OCENJEVANJE MAGNITUD DROBIRSKIH TOKOV Jošt Sodnik , Matja Mikoš ** Povzetek Namen raziskave dinamike drobirskih tokov kot posebne oblike masnega gibanja sedimentov po pobo jih ali hudourniških strugah je bil zbrati metode za ocenjevanje ogro enosti z drobirskimi tokovi s posebnim poudarkom na oceni njihove magnitude. Izbrane metode smo razdelili na empiri ne, morfološke, kombinirane in ra unalniške metode. Empiri ne metode so namenjene oceni magnitude drobirskega toka, morfološke metode se delijo na tiste, ki ocenjuje magnitudo, in na tiste, ki so namenjene dolo evanju nevarnosti delovanja drobirskega toka na hudourniškem vršaju. Kombinirane metode so kombinacija razli nih drugih metod. Na podlagi statisti ne obdelave dolo ijo parametre povodja, ki so odlo ilni, in tako dolo ijo empiri no ena bo za izra un magnitude drobirskega toka. Ra unalniške metode so ra unalniški programi, ki upoštevajo tako zalogo erozijskega drobirja v obravnavanem prispevnem obmo ju kot tudi premestitveno zmogljivost hudournika z upoštevanjem odlaganja materiala v strugi hudournika. Uvod V preteklih nekaj letih smo al tudi v Sloveniji bolje spoznali drobirske tokove. Gre za obliko masnega gibanja sedimentov, ki se lahko razvije na pobo jih ali v strugah hudournikov. Poznavanje njihove dinamike (Mikoš, 2001) omogo a na rtovanje primernih preventivnih ukrepov. Eno najbolj pogostih vprašanj v zvezi z drobirskimi tokovi je vprašanje, kje lahko nastanejo. Ob tem je za na rtovanje ukrepov nujno poznati prostornino (magnitudo) pojava, ki jo lahko pri akujemo. S pomo jo ocenjenih magnitud lahko z modeliranjem gibanja drobirskih tokov ocenimo njihov doseg kakor tudi preto ne hitrosti in globine, ki jih obi ajno uporabimo pri ocenah ogro enosti. Obširnejše na rtovanje ukrepov za varstvo pred razli nimi erozijskimi pojavi mora obravnavati vsak primer posebej, saj ima vsak primer svoje specifi ne lastnosti, ki lahko bistveno vplivajo na potek mo nih dogodkov. Eden od bistvenih podatkov je velikost obravnavanega erozijskega obmo ja. Razmerje med koli ino erozijskega materiala, ki je na dolo enem obmo ju na razpolago, in koli ino materiala, ki se dejansko spro i ob posameznem dogodku, je od primera do primera lahko zelo razli no. Vseeno so v preteklosti skušali razviti metode, ki bi bile splošno uporabne za ocenjevanje magnitude drobirskih tokov. Do danes so številne terenske študije obravnavale geomorfološke procese na hudourniških vršajih. V eni prvih je Melton (1965) predlagal zvezo med naklonom hudourniškega vršaja (S) in nekaterimi drugimi parametri: () [ ] n A H H a S 5 , 0 min max = , (1) pri emer sta a in n neodvisna koeficienta, H max in H min sta višina najvišje to ke hudourniškega obmo ja in najvišja to ka vršaja (km) ter A je površina hudourniškega obmo ja (km 2 ). Izraz Mel = ( ) 5 , 0 min max AH H se po avtorju imenuje kar Meltonovo število. Ta pristop je osnova za raziskovanje naplavinskih procesov na vršajih, usmerjeno v * VGP d.d., Cesta Mirka Vadnova 5, Kranj, jost.sodnik@vgp-kranj.si ** Univerza v Ljubljani, FGG, Oddelek za gradbeništvo, Katedra za splošno hidrotehniko, Jamova 2, Ljubljana, matjaz.mikos@fgg.uni-lj.si klasifikacijo vršajev na podlagi morfoloških parametrov hudourniških obmo ij in hudourniških vršajev. V nadaljevanju so predstavljene razli ne metode za ocenjevanje magnitude drobirskih tokov kot ene od osnov za ocenjevanje ogro enosti s tem pojavom. Metode so razdeljene na empiri ne, morfološke, kombinirane in ra unalniške metode. Empiri ne metode so namenjene oceni magnitude drobirskega toka, morfološke metode se delijo na tiste, ki ocenjuje magnitudo, in na tiste, ki so namenjene dolo evanju nevarnosti delovanja drobirskega toka na hudourniškem vršaju. Kombinirane metode so kombinacija razli nih drugih metod. Na podlagi statisti ne obdelave dolo ijo odlo ilne parametre povodja v obliki empiri ne ena be za izra un magnitude drobirskega toka. Ra unalniške metode so ra unalniški programi, ki upoštevajo zalogo erozijskega drobirja v obravnavanem prispevnem obmo ju in premestitveno zmogljivost hudournika z upoštevanjem odlaganja materiala v strugi hudournika. Empiri ne metode Takei (1984) Ocene magnitude drobirskih tokov se je treba lotiliti tako, da upoštevamo zalogo erozijskega materiala v vsakem hudourniku posebej. Ni sicer nujno, da v vsakem hudourniškem obmo ju pri akujemo nastanek drobirskega toka, vendar je bila velika ve ina katastrof, ki so se v preteklosti zgodile na Japonskem v manjših hudourniških obmo jih, posledica nastanka in delovanja drobirskih tokov. Na magnitudo drobirskega toka vpliva veliko število spremenljivk: topografija, geologija, podnebje, vegetacija in mnoge druge. Drobirski tokovi se pojavijo samo ob ekstremni kombinaciji naštetih faktorjev. Tako je iskanje korelacije med posameznimi faktorji prvi korak v smeri iskanja splošnejše rešitve. Takei je z namenom poiskati prakti no rešitev za realne probleme upošteval magnitudo drobirskega toka, prispevno obmo je posameznega hudournika in skupno koli ino zemeljskih plazov. Upošteval je podatke o 551 tovrstnih dogodkih med letoma 1971 in 1977. Regresijske ena be in koeficienti korelacije so bili slede i: 61 , 0 13600A V d = ... (m 3 ) (r 2 = 0,52) (2) 59 , 0 22800A V s = ... (m 3 ) (r 2 = 0,57) (3) 838 , 0 914 , 0 s d V V = ... (m 3 ) (r 2 =0,84), (4) pri emer je A površina prispevnega obmo ja posameznega hudournika (km 2 ), V d je prostornina drobirskih tokov (m 3 ) in V s je prostornina zemeljskih plazov (m 3 ). Ob zelo obse nem drobirskem toku lahko struga postane del toka, saj je erozijska mo toka takrat zelo velika. Ob manj intenzivnih pojavih pa se lahko zgodi, da material prispeva le del prispevnega obmo ja. Raziskave so pokazale tudi, da ponavadi okrog 40 % spro enega erozijskega materiala zaostane v strugi hudournika, medtem ko ostalih 60 % drobirskega materiala kon a izven struge, ponavadi v ravninskem delu na koncu hudourniške struge. Kronfellner-Krauss (1984) Avtor je podal enostavni izraz za izra un magnitude drobirskega toka za posamezen dogodek in ob tem uporabil zna ilnosti hudourniškega obmo ja: c d S A K M ** = ... (m 3 ), (5) pri emer je K brezdimenzijski koeficient lastnosti hudournika (-), A d je površina hudourniškega obmo ja (km 2 ) in S c je povpre en padec hudourniške struge (%), ki se lahko dolo i iz topografskih kart 1 : 25.000 ali 1 : 50.000. Majhna in strma hudourniška obmo ja imajo vrednosti K okoli 1.500, medtem ko imajo ve ja hudourniška obmo ja vrednost K okoli 500. Avtor je analiziral 1.420 primerov visokih voda v Avstriji v 11 letih. Na podlagi te analize je avtor razdelil hudourniška obmo ja v Avstriji na razli ne cone: d A e K 018 , 0 / 1750 = – avstrijsko visokogorje (6) d A e K 014 , 0 / 1150 = – hudourniki v Apneniških Alpah z veliko materiala (7) d A e K 008 , 0 / 540 = – ostali hudourniki v Apneniških Alpah (8) d A e K 0016 , 0 / 254 = – hudourniki v predalpskem svetu (9) Dolo itev izrazov za vrednost K je bila opravljena na osnovi velikosti hudourniškega obmo ja in njegovih geomorfoloških zna ilnosti. Od naklona hudourniškega obmo ja pa je odvisno, kakšen del razpolo ljivega erozijskega materiala se bo mobiliziral. Kakšen potencial materiala ima posamezen hudournik, je treba preiskati na terenu. Marchi in D'Agostino (2002) Raziskava je bila opravljena na podlagi terenskih podatkov in podatkov iz raziskovalne literature za 127 hudourniških obmo ij v italijanskih Alpah. Podatki so bili uporabljeni za razvoj in testiranje razli nih pristopov: poleg empiri nega pristopa s pomo jo regresijskih ena b tudi geomorfološkega pristopa, opisanega kasneje v prispevku, in tudi pristopa z verjetnostno analizo, ki pa v tem prispevku ni opisan. Empiri ni pristop k problematiki je obravnaval koli ino drobirskih tokov M v odvisnosti od velikosti prispevnega obmo ja A. Ve ina analiziranih dogodkov se je uvrstila v obmo je, omejeno zgoraj z ena bo M = 70.000 A in spodaj z ena bo M = 1.000 A 0,3 . Dogodki z manjšo magnitudo kot 1.000 m 3 se pojavljajo zelo redko. Avtorja sta za ela z izrazom, ki temelji na podatkih iz 62 hudourniških obmo ij v vzhodnih Alpah (D'Agostino, 1996; D'Agostino et al., 1996) v obliki regresijske ena be, ki oceni magnitudo drobirskega toka (m 3 ) z uporabo neodvisnih spremenljivk: GI S A M 5 . 1 9 . 0 45000 = ...(m 3 ), (10) pri emer je A (km 2 ) velikost hudourniškega obmo ja, S (m/m) je povpre ni padec hudourniške struge in GI je brezdimenzijski geološki indeks, prikazan v preglednici 1. Preglednica 1. Vrednosti geološkega indeksa za razli ne kamnine (Marchi in D'Agostino 2002). Vrsta kamnine Geološki indeks Kvartarne naplavine 5 Skrilavci in filiti 4 Laporji, laporni apnenci in meljevci 3 Vulkanske kamnine 2 Dolomiti in apnenci 1 Masivne magmatske in metamorfne kamnine 0 Mo no razpokane in delno porušene kamnine 3–5 Magnitude drobirskih tokov, izra unane z ena bo (10), niso povezane s povratno dobo. Ker se ena ba bolje prilagaja drobirskim tokovom velikih dimenzij, obstaja mo nost, da so manjši dogodki podcenjeni. Zato so iz razpolo ljivih podatkov na podlagi razmerij M/A in M/L (L je dol ina hudourniške struge) izlo ili primere manjših drobirskih tokov in iz preostalih podatkov ena bo (10) nadomestili z regresijsko ena bo: GI S A M 30 . 1 16 . 1 18000 = ... (m 3 ) (r 2 =0,759). (11) He so zanemarili vpliv geološkega indeksa, so dobili izraz: 7 . 1 35 . 1 65000 SA M = ... (m 3 ) (r 2 = 0,743). (12) Ker je velikost hudourniškega obmo ja povezana s prostornino vode, ki z njega lahko odte e V r (m 3 ), so zapisali izraz: ) ( S V M r = ...(m 3 ), (13) kjer sta ) in * kalibracijska koeficienta, prostornino odtoka V r pa so izrazili iz velikosti hudourniškega obmo ja A na podlagi naslednje hipoteze: p c r Q T V * = ...(m 3 ), (14) kjer je Q p maksimalni odtok: + + = 5,0 125 500 35 , 2 A A Q p ... (m 3 /s) (15) in T c je as koncentracije: ( ) 5 , 0 675 , 0 3600 A Tc = ... (s). (16) Po izra unu V r so ocenili koeficienta ) in * ter ugotovili, da je koeficient * skoraj konstanten (I 2), koeficient ) pa se je spreminjal od 1,6 do 2,9 (višja vrednost ustreza ve jim drobirskim tokovom). Na podlagi teh ocen je bila razvita ena ba: 2 9 , 2 S C v =...(-), (17) pri emer je C v = M/V r in predstavlja razmerje med prostornino drobirskega toka M in prostornino odtoka vode V r . Morfološke metode Jackson et al. (1987) Z drobirskimi tokovi so najbolj ogro ena mesta na vršajih, ki so ve inoma sestavljeni iz odkladnin drobirskih tokov. Terenska raziskava razli nih vršajev je pokazala na zvezni prehod med aluvialnimi vršaji, ki so povsem brez ali le deloma sestavljeni iz odkladnin drobirskih tokov, in drobirskimi vršaji, ki so v celoti sestavljeni iz odkladnin drobirskih tokov. Vzrok te razlike je lahko manjši naklon obmo ja ali druga na geološka sestave obmo ja, ki zmanjšuje površinski odtok. Torej se lahko pri ocenjevanju ogro enosti izlo ijo aluvialni vršaji, e jih znamo lo iti od drobirskih vršajev na osnovi morfometri nih raziskav vršajev in parametrov hudourniškega obmo ja. Metoda, s katero lahko drobirske vršaje dolo imo s pomo jo kart ali aerofoto posnetkov, omogo a uspešnejše ocenjevanje preteklih drobirskih tokov in volumnov vršajev. Raziskave so potekale na treh razli nih obmo jih, ki so reprezentativna za celotno obmo je ameriškega Skalnega gorovja. Vršaji so bili razdeljeni na drobirske in aluvialne vršaje na podlagi treh morfoloških in sedimentoloških kriterijev: - sledovi drobirskih tokov (slaba stratifikacija kamnin, slaba raznolikost in klasti ne kamnine), - prisotnost nanosov drobirskega toka in drobirske kamnine na površju vršaja, - prisotnost skal premera > 1 m. Vršaji so bili ozna eni kot popolnoma aluvialni, e niso ustrezali kriterijema 2 in 3 in je denudacija pokazala na prisotnost re nih sedimentov, na zmerno razvrš anje in na zaobljene klasti ne kamnine, ki nastajajo iz sedimentov. Vsakemu vršaju na terenu in iz topografskih kart merila 1 : 50.000 dolo imo še štiri parametre: - površina vršaja (celotna površina posameznega vršaja), - naklon vršaja (povpre en padec terena na posameznem vršaju od vrha do dna), - prispevno obmo je (celotna površina hudourniškega obmo ja v zaledju vršaja), - višina prispevnega obmo ja (višinska razlika med najvišjo to ko v hudourniškem obmo ju in najvišjo to ko vršaja). S statisti nimi analizami so dokazali, da je površina vršaja manj pomemben parameter zaradi mo nega bo nega erodiranja materiala. Primerjava naklona vršaja s površino in višino hudourniškega obmo ja se je izkazala kot najboljša metoda za razlikovanje med aluvialnimi in drobirskimi vršaji. Hudourniška obmo ja, kjer se pojavljajo drobirski tokovi, so majhna in strma, vršaj pa je prav tako strm. Za razliko od teh so ostala hudourniška obmo ja ponavadi manj strma, z ve jimi vodotoki in manj strmimi vršaji. Aluvialni in drobirski vršaji se lahko razvrstijo v dve lo eni skupini v odvisnosti od Meltonovega števila in od naklona vršaja. Ve ina aluvialnih vršajev je imela naklon manjši od 2,5° in Meltonovo število manjše od 0,3. Nasprotno so imeli drobirski vršaji naklon ve ji od 4° in Meltonovo število ve je od 0,25–0,3. Med navedenimi vrednostmi le i prehodno obmo je med aluvialnimi in drobirskimi vršaji. Seveda so v naravi tudi izjeme, ki ustrezajo pogojem ene skupine, uvrš ajo pa v drugo skupino. Pri takih primerih je potrebna pozornost in podrobnejša raziskava, na podlagi katere lahko vršaj ustrezno razvrstimo. Hooke je leta 1967 z modelnimi študijami odkril, da imajo vršaji, ki jih tvorijo drobirski tokovi, naklon od 4° do 8°. Torej je naklon od 3° do 4° meja med vršaji, na katerih so prisotne aktivnosti drobirskih tokov, in tistimi vršaji, kjer tega ni. To so potrdile tudi druge študije. Naklon vršaja je premosorazmeren naklonu pobo ij v hudourniškem obmo ju. Izkazalo se je, da hudourniška obmo ja z Meltonovim številom nad dolo eno mejo (0,25–0,30) vsebujejo pobo ja in struge z ve jim padcem, kot je nujen za nastanek in potovanje drobirskega toka do za etka vršaja. Heprav se drobirski tokovi pojavljajo tudi na obmo jih z manjšim Meltonovim številom, kot je mejna vrednost (0,25–0,30), so drobirski tokovi mo ni, a se odlo ijo kot hudourniške odkladnine v delu nad vršajem, ki ga ne dose ejo. Na podlagi omenjenih raziskav lahko zaklju imo: - Naklon vršaja in Meltonovo število je mogo e uporabiti za razlo evanje med aluvialnimi in drobirskimi vršaji. - Drobirski tokovi ogro ajo vršaje, e njihov naklon presega 4° in je Meltonovo število hudourniškega obmo ja ve je od mejne vrednosti (0,25–0,30). - V primerih, kjer imamo samo Meltonovo število, naklona vršaja pa ne poznamo (to se zgodi pri dolo anju podatkov iz topografskih kart), se lahko ogro enost dolo i tudi samo s pomo jo Meltonovega števila. Mejna vrednost za tako dolo itev je Mel = 0,25. V zelo redkih primerih se ta ocena izka e za napa no. Modeliranje drobirskih tokov je potrdilo, da je ta morfološka metoda za dolo anje ogro enosti vršajev široko uporabna za strma hudourniška obmo ja na neledeniških obmo jih. Na ledeniških obmo jih morfometri na metoda za ocenjevanje ogro enosti ni primerna. Marchi et al. (1993) Metoda je bila razvita z analizo 58 hudourniških vršajev v goratem obmo ju SV Italije v razli nih litoloških razmerah. Analiza vršajev se je za ela z analizo aerofoto posnetkov, ki so jih dopolnjevali terenski ogledi. Morfometri ni parametri vršajev in hudourniških obmo ij v njihovem zaledju so bili ocenjeni s pomo jo topografskih kart merila 1 : 10.000 in 1 : 25.000. Avtorji so dolo ili naslednje parametre: - A (km 2 ); površina prispevnega obmo ja, - H max (km); višina najvišje to ke v prispevnem obmo ju, - H min (km); višina najni je to ke v prispevnem obmo ju, - I c (%); povpre ni padec glavne struge, - A c (km 2 ); površina posameznega vršaja, - S b (°); povpre en naklon površja vršaja od njegovega vrha do dna. Vršaje so razdelili v tri skupine: drobirski vršaji, popolnoma aluvialni vršaji, mešani vršaji. Drobirske vršaje so dolo ili na podlagi naslednjih kriterijev: - prisotnost naplavin in grobih usedlin na bregovih struge, ostanki grobih naplavin zunaj struge, ki so lahko poraš eni tudi z drevesi – to ka e na delovanje drobirskih tokov v preteklosti, - prisotnost velikih balvanov na površju vršaja, - neslojevito in slabo sortirani sedimenti, v asih sortirani v obratni smeri. Popolnoma aluvialen vršaj lahko dolo imo, e ne ustreza prvima dvema kriterijema, in so opazne slojevite in lepo sortirane naplavine. Na mešanih vršajih pa geomorfolški in sedimentološki kriteriji ka ejo na fluvialno zgradbo, vendar je na nekaterih mestih opaziti sledove drobirskih tokov, ki se lahko pojavijo zelo redko. Razlika med Meltonovimi števili in nakloni vršaja pri razli nih primerih je bila raziskana s pomo jo statisti nih analiz. Da bi zagotovili ustreznost preiskave, so bili upoštevani le drobirski vršaji. Meltonovo število za mešane vršaje ime vrednosti od 0,25– 0,30 do 0,45–0,50. Naklon mešanih vršajev je ve inoma takšen kot pri drobirskih vršajih. Zato je pri gradnji (naselja, premostitve, urejanje hudournikov) na mešanih vršajih treba upoštevati mo nost nastopa drobirskih tokov. Pri dolo anju vrste vršaja je pomembno, da se lo i vršaje, kjer bistvene procese predstavljajo hiperkoncentrirani tokovi, od tistih, kjer so pogosti drobirski tokovi in kjer fluvialni procesi nimajo pomembne vloge. V študiji je bila tudi izklju ena mo nost pojava drobirskega toka na hudourniških obmo jih, ve jih od 20 do 30 km 2 . Marchi in D'Agostino (2002) Ta metoda za ocenjevanje magnitude temelji na oceni koli in sedimentov, ki se nahajajo vzdol struge. Struge so raziskane na podlagi terenskih raziskav in na podlagi aerofoto posnetkov obmo ij. Seštevek teh koli in vzdol struge je kon na koli ina materiala v drobirskem toku. Tovrstne metode so samo pribli ne in so pogosto preve subjektivne. Erozijska ariš a lahko dolo imo precej natan no, medtem ko globina erozije in debelina bregov struge ostajajo pogosto le pribli no ocenjene spremenljivke. Mnoge spremenljivke pogosto tudi zanemarimo. Zaloge materiala v strugi in na bregovih so najve krat izra ene kot »specifi ni prispevek na enoto dol ine struge« (orig. ang. debris yield rate) (m 3 /m). Avtorji so te ocene razdelili na tri vrste scenarijev: 70–100, 180–400 in 280–600 m 3 /m'. Srednje vrednosti so koli insko primerljive z dogodki v preteklosti. Najslabši scenarij pa bi bil mo en ob so asni veliki nestabilnosti zemljine in katastrofalni koli ini padavin. Po pregledu podatkov za vzhodne italijanske Alpe je bilo ugotovljeno naslednje. He se analizira pogostost posameznih dogodkov, se ugotovi, da povpre en prispevek na enoto struge znaša okrog 10 m 3 /m'. V zelo redkih primerih ta vrednost prese e 50 m 3 /m'. Pojavi se samo v izredno nestabilnih razmerah. Jakob (2005) Metoda dolo a na podlagi vnaprej dolo enih kriterijev razvrstitev drobirskih tokov v 10 velikostnih razredov. Celotna prostornina drobirskega toka (V) ne zadoš a za oceno nevarnosti. Zato sta pomembna parametra še maksimalni pretok (Q p ) in površina obmo ja, ki ga bo drobirski tok najverjetneje prekril (B). Prostornina drobirskega toka je parameter, uporaben za dimenzioniranje pregrad (razbija ev drobirskega toka), ki zaustavijo ali vsaj delno ustavijo drobirski tok, preden dose e obmo ja, kjer bi bile posledice katastrofalne. Prav tako je to pomemben parameter za dolo anje obmo ja dosega in površine obmo ja, ki ga prekrije drobirski tok. Ta parameter je pomemben del vseh modelov. Prostornina tudi neposredno vpliva na nevarnost, ki jo drobirski tok predstavlja, in je veliko bolj uporaben parameter kot na primer masa odlo enega drobirskega materiala. Celotna prostornina drobirskega toka je dolo ena kot prostornina materiala, ki se je transportiral na obmo je pod vrhom vršaja. Razli ni avtorji podajajo ena be mo nih maksimalnih pretokov Q p za blatne ali vulkanske drobirske tokove s pripadajo imi prostorninami drobirskega toka V (preglednica 2). Preglednica 2. Zveza med Q p in V, kakor jo predlagajo razli ni avtorji (Jakob 2005). Ena ba Avtor 78 , 0 135 , 0 V Q p = (skalnat drobirski tok) Mizuyama et al. (1992) 79 , 0 019 , 0 V Q p = (blatni drobirski tok) Mizuyama et al. (1992) 83 , 0 006 , 0 V Q p = (vulkanski drobirski tok) Jitousono et al. (1996) 90 , 0 04 , 0 V Q p = (skalnat drobirski tok) Bovis in Jakob (1999) 01 , 1 003 , 0 V Q p = (vulkanski drobirski tok) Bovis in Jakob (1999) 82 , 0 001 , 0 V Q p = (vulkanski drobirski tok) Jitousono et al. (1996) 83 , 0 1 , 0 V Q p = (skalnat drobirski tok) Rickenmann (1999) Obmo je, ki ga drobirski tok poplavi, je vklju eno v obravnavo zato, ker predstavlja parameter, ki omogo a oceno mo nih posledic. Nekdo za na rtovanje nekega naselja rabi podatek o površini, ki jo bo drobirski tok poplavil, nekdo drug pa ta podatek rabi za na rtovanje berm za preusmerjanje drobirskega toka. Površina B (m 2 ) se za blatne (ve inoma vulkanske kamnine) in skalnate drobirske tokove razlikuje, saj se blatni drobirski tok razlije na precej ve jo površino. Ena ba za blatne drobirske tokove v vulkanskih kamninah (Iverson et al. 1998) je: 3 / 2 200V B V = (18) in za skalnate drobirske tokove (Griswold 2004): 3 / 2 20V B H = . (19) V preglednici 3 so navedeni mejni parametri za posamezne razrede drobirskih tokov. Preglednica 4 opisuje mo ne posledice drobirskih tokov posameznih razredov. Pri opisovanju razredov je treba poudariti, da je upoštevana prostornina drobirskega toka, mišljena kot prostornina materiala, ki se odlo i na ogro enem obmo ju – mejo ponavadi predstavlja vrh vršaja. Maksimalni pretok je ra unan na za etku vršaja, obmo je poplavljeno z drobirskim tokom pa je merjeno na vršaju. Pozornost je nujna pri razlo evanju med zrnastim in blatnim drobirskim tokom za velikosti ve je od 10.000 m 3 (razreda 4 in 5). Dokazano je bilo (Rickenmann, 1999), da lahko nekateri zrnasti in blatni drobirski tokovi menjavajo razreda 4 in 5. Zato je treba lokalno dolo iti skupno prostornino, maksimalni pretok in obmo je, prekrito z drobirskim tokom, in tako natan neje dolo iti velikostni razred, v katerega dolo eni drobirski tok spada. Preglednica 3. Parametri posameznih velikostnih razredov: V je celotna prostornina, Q b in Q v sta maksimalni odtok za skalnate in za vulkaninske drobirske tokove, B b in B v pa sta poplavljeni obmo ji za ti dve vrsti drobirskih tokov. Znak N/A pomeni, da se drobirski tok v taki velikosti še ni pojavil oziroma dogodek še ni nikjer zabele en (Jakob 2005). Preglednica 4. Posledice drobirskih tokov posameznih velikostnih razredov (Jakob 2005). Velikostni razred Opis mo nih posledic 1 Majhna lokalna škoda, poškodbe manjših objektov 2 Zasuje avtomobile, lomi drevje, uni i majhne lesene objekte, iztiri vlak 3 Uni i ve je objekte, poškoduje AB stebre mostov, blokira ceste, cevovode 4 Uni i dele vasi, uni i dele infrastrukture, mostov, zajezi potoke 5 Uni i dele manjšega mesta, uni i gozdove do 2 km 2 , zajezi potoke in manjše reke 6 Uni i cela manjša mesta, zabriše cel vršaj ali dolino do ve kot 10 km 2 , zajezi reke 7 Uni i dele ve jih mest, zabriše doline do nekaj 10 km 2 , zajezi ve je reke 8 Uni i ve ja mesta, zasuje doline in vršaje do velikosti 100 km 2 , zajezi veletoke 9 Obse no in popolno uni enje na obmo ju, ve jem kot 100 km 2 10 Obseno in popolno uni enje na obmo ju, ve jem kot 100 km 2 Za razrede 6 do 10 velja, da prekrijejo celotne doline ali predgorja, velikosti se nanašajo na celotno prostornino drobirskega materiala od to ke spro itve, maksimalni pretok je ra unan kjerkoli na transportni poti, prekrito obmo je pa je celotno obmo je od to ke spro itve. Opis mo nih posledic je ocenjen s pomo jo literature. Drobirski tokovi razreda 1 (10 do 100 m 3 ) se pojavljajo v manjših strugah in ponavadi med potovanjem poberejo manjši material. Spro ijo jih ponavadi manjši plazovi drobirja ali skalni podori. Manjša koli ina materiala, vode, hitro dreniranje in visoka prepustnost ter majhen padec struge povzro ijo zgodnje odlaganje materiala. Drobirski tokovi obsegajo do 100 m 3 , s pretokom do 5 m 3 /s in površino, ki jo preplavijo do 4.000 m 2 ; ve jo škodo lahko povzro ijo le v primeru, e je objekt postavljen na vrhu vršaja, kjer ima drobirski tok še dokaj veliko hitrost in vsebuje tudi ve je skale. Ni jega razreda, kot je razred 1, ni, saj drobirski tokovi manjši od 10 m 3 nimajo nobenega vpliva in zato pogosto niti niso zanimivi za obravnavo. V Q b Q v B b B v razred (m 3 ) (m 3 /s) (m 3 /s) (m 2 ) (m 2 ) 1 < 10 2 <5 <1 <4x10 2 <4x10 3 2 10 2 –10 3 5–30 1–3 4x10 2 –2x10 3 4x10 3 –2x10 4 3 10 3 –10 4 30–200 3–30 2x10 3 –9x10 3 2x10 4 –9x10 4 4 10 4 –10 5 200–1.500 30–300 9x10 3 –4x10 4 9x10 4 –4x10 5 5 10 5 –10 6 1.500–12.000 300–3x10 3 4x10 4 –2x10 5 4x10 5 –2x10 6 6 10 5 –10 6 N/A 3x10 3 –3x10 4 >2x10 5 2x10 6 –3x10 7 7 10 6 –10 7 N/A 3x10 4 –3x10 5 N/A 3x10 7 –3x10 8 8 10 7 –10 8 N/A 3x10 5 –3x10 6 N/A 3x10 8 –3x10 9 9 10 8 –10 9 N/A 3x10 6 –3x10 7 N/A 3x10 9 –3x10 10 10 >10 9 N/A 3x10 7 –3x10 8 N/A >3x10 10 Drobirski tokovi razreda 2 (od 100 do 1.000 m 3 ), se ponavadi pojavljajo na manjših potokih, ki imajo pogosto, ni pa nujno, omejeno koli ino erozijskega materiala. Drobirski tokovi na obmo jih z omejeno koli ino erozijskega materiala imajo med dvema dogodkoma dolo eno obdobje za ponovno kopi enje materiala. Na obmo jih, kjer je materiala neomejeno, so edini faktor spro itve hidrološki pogoji. Drobirski tokovi z maksimalnim pretokom do 30 m 3 /s (razred 2) lahko poškodujejo objekte grajene iz lesa na površini 20.000 m 2 . Na nekem ve jem obmo ju lahko velika koli ina padavin povzro i spro itev ve jega števila drobirskih tokov razreda 2 in 3, ki se zdru ujejo v drobirske tokove višjih razredov. Drobirskih tokov razreda 1 in 2 pogosto ni zabele enih v literaturi, ker ne povzro ajo velike gmotne škode. V ta razred se uvrš ajo drobirski tokovi, ki so se v letu 2002 pro ili pod skalnim podorom Strug in so potovali po strugi potoka Brusnik skozi vas Kose . Razred 3 (10 3 do 10 4 m 3 ) je zna ilna velikost drobirskih tokov, ki se pojavljajo z 10- letno povratno dobo v nevulkanskih hudourniških obmo jih, kjer je le omejena koli ina erozijskega materiala, ali s krajšo povratno dobo, e je v obmo je prakti no neomejena koli ina erozijskega materiala. Drobirski tokovi tega razreda imajo velik uni ujo potencial z maksimalnimi pretoki do 200 m 3 /s in s preplavljeno površino do 90.000 m 2 . Take drobirske tokove je te ko napovedati, saj imajo v manjših obmo jih (< 5 km 2 ) dolgo povratno dobo in so zato vse sledi prejšnjega dogodka e zakrite z vegetacijo. Drobirski tokovi razreda 4 (10 4 do 10 5 m 3 ) se lahko pojavijo v podobnih hudourniških obmo jih kot drobirski tokovi razreda 3, le z veliko daljšo povratno dobo. Ta znaša ve sto let za obmo ja z omejeno koli ino erozijskega materiala. Njihovo mo nost lahko napovedo samo strokovnjaki. Za obmo ja z omejeno koli ino erozijskega drobirja in s površino do 5 km 2 je zgornja meja razreda 4 tista velikost, ki je dose ena šele s povratno dobo ve tiso let. Drobirski tokovi razreda 5 (10 5 do 10 6 m 3 ) se pojavljajo na vulkanskih obmo jih ali na obmo jih z obilno koli ino erozijskega drobirja. Vulkanski drobirski tokovi z visoko vsebnostjo gline in z neizrazitim skalnatim elom so veliko bolj teko i kot skalnati drobirski tokovi z gruš nato osnovo. In prav ta zna ilnost povzro a, da vulkanski drobirski tokovi dose ejo velike razdalje, kjer povzro ajo škodo. Skalnati drobirski tokovi tega obsega so zelo redki in dokaz za njih so pogosto le analize sedimentov iz globokih jarkov na obmo ju odlaganja. Zaradi velikega pretoka (do 12.000 m 3 /s) in obširnega obmo ja odlaganja (do 2 km 2 ) predstavljajo drobirski tokovi tega razreda veliko nevarnost za naselja in ostalo infrastrukturo na takem obmo ju. Drobirski tokovi razreda 6 s prostornino od 10 6 do 10 7 m 3 in maksimalnim pretokom do 30.000 m 3 /s, ki lahko preplavijo površino do 30 km 2 , se ponavadi pojavijo na vulkanih, kjer jih spro i porušitev dolo enega obmo ja, topljenje snega ali izbruh vode. Drobirski tokovi tega razreda so v zadnjih sto letih povzro ili deset tiso e smrtnih rtev po vsem svetu. Razred 6 je prav tako najvišji razred za skalnate drobirske tokove, saj so vsi znani ve ji drobirski tokovi vulkanski. V ta razred lahko uvrstimo drobirski tok s plazu Stov e, ki je novembra 2000 prizadel Log pod Mangartom. Drobirski tok razreda 7 s prostornino 1,8x10 6 m 3 je bil zabele en v Nikaragvi leta 1998. Drobirski tok razreda 8 je bil zabele en na gori St. Helen leta 1980. Prostornina je bila 1,3x10 7 , maksimalni pretok pa je bil 68.000 m 3 /s. Na gori St. Helen se je spro il tudi drobirski tok razreda 9 s prostornino 1–2x10 8 m 3 . Primer drobirskega toka razreda 10 pa je dogodek na Mount Rainier s prostornino 3–4 km 3 . Dejstvo je, da lahko drobirski tokovi razredov 7 do 10 brez opozorila zahtevajo od 1.000 do 100.000 rtev ter lokalne demografske spremembe na prizadetem obmo ju z dolgotrajnimi socioekonomskimi posledicami. Kombinirane metode Ceriani et al. (2000) Obravnavano obmo je je bilo izbrano na obmo ju Lombardije. Izbrana so bila tri obmo ja, v katerih so se v preteklosti e zgodili razli ni meteorološki dogodki, ki so povzro ili poplavljanje. Izbranih je bilo 97 vršajev. Razdeljeni so bili v 4 skupine glede na geografsko lego. Uporabljena metoda je bila dolo ena glede na njen namen, ki je dolo itev glavnega procesa na dolo enem vršaju, dolo itev stopnje ogro enosti, omejitev obmo ij z razli no stopnjo ogro enosti in predstavitev empiri nih ena b za dolo itev maksimalne koli ine materiala v enem dogodku. Terenske raziskave so bile opravljene za dolo anje parametrov na terenu in preverjanje tistih, ki so bili dolo eni s pomo jo aerofoto posnetkov in zgodovinskih zapisov. Raziskave na prispevnem obmo ju so omogo ile oceno koli ine drobirja na hudourniškem obmo ju in na robovih dolin, oceno magnitude preteklih dogodkov in oceno delovanja preteklih ukrepov za stabilizacijo dna vodotokov. Na podlagi teh podatkov je bila za vsak vršaj mo na ocena maksimalne mo ne koli ine materiala v enem dogodku. Iz poznavanja morfologije, preteklih dogodkov in poznavanja lastnosti prispevnega obmo ja je bilo mo no dolo iti prevladujo proces na posameznem vršaju: re no naplavljanje, nanašanje drobirja ali drobirski tok. Morfometri ni podatki o vršajih in prispevnih obmo jih so bili dopolnjeni z uporabo geografskega informacijskega sistema in topografskih kart merila 1 : 10.000. Razdelitev vršajev in hudourniških obmo ij je bila opravljena na podlagi terenskih raziskav, topografskih kart in aerofoto posnetkov. Enake osnove so uporabili za dolo itev nekaterih novih parametrov. Prvi izmed njih je geološki indeks (I_G), ki v obravnavo vnaša vpliv razli ne litološke sestave zaledja. Preglednica 5. Geološki indeks za posamezne litološke skupine (Ceriani et al. 2000). litologija vrednost ledeniške, aluvialne in pobo neusedline 5 metamorfne kamnine: gnajs, filit 4 lapor, skrilavec 3 vulkanske kamnine (lava, tuf, brea) 2 apnen aste in magmatske (granit, porfir, diorit) 1 Za dolo itev geološkega indeksa je bila predlagana naslednja ena ba: = i b i i i A W vrednost a G I /) * ( _ , (20) pri emer je a i površina litologije i v dolo enem povodju, W je indeks preperevanja in razpokanosti (0,1–1) in A b je celotna površina prispevnega obmo ja. Zaradi realnosti je vrednost geološkega indeksa tako za apnen aste kot tudi za magmatske kamnine enaka 1, maksimalna vrednost indeksa pa je za razne usedline enaka 5 (preglednica 5). Zaradi zaznane nestabilnosti in prisotnosti erozijskih procesov na obravnavanih hudourniških obmo jih so avtorji predlagi še dva dodatna parametra in sicer indeks erozije (I_E) in indeks plazljivosti (I_F) (preglednica 6). Preglednica 6. Erozijski indeks in indeks plazljivosti za razli ne razmere na prispevnem obmo ju (Ceriani et al. 2000). erozijski indeks I_E indeks plazljivosti I_F visoka stopnja erozivnosti 1 prisotnost aktivnih plazov ali plazov z mo nostjo ponovnega aktiviranja 1 zmerna stopnja erozivnosti 2 prisotnost plazov, ampak ne neposredno ob strugi 2 majhna stopnja ali ni erozije 3 ni ve jih oz. pomembnih plazov 3 Analize morfometri nih podatkov za opis vršaja in prispevnega obmo ja so najbolj pogost pristop za dolo evanje prisotnih procesov in oceno magnitude teh procesov. S pomo jo regresijskih tehnik so bile testirane e številne metode (Takei 1984, Kronfellner- Kraus 1988, Rickenmann in Zimmermann 1993, D'Agostino 1996). Na podlagi vseh opravljenih statisti nih analiz, enostavnih teoreti nih osnov in e obstoje ih ena b je bila razvita nova nelinearna ena ba: d c b a F I c Scl Mb Ab k M = )_ ( ) _ ( ) ( ) ( (10 3 m 3 ), (21) pri emer so vrednosti koeficientov navedene v preglednici 7. Preglednica 7. Vrednosti koeficientov iz ena be (21) (Ceriani et al. 2000). vrsta transporta k a b c d vsi skupaj 3 1 0,8 1 2 drobirski tok 5,4 1 0,8 1 2 drobirski nanosi / reno naplavljanje 3 1 0,8 1 2 Izkazalo se je, da analize z eno ali dvema spremenljivkama ne dajejo dovolj zanesljivih rezultatov. Analiza z ve jim številom spremenljivk se izka e za bolj ustrezno, saj je sistem hudourniško obmo je–vršaj zelo zapleten. Predlagana regresijska ena ba za dolo evanje magnitude dogodka je razli na za razli ne vrste transporta. Ena ne je treba še testirati v razli nih geoloških in geografskih pogojih. Vpeljava parametrov, kot sta erozijski indeks I_E in indeks plazljivosti I_F, je nujna za podrobnejši opis razmer v prispevnem obmo ju. Indeksa predstavljata dolo eno aktivnost na nekem obmo ju. Ta podatek je še posebej pomemben za vršaje, kjer so prisotni drobirski tokovi. Izkazalo se je, da geološki indeks G_I nima pomembne vloge pri tovrstnih ocenah. Ra unalniške metode Schöberl et al. (2004) Za reševanje problemov na hudourniških vršajih se vseskozi razvijajo nove metode. Med distribuirane hidrološke modele se uvrš a tudi model program PROMAB GIS (Schöberl et al., 2004). Program PROMAB GIS ra una hidrogram in sedimentogram. Sestavljen je tako, da obdeluje povodje in procese, ki se tam odvijajo. Program je uporaben za ra unanje odtoka padavin in sedimentov za manjša alpska povodja, katerih površina je manjša od 20 km 2 . PROMAB GIS je bil razvit kot program, ki obravnava prostorsko spreminjanje vhodnih podatkov. Ra unanje poteka asovno odvisno. Ocena celotnega odtoka temelji na racionalni formuli, ki za osnovne enote ne jemlje podpovodij, ampak celotno povodje razdeli na mre o, posamezni deli pa so obravnavani kot osnovne vhodne enote. Dolo anje hidrograma temelji na izra unu mre e odtok/ as za obmo ja z aktivnim odtokom. Izra un poteka po asovnih korakih. Odtok sedimentov za vsako celico mre e pa se izra una na podlagi dolo itve dejanskega procesa na tem delu povodja (erozija, transport ali akumulacija). Transportni procesi so štirje: tok iste vode, prenašanje sedimentov, hiperkoncentriran tok in drobirski tok. Program je bil umerjen na podlagi podatkov o katastrofalnih poplavah leta 1990, uporabili pa so ga tudi za predvidevanje nadaljnjih scenarijev dogodka. Na podlagi podrobnih terenskih raziskav so na povodju Lainbach za razli ne mo ne scenarije dolo ili odtok padavin in sedimentov z uporabo programa PROMAB GIS . Raziskani scenariji ka ejo na pomembnost raziskave odlo ilnih procesov v povodju kot tudi na pomembnost dolo itve odto nih koeficientov in hitrosti površinskega toka. Raziskava na obmo ju Lainbach je pokazala, da poleg natan ne dolo itve tehni nih parametrov in meritev na velikost odtoka mo no vpliva tudi pove anje hrapavosti terena. Izkazalo se je, da je dolo anje vrste dogodka najbolj zahteven del in da to še vedno ostaja tema, odprta za razpravo. Z uporabo programa PROMAB GIS je torej mo no za vsak del povodja dolo iti hidro- in sedimentogram. Seveda je za uporabo programa potrebno dolo eno strokovno znanje o teh procesih. Zaklju ki Empiri ne in statisti ne ena be omogo ajo pribli no oceno koli in drobirskih tokov. Njihova uporaba mora biti omejena na obmo je, na katerem so bile razvite, saj le tam lahko zagotovimo njihovo predvideno natan nost. Bilo je dokazano, da empiri ne metode dajo zelo razli ne rezultate glede na to, katero ena bo uporabimo. Prav zaradi tega bi morali avtorji teh ena b natan no opisati, v kakšnih pogojih so bile razvite, in dolo ili obmo ja njihove uporabe. Uporaba ena be brez predhodnje kontrole na dolo enem obmo ju lahko prinese napa ne rezultate, eprav se lahko zgodi, da so rezultati v nekaterih primerih pravilni. Veliko število faktorjev vpliva na koli ino drobirskega toka, zato teh faktorjev ni mogo e enostavno vklju iti v izra une. V ena bah so parametri povodja izbrani kot neodvisne spremenljivke in so enostavno dolo ljive iz topografskih in geoloških kart. Pozitiven je tudi vidik, kjer je uporabljena povezava med odtokom in koli ino drobirskega toka. Ta vidik poka e zanimivo povezavo z laboratorijskimi raziskavami in ena bami za transport v strmih kanalih. Te metode bi bilo mogo e izboljšati, upoštevajo zaloge drobirja v posameznem povodju. Geomorfološke metode so bolj široko uporabne kot verjetnostne analize zgodovinskih podatkov, ker ne zahtevajo obširnih podatkov o preteklih dogodkih in so bolj prilagodljive kot nekatere polempiri ne ena be, ki temeljijo na podatkih za neko dolo eno obmo je. Verjetnostne analize zgodovinskih podatkov omogo ajo optimalno uporabo podatkov za neko povodje in za grobo, ampak zanesljivo oceno magnitude drobirskih tokov. Prav tako omogo ajo dolo itev pribli nih volumnov za dolo ene povratne dobe dogodkov. Vendar pogosto pomanjkanje podatkov onemogo a tovrstne raziskave in posledi no uporabo te vrste raziskav. Vsaka od prikazanih metod ima svoje prednosti in slabosti. Zato je pogosto najboljša rešitev kombinacija razli nih metod, s imer omejimo slabosti posameznih metod. Literatura Bovis, M.J., Jakob, M. 1999. The role of debris suply to determine debris flow activity in southwestern B.C., Earth Surface Processes and Landforms 24, 1039–1054. Ceriani, M., Crosta, G., Frattini, P., Quattrini, S. 2000. Evaluation of hydrological hazard on alluvial fans. INTERPRAEVENT 2000 – Villach, vol. 2: 213–225 D’Agostino, V., 1996. Analisi quantitativa e qualitativa del transporto solido torrentizio nei bacini montani del Trentino Orientale, In Scritti dedidaci a Giovanni Tournton. Associazione Italiana di Ingegneria Agraria – Asociazione Idrotehnica Italiana: Novara (Italy): 111–123. D’Agostino, V., Cerato, M., Coali, R. 1996. Extreme events of sediments transport in the eastern Trentino torrents. Interpreavent 1996 – Garmisch Partenkirchen, vol. 1: 377– 386. Griswold, J.P. 2004. Mobility Statistisc and Hazard Mapping for Non-Volcanic Debris Flows and Rock Avalanches. Unpublished Master thesis. Portland State University. Iverson, R.M., Schilling, S.P., Vallance, J.W. 1998. Objective delineation of lahar inundation zones. GSA Bulletin 110(8), 972–984. Jackson, Lionel E. Jr., Kostaschuk, R. A., MacDonald, G. M., 1987. Identification of debris flow hazard on alluvial fans in the Canadian Rocky Mountain. Reviews in Engineering Geology 4: 115–124. Jakob, M. 2005. A size classification for debris flows. Engineering geology 79: 151–161. Jitousono, T., Shimokawa, E., Tsuchiya S., 1996. Debris flow folloving the eruption with pyroclastic flows in Merapi volcano, Indonesia. Journal of Japan Society Erosion Control Engineering 48 (special issue): 109–116. Kronfellner-Krauss, G. Extreme sedimentation and gullying of torrents. Interpreavent 1984 – Villach, vol.2: 109–118 Kronfellner-Krauss G. 1988. New results and experiences in the quantitative estimation of torrents. Mitteil. Der Frost. Bundesversuchsanstalt, Beitrage zur Wildbacherosions- und Lawinenforschung, Wien, Heft 159: 447–458. Marchi, L., Pasuto, A., Tecca, P. R., 1993. Flow processes on alluvial fans in the Eastern Italian Alps. Zeitschrift für Geomorphologie 37: 447–458. Marchi, L., D'Agostino, V. 2002. Estimation of debris-flow magnitude in the eastern Italian Alps: Earth Surface Processes and Landforms 29: 207–220. Melton, M.A., 1965. The geomorphic and paloeclimatic significance of alluvial deposits in Southern Arizona, Journal of Geology 73: 1–38. Mikoš, M. 2001. ZnaEilnosti drobirskih tokov. Ujma, 2000/ 2001, št. 14–15: 295–299. Mizuyama, T., Kobashi, S., Ou., G. 1992. Prediction of debris flow peak discharge. Interpreavent 1992 - Bern, vol. 4: 99–108. Rickenmann, D., 1999. Empirical relationships for debris flows. Natural hazards 19: 44– 74. Rickenmann, D., Zimmermann M., 1993. The 1987 debris flows in Switzerland: documentation and analysis. Geomorphology 8: 175–189. Schöberl, F., Stötter, J., Schönlaub, H., Ploner, A., Sönser, T., Jenewein, S., Rinderer, M. 2004. PROMAB GIS : A GIS-based tool for estimatin runnoff and sediment discharge in alpine catchment areas. Interpreavent 2004 – Riva/Trient, vol.3: 271–282. Takei, A. 1984. Interdependence of sediment budget between individual torrents and river- system. Interpreavent 1984 – Villach, vol.2: 35–48.