-patak vízgyőjtıjét. A Corine Land Cover 2000 adatbázis adati alapján a vízgyőjtı 90,6 %-a lombhullató fákkal, fıként bükkel (Fagus sylvatica) fedett, foltokban tarvágásokkal tarkítva. A Sás-patak vízjárása erısen változó, vízhozama 0,001752 m3 s-1 és 0,9351 m3 s-1 között változott 2008. január 1. és 2009. július 7. között. (2. ábra). Ebben az idıszakban a legmagasabb vízhozamot 2009. július 2.-án 23:00 CET órakor rögzítették. A patak szélsıséges, erısen csapadékfüggı vízjárása jól kivehetı a 3. ábrán. 2.2 Fizikai talajtípus meghatározása A talaj fizikai féleségének (szemcse-eloszlásának) meghatározásához 13 monitoring állomásról győjtöttünk talajmintákat. A szemcseeloszlást Fritsch Analysette 22 (Fritsch GmbH, Idar-Oberstein, Németország) típusú, 63-csatornás lézeres szemcse-eloszlásmérı berendezéssel határoztuk meg. A talajvastagságot és ezáltal a talaj potenciális víztároló képességét RESP-12 multielektródás, geoelektromos mőszerrel, öt szelvényben állapítottuk meg.
2. ábra. A vizsgált vízgyőjtı elhelyezkedése a Sás-patak felsı szakaszán 2.3 A villámárvizeket kiváltó környezeti peremfeltételek monitoringja A HEC-HMS program nagy adatigényének köszönhetıen több környezeti adat mérése elengedhetetlen. A Sás-völgy vízgyőjtıjében 2008. szeptember 5. és december 5., valamint 2009. március 6. és szeptember 5. között mértük 5-14 naponként a talajnedvességet, valamint idıszakosan csapadékot és lombkorona fedettséget határoztunk meg a 14 monitoring állomáson, (2b. ábra). A talajnedvességet TDR (Time Domain Reflectrometry) technikával határoztuk meg. A mérımőszert (TDR-300, Planfield, Illinois, Egyesült Államok) 20 cm hosszú rozsdamentes acélelektródákkal szereltük fel. A mért adatokat ezt követıen ArcGIS 9.2-es
3
szoftverkörnyezetben térképen ábrázoltuk, a távolság négyzetével fordítottan arányos interpolációs eljárást alkalmazva.
3. ábra. A Sás-patak vízhozama 2008. január 1. és 2009. július 7., talajnedvességtartalom a Sás-völgyben 2008. szeptember 5. és 2009. július 18., valamint a 10-perces csapadék adatok a Sás völgy nyugati szélén 2008. január 1. és 2009. július 23. között 2.5 Vízhozammérési adatok 30-perces vízhozam adatokat a Sás-patak középsı folyásán található, a Mecsekérc Rt,. által mőködtetetett vízmérce szolgáltatta (46o07’12.29” N, 18o04’07.05”). 2.6 A hidraulikai paraméterek beállításai A hidraulikai paraméterek beállításihoz a Clark Unit Hydrograph függvényt alkalmaztuk. Az összegyülekezési idıt a csapadékesemény maximuma és az árhullám maximuma között eltelt idıbıl, illetve az adatpontokra illesztett függvénybıl határoztuk meg (4. ábra). Az összegyülekezési idı nagymértékben függ a csapadékintenzitástól, ezért meghatározása minden egyes csapadék-vízhozam párra szükséges. 2.7 A hidrológiai modell input paraméterei és beállításai A négy kiválasztott nagyvízi és árvízi esemény esetében három alkalommal megfelelı mennyiségő háttéradat (10-perces csapadék, talajnedvesség és felszínhasználat) állt rendelkezésünkre. A 2008. június 4.-i esemény esetében nem rendelkeztünk mért talajnedvesség adatokkal. 2.4 HEC-RAS modellfuttatások A HEC-RAS futtatások alapját a FÖMI-tıl (Földmérési és Távérzékelési Intézet) vásárolt 10méteres felbontású domborzati modell képezte. A domborzati adatokat ebbıl az adatbázisból, valamint a 1:10 000 felbontású Sás-patak völgyét is tartalmazó térkép szintvonalaiból digitalizáltuk. A modell bemeneti vízhozam paramétereit a HEC-HMS modell futtatás kimeneti adata jelentette. Ez a kimeneti paraméter az elméletileg lehetséges legrosszabb szcenáriót jelentette, azaz 100%-os talajnedvesség telítettséget (θv = 0,48 m3 m-3). A 2009. július 2.-i beállítások esetében ez 4,73 m3 s-1 tetızı vízhozamot jelentett a Sás-patak kifolyási pontjánál. A modellfuttatásokat steady flow beállítással végeztük, a normal depth folyószakasz peremfeltétel beállításokat használva. A HEC-RAS output eredményeket exportáltuk ArcGIS/HEC-GeoRAS programba térképi megjelenítés céljából.
4
4. ábra A csapadékintenzitás és az összegyülekezési idı (Tc) közötti összefüggés a Sás-patak árvizeinek és nagyvizeinek összehasonlító elemzése alapján 2008. január 1. és 2009. július 7. között 3 Eredmények 3.1 A talajoldali peremfeltételek adatai és eredményei Általában elmondható, hogy a domborzat – a talajban található durva vázrészek mérsékelt hatása mellett – erıteljesen befolyásolta a talajnedvesség-tartalmat. Az ArcGIS-ben elvégzett interpoláció (távolság négyzetével fordítottan arányos súlyozás) és a mért adatok alapján megállapítható, hogy a legmagasabb talajnedvesség értékek az ártér peremén mérhetık, míg a magasság növekedésével általában csökken a talajnedvesség tartalom (5. ábra). A terület talajai egy kivétellel az iszapos vályog kategóriába tartoznak (6. ábra). A monitoring idıszakban mért talajnedvesség értékek 0,051 m3 m-3 (2008. szeptember 5.) és 0,516 m3 m-3 (2008. október 17.) között változott (7. ábra). A 14 mérıpontra átlagolt értékek 0,148 m3 m-3 és 0,381 m3 m-3 (2009. április 30.) között változott. A mérések szüneteltek 2008. december 5. és 2009. március 6. között. Az azonos alkalommal mért legnedvesebb és a legszárazabb monitoringállomás talajnedvesség értéke 0,2343 és 0,378 m3 m-3 között változott.
5. ábra. A talajnedvesség tartalmak raszteres alapú interpolációja a 14 mérıállomás 2008. szeptember 12.-i (a), szeptember 19.-i (b), december 5. –i (c), 2009. április 17.-i (d) és július 18-i (e) adatai alapján. Az (f) ábra a mérési helyszíneket és az interpolált terület arányát mutatja a teljes vízgyőjtıhöz képest. A sötétebb pixelek magasabb talajnedvesség-tartalmat jelölnek
5
6. ábra A Pósa-völgy 13 monitoring állomásáról származó talajminta (a) átlagos szemcseátmérıje és (b) a három fı talajalkotó szemcsefrakció egymáshoz viszonyított aránya
7. ábra A 14 állomás minimum, maximum és átlagos talajnedvességtartalma 2008. szeptember 5. és 2009. szeptember 4. között. A talajvastagság adatok esetében elsı forrásként a Talajtani Kutatóintézet (TAKI) által szerkesztett AGROTOPO adatbázis adatait használtuk fel. Ebben az adatbázisban azonban csak termıréteg vastagság adatok szerepelnek, ezek az adatok azonban nem szükségszerően egyeznek meg a teljes talaj és üledékvastagsággal. Az AGROTOPO adatbázis szerint a termıréteg vastagsága 20-40 cm között ingadozik. Ez alól mindössze a vízgyőjtı ÉK-i széle kivétel, ahol a termıréteg vastagság meghaladja a 100 cm-t. A területen a laza pannon üledékek, valamint a homokkı málladékának vastagsága a VESZ és a kontroll fúrások alapján meghaladhatják a 10 métert is. A VESZ fúrások alapján meghatározott tömör kızet mélysége 1,47 és 15,38 méter között változott. A terepi fúrások alapján (9 db) 1,2 és 5,0 méter között, a korább MÉV által mélyített fúrások (3 db fúrás adatai álltak rendelkezésünkre a Pósa-völgy esetében) szerint pedig 8 és 9 méter között változott a laza üledékek, málladékok és a talaj összvastagsága a vizsgált területen (2. táblázat). A 220 mm feletti víztározási képesség (457,6 mm átlagos talajvastagság a Sás-patak vízgyőjtıjében, ε = 0.48 esetén) azonban nincs hatással a lefolyásra HEC-HMS modellben. Mivel a Pósa-völgyben mért talajvastagságok jelentısen meghaladták ezt az értéket, ezért a modellfuttatásokat 220 mm víztározási kapacitás, mint input érték felhasználásával végeztük el.
6
1. táblázat Talajvastagság értékek a Pósa-völgyben terepi fúrások és VESZ által megállapított mélységek alapján Fúrás azonosítója
Fúrómag átmérıje (mm)
V41/6 V42/6 V43/6 S1/1 S1/2 S1/3 S1/5 S1/6 S1/7
125 125 125 60 60 60 60 125 125
Fúrásmélység alapján megállapított talajvastagság 5.0 2.8 4.9 2.0 1.4 2.2 1.2 1.2 3.3
VESZ által megállapított talajmélység 4.9 3.1 5.7 2.1 1.6 2.1 1.5 1.0 2.9
A maximális beszivárgási sebesség, mint input hidrológiai paraméter meghatározása részben irodalmi adatok alapján (pl.: Jury et al. 1991; Hillel 1998), részben pedig a legfelsı talajszintekbıl győjtött talajok fizikai talajféleségének (méreteloszlásának) meghatározásából történt. Irodalmi adatok alapján (pl. Miller és Gardiner 1998), agyagos vályog esetében imax értéke 2-6 cm h-1 között ingadozik. A jelen kutatás terepi Decagon mini disk infiltrométeres mérései alapján a mért kezdeti (maximális) beszivárgási értékek 2-7 cm h-1 között ingadoztak. A modell input maximális beszivárgási sebesség paraméterének ezért 26 mm h-1 értéket adtunk meg, valamint ennél az értéknél tapasztaltuk a legjobb egyezést a modellezett és a mért vízhozam értékek között. 3.2. A nagyvízi és árvízi események hidrometeorológiai rekonstrukciója 1.3.1. A 2008. október 4.-i nagyvízi vízhozam meteorológiai és hidrológiai körülményeinek rekonstrukciója Ezt a nagyvízi eseményt egy kis intenzitású, 7 óra idıtartamú csapadékhullás váltotta ki. A maximális csapadékintenzitás 7:30 és 8:00 óra között volt megfigyelhetı 1,2 mm h-1 értékkel 7. ábra). Az intenzitás idıbeli változását megegyezınek tekintettük a Sás-patak vízgyőjtıje és az automata állomás között, ezért az automata állomás 10 perces adatait 1,07-es szorzóval (15,2/14,2) módosítottuk. Ezáltal az intenzitás az automata által regisztrált eseménynek felelt meg, a kumulatív csapadék azonban a Sás-patak vízgyőjtıjében mért értékeknek. A 2008. október 4.-i árhullám során a mérések alapján becsült átlagos talajnedvesség tartalom 0,26 m3 m-3 volt (54,1%-os telítettség). A modellezett és a megfigyelt vízhozam idısorok közötti legjobb egybeesést 56%-os modell nedvesség telítettségnél tapasztaltuk (11a. ábra). Ez a különbség azonban elenyészı, ha figyelembe vesszük a használt TDR mőszer mérési pontosságát (±1% VWC). 3.2.2 A 2008. október 17.-i nagyvízi esemény meteorológiai és hidrológiai körülményeinek rekonstruálása A két nagyvízi esemény esetében a megfigyelt és a modellezett vízhozam idısorok alakja hasonló (8. ábra). Azonban a modellezett kumulatív víztömeg mindkét estben kevesebb, mint a megfigyelt. További különbségként jelentkezik az, hogy a HEC-HMS képtelen volt reprodukálni az október 17.-i esemény többszörös maximumait (11b. ábra). Az október 17.-i eseménynél a megfigyelt kumulatív vízmennyiség 1,19-szer több volt, mint a modellezett mennyiség, miközben az árhullám maximumok alig tértek el (4. táblázat). A nagy kumulatív mennyiségben megfigyelhetı különbség két körülménynek tulajdonítható: (a) a nagyon
7
alacsony árhullám-maximumnak, valamint (b) a többszörös maximumoknak (főrészfog mintázat).
8. ábra A megfigyelt és a modellezett vízhozam idısorok a (a) 2008. október 4.-i, valamint az (b) az október 17.-i esemény során Az október 17.-i árhullám esetén az átlagos nedvességtartalom 28,16% (58,6% telítettség) volt a Sás-patak kisebbik vízgyőjtıjén. Az utóbbi esetben a HEC-HMS szimuláció során a legjobb egyezést 59%-os telítettség beállításnál kaptuk. 3.3.1. A 2008. június 4.-i esemény rekonstrukciója Az október 4.-i és október 17.-i események paraméter beállításainak verifikálására modelleztük a 2008-as év során a Sás-patakon lezajlott legnagyobb villámárvízi eseményt. Az árvíz június 4.-én a késı éjjeli órákban érte el tetıpontját, amikor a vízhozam elérte a 0,93 m3 s-1 értéket egy 25 mm-es kumulatív csapadék következtében. A konvektív, nagy intenzitású csapadékesemény során a maximális csapadékintenzitást (6,7 mm/10 perc) a késı délutáni órákban regisztrálták (9a. ábra). A csapadékgóc központja kb. 18:30 és 19:00 CET között tartózkodott a Sás-patak vízgyőjtıje felett. A HEC-HMS-ben található veszteségi paraméterek modul (Soil Moisture Accounting) beállításai, a talajnedvesség kivételével, erre az eseményre megegyeztek a két 2008-as októberi árhullám beállításaival. Mivel mért talajnedvesség értékek ebbıl az idıszakból nem álltak rendelkezésünkre, ezért a talajnedvesség adatokat az ıszi értékekbıl, valamint a hımérséklet – talajnedvesség összefüggésbıl becsültük. A levegı Pogányban mért napi átlaghımérséklete és a talajnedvesség meglehetısen szoros (r2 = 0,9629), fordítottan arányos összefüggést mutatott egymással a 2008. ıszi megfigyelési periódusra, így lehetıséget nyújt a talajnedvesség becslésére a mérések közötti idıpontban (10. ábra). Az árvízi eseményt megelızı 15-napos idıszak során a levegı átlaghımérséklete 18,2oC volt. A legjobb numerikus megközelítéssel kapott talajnedvesség 0,192 m3 m-3-nek adódott. Ebben az esetben az összes kifolyó vízmennyiség 7100 m3-nek, a modellezett vízmennyiség 7600 m3-nek, a maximális vízhozamértékek 0,93 és 0,86 m3 s-1-nek felelt meg (4. táblázat). A megfigyelt június 4.-i árhullám viszonylagosan szabályos árhullámgörbéje, a modellezett árhullám görbe alakja jobban hasonlított a megfigyelt görbéhez, mint a két korábban vizsgált nagyvízi vízhozam idısor. A kisebb mértékő hasonlóságot az árhullámgörbe szabálytalan (főrészfog) alakja és a nagyon kis árhullám-maximum okozta. A HEC-HMS program ugyanis, legalábbis a jelen tanulmány eredményei alapján, nem megfelelı modell a nagyon kis árhullámgörbék helyes reprodukálására. Amikor a talajnedvesség tartalmat 0,192 m3 m-3 értékre állítottuk, akkor a szimulált árvízi maximum 46%-át, a kumulatív kifolyó vízmennyiség 54%-át tudtuk reprodukálni (12. 8
ábra és 4. táblázat). Amikor a modellben 0,216 m3 m-3 talajnedvesség tartalmat állítottunk be, a modell 39,8%-al túlbecsülte a kumulatív a maximális vízhozamot, míg a modell által elırejelzett kumulatív kifolyó vízmennyiség 1,63-szor haladta meg a megfigyelt értéket.
8. ábra 10-perces csapadékösszegek (a) 2008. június 4.-i, (c) 2009. október 4.-i és (e) 2009. október 17.-i csapadékesemények során, míg a (b), (d) és (f) ábrák a június 4.-i, október 4.-i és október 17.-i csapadékesemények egy-egy jellemzı radarképét mutatják. 3.3.2. A 2009. július 2.-i árhullám rekonstruálása Az eseményt valószínőleg a vízgyőjtı déli, magasabban elhelyezkedı területeire lehulló 18,9 mm-nyi nagy intenzitású rövid csapadék váltotta ki. A csapadék 20:08 és 20:58 között hullott. A csapadék 10 perces idıintervallumra vetített maximális mennyisége 9,8 mm volt. Az árhullám 21:30-kor kezdıdött, a vízhozam pedig 22:30-kor érte el a maximumát (11. ábra). Az interpolált térfogati talajnedvességtartalmat 0,30 m3 m-3-ra becsültük a június 24-i 0,294 m3 m-3 és a július 7.-i 0,314 m3 m-3 átlagértékek alapján. A 0,30 m3 m-3 talajnedvesség érték alapján a 18,9 mm csapadékkal a mért eredmények 1,076-szor nagyobbak voltak, mint a modellezett. A Qmax 2,3-szor becsülte túl a mért értéket, míg a modellezett kumulatív kifolyó vízmennyiség 2,51-szer becsülte túl a mért értéket. A lokális jellegő csapadék elképzelhetıen nem a vízgyőjtı teljes területén hullott. A nagy térbeli különbségeket mutatja az is, hogy a csapadék idıbeli eloszlása és mennyisége jelentısen eltért Hetvehely és az V. üzem térségében. A mért és a modellezett vízhozam-idısor lefutása akkor közelítette meg legjobban egymást, amikor a bemeneti csapadékösszeget (a korábbi intenzitásnak megfelelıen) 12,0 mm-re csökkentettük. Ebben az esetben a megfigyelt érték 1,093-szor 9
múlta felül a modellezett Qmax értéket, míg a modellezett kumulatív kifolyó vízmennyiség 1,46-szor haladta meg a mért értéket (3. táblázat). 3. táblázat Megfigyelt, valamint modellezett maximális vízhozam és kumulatív kifolyó vízmennyiség értékek a 2008. június 4.-i árvízi esemény esetében Vízhozam Megfigyelt Modellezett 0,35 m3 m-3 nedvességtartalom esetében Modellezett 0,40 m3 m-3 nedvességtartalom esetében Modellezett 0,45 m3 m-3 nedvességtartalom esetében
Maximális vízhozam (m3 s-1) 0,93 0,43 0,86 1,30
Kumulatív kifolyó vízmennyiség (1000 m3) 7,01 3,8 7,6 11,04
10. ábra A Pogányban megfigyelt napi átlaghımérséklet hatása a Sás-patak völgyében mért átlagos talajnedvesség értékekre 2008. szeptember 5. és 2008. december 5. között Amikor a modell talajnedvesség értékét az idıszakban (2009. június 24. - július 7.) mért minimum értékre csökkentettük (37,8%-os telítettség), akkor a modellezett Qmax érték mindössze 0,5 m3 s-1 értéket ért el, ami kevesebb, mint 1/3-a a mért Qmax értéknek. Amikor a mérési idıszakban regisztrált maximális talajnedvesség telítettséget alkalmaztuk, akkor mintegy kétszer nagyobb értéket eredményezett a modell, mint a megfigyelt esetben (12. ábra). A talajvastagság, 220 mm-nél kisebb értékek esetében nagy hatást gyakorolt a lefolyásra (5. táblázat és 12b és 12d ábrák). A csökkenı talajvastagság, a tározás csökkenése következtében jelentısen megnövelte a modellbeli lefutást. Mivel ez a paraméter nehezen becsülhetı gyorsan és pontosan nagy területekre, ezért vizsgálata elsırendő fontosságú a lefolyási modellek esetében.
10
11 ábra A 2009. július 2.-i árvízi esemény csapadékeseményei és árhullámgörbéje
12. ábra A megfigyelt és a modellezett árvízi görbék különbözı talajnedvesség és talajvastagság értékek esetében a két árvízi eseményre 3.5 A HEC-RAS modellfuttatások eredményei Amennyiben a lefolyási modellfuttatásokat 100% talajnedvesség-telítettség értékeknél végezzük (legrosszabb szcenárió), a tetızı vízhozam 4,73 m3 s-1-nek adódik a Sás-patak kifolyási pontjánál. Ennél a vízhozam értéknél az elöntött területek 16,5 ha területet fednek le a Sás-patak mentén, az Bükkösdi-vízzel történı összefolyási pontjáig bezárólag (13. ábra). A legnagyobb vízmélységet (0,98 m) a modell az összefolyási pont közelébe, a Pécs-Budapest vasútvonal töltésének DK-i elıterébe helyezi. Ennek egyik oka az, hogy a töltés itt mesterséges gátként funkcionál, mert mindössze egy viszonylag szők áteresz biztosít átfolyást 11
itt a patak számára, s nagyvizek és árvizek esetén feltorlasztja a patak vizét. A vasúti töltés jelentıs veszélynek van kitéve árvizek esetén: például, 1954. július 1.-i áradás során a töltés 110 m hosszú szakaszát sodorta el az árvíz, s hasonlóképpen megrongálódott 1987. június 27.-én is (Vass, 1997). A terület jelentıs elöntését figyeltük meg 2010. május 16.-án is, amikor a Sás-patak egy mediterrán ciklon kiadós csapadéka következtében kiáradt.
4. táblázat Megfigyelt és modellezett tetızı vízhozamok és kumulatív kifolyt vízmennyiség különbözı talajnedvesség tartalom értékeknél a 2009. július 2.-i villámárvízi esemény során. Vízhozam
Tetızı vízhozam (m3 s-1)
Megfigyelt Modellezett (θv = 0,360 m3 m-3) Modellezett (θv = 0,370 m3 m-3) Modellezett (θv = 0,380 m3 m-3) Modellezett (θv = 0,438 m3 m-3)
1,60 1,39 1,60 1,80 3,20
Eltérés a mért tetızı vízhozam értékhez képest (%)
Kumulatív kifolyó vízmennyiség (1000 m3)
-12,88 0 +12,75 +100,00
27,00 18,14 20,88 23,59 42,07
Eltérés a mért kifolyó vízmennyiség értékhez képest (%) -32,81 -22,67 +12,63 +55,81
5. táblázat Megfigyelt és modellezett tetızı vízhozamok és kumulatív kifolyó vízmennyiség különbözı talajvastagság értékeknél a 2009. július 2.-i villámárvízi esemény során. Vízhozam
Tetızı vízhozam (m3 s-1)
Megfigyelt Modellezett 208 mm talajmélység esetében Modellezett 104 mm talajmélység esetében Modellezett 5 mm talajmélység esetében
1,60 1,67 1,73 1,855
Eltérés a mért tetızı vízhozam értékhez képest (%)
Kumulatív kifolyó vízmennyiség (1000 m3)
+4,40 +6,25 +21,25
27,00 21,80 22,19 25,37
Eltérés a mért kifolyó vízmennyiség értékhez képest (%) -19,26 -17,81 -6,04
6. táblázat A legjobb modellezett és a megfigyelt maximális vízhozam értékek és a kumulatív vízmennyiségek alakulása a 2008. októberi és a 2009. július 2.- árvízi események során a legpontosabb modellfuttatások esetében Vízhozam Mért, 2008. október 4. Modellezett, 2008. október 4. Mért, 2008. október 17. Modellezett, 2008. október 17. Mért, 2008. július 2. Modellezett, 2008. július 2.
Maximális vízhozam (m3 s-1) 0,02 0,02 0,03 0,03 1,614 1,5
Összes kifolyó vízmennyiség (1000 m3) 1,23 0,73 1,56 1,85 12,59 18,4
Az elöntés másik oka a Bükkösdi-víz és a Sás-patak összefolyása, amely mintegy 500 méterre található folyásirányban a vasúti áteresztıl. Vass (1997) megfigyelései alapján a Sáspatak megnövekedett vízhozamai jelentıs mértékben felelıssé tehetık a Bükkösdi-víz árvizeiért, valamint Hetvehely község nyugati területeinek elöntéséért villámárvízi események során. Ez a jelentıs elöntési öblözet jól megfigyelhetı a 13. ábrán.
12
13. ábra A Sás-völgy elöntési térképe 4,73 m3 s-1 vízhozam esetén a HEC-RAS modell futtatások alapján. (C: a Bükkösdi-víz és a Sás-patak összefolyási pontja; DI: legmélyebb elöntés, vízmagasság: 0.98 m) 4. Konklúzió 4.1 A talajnedvesség tartalom becslése A talajnedvesség tartalmának becslése meglehetısen nehézkes, mivel ez a paraméter mind térben, mind idıben nagymértékben változik. Azonban, az egyes mérési pontokon, egymáshoz képest konzisztensen változtak a mért értékek az egyes mérési idıpontokban. Ezt a konzisztens viselkedést jól magyarázza a fizikai talajtípus, a domborzat és a felszínhasználat (lombkorona fedettség) hatása. Így, véleményünk szerint egy viszonylag kis területő vízgyőjtı esetében egy ponton történı talajnedvesség tartalom mérése jó közelítéssel megadja- egy korábbi kalibrációs mérés, illetve a mérési adatokra illesztett kalibrációs függvény segítségével- a vízgyőjtı többi pontján várható értéket. Így egy ponton történı méréssel (esetleg távérzékelési módszerekkel is), térben extrapolálhatjuk a megfelelı talajnedvesség értékeket. Amennyiben szabályos idıközökben elvégzett talajnedvesség adatok nem elérhetık, idıbeli interpoláció, illetve elırejelzés válhat szükségessé. A megfelelı idıbeli interpolációhoz léghımérséklet adatok, kumulatív csapadék, megfelelı párolgási egyenletek, esetleg vadózus zónára érvényes hidrológiai modellek (pl. Hydrus) szükségesek. Nem erdısült területeken további meteorológiai adatok, pl. relatív légnedvesség és szélsebesség is nélkülözhetetlenek lehetnek. Összesítve, amennyiben figyelembe vesszük a párolgást is, a talajnedvesség értékek idıbeli változásának pontossága jelentıs mértékben növelhetı. Így egy átfogó, vízgyőjtı szintő hidrológiai monitoring rendszer kiépítése, legalább néhány, reprezentatív kísérleti vízgyőjtı esetében mindenképpen kívánatos, hogy real time módban felhasznált adatok numerikus modellekbe történı integrálásával megfelelı pontossággal tudjuk elırejelezni az árvizeket. Az ilyen jellegő tanulmányok egyik kimenete lehetne egy olyan operativ, on line 13
numerikus modell, amelyik real time módban tudná számolni (becsülni) a talajnedvesség értékeket. 4.3 A HEC-HMS lefolyási modell alkalmassága a magyarországi villámárvizek elırejelzésére és numerikus szimulációjára Több korábbi irodalmi forrás szerint is a talajnedvesség erıteljes hatást gyakorol a felszíni lefolyásra (pl. Jessup és DeGaetano 2008). Ez a hatás azonban a talaj pufferhatása következtében hosszabb idıskálán már mérséklıdik, azaz nagy csapadék nem feltétlenül okoz nagy árvizet (1. ábra). A két paraméter közötti alacsony korreláció a pufferhatáson kívül a talajnedvesség meghatározás rossz idıbeli felbontásának (heti és kétheti), valamint a tagolt domborzatnak (ezáltal kismértékő beszivárgásnak) is tulajdonítható. A modellezés szempontjából különösen fontos a talajnedvesség mérésének idıpontja: természetesen a legreálisabb értékek közvetlenül a csapadékesemény kezdete elıtt határozhatóak meg, ez azonban nem szolgáltat kellı idıelınyt védekezés megszervezésre esetleges katasztrófa esetén. Bizonyos korlátozásokkal a HEC-HMS modell megfelelı eszköz a nagy árhullámok rekonstruálására kismérető vízgyőjtıkön. Eredményeink szerint a HEC-HMS modell megfelelı a nagy árhullámok elırejelzésére, valamint alkalmas az árvízi csapadékküszöbértékek megállapítására. Azonban a modell eredményei nem minden esetben kielégítıek akkor, amikor az árhullám-maximuma viszonylag kicsi, illetve többszörös, egymást követı (főrészfog jellegő) csapadékmaximumok esetében. A HEC-HMS modell megfelelı szimulációs eszköz egy országos villámárvíz kockázati és elırejelzı rendszer használatához, de amint azt fent említettük, néhány szempontból a programnak megvannak a korlátai is. A modell segítségével kiszámolható az árvizeket létrehozó csapadék-küszöbértékek akkor, ha a környezeti peremfeltételek megfelelı pontossággal állnak rendelkezésünkre. Azonban ezt nehezíti az, amint már korábban is említettük, hogy némely környezeti feltétel mind térben, mind idıben, jelentékenyen változik. Ilyen környezeti paraméter pl. a talajnedvesség. Erre a paraméterre, véleményünk szerint túlzottan érzékenyen reagál a HEC-HMS program. A talajnedvesség különösen változó környezeti faktor, a modellben pedig egy vízgyőjtıt, tekintet nélkül annak területére, mindössze egyetlen érték képvisel. Így a modellben input adatként használt érték, a valós mérések alapján, mindössze egy meglehetısen széles érték-intervallumban mozgó átlagot jelent. Emiatt a felhasznált adatok nagy valószínőséggel nem tükrözik a nagy térbeli talajnedvesség különbségeket. Többszörös modellfuttatások, különbözı input talajnedvesség adatokkal segítenek reprodukálni mind a valóságos talajnedvesség értékeket, mind a vízhozam idısort, azonban ezek az adatok, hasonló környezeti feltételek mellett, csak nagy óvatossággal használhatók fel villámárvizek elırejelzésére. A hidrológiai modellek megkövetelik a vízgyőjtık méretének csökkenését, illetve optimális megválasztását, annak érdekében, hogy térben homogenizált adatokat adhassunk meg, mint pl. a talajtípus és a lombkorona fedettség értékek esetében. Azonban, ezen a környezeti faktorok megfelelı kvantifikálásához részletes, nagy felbontású adatbázisokra van szükség. Ezzel párhuzamosan, a felszíni csapadékmérések kiegészítéséhez legalább 15-perces felbontású radaradatokra is szüksége van a HEC-HMS modellnek. Amennyiben ezek az elengedhetetlenül szükséges input adatok rendelkezésre állnak, a HEC-HMS modell megfelelı eszköz a gyors lefolyású hegy- és dombvidéki árvizek numerikus modellezésére, így megfelelı programnak tekinthetı egy numerikus modelleken alapuló országos villámárvíz elırejelzı rendszer kiépítéséhez.
14
A jelen dolgozat alapjául szolgáló publikációk: Czigány, S., E. Pirkhoffer, L. Nagyváradi, P. Hegedős & I. Geresdi 2011. Rapid screening of flash floodaffected watersheds in Hungary Z. Geomorph. N.F. 55:1-13. Czigány Sz., Pirkhoffer E., Balassa B., Bugya T., Bötkös T., Gyenizse P., Nagyváradi L., Lóczy D. & Geresdi I. 2010. Villámárvíz mint természeti veszélyforrás a Dél-Dunántúlon. Földr. Közl. 134(3):281-298. Czigány, S., E. Pirkhoffer, L. Nagyváradi, A. Szebényi, P. Vass & I. Geresdi 2010. Potential areas of flood impoundment in Human environments, Bükkösd Valley, SW. Hungary. Géomorphologie: relief, processus, environnement. 3:301-310. Czigány, S., E. Pirkhoffer, & I. Geresdi 2010. Impact of extreme rainfall and soil moisture on flash flood generation Idıjárás, 114(1–2): 79-100. Pirkhoffer E., S. Czigány & I. Geresdi 2009. Impact of rainfall pattern on the occurrence of flash floods in Hungary Z. Geomorph. N.F. 53:139-157. E. Pirkhoffer, S. Czigány, I. Geresdi & G. Lovász 2009. Environmental hazards in small watersheds: flash floods - impact of soil moisture and canopy cover on flash flood generation. Riscuri şi catastrofe, ClujNapoca, Casa cartii de stiinta. ISSN 1584-5273 pp. 117-130. Pirkhoffer E., Czigány Sz. & Geresdi I. 2009. Az MM5 fizikai talajféleség alapadatok és az AGROTOPO adatbázis összehasonlító elemzése. in: Szabó-Kovács B., Tóth J. & Wilhelm Z. (ed.): Környezetünk Természeti-társadalmi dimenziói. Tanulmánykötet Fodor István tiszteletére. IDResearch Kft./Publikon Kiadó, Pécs, ISBN: 978-963-88332-4-2 pp. 39-49. Lovász, G., P. Gyenizse, E. Pirkhoffer & S. Czigány 2009. Environmental impacts of the dams along the Hungarian Danube and Tisza sections. Columbia University Seminar Proceedings, in: Halasi-Kun, G.J. (ed.): Pollution and Water Resources, Vol. XXXVIII-XXXIX. 2008-2009. pp. 110-129., Columbia University ISBN: 978 963 9899 11 7 Czigány, S., E. Pirkhoffer & I. Geresdi 2009. Environmental impacts of flash floods in Hungary in: Samuels, P., S. Huntington, W. Allsop & J. Harrop (eds.): Flood Risk Management: Research and Practice. Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-48507-4 pp. 1439-1447. Czigány, S., G. Lovász & I. Fodor. 2008. Additional data on the mapping of the Western Mecsek Karst area, Southern Hungary. In: D. Lóczy, J. Tóth & A. Trócsányi (eds.): Geographia Pannonica Nova 3. Progress in Geography in the European Capital of Culture 2010. Imedias Publisher, Pécs ISBN: 978-96387195-7-7
A jelen dolgozat alapjául szolgáló konferencia elıadások: Pirkhoffer E., S. Czigány & I. Geresdi 2010: Villámárvizek modellezhetısége Magyarországon in: Lóki J. & Demeter G. (szerk.): Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában. RexPo kft., Debrecen ISBN: 978-963-069341-7 p. 131-143 Balassa B., Bugya T., Czigány Sz., Gyenizse P., Nagyváradi L., Pirkhoffer E. 2009 Domborzati modellek használata a Pécs környéki geoinformatikai vizsgálatokban. Geoinformatika és domborzatmodellezés 2009. A HunDEM 2009 és a GeoInfo 2009 konferencia és kerekasztal válogatott tanulmányai (csak elektronikus formában/digital format only). http://www.uni-miskolc.hu/~fkt/Hundem_es_Geoinfo_2009/Cikkek/BalassaB_et_al.pdf Czigány S. & Pirkhoffer E. 2009. A késı-pleisztocén villámárvizek hatása a Pacifikus ÉNy (Egyesült Államok) felszínfejlıdésére. In: Fábián, Sz. Á. & N. L. Görcs (eds.): 100 éves a jégkorszak (A jégkorszaki klímaváltozások kutatása Penck-Brücknertıl napjainkig (1909-2009), absztraktkötet, Kontraszt Pécs Bt. p. 25 Bálint. G., S. Szél, S. Czigány, E. Pirkhoffer & J. Szilágyi 2009. Kisvízfolyások árvízi veszélytérképezése A Magyar Hidrológiai Társaság XXVII. Országos Vándorgyőlése Baja, 2009. július 1.-3. 15
Pirkhoffer, E., S. Czigány & I. Geresdi 2008 Modeling of flash flood events in a small low-mountain watershed in SW Hungary. In (eds.): Montani, A., P.P. Alberoni, A. Rossa, M.W. Rotach, A. Buzzi & S. Daviolo: Proceedings of the joint MAP D-PHASE Scientific Meeting COST 731 mid-term seminar. Challenges in hydrometeorological forecasting in complex terrain. pp. 139-146. (csak elektronikus formában/ digital format only) http://www.smr.arpa.emr.it/dphase-cost/master_proceeding_final.pdf Lovász, G., P. Gyenizse, S. Czigány & E. Pirkhoffer. 2008. In: Szabó, V., Orosz Z., Nagy R. & Fazekas I. (eds.): A holocén tektonika és a Duna, a Tisza valamint a Dráva esésgörbéje. IV. Magyar Földrajzi Konferencia Tanulmánykötete, Debreceni Egyetem, Meridián Alapítvány, pp. 41-44. ISBN 978-963-066004-4. Geresdi I., S. Czigány & E. Pirkhoffer 2008. Új természeti katasztrófák Magyarországon: villámárvizek – „Flash flood-ok”. Pannon Tudományos Nap, Nagykanizsa, 2008. október 15. (elıadás) Czigány, S., E. Pirkhoffer & I. Geresdi (2008): Environmental impacts of flash floods in Hungary in: Samuels, P., S. Huntington, W. Allsop & J. Harrop (eds.): Flood Risk Management: Research in Practice. Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-48507-4 p. 245 (conference abstract, The European Conference on Flood Risk management, 30 September - 2 October, 2008, Oxford, UK). Czigány S., Pirkhoffer, E., Geresdi, I. & Nagyváradi, L. 2008. Flash flood hazards in Hungary. Human Impact on the Landscape (HILS) & Geomorphological Hazards (IAGeomhaz). First Joint Congress of the I.A.G./A.I.G. Working Groups. 8 to 12 September 2008, Bochum, Germany, p. 2. (elıadáskivonat és poszter elıadás / short abstract and poster presentation) Czigány Sz., Gyenizse P., Lovász Gy. & Pirkhoffer E. 2008. A jelenkori szerkezeti mozgások hatása a Duna és a Tisza hazai mederesésére. HUNGEO 2008 Magyar Földtudományi Szakemberek IX. Világtalálkozója. 2008. augusztus 20-24. Budapest. In.: Kovács-Pálffy P., Zimmermann K., Verebiné Fehér K. & Kopsa G.(eds.): A Föld éve - 2008. A földtudományok az emberiségért a Kárpát-medencében. InnovaPrint Kft., Budapest ISBN 978-963-8221-41-4 p. 39. (elıadáskivonat és elıadás / short abstract and oral presentation) Pirkhoffer E., Czigány Sz., Geresdi I. & Gyenizse P. 2008. A villámárvizek (flash flood-ok) elırejelezhetısége és modellezhetısége Magyarországon. HUNGEO 2008 Magyar Földtudományi Szakemberek IX. Világtalálkozója. 2008. augusztus 20-24. Budapest. In.: Kovács-Pálffy P., Zimmermann K., Verebiné Fehér K. & Kopsa G. (eds.): A Föld éve - 2008. A földtudományok az emberiségért a Kárpátmedencében. Innova-Print Kft., Budapest ISBN 978-963-8221-41-4 p. 51. (elıadáskivonat/ short abstract és elıadás) Pirkhoffer, E., Czigány S. & Geresdi I. 2008 Modeling of flash flood events in a small low-mountain watershed in SW Hungary. Joined 2nd MAP D-PHASE Scientific Meeting & COST 731 Mid-term Seminar. Bologna, 19-22 May 2008 (elıadás és abstract, pp. 64-65.) Pirkhoffer, E., Czigány S., Geresdi I. & Nagyváradi L. 2007. Effect of topography and rainfall pattern on the occurence of flash floods in Hungary. Carpatho-Balkan-Dinaric Conference on Geomorphology, October 24-28, 2007, Pécs, Hungary (poster presentation)
16
