Kiss Kinga1 – Czigány Szabolcs2 – Valkay Alexandra Ilona3 – Marcin Słowik4 – Remigiusz Tritt5 – Adam Marciniak6 – Balogh Richárd7 –
Dezső József8 – Lóczy Dénes9 – Halmai Ákos10 – Pirkhoffer Ervin11
Bevezetés
A Pécsi Tudományegyetemen kialakított hidromorfológiai laborban (Kiss et al. 2015; Pirkhoffer et al. 2014; Halmai et al. 2017) 2018-19-ben végzett kísérletek elsődleges célja a magyarországi kisvízfolyások paleomeder-vizsgálati módszereinek megalapozása volt.
A 4,2×2,5 m méretű modelltérben kialakítottunk egy 3×1 méteres szelvényt, melyben az egyes paraméterek változatásával végeztünk kísérleteket (1. ábra). Ezek a paraméterek az asztal dőlésszöge, a kísérleti anyag vastagsága és szemcsemérete, valamint a vízhozam mennyisége. Egyes kísérletek során megvizsgáltuk villámárvizek, valamint a folyatott vízhez hozzáadott hordalék hatásait a mederfejlődésre.
A kísérletek alatti folyamatos felvételezés eredményeként hatalmas mennyiségű fotóanyag készül, amelyek feldolgozásához fotogrammetriai eszközöket használunk.
A meghatározott időközönként készült 8 db képből nagyfelbontású 3D modellek készülnek, így a folyamatok jól követhetők és elemezhetők.
Abstract: The primary purpose of our paper is to establish research methods for investigating hungarian small streams under laboratory conditions. For this purpose we used our sandtable at the University of Pécs. We established a method for conducting experiments with changing various parameters such as the slope of the table, the thickness of the material and the discharge of the “river”. We monitor the changes in the experimental area by taking images during the experiments. Then we calculate high resolution orthophotos and digital elevation models using these images. This way we can track every change in the model area and analyze the resulting models. By changing the previously mentioned parameters we can observe the same processes as in natural rivers.
1 tanársegéd, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, kissk@gamma.ttk.pte.hu
2 egyetemi docens, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, sczigany@gamma.ttk.pte.hu 3 kutatási asszisztens, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, valkays2@gamma.ttk.pte.hu 4 egyetemi docens, Adam Mickiewicz University, Faculty of Geographical and Geological Sciences 5 tanszéki munkatárs, Adam Mickiewicz University, Faculty of Geographical and Geological Sciences 6 adjunktus, Adam Mickiewicz University, Faculty of Geographical and Geological Sciences
7 technikus, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, brichard@gamma.ttk.pte.hu 8 adjunktus, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, dejozsi@gamma.ttk.pte.hu 9 egyetemi tanár, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, loczyd@gamma.ttk.pte.hu 10 tanársegéd, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, halmaia@gamma.ttk.pte.hu 11 egyetemi docens, PTE TTK Földrajzi és Földtudományi Intézet, pirkhoff@gamma.ttk.pte.hu
Anyag és módszer
A kísérletsorozat elvégzéséhez a modelltérben az egyes kísérletekhez más és más anyagot használtunk: a külön erre célra készített, színkódolt őrlemény-keveréket;
az egyes színeket/szemcseméreteket külön, valamint a Sió mederanyagát. A színkódolt kőzetőrlemény szemcseméret szerint osztályozott: a 0,4 mm-es fehér színű mészkőből, a 0,6 és 0,8 mm-es tartomány vörös mészkőből, valamint fekete andezitből, az 1 mm-es szemcseméret bazaltból készült.
Külön kísérleteket futtatunk csak az 1 mm-es szemcseméret használatával, valamint a Sió medrének jóval kisebb szemcseméretű anyagát felhasználva.
A kísérletek időtartama alatt folyamatos felvételezés zajlott, melynek intervalluma változó: 30 vagy 60 másodperc a paraméterek beállításától függően.
1. ábra A terepasztal és a modelltérben kialakított kísérleti tér
A terepasztal dőlésszöge szintén változó: egyes kísérletek alatt változatlan (3°
vagy 5°), mások alatt folyamatosan változó 1°-tól 5°-ig terjedő intervallumban, fél fokonként változtatva adott időközönként.
A kísérleteket előre előkészített egyenes és meanderező mederben kezdtük meg. Az előkészített meder mélysége 2 cm, szélessége 4 cm volt.
A felvételezés 8 db Canon EOS kamera segítségével történt. Elhelyezésük a terepasztal feletti konzolon a kísérleti tér középvonalában történt. Négy kamera Samyang 16 mm ƒ/2,2 és négy kamera Sigma 24 mm ƒ/1,4 objektívvel van felszerelve.
A felvételekből fotogrammetriai számítások segítségével készítjük el a 3D modelleket, melyekből ortofotó, valamint magassági modell készül. A modellek elészítéséhez az Agisoft Metashape 1.5 verzióját, a modellek feldolgozáshoz az ArcMap 10.6.2 verzióját használtuk.
A folyamatok pontosabb követhetőségéért egy GoPro kamerát is használtunk, mellyel 4K felbontású 120 fps felvételt készítünk a szemcsék mozgásának detektálására a kísérletek során.
A modelltérben a Metashape által generált markereket helyeztünk el, melyeket a szoftver automatikusan felismer, így azok koordinátáinak megadása is egyszerűbb a feldolgozás során. A markerek és kamerák helyzetének pontos beméréséhez egy Sokkia mérőállomást, a koordináták meghatározáshoz egy helyi koordináta-rendszert használtunk.
A kísérletek végén, a modelltér kiszáradását követően földradar-méréseket végeztünk (ground-penetrating radar; Słowik et al. 2018). A GPR mérések a mellék- és főágak anyagának rétegzettségét vizsgálták.
Az első kísérlet alatt 1,5 liter/perc vízmennyiséget, 3 cm-es anyagvastagságot használtunk, az asztal dőlésszöge végig 5° volt (2. ábra, 1. táblázat).
A második kísérlet az előzőhöz hasonlóan 1,5 liter/perc vízmennyiséggel, 3 cm-es anyagvastagsággal, valamint 5°-os dőlésszöggel zajlott. Ennél a kísérletnél 1 es réteget alakítottunk ki a világos színű 1 mm szemcseméretű anyagból a 2 cm-es kevert anyag alatt annak reményében, hogy a kialakuló medrek jobban kivehetőek az ortofotókon (3. ábra, 1. táblázat).
A harmadik kísérletünk 3°-os dőlésszöggel, állandó 1,5 liter/perc vízmennyiséggel, 3 cm-es anyagvastagsággal zajlott (4. ábra, 1. táblázat).
2. ábra Az első kísérlet
3. ábra A második kísérlet
4. ábra A harmadik kísérlet
A következő kísérlet az előző ismétlése; ennek során 3°-os dőlészöget, 1,5 liter/perc vízmennyiséget használtunk, a kísérleti anyag vastagsága 3 cm, anyaga a kevert kőzetőrlemény (5. ábra, 1. táblázat).
Az ötödik kísérlet során a dőlésszöget 10 percenként változtattuk (1°, 1.5°, 2°, 2.5°, 3°, 3.5°, 4°, 4.5°, majd 5.0°), a “folyó” vízhozama állandó 1,5 liter/perc volt, valamint 3 cm kevert kőzetőrlemény volt a kísérleti anyag. Ennek során 5 percenként finomszemcséjű (<100 µm) hordalékot öntöttünk (20 g/l) a vízfolyásba (6. ábra, 1. táblázat).
5. ábra A negyedik kísérlet
6. ábra Az ötödik kísérlet
Kísérlet Képek Anyagtér Dőlésszög
(2018.11.27.) 30sec1. 3 cm kevert (0,2 mm; 0,6 mm;
0,8 mm; 1mm) 5°
(2018.11.29.) 30 sec2. 1 cm (1 mm szemcseméret) +
2 cm (kevert) 5°
(2019.01.23.) 30sec3. 3 cm kevert (0,2 mm; 0,6 mm;
0,8 mm; 1mm) 3°
(2019.01.24.) 30sec4. 3 cm kevert (0,2 mm; 0,6 mm;
0,8 mm; 1mm) 3°
(2019.01.28.) 60sec5. 3 cm kevert (0,2 mm; 0,6 mm;
0,8 mm; 1mm)
1.0°, 1.5°, 2.0°, 2.5°, 3.0°, 3.5°, 4.0°, 4.5°, 5.0°
10 percenként változtatva 1. táblázat A feldolgozott kísérletek
Eredmények
A kísérletek időtartama körülbelül egy óra, melynek során jól észrevehető, hogy az asztal paramétereinek változtatásával a természetben is megfigyelhető változásokat tudtunk detektálni. Az alkalmazott beállításoknál az alsó-, közép-, és felsőszakasz-jellegű morfológiai forma egyaránt kialakul.
Jól látszik, hogy a modelltérben 2,5 fokos dőlésszögnél kezd kialakulni az anasztomizáló folyómeder, mely az ötödik kísérlet során volt a legjobban megfigyelhető. A kísérlet kezdetén az asztal dőlésszöge 1° volt, melyet tízpercenként fél fokkal növeltünk. A 8. ábrán jól látható, hogy az említett dőlésszögnél kezd kialakulni ez a medertípus.
Azért, hogy vizsgáljuk a valódi, természetben megtalálható forma és a modelltérben kialakuló forma összehasonlíthatóságát, mintáztuk a kialakult térben a medret. A lézeres szemcsevizsgálat eredménye azt mutatja, hogy a modelltérben az energetikai folyamatok ugyanúgy játszódnak le, mint a valóságban.
7. ábra A második kísérlet magassági profiljának változása a vízfolyás középső szakaszán (minél sötétebb, annál későbbi)
8. ábra A kísérlet különböző szakaszai során alakuló folyómeder
Felhasznált irodalom
Bertalan L. – Szabó G. (2014): Fotogrammetria-alapú domborzatmodellezés folyóvizes terepasztalon. In: Balázs Boglárka (szerk.): Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában V. Konferencia helye, ideje: Debrecen, Magyarország, 2014. május 29.–2014. május 31. Debrecen: Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 69–76.
Halmai Á. – Kiss K. – Hervai A. – Máté K. – Czigány Sz. – Pirkhoffer E. (2017):
Tektomorfológiai vizsgálatok fizikai kisminta modelleken In: Balázs, B. (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában VIII. = Theory meets practice in GIS Debrecen, Magyarország : Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 127–132, 6 p.
Kiss K. – Halmai Á. – Czigány Sz. – Balassa B. – Bugya T. – Lóczy D. – Pirkhoffer E. (2015): Deltatorkolat az alagsorban!? – Kismintás hidromorfológiai vizsgálatok.
In: Boda, J (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában:
Térinfomatikai Konferencia és Szakkiállítás VI. Debrecen, Magyarország: Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 217–223, 7 p.
Słowik, M. – Dezső J. – Marciniak A. – Tóth G. – Kovács J. (2018): Evolution of river planforms downstream of dams: Effect of dam construction or earlier human-induced changes? Earth Surface Processes and Landforms, February 2018. DOI: 10.1002/
esp.4371
Pirkhoffer E. – Czigány Sz. – Bugya T. – Balassa B. – Bötkös T. – Lóczy D. – Fábián Sz. Á. – Varga G. – Kovács M. – Halmai Á. – Rábay A. – Nagy G. – Jancskárné Anweiler I. – Falmann L. (2014): PTETHYS, a térinformatika és fizikai kisminta modellezés újszerű megközelítése. In: Balázs, Boglárka (szerk.) Az elmélet és a gyakorlat találkozása a térinformatikában V.: Térinformatikai konferencia és szakkiállítás. Debrecen, Magyarország: Debreceni Egyetemi Kiadó, pp. 271–279, 9 p.