prof. dr. A. Pemič

v* prof.dr. Adolf PEMIC

- 120 -

v v

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

HIDRA VLICNE ZNACILNOSTI POSTOPKA FST -POLKROGEL

POVZETEK

V prispevku so prikazane in analizirane hidravlične značilnosti empiričnega postopka FST-polkrogel, ki ga uporabljajo pri določanju vpliva sil vodnega toka ob dnu na kvaliteto habitata ter prognoziranje bentičnih populacij, zaradi odvzema vode iz naravnih vodotokov.

1.0 UVOD

V manjših naravnih vodotokih se vrši večina bioloških procesov na dnu ali v medzrnavnem prostoru dna. Pri tem imajo pomembno vlogo bregovi in poplavna območja, zlasti v času visokih voda. Vsi trije habitati so med seboj biološko povezani ter izpostavljeni različnim vplivom. V naravnih vodotokih se oblikujejo ekosistemi v dinamičnem ravnovesju; biocenoze so prilagojene dinamiki pretokov ter od nje odvisne. Odločilen fizikalni dejavnik za obstoj in pogostost bentičnih organizmov je vodni tok ob dnu. Le-ta vpliva posredno in neposredno na dno ter na njem ali v medzrnavnem prostoru živeče organizme; oblikuje teksturo substrata, prinaša kisik in prehranjevalne snovi, ter učinkuje na substrat in mikroorganizme z različnimi silami zlasti strižnimi in vzgonskimi. V teku evolucije so razvili akvatični organizmi različne sposobnosti morfološkega in anatomskega prilagajanja, oz. adhezivne varovalne mehanizme, zoper sile vodnega toka. Pri zmanjšanju naravnega pretoka, na primer: zaradi umetnega odvzema vode v hidroenergetske namene, se spremenijo sile vodnega toka ob dnu, kar posledično vpliva na obstOj in pogostost bentičnih združb. Na strižne in vzgonske sile vodnega toka ob dnu vpliva tudi hrapavost, oz. morfologija vodotoka. Pri prognoziranju sprememb teh sil je potemtakem nujno upoštevati tudi hrapavostne parametre dna. Glede na naravno dinamiko pretokov v vodotokih se v novejšem času ekološko upravičeno uveljavlja dinamično , t.j. časovno, razvrščeno uravnavanje minimalnih biološko potrebnih pretokov na odsekih vodotokov za odvzemnimi zgradbami. Pri tem ni povdarek na velikosti pretoka kot absolutni veličini , temveč na vplivu različnih pretokov na časovno in prostorsko variabilnost hidravličnih parametrov.

Spoznanje, da so vodni tokovi ob dnu dominanten mehanični dejavnik za eksistenco bentičnih organizmov, je vzpodbudilo raziskovalce k iskanju ustreznih načinov merjenja vplivov takih tokov na kvaliteto habitata. Problemi merjenja izhajajo iz kompleksnosti takih tokov, ki so v večini primerov tridimenzijski , nestaini in neenakomerni. Način merjenja je potrebno izbrati v skladu z zahtevami , katerim so namenjene meritve, ter robnimi pogoji, pod katerimi bodo meritve izvršene (na primer: tip vodotoka, globine in hitrosti vodnega toka, hrapavost, kalnost) in ki odločilno vplivajo na interpretacijo in natančnost rezultatov meritev. Merske naprave naj bodo potemtakem dovolj robustne, da omogočijo zanesljive in ponovljive rezultate. Ustrezno izhodišče pri izbiri načina merjenja je mikrohabitat, čigar velikostni razred znaša nekaj dm2. Pri točkovnem merjenju hitrosti vodnega toka uporabljajo hidrometrična krila (doslej najmanjši znani premer krila znaša 6 mm), termistorje, dva- in tridimenzijske induktivne sonde ter v novejšem času mnogo obetavne akustično-Dopplerjeve senzorje , s katerimi je mogoče meriti hitrosti vodnega toka do mejnih plasti. Po letu 1989 so razvili način FST -polkrogel.

2.0 POSTOPEK FST-POLKROGEL

Postopek FST-polkrogel (akronim FST je povzetek začetnih črk nemške sestavljen ke Frischwasserstammtisch) je uporaben za integralno določanje sil vodnega toka ob dnu . Sestoja iz 24 polkrogel (polmer 3,9 cm), enakih velikosti in površin, vendar različnih gostot. Gostota najlažje

• prof.dr. Adolf PEMIČ , univ. dipl. inž. gradb., FGG Hidrotehnična smer, Univerza v Ljubljani, Hajdrihova 28, 2000 Ljubljana

MiŠiČEV VODARSKI DAN '99

- 121 - AKTUALNI prof. dr. A. Pemič VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

polkrog le (Št. 1) je 1.015 kg/m3, najtežje polkrogle (št. 24) pa je 10.009 kg/m3 (sI. 1). Pri meritvah postavljajo polkrogle zapovrstno glede na težo na vodoravno ploščo 13 x 18 cm iz pleksistekla ali svinca (sI. 5) . Polkrog la, ki je vodni tok še ne premakne, oz. premakne za manj kot 2 cm, predstavlja rezultat meritev. Če vodni tok ne premakne tudi najlažje polkrog le, pripišejo rezultat fiktivni polkrogli št. O. Teža polkrogle, ki jo vodni tok premakne predstavlja potemtakem akcijsko silo vodnega toka na mestu merjenja. Pri praktični uporabi postopka FST je priporočljivo opraviti vsaj sto posameznih meritev pri stalnem pretoku. Pri tem naj bodo merska mesta v strugi vodotoka naključno izbrana. Na natančnost meritev vpliva zlasti način polaganja polkrogel na podložno ploščico . Za odvzem vzorcev dna, oz. bentičnih organizmov, zadošča vzorčna ploskev 0,1 m2 , na sredino katere namestijo podložno ploščico . Dosedanje izkušnje s tem postopkom so pokazale , da je poskusni vzorec iz take vzorčne ploskve dovolj zanesljiv in reprezentativen , da ga je mogoče uporabiti pri statističnih obdelavah simulacijskih modelov.

Primeri rezultatov meritev s FST-polkroglami za izdelavo prognoz makrozoobentičnih populacij so prikazani na sI. 2-1, 2-2, 2-3. Na sliki 2-3 so prikazane relativne pogostosti [%] polkrogel , ki jih vodni tok še ne premakne, pri petih pretokih . Kot je razvidno se spreminja značaj vodnega toka ob dnu od unimodalne poševne razvrstitve (šibak tok) pri malih pretokih , do razgibane bimodalne razvrstitve z naraščajočo frekvenčno širino (močan tok) pri večjih pretokih. Na sI. 2-1 so prikazane preferenčne krivulje - rezultati korelacijske zveze med značilnost jo vodnega toka ob dnu, izraženo s številko ali gostoto polkrogle ter pojavnost jo in številčnost jo bentičnih organizmov - za tri primere. S preferenčnimi krivuljami je izražena kvaliteta habitata - dno za posamezne vrste organizmov. Na sI. 2-2 je prikazan primer prognoziranja bentičnih populacij a, b, c - ustreznosti kvalitete habitata -dno na populacije a, b, c pri različnih pretokih ; pri naraščanju pretoka nad 400 l/s se kvaliteta habitata za vrsti a in c le neznatno spreminja znatno bolj pa za vrsto b.

Postopek FST polkrogel je dovolj občutljiv tudi za zaznavanje morfoloških značilnosti struge. Na sI. 3 so prikazani rezultati meritev na območjih erozijskih tolmunov (poglabljanje) ter plitve struge (odlaganje proda) . V primeru erozijskih tolmunov je viden širok in razgiban spekter delovanja vodnega toka. V plitvih strugah je tok ob dnu krepkejši vendar izkazuje manjšo varianco. Na podlagi novejših raziskav [1] , [2] je mogoče sklepati, da je postopek FST polkrogel dovolj zanesljiv za določanje korelacijske zveze med vodnim tokom ob dnu in morfološko zgradbo dna ter pojavnost jo makroinvertebratov. FST polkrogle omogočajo doslej edin empirični način kvantifikacije ekoloških posledic v odvisnosti od pretoka.

Vprašanje, ali je mogoče s postopkom FST polkrogel nesporno in neposredno določiti strižne napetosti dna 's, še ni popolnoma pojasnjeno. Iz teorije je znano, da vplivata hrapavost dna in globina vodnega toka na tok ob dnu in potemtakem tudi na 's. Glede na Shieldsov diagram (sl.4) je začetek premikanja prod nega zrna - v našem primeru polkrogle - odvisen od strižne sile Fs (aktivna sila vodnega toka) in trenjske sile R (reakcijska sila) zrna - polkrogle, izražen s kritičnim brezdimenzijskim parametrom

e = ___ '....::.IC-· --(p, - p).g.D

PS - gostota zrna oz. polkrogle P - gostota vode D - premer zrna oz. polkrogle

Pri ravnovesju sil , učinkujočih na polkrog lo, je potrebno prišteti še silo zaradi hidrodinamičnega vzgona FI , odvisno od turbulence vodnega toka in hrapavosti dna (sI. 5) . Dominantni sili , učinkujoči na polkroglo, sta potemtakem Fs in FI in njuno razmerje FI/Fs se spreminja med 3 (gladko dno) in 1 (hrapavo dno) [3] . V zelo hrapavih strugah so tri področja v bližini dna, ki se razlikujejo v hitrostih vodnega toka (sI. 6) : • področje 1 - logaritemski potek časovno srednje hitrosti • področje 2 - prva hrapavostna podplast, v kateri velja Nakagawa-ov potek časovne srednje hitrosti.

Zgornja meja te podplasti Yc'=f(KlKs), (K - geometrijska višina hrape, Ks - ekvivalentna hrapavost) . • področje 3 - druga hrapavostna podplast v kateri se časovno srednje hitrosti vodnega toka zelo

počasi zmanjšujejo po globin i.

MiŠiČEV VODARSKI DAN '99

- 122-prof. dr. A. Pemič

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

Odvisno od pretoka in hrapavosti pri meritvah se nahaja polkrogla znotraj območja 2, na prehodu med območjema 2 in 1 ali popolnoma v območju 1, pri čemer je izpostavljena različnim zakonitostim. Ob upoštevanju samo strižne napetosti t5 sledi iz Shieldsovega diagrama za ts=f(ps) linearna odvisnost pri hidravlično hrapavem toku (Re- > 1000) ter nelinearna odvisnost pri hidravlično gladkem toku (sI. 7) . Na začetek gibanja polkrog le vplivata tudi globina vodnega toka ter višina namestitve podložne ploŠČice , dasi vpliv slednje ni znaten . Če je relativna globina h/K manjša od 4, so potrebne večje strižne napetosti za premik polkrogle.

Na začetek gibanja polkrogle vplivajo torej različne sile. Polkrogla se odziva sumarno na vse sile, in je potemtakem ustrezen indikator teh sil. Glede na ostale načine merjenja sil vodnega toka ob dnu, na primer s hidrometričnimi krili , zajamejo meritve s FST polkroglami implicitno tudi sile hidrodinamičnega vzgona in na ta način odsevajo znatno bolje sile , ki učinkujejo na biosfero dna. Ugovori, da so FST polkrogle znatno večje od vodne plasti , znotraj katere so nastanjeni bentični organizmi in potemtakem ne odsevajo realnega stanja so na podlagi novejših raziskav ovrženi [1] , [2]. Evidenten dokaz za to so preferenčne krivulje. Od doslej znanih in raziskanih hidravličnih spremenljivk, ki bi lahko služile kot indikator vodnega toka ob dnu (Froudovo število, Reynoldsovo število toka ob dnu, srednja hitrost vodnega toka) omogočajo polkrogle najvišjo korelacijo sporazdelitvijo makrozoobentičnih organizmov [1] , [2] [4] . Vendar način FST polkrogel ni neoporečen . Vprašanje primerljivosti in prenosljivosti rezultatov meritev s FST polkroglami , zlasti odvisnosti t s=f(ps), ostaja odprto in zahteva nadaljnje raziskave , kar je razvidno iz znatnega razhajanja rezultatov meritev strižnih napetosti t s številnih avtorjev (sI. 8) .

3.0 DOLOČiTEV STRiŽNIH NAPETOSTI DNA

Eksplicitno določanje strižnih napetosti dna je problematično na naravnih vodotokih .

Strižne napetosti dna je mogoče določiti na dva načina. Prvi način je zasnovan na znanem obrazcu iz hidravlike srednjih vrednosti :

t =p.g.R.1 ... 2

in je uporaben le v eksperimentalnem žlebu pri popolnoma enakomernem toku , pri čemer je potrebno upoštevati vpliv sten. Vodni tok v naravnih strugah je le izjemoma dovolj enakomeren, zlasti pri mal ih globinah in veliki hrapavosti dna. Drugi način je zasnovan na trenjski hitrosti U-, ki jo je potrebno določiti iz logaritemske razporeditve hitrosti vodnega toka . Pri uporabi tega načina morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji : gradient hitrosti v bližini dna je potrebno določiti iz izmerjenega logaritemskega hitrostnega profila, ki ga je mogoče opisati z enačbo hitrosti v turbulentno hrapavem toku

U Y - = 2,5.1n y + C = 2,5.1n -U. Yo

C = -2,5.1nyo ... 3

(koeficient korelacije R2 > 0,9!) , izmerjene hitrosti ne smejo presegati obmOČja y/h < 0,2 (h je globina vodnega toka) , nujen je turbulentno hrapav tok. V primeru izolirane hrapavosti ta način ni primeren. referenčno točko Yo (začetek logaritemske razdelitve hitrosti po navpičn i ci u(y)) je potrebno iteracijsko določiti. gladina vodnega toka ne sme vplivati na hitrostni profil , kar je mogoče samo če je normirana globina vodnega toka h/Ks > 4. Tudi tem pogojem je le redko mogoče natančno zadostiti v naravnih vodotokih .

N sI. 9 je prikazan primer določitve u· na podlagi izmerjenega logaritemskega poteka hitrosti u(y) po navpičnici na podlagi en . 3. Tangens naklonskega kota regresijske premice

ln Y2 - ln YI tg a = ---=----=------'-'--U(Y2 ) - U(YI)

MI~IČEV VODARSKI DAN '99

.. .4

prof. dr. A . Pemič

OZ. pO vstav itvi en. 3

InY2 -ln YI tg a = -----'--=-------'-"---2,5U. (ln 2l- ln li)

Yn Yn

Po ureditvi členov je

0,4 tga=-

U.

in

U = 0,4 • tga

- 123 -

... 5

... 6

... 7

Natančnost U· je torej krepko odvisna od koordinatnega začetka yo. Iz neenačbe

inY2 -inYI :;eln(Y2 +~y)-ln(YI +~y) ... 8

je razvidno, da že male napake D.y znatno vplivajo na natančnost U·

Pri znani U· sledi lokalna strižna napetost dna iz enačbe

r = p.U; ... 9

MiŠiČEV VODARSKI DAN '99

AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

s: (J)< ~ ()< a. m » < < "u (1) o 3 O O; }> I~ to> N I~ ::o oreodytes sanmartd(a) Beatis muticus (b) Brachyptera setic:omis (c) (J)

100 100 100 zs O

80 80 ~:I I II I~ ~ (:) ~IOO to> }> ~60 ~60 ..... ..... ul z ~: \. ~40 ~40 ..... Z O o '~' o o o G> o 2 4 6 8 10 12 14 16 o 2 4 6 8 10 12 14 16 o 2 4 6 8 10 1214 16 o 2 4 6 8 10 12 14 16 o 2 4 6 8 10 12 14 16 ..... oo ""ol o) O

1IIri. POIaOgIe ~ o 8: ~ CO

c/)

is g: oo "u ""ol O CD o

Slo 2-3 Opomba: KH = kvaliteta hablteta= Stev.lndlvlduov/O.1m2 » ;o c/)

zs "U» ;0;:0; 0-1 ,-e m» ;:o;r :::::l~

- 125 - AKTUALNI prof. dr. A. Pemič VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

35 35 PLITVO DNO

30 TOLMUNI 30

25 25

~ 20 ~20

i 15 i 15 10 Il. Il.

5 5

o o o 1 2 3 4 5 e 7 e 9 10 11 12 13 14 15 o 1 2 3 4 5 e 7 e 9 10 11 12 13 14 15

St. polkrogle St. polkrog le SLIKA 3

1d

5

i2 "'T en , ~ 10 ~ II O 5

2

5 2 5 10' 2 5 10' 2 5 2 5 (LJ, dlv)

SLIKA 4

y CI> POLKROGLA ® PODLOŽNA PLOSČICA

u(y)

SLIKA 5

MiŠiČEV VODARSKI DAN '99

prof. dr. A. Pemič

0.06

0.04

~ 0.02

O

~.02

~.04

SLIKA 6

prof. dr. A. Pemič

Literatura:

- 127 - AKTUALNI VODNOGOSPODARSKI PROJEKTI

[1] Schmedtje, U. (1995) Beziehungen zwischen der sohlnahen Strbmung , dem Gewasserbett und dem Makrozoobenthos in Fliessgewassern (Diss . Univ. Innsbruck)

[2] Jorde, K. (1997) Okologisch begrundete dynamische Mindestwasserregehungen bci Ausleitungskraftwerken (Diss. Univ. Stuttgart)

[3] Dittrich, A. , Schmedtje, U. (1995 Indicating shear stress with FST-hemispheres - effects of stream - bottom topography and water depth. (freshwater Biology, 34)

[4] Lamauroux, N. (1992) An unconventional approach to modelling spatial and temporal variability of local sheat stress in stream segments (Water Resou. Research , 28).

MI~IČEV VODARSKI DAN '99