talajnedvesség-mérı rendszerekkel, ami összességében egy hidrológiailag feltáratlan rend-szert jelöl (KORIS,2002).
A PTE, az OMSZ és a VITUKI több támogatott kutatás keretében próbálta feltárni, a hegy- dombvidéki vízgyőjtıkön kialakuló villámárvizek hatótényezıit (PTE-VITUKI-OMSZ 2006, 2007, 2008). Megfogalmazódtak azok a szabályok, amelyek bemutatják az árvízi kockázatkezelés irányelveit (SZLÁVIK et al., 2002) majd, kialakításra került egy veszélyeztetettségi mo-dell (PIRKHOFFER et al. 2008a), amely a passzív tényezık alapján kategóri-ákba sorolta a magyarországi hegy- és dombvidéki vízgyőjtıket (1. ábra).
Ezekhez a kutatásokhoz kapcsolódnak az elsı elırejelzési kísérletek, vala-mint numerikus modellezési metódusok kidolgozásának a kezdetei (C ZI-GÁNY et al.,2009; PIRKHOFFER et al., 2008b, 2008c).
1. ábra A villámárvizektıl veszélyeztetett területek Magyarországon
Célkitőzés
Értekezésünkben bemutatjuk, hogy Magyarország hegy- és dombvidéki víz-győjtıin milyen lehetıségek vannak a veszély - kockázat - elöntés modellek kialakítására. Kiemelve, hogy a kisvízfolyások, és ezek árvizeinek paraméterezhetısége, és az ezen problémák kezelésére alkalmazott numeri-kus modellek még nem teljesen kidolgozottak. A legtöbb modell a nagyvízi rendszerek tulajdonságait, paramétereit, fizikai törvényszerőségeit próbálja átültetni, egy merıben más tulajdonságokkal, pontosabban a tulajdonságok más súllyal való megközelítését igénylı problémakörhöz.
Módszereket mutatunk be arra, hogy Magyarországon milyen lehetı-ségek vannak elöntési térképek, modellek megalkotására hegy- és a dombvi-déki környezetben, mind az adathiányos, mind a jól felmért vízgyőjtık ese-tében is.
A cikk terjedelme nem teszi lehetıvé a módszerek részletes bemuta-tását, inkább az algoritmus, az elkészítési folyamat lépéseinek és kimenetei-nek lehetséges módozatait tárja fel. Kiemelten kezeljük két módszer, a térin-formatikai modellek és a numerikus megközelítéső modellek összehasonlítá-sát, a különbözı tényezık alapján.
Eszközök és módszerek
A villámárvizek modellezést két metódus alapján kívánjuk bemutatni. Az egyik egy gyors vagy a nemzetközi gyakorlatban „rapid-screening” elneve-zéssel meghonosodott módszer, amely egy egyszerősített térinformatikai metódus, a másik a térinformatikával támogatott, numerikus modellezésen alapuló megközelítés.
A térinformatikai elemzéseket ARC/GIS 9.2-es programmal végez-tük. Egyes kiértékelésekre a SAGA GIS 2.0.4 verziójú programját használ-tuk fel. A numerikus modelleket a HEC modellezési környezetben végeztük el. A csapadék-lefolyás modellt HEC-HMS programban, az elöntés modell elıkészítését és megjelenítését az ARC/GIS alatt futó HEC-GeoRas modul-lal, mint, míg az elöntési modelleket HEC-Ras programban végeztük el.
Az elemzésekhez az 1:100 000 méretarányú AGROTOPO talajtani adatbázist, a MÁFI 1 :100 000-es földtani adatbázisát,valamint az 1 : 50 000-es CLC-50 adatokat használtuk fel. A vízrajzi adatokat, vízfolyások középvonalát, vízgyőjtık, valamint a kritikus vízhozam adatokat a VITUKI Rt. bocsátotta a rendelkezésünkre. A domborzati modellek a DDM-5 illetve DDM-10 FÖMI által elkészített adatokból vezettük el.
Eredmények
Korábbi vizsgálataink során bemutattuk, hogy a magyarországi hegy- és dombvidéki vízgyőjtık egyszerő környezeti parametrizációjával levezethetı egy árvíz veszélyeztetettségi térkép, amely hat kategóriába sorolta a villám-árvíz szempontjából lehetségesen befolyásolt térszíneket (1. ábra).
A veszélytérkép alapegységét a vízgyőjtık jelentették. A bekövetke-zett káresemények lehetséges nagyságrendje alapján nem klasszikus hidroló-giai megközelítéső vízgyőjtı lehatárolást alkalmaztunk, hanem a vízgyőjtı kifolyási pontjának, mindig egy települést adtunk meg. Ezen vízgyőjtı
leha-tárolás adja az elöntési térképeink alapját is. Ezek alapján Magyarország hegy- és dombvidéki vízrendszere 1100 vízgyőjtıre osztható fel.
A modell azonban csak egy veszélyeztetettséget fogalmazott meg, 1 : 250 000–es felbontásban. A pontosabb elırejelzések, védekezési eljárások nagyságrendekkel pontosabb modellek kialakítását igénylik.
Azonban a vízgyőjtık nagy száma indokolttá teszi, hogy több mód-szert is kidolgozzunk az elöntési térképek elıállítására. A problémát nem csak a vízgyőjtık nagy száma adja, hanem az is, hogy ezek lényegében feltá-ratlan, tehát nagy adathiánnyal jellemezhetı területek. Nincsenek részletes vízhozam-vízállás-csapadék mérıhálózattal ellátva, valamint ezeken a fo-lyókon, patakokon levonult árvizek detektálása, vagy akár az esemény utáni felmérése sem történt meg.
Azonban az éghajlatváltozás egyik fontos és bizonyított tényezıje, hogy a heves, kiszámíthatatlan idıjárási helyzetek, események egyre gyako-ribbá válnak. Ilyen eseményeknek tekinthetıek a heves konvektív zivatarok, amelyek a legtöbb problémát a hegy- és dombvidéki vízrendszereken okoz-hatnak. Ezek pontos lokalizációja szinte lehetetlen, így fel kell készülni olyan elöntési térképekkel, amelyek bizonyos idıjárási (csapadékterhelés, intenzitás) helyzetekben alkalmazhatóak. Mivel nincsenek statisztikailag megbízható méréseink, így a numerikus megközelítéső, vagy térinformatikai alapú modellekre kell hagyatkozzunk. Mindkét megközelítés több elınyös valamint hátrányos tulajdonsággal jellemezhetı (1. táblázat). A vízgyőjtık nagy száma miatt több típusterületet is kijelöltünk Magyarországon, amelye-ken kidolgozzuk mindkét modellkörnyezet alapelemeit, valamint levezetjük azt az általánosított sémát, amelyek a bemeneti adatok felbontásának és mi-nıségének függvényében végül az elöntési térképhez, modellhez vezetnek, és kiterjeszthetıek lesznek az összes többi vízgyőjtıre is.
A korábbi veszélytérképek és bizonyított villámárvíz események alapján három típusterület került kijelölésre. Jelen tanulmányban a Bükkösd-patak példáján mutatjuk be a lehetséges megoldásokat. A Mecsekben találha-tó patakrendszer több szempont alapján is ideálisnak nevezhetı.
A vízrajzi adatok alapján hazánk legjobban feltárt vízgyőjtıje. Ennek oka, hogy az uránbányászat befejezıdésével egy teljes monitoring hálózatot állítottak fel, amely részletes (10 perces) vízhozam és csapadékadatokat szolgáltat.
A Bükkösdi-víz balparti mellékágában, a Hetvehelyi-mellékág (Sás-völgyi-patak) vízgyőjtıjén került kialakításra hazánk legrészletesebb hirte-lenárvíz szempontú csapadék-vízhozam-talajnedvesség-fedettség megfigyelı hálózata (PIRKHOFFER et al. 2009). Végül, a Bükkösd-Hetvehely települések közötti szakaszon az elmúlt harminc évben hat jelentıs hirtelen árvíz vonult le, amelyek közül több katasztrofális károkat okozott a Dél-Dunántúl
legfon-tosabb vasúti rendszerében a Pécs-Budapest villamosított pályaszakaszban (VASS,1987).
1. táblázat A numerikus megközelítéső és térinformatikai alapú modellek különbségei
Térinformatikai modell
Numerikus modell (HEC program környezet) térin-formatikai támogatással
Általános adatigény Alacsony Magas
Általános adatpontosság Közepes Magas
Elıállításhoz szükséges
szak-ismeret Közepes Magas
Automatizálhatóság Magas Közepes
Elıállítás sebessége Gyors Lassú
Szakadatok
Domborzati modell minimális
felbontása 5 m 1 m (szubméter)
Domborzati modell
felhasz-nálása Az egész vízgyőjtın A völgyben
Vízrajzi modell Domborzati meghatározottságú Valós vízhálózat Vízhozam-vízállás adatok
pontossága Nem értelmezett Magas
Simaság, határsebesség stb.
adatok Nem értelmezett Alapvetı fontosságú
Környezeti paraméterek
figyelembevétele Csak passzív paraméterek Aktív és passzív paraméterek Talaj-felszínborítás-geológia
adatok felhasználása Közvetlen (foltszerő) Közvetett (pontszerő) Szoftverigény Általános térinformatikai
prog-ram Speciális modellezı környezet
Virtuális 3D megjelenítés Lehetséges Lehetséges
Besorolás Veszélytérkép Elöntési térkép
Kiértékelés Összetett Egyszerő
Elöntési modellek
A rendelkezésre álló adatok alapján, Magyarországon lehetetlen egy teljes numerikus modellezésen alapuló, 1D árhullám-transzformációs megközelí-tésbıl építkezı modell kialakítása, és ezekbıl elöntési térképek levezetése.
Azonban az Európai Unió szabályai alapján az adathiányos, feltáratlan víz-győjtıkre is létre kell hozni az elöntési modelleket. Az 1. táblázat tartalmaz-za azokat a legfontosabb megállításokat, amelyek a két modell alapvetı sajá-tosságait bemutatják.
Mindkét modell alapját a domborzati modellek adják. Azonban, míg a térinformatikai modellben használt domborzat megenged egy 5 méteres felbontásbeli pontosságot, addig egy egzakt numerikus elöntési modell igé-nye 1 méter, illetve méter alatti. Ez az elvárt különbség általában nem a
fel-sıszakasz jellegő völgyekben ad jelentıs eltérést, hanem az öblözeti model-lek kialakításakor.
A domborzati modell, a térinformatikai támogatottságú elöntési tér-képek kiemelt adatbázisa. Hiszen a teljes mőveleti sort un. domborzati meg-határozottságúnak hívjuk, mert mind a lefolyási, összegyülekezési és vízhá-lózati modell is ebbıl kerül levezetésre.
2. ábra A domborzati modell és a vízhálózat (a), valamint a domborzati modellbıl levezetett kritikus magasságú zóna (b).
Ugyancsak a domborzatból kerül levezetésre, az un. vízfolyás feletti kritikus magasság értéke is (2.b ábra). A kritikus magasság az az elméleti érték, amely már a statisztikailag valószínőtlen árvizek szintje felett található. A bükkösdi modell esetében ez 10 méter.
3. ábra Általános völgymodellek
Ez az érték legtöbbször a 3.a ábrán látható völgymodell alapján kerül leve-zetésre. Tehát a folyó, mint valódi entitás csak középvonalának, a völgyben való elhelyezkedése látszik, nincs valós mélysége. Ebbıl következıen ezeket a modelleket, völgyi elöntési térképeknek is nevezzük.
A völgyi modellek meghatározásának fontos lépése, a szőkületek és öblözetek pontos kijelölése (4.b ábra). Bár a völgykeresztmetszetek alapján ez automatizálható, de ebben a fázisban több vizuális interpretációs beavat-kozásra van szükség az egzakt meghatározáshoz.
4. ábra Domborzati és súlyozott összegyülekezési modell (a) völgyszélességi (öblözeti) mo-dell (b)
A térinformatikai megközelítésben az összegyülekezési folyamat is a dom-borzat alapján meghatározott vízrendszerben kerül kialakításra. Ez az 5 mé-teres domborzati modellt alapul véve több hibatényezıvel is terhelt. A dom-borzati vízrendszer és a valós patakhálózat középvonalai néha 100 méteres távolságban is eltérhetnek egymástól. Az összegyülekezést több szempontból is értékelni kell. Egyrészt az egyszerő domborzati modellbıl levezetett ada-tokkal. Ezek az un. betonfelszín modellek, melyek szivárgási befolyástól mentesnek tekintik a felszínt (4.a ábra), valamint feltételezzük, hogy nincs felszínborítottság, ami gyorsítaná vagy lassítaná az összegyülekezés folya-matát.
Másrészt az összegyülekezést értékelni kell a talaj és a felszínborítottsági paraméterek ismeretében is. Kiemelve a mesterséges fel-színek lefolyást gyorsító, valamint az erdık lassító hatását. A 4.a ábrán mindkét megközelítés látható világos színnel a domborzati összegyülekezés, míg sötét színnel a súlytényezıkkel javított lefolyás nagyságrendje.
Azt mindenképpen ki kell emelni, hogy a térinformatikai modellnek nincs csapadék oldali bemenı paramétere, tehát nem klasszikus hidraulikai modell. Ezek alapján leginkább a legrosszabb eset forgatókönyve típusú el-nevezést alkalmazhatjuk rá, amikor a tényezık értékeinek kiválasztásánál
minden esetben a lehetı legrosszabb esemény forgatókönyvét alkalmazzuk.
Ezen adatok súlyozott értékelésével alakul ki a térinformatikai modell, amelynek a kiértékelése további szakértelmet és értelmezést igényel.
A numerikus modellekben (HEC környezet) a domborzatot TIN mo-dellben állítjuk elı (5.b ábra). Azonban, mivel ezzel a módszerrel klasszikus elöntési térképet hozunk létre, ezért elégséges a völgyet, valamint annak közvetlen környezetét kialakítani, és a domborzat völgy feletti részét elég sokkal rosszabb felbontásban megadni. Ezekben a megközelítésekben az összegyülekezés folyamata már egy kritikus vízhozam vagy vízállás adatban összpontosul, amit egy árhullám-transzformációs modellel elemzünk tovább.
5. ábra A keresztszelvények (a) a HEC programban használt TIN modellen (b)
Azonban egy HEC típusú numerikus megközelítésben már nem alkalmazha-tó 3.a ábra völgymodellje. A jelenlegi modellezési szabályok alapján kisvíz-folyásnak nevezzük azokat a víztesteket, amelyek nem töltésezettek (maxi-mum kisebb depóniákkal kell számolni, amelyeket a modellezésnél nem ve-szünk figyelembe. Ennek a 3.b ábra modellje felelne meg a leginkább.
Azonban ez a Bükkösdi-víz esetében (Szerencs-patak esetében sem) tartható peremfeltétel. Hiszen a patak Bükkösd településre esı területén végighúzó-dik a vasúti töltés, amelyet az egzakt modellben figyelembe kell venni (6.a és 6.b ábra).
A domborzatba ezért bele kell „égetni” a patak valódi dimenzióit.
Ezek után felépítjük a numerikus modellt. Megadjuk a keresztszelvények hálózatát, amelyek mindig merılegesek a folyó középvonalára (5.a ábra).
Ezen a keresztszelvények segítségével kiolvassuk a domborzati paramétere-ket. A keresztszelvények hosszúsága (az átfogott völgyszélesség) változó (4.b ábra). Az ideális esetnek az tekinthetı, ha a térinformatikai modellben
megismert kritikus magasságot megjelenítı zónán túl vezetjük a szelvényt (5.a ábra).
Lehetséges domborzati modell nélkül is kialakítani elöntési térképet.
Ekkor alkalmaznunk kell egy pontosan felmért keresztszelvény hálózatot, azonban így nem lehetséges az eredeti domborzatba történı beillesztés, va-lamint az elöntési térkép teljes völgyszelvényre való interpolálása.
6. ábra Domborzati modellek a numerikus elemzéshez: (a) völgymodell, (b) medermodell.
7. ábra Numerikus modellel meghatározott elöntési térkép
A 7. ábra mutatja be egy numerikus modell klasszikus elöntési térképét. A modell azonnal kiértékelhetı, nem szükséges komoly szakismeret, vagy ösz-szetett értelmezése az ábrának.
Összefoglalás
A hegy- és dombvidéki árvizek modellezése, valamint az árvizekbıl kialaku-ló elöntések vizsgálata Magyarországon még csak kezdeti lépéseinél tart.
Azonban mind a környezeti feltételek változása (éghajlatváltozás), mind az EU elvárásai arra késztetik a hidrológusokat, geográfusokat modellezési szakembereket, hogy ezeken a még feltáratlan vízgyőjtıkön is adjanak vala-milyen veszély-kockázat-elöntési elırejelzésket.
Erre több fajta megoldás is létezhet. A gyors, és viszonylag olcsó
„rapid screening” térinformatikai modell, valamint a nagy pontosságú, de sokkal költségesebb 1D esetlegesen 2D numerikus megközelítés. Értekezé-sünkben mindkét típusból kiemeltünk elınyös és hátrányos tulajdonságokat egy igen jól felmért vízgyőjtı, a Bükkösdi-víz rendszerében.
Köszönetnyilvánítás: A cikk, és a kutatás a Bolyai János Kutatási Ösztöndíj, a Baross Gá-bor Program, valamint az OMSZ, DDKÖVIZIG, a VITUKI Rt. és a Mecsekérc Zrt. támoga-tásával készült.
Irodalomjegyzék
BÁLINT,G.,SZLÁVIK,L.(2001): Hegy- és dombvidéki kisvízfolyások szélsıséges árvizei-nek vizsgálata, Budapest. Kézirat.
CARPENTER, T.M., SPERFSLAGE, J.A., GEORGAKAKOS, K.P.,SWEENWY, T., FREAD,D.L.
(1999): National threshold runoff estimation utilizing GIS is support of operational flash flood warning systems. Journal of Hydrology 224, 21-44.
CZIGÁNY,S.,PIRKHOFFER,E.,GERESDI,I.(2008): Environmental impacts of flash floods in Hungary in: Samuels, P., S. Huntington, W. Allsop and J. Harrop (eds.): Flood Risk Management: Research and Practice. Taylor & Francis Group, London, ISBN 978-0-415-48507-4 pp. 1439-1447
COLLIER,C.G.(2007): Flash flood forecasting: What are the limits of the predictability?
Quarterly Journal of the Royal Meteorological Society 133, 3-23.
CSERMÁK,B.(1985): Hegy- és dombvidéki vízrendezés hidrológiai kérdései. Vízügyi Mő-szaki Gazdasági Tájékoztató 157.sz. ISBN 9636023409.
ESZÉKY,O.(1992): Bükkösdi-víz vízhozamnyilvántartó állomásainak felülvizsgálata, Pécs.
Kézirat.
ESZÉKY, O. (1987): Bükkösdi-víz felsı vízgyőjtıjén tervezhetı árvízcsökkentı tározók hidrológiai tanulmányterve. Dél-dunántúli Vízügyi Igazgatóság, Pécs. Kézirat.
GEORGAKAKOS,K.P.(1987)Real-time flash flood prediction. Journal of Geophysical Rese-arch, Vol. 92, No. D8, 9615-9629.
GEORGAKAKOS,K.P.(2006):Analytical results for operational flash flood guidance. Bulle-tin American Meteorological Society 317, 81-103.
GERESDI,I. (1999): Zivatarok elırejelzése és radarképek automatikus feldolgozása. OMSZ, Nowcasting Project 1-7.
GERESDI I.,WEINDINGER T. (1989): A meteorológiai folyamatok modellezésében alkalma-zott numerikus módszerek. Idıjárás, 93, 100-114.
GRUNTFEST E.(1977): What People Did during the Big Thompson Flood, Working Paper No. 32, Natural Hazards Research and applications Information Center, Boulder, CO.
GRUNTFEST E.(1987): What We Have Learned since the Big Thompson Flood, Proceedings of the Tenth Anniversary Conference, 17-19 July 1986, Special Publication NO.
16. Natural Hazards Research and applications Information Center, Boulder, CO.
KORIS,K.,WINTER,J. (2000): Az 1999. évi nyári rendkívüli árvízek a Mátra és a Bükk déli vízgyőjtıin. Vízügyi Közlemények LXXXII, 2. füzet, 199-219.
PIRKHOFFER,E.,CZIGÁNY, SZ.,GERESDI,I.,LOVÁSZ,GY.(2009): Environmental hazards in small watersheds: flash floods - impact of soil moisture and canopy cover on flash flood generation. Riscuri şi catastrofe, Cluj-Napoca, Casa cartii de stiinta.
ISSN 1584-5273 pp. 117-130.
PIRKHOFFER, E. – CZIGÁNY, S. & GERESDI, I. (2009): Impact of rainfall pattern on the occurrence of flash floods in Hungary. Zeitschrift für Geomorfologie, Berlin-Stuttgart, ISSN: 0372-8854, 53.2. pp. 139-157.
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 (abstract, pp. 64-65.)
PIRKHOFFER,E.,CZIGÁNY,S.,GERESDI,I.(2008):Térképmagyarázó Magyarország domb-sági és középhegységi területeire szerkesztett árvíz veszélyeztetettségi digitális térképhez. PTE-VKKI, Kézirat.
PTE-VITUKI-OMSZ, (2008): Heves konvektív viharok elırejelzése, és azok környezeti hatásainak kutatása. 2008 évi zárójelentés. Kézirat.
PTE-VITUKI-OMSZ, (2007): Heves konvektív viharok elırejelzése, és azok környezeti hatásainak kutatása. 2007 évi zárójelentés. Kézirat.
PTE-VITUKI-OMSZ, (2006): Heves konvektív viharok elırejelzése, és azok környezeti hatásainak kutatása. 2006 évi zárójelentés. Kézirat.
SAGHAFIAN,B.JULIEN,P.Y.,RAJAIE,H.(2002): Runoff hydrograph simulation based on time variable isochrone technique. Journal of Hydrology 261, 193-2003.
SCHMITTNER,K.E.,GIRESSE,P.(1996): Modelling and application of the geomorphic and environmental controls on flash flood flow. Geomorphology 16, 337-347.
SENESI S., BOUGEAULT, P., CHEZE, J.-L., COSENTINO, P. AND THEPENIER, R.-K. (1996):
„The Vaison-La-Romaine flash Flood: mesoscale analysis and predictability issues,” Weather and Forecasting 11, 4: 417-442.
STEKAUEROVA,V.,NAGY,V.KOTOROVA,D. (2006): Soil water regime of agricultural field and forest ecosystems. Biologia 61 S300-S304 Suppl. 19.
SZESZTAY, K. (1991): Az éghajlatváltozás vízgazdálkodási és hidrológiai vonatkozásai.
Vízügyi Közlemények LXXIII, 3-4 füzet, 245-278.
SZLÁVIK,L.(2003):Az ezredforduló árvizeinek és belvizeinek hidrológiai jellemzése.
SZLÁVIK,L.TÓTH,S.NAGY,L.SZÉL,S. (2002): Árvízi kockázatok elemzésének és térképe-zésének irányelvei. Vízügyi Közlemények LXXXIV, 4. füzet, 489-520.
UJFALUDI,L. (2000) Felszín alatti víztartók szivárgási együtthatójának becslése elektromos mérések alapján. Vízügyi Közlemények LXXXII, 2. füzet, 303-323.
VASS,P.(1987): Árvizek a Bükkösd-patak felsı szakaszán. In. Tésits, R., Tóth, J. (szerk.) Földrajzi tanulmányok a pécsi doktoriskolából. Pécs, 261-285.