Univerz a University v Ljubljani of Ljubljana Fakulteta Faculty of za gradbeništvo Civil and Geodetic in geodezijo Engineering Jamova cesta 2 Jamova cesta 2 1000 Ljubljana, Slovenija SI – 1000 Ljubljana, Slovenia http://www3.fgg.uni-lj.si/ http://www3.fgg.uni-lj.si/en/ DRUGG – Digitalni repozitorij UL FGG DRUGG – The Digital Repository http://drugg.fgg.uni-lj.si/ http://drugg.fgg.uni-lj.si/ V zbirki je izvirna različica izdajatelja. This is a publisher’s version PDF file. Prosimo, da se pri navajanju sklicujete na When citing, please refer to the publisher's bibliografske podatke, kot je navedeno: bibliographic information as follows: Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi. Doktorska disertacija. = Fluvial transport of suspended sediments related to other hydrologic processes. Doctoral dissertation. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 58 str. (mentor: prof. dr. Matjaž Mikoš, somentorica: doc. dr. Mojca Šraj). http://drugg.fgg.uni-lj.si/5516/ Arhivirano/Archived: 20-05-2016 Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo DOKTORSKI ŠTUDIJSKI PROGRAM III. STOPNJE GRAJENO OKOLJE Kandidat: NEJC BEZAK POVEZANOST FLUVIALNEGA PREMEŠČANJA SUSPENDIRANIH SNOVI Z DRUGIMI HIDROLOŠKIMI PROCESI Doktorska disertacija št.: 37/GO FLUVIAL TRANSPORT OF SUSPENDED SEDIMENTS RELATED TO OTHER HYDROLOGIC PROCESSES Doctoral thesis No.: 37/GO Komisija za doktorski študij je na 6. seji, 13. maja 2014, po pooblastilu s 30. seje Senata Univerze v Ljubljani z dne 20. januarja 2009, dala soglasje k temi doktorske disertacije. Za mentorja je bil imenovan prof. dr. Matjaž Mikoš, za somentorico pa doc. dr. Mojca Šraj. Ljubljana, 5. maj 2016 Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo Komisijo za oceno ustreznosti teme doktorske disertacije v sestavi: − prof. dr. Matjaž Mikoš, UL FGG, − doc. dr. Dušan Žagar, UL FGG, − prof. dr. Ognjen Bonacci, upok., prof. Emeritus Univerza v Splitu, Fakulteta građevinarstva, arhitekture i geodezije Sveučilišta u Splitu, − prof. dr. Marina Pintar, UL BF, − doc. dr. Mojca Šraj, UL FGG, je imenoval Senat Fakultete za gradbeništvo in geodezijo na 9. seji, 26. marca 2014. Poročevalce za oceno doktorske disertacije v sestavi: − izr. prof. dr. Dušan Žagar, UL FGG, − prof. dr. Ognjen Bonacci, upok., prof. Emeritus Univerza v Splitu, Fakulteta građevinarstva, arhitekture i geodezije Sveučilišta u Splitu, − prof. dr. Marina Pintar, UL BF, je imenoval Senat Fakultete za gradbeništvo in geodezijo na 23. seji, 4. novembra 2015. Komisijo za zagovor doktorske disertacije v sestavi: − prof. dr. Matjaž Dolšek, prodekan UL FGG, predsednik, − prof. dr. Matjaž Mikoš, UL FGG, mentor, − doc. dr. Mojca Šraj, UL FGG, somentorica, − izr. prof. dr. Dušan Žagar, UL FGG, − prof. dr. Ognjen Bonacci, upok., prof. Emeritus Univerza v Splitu, Fakulteta građevinarstva, arhitekture i geodezije Sveučilišta u Splitu, − prof. dr. Marina Pintar, UL BF, je imenoval Senat Fakultete za gradbeništvo in geodezijo na 27. seji, 30. marca 2016. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi I Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje STRAN S POPRAVKI Stran z napako Vrstica z napako Namesto Naj bo II Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje IZJAVE Podpisani Nejc Bezak izjavljam, da sem avtor doktorske disertacije z naslovom Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi. Izjavljam, da je elektronska različica enaka tiskani različici. Izjavljam, da dovoljujem objavo elektronske različice v repozitoriju UL FGG. Ljubljana, 15.4.2016 Nejc Bezak Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi III Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLE ČEK UDK: 556.512:551.311.21:(497.12):(043) Avtor: Nejc Bezak Mentor: prof. dr. Matjaž Mikoš Somentorica: doc. dr. Mojca Šraj Naslov: Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Tip dokumenta: doktorska disertacija Obseg in oprema: 58 str., 6 pregl., 29 sl., 2 en., 9 pril. (155 str.) Ključne besede: Sedimenti, erozija tal, modeliranje, funkcije kopula, eks- perimentalno porečje Izvleček Razumevanje in poznavanje procesov, ki sestavljajo vodni oziroma hidrološki ter erozijsko- sedimentacijski krog, ki se medsebojno prepletata, je pomembno z vidika varstva pred naravnimi nesrečami ter zagotavljanja ustreznih pogojev za življenje (npr. pitna voda). V doktorski di- sertaciji so obravnavani naslednji procesi: fluvialno premeščanje suspendiranih snovi, površinski odtok vode, padavine ter erozijski procesi. V disertaciji so najprej opisani in predstavljeni hidrološki procesi, sledi opis merskih metod, ki so bile uporabljene za izvedbo meritev. Nadalje je podan opis obravnavanih porečij vključno z eksperimentalnim porečjem, kjer so se meritve z visoko frekvenco vzorčenja izvajale v okviru doktorske disertacije, sledi opis uporabljenih statistično-matematičnih metod, ki so bile upo- rabljene za analizo podatkov, pri tem je poudarek na funkcijah kopula, ki omogočajo hkratno analizo dveh ali več v naravi bolj ali manj odvisnih spremenljivk. V zadnjem poglavju prvega dela disertacije pa so prikazane osnove modeliranja erozije tal s poudarkom na modelu WA- TEM/SEDEM. V drugem delu disertacije so prikazani rezultati različnih terenskih meritev (npr. meritve flu- vialnega premeščanja suspendiranih snovi, padavin, pretokov, erozije tal), izvedena je analiza povezanosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi, prika- zani so rezultati modeliranja erozije tal ter uporabe funkcij kopula. Ugotovili smo, da imajo padavinski dogodki velikih intenzitet nadpovprečen vpliv na procese sproščanja, premeščanja in odlaganja erozijskega materiala. Količine premeščenega materiala so lahko pri teh dogodkih nekaj velikostnih razredov večje od dolgoletnega povprečja. V Sloveniji do nastopa konice fluvialno premeščenih suspendiranih snovi večinoma prihaja pred nastopom konice pretoka, pri tem pa so časovne razlike večinoma relativno majhne (do 1 dneva). Nadalje se količine fluvialno premeščenih suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih večinoma zmanj- šujejo, kar je lahko posledica različnih vzrokov, kot sta zaraščanje površja zaradi opuščanja kmetijske obdelave ter zapiranje rudnikov. Z aplikacijo modela WATEM/SEDEM na 5 porečjih v Sloveniji je bilo ugotovljeno, da se koeficient odplavljanja zmanjšuje z večanjem prispevnega območja. Funkcije kopula pa so bile uporabljene za multivariatne verjetnostne analize poplavnih dogodkov, kjer smo hkrati upoštevali konice pretokov, volumne visokovodnih valov ter trajanja visokovodnih valov, poleg tega pa smo funkcije kopula uporabili tudi za analizo podatkov o suspendiranih snoveh ter za ocenjevanje vrednosti fluvialno premeščenih suspendiranih snovi na podlagi podatkov o pretokih in padavinah. IV Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT UDC: 556.512:551.311.21:(497.12):(043) Author: Nejc Bezak Supervisor: prof. Matjaž Mikoš, Ph.D. Cosupervisor: assist. prof. Mojca Šraj, Ph.D. Title: Fluvial transport of suspended sediments related to other hydrologic processes Document type: doctoral dissertation Scope and tools: 58 p., 6 tb., 29 fig., 2 eq., 9 ann. (155 p.) Keywords: Sediments, soil erosion, modelling, copula functions, experimental catchment Abstract Understanding and knowledge about the processes that define water or hydrologic cycle and erosion-sedimentation cycle (these two cycles are inter-connected) is important in order to en- sure safety during natural disasters and to provide sufficient conditions for life (e.g. drinkable water). In the presented thesis we investigated next processes: fluvial transport of suspended sediments, surface runoff, rainfall and erosion processes. Firstly, the investigated hydrological processes are described, then the measuring methods are presented. Further, the investigated catchments including experimental catchment where high-frequency measurements were performed are described, in the next section the statistical- mathematical tools that were used for data analysis are shown. The emphasis was given to the copula functions that can be used for simultaneous study of two or more (in)dependent variables that define the environmental process. In the last section of the first part of thesis, the basic concepts of soil erosion modelling are presented where the emphasis was given to the WATEM/SEDEM model that can be used for soil erosion modelling. In the second part of the thesis, results of field measurements are presented (e.g. measurements of fluvial transport of suspended sediments, rainfall, discharge and soil erosion), analysis of con- nection between fluvial transport of suspended sediments and other hydrological processes was carried out, soil erosion modelling results are described and application of copula functions is shown on practical examples. The main conclusions are: rainfall events that have large rainfall intensities have significant im- pact on erosion, transport and deposition processes. During these kinds of events the suspended sediment budgets can be for a few orders of magnitude larger than the long-term annual rates. In Slovenia the peak of the suspended sediment transport mostly occurs before the peak discharge but the time differences are rather small (up to 1 day). Moreover, the trends in the transport of suspended sediments in Slovenian streams are mostly negative (all statistically significant trends are negative). Reasons for this can be: closing of mines or foresterisation (abandoning of farming due to urbanisation). Application of the WATEM/SEDEM model showed that sediment deli- very ratio decreases with increasing catchment area. Moreover, copula functions were used for multivariate flood frequency analysis where peak discharge, hydrograph volume and hydrograph duration were considered in the analysis. Moreover, copula functions were also used to analyse suspended sediment data and for the estimation of the suspended sediment values based on the measured discharge and rainfall values. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi V Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje ZAHVALA Za pomoč pri nastajanju doktorske disertacije se iskreno zahvaljujem mentorju prof. dr. Ma- tjažu Mikošu in somentorici doc. dr. Mojci Šraj za pomoč in vse napotke pri izdelavi disertacije. Pri pridobivanju terenskih podatkov in raziskovalnem delu so aktivno sodelovali tudi ostali člani Katedre za splošno hidrotehniko (KSH), kjer moram posebej izpostaviti doc. dr. Simona Rus- jana in Mateja Sečnika, za kar se jim zahvaljujem. Del raziskav in terenskih meritev je potekal v okviru EU raziskovalnega projekta SedAlp, ki je financiran preko Alpine Space programa in raziskovalnega programa P2-0180 Vodarstvo in geotehnika, ki ga financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS. Za terensko delo in obdelavo podatkov v okviru prej omenjenega projekta se zahvaljujem tudi članom Katedre za kartografijo, fotogrametrijo in daljinsko zaznavanje (KKFDZ), še posebej asist. dr. Dejanu Gri- gillu. Za pomoč pri izpeljavi nekaterih enačb bi se zahvalil tudi izr. prof. dr. Marjeti Kramar Fijavž. Prav tako se zahvaljujem Agenciji RS za okolje za posredovane podatke. Moj doktorski študij je finančno podprla Javna agencija za raziskovalno dejavnost RS. Zahvalil bi se tudi partnerki, družini in prijateljem, ki so mi v času študija stali ob strani. VI Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje KAZALO VSEBINE BIBLIOGRAFSKO-DOKUMENTACIJSKA STRAN IN IZVLE ˇ CEK III BIBLIOGRAPHIC-DOCUMENTALISTIC INFORMATION AND ABSTRACT IV ZAHVALA V KAZALO VSEBINE VI KAZALO PREGLEDNIC VIII KAZALO SLIK IX LIST OF TABLES XI LIST OF FIGURES XII KAZALO PRILOG XIV 1 UVOD 1 1.1 Opis problematike in relevantnost problema . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1.2 Hipoteze . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 1.3 Cilji . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 1.4 Struktura doktorske disertacije . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 2 PREGLED LITERATURE 4 2.1 Opis procesov sproˇ sˇ canja, premeˇ sˇ canja in odplavljanja zemljin ter povezanih hidroloˇ skih procesov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 2.1.1 Procesi sproˇ sˇ canja, premeˇ sˇ canja in odlaganja . . . . . . . . . . . . . . . . 5 2.1.2 Padavine in povrˇ sinski odtok . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2.2 Merske metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.1 Meritve padavin . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.2.2 Meritve pretokov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 11 2.2.3 Meritve fluvialnega premeˇ sˇ canja suspendiranih snovi . . . . . . . . . . . . 13 2.2.4 Meritve erozijskih procesov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 15 3 METODE DELA 17 3.1 Opazovani procesi in uporabljane merske metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2 Opis obravnavanih poreˇ cij . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 17 3.2.1 Eksperimentalni poreˇ cji Kuzlovec in Maˇ ckov graben . . . . . . . . . . . . 17 3.2.2 Poreˇ cja, kjer se meritve izvajajo v okviru drˇ zavnega hidroloˇ skega monito- ringa . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.3 Statistiˇ cno-matematiˇ cne metode . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3.1 Sezonskost ter trendi hidroloˇ skih spremenljivk . . . . . . . . . . . . . . . . 21 3.3.2 Metoda letnih maksimumov ter metoda vrednosti nad izbranim pragom . 22 3.3.3 Funkcije kopula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 22 3.4 Modeliranje erozije tal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 3.4.1 V Sloveniji pogosto uporabljene metode za modeliranje erozije tal . . . . 24 3.4.2 Model WATEM/SEDEM . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 25 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi VII Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 4 REZULTATI IN RAZPRAVA 27 4.1 Rezultati meritev na eksperimentalnem poreˇ cju reke Gradaˇ sˇ cice . . . . . . . . . . 27 4.1.1 Rezultati meritev padavin, pretokov in fluvialnega premeˇ sˇ canja suspendi- ranih snovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.1.2 Rezultati meritev erozijskih procesov . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.2 Povezanost fluvialnega premeˇ sˇ canja suspendiranih snovi z drugimi hidroloˇ skimi procesi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.1 Povezava med pretoki in koncentracijami suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 35 4.2.2 Trendi v obravnavanih hidroloˇ skih spremenljivkah . . . . . . . . . . . . . 36 4.2.3 Sezonske znaˇ cilnosti opazovanih hidroloˇ skih procesov . . . . . . . . . . . . 37 4.3 Rezultati modeliranja erozije tal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3.1 Masne bilance fluvialno premeˇ sˇ cenih suspendiranih snovi . . . . . . . . . 38 4.3.2 Potencialno sproˇ sˇ canje . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3.3 Koeficient odplavljanja . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4 Uporaba funkcij kopula . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.4.1 Rezultati multivariatnih verjetnostnih analiz visokovodnih valov . . . . . 41 4.4.2 Rezultati multivariatnih analiz konic pretokov, volumnov valov ter koncentracij suspendiranih snovi . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 4.4.3 Rezultati ocenjevanja suspendiranih snovi z uporabo kopul . . . . . . . . 42 5 SKLEPI 44 6 POVZETEK 46 7 SUMMARY 48 VIRI 50 VIII Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje KAZALO PREGLEDNIC 2.1 Pregled merilnih metod za meritve suspendiranih snovi (povzeto po Wren in sod. (2000); Mikoˇ s (2012b)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1 Opis ˇ sifer pedoloˇ skih kartografskih enot uporabljenih v legendi slike 3.3 . . . . . 20 3.2 Opis ˇ sifer pokrovnosti zemljiˇ sˇ c uporabljenih v legendi slike 3.4 in deleˇ zi povrˇ sin posameznih pokrovnosti tal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1 Rezultati testa Mann-Kendall s pripadajoˇ cimi stopnjami znaˇ cilnosti za ˇ casovne serije letnih maksimumov koncentracij suspendiranih snovi (SSC) (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Prikaz sezonskih maksimumov koncentracij suspendiranih snovi (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3 Prikaz nekaterih osnovnih znaˇ cilnosti obravnavanih postaj (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi IX Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje KAZALO SLIK 2.1 Shematski prikaz prepletanja vodnega in erozijsko-sedimentacijskega kroga . . . . 4 2.2 Grafiˇ cni prikaz interakcije med procesi sproˇ sˇ canja, premeˇ sˇ canja ter odlaganja na ravninskem ter hribovitem obmoˇ cju . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Nekatere oblike erozije tal . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.4 Prikaz razliˇ cnih vrst padavinskega odtoka (povzeto po Knighton (1998); Rusjan (2008)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5 Prikaz merske opreme za toˇ ckovne meritve padavin (foto: Nejc Bezak) . . . . . . 12 2.6 Prikaz opreme za meritve pretokov in motnosti na poreˇ cju Kuzlovec (povzeto po Bezak in sod. (2013b)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7 Prikaz opreme za meritve erozije na nivoju poboˇ cja (foto: Nejc Bezak) . . . . . . 15 3.1 Digitalni model viˇ sin poreˇ cja Gradaˇ sˇ cice do vodomerne postaje Dvor . . . . . . 18 3.2 Geoloˇ ska karta poreˇ cja Gradaˇ sˇ cice do vodomerne postaje Dvor . . . . . . . . . . 18 3.3 Pedoloˇ ske kartografske enote (PKE) poreˇ cja Gradaˇ sˇ cice do vodomerne postaje Dvor . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4 CLC Corine pokrovnost zemljiˇ sˇ c poreˇ cja Gradaˇ sˇ cice . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.5 Prikaz grafiˇ cnih testov za preverjanje ustreznosti doloˇ cenih kopul . . . . . . . . . 23 3.6 Doloˇ citev povratne dobe OR za primer hkratne analize treh spremenljivk z uporabo Gumbel-Hougaard kopule (SSC=koncentracije suspendiranih snovi; Q=konice pretokov) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 24 4.1 Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem poreˇ cju Kuzlovec I . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem poreˇ cju Kuzlovec II . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem poreˇ cju Kuzlovec III . . . . . . . . . . . . . . 29 4.4 Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor I (poreˇ cje Gradaˇ sˇ cice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.5 Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor II (poreˇ cje Gradaˇ sˇ cice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.6 Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor III (poreˇ cje Gradaˇ sˇ cice) . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.7 Meritve intenzitete padavin in vsote padavin [mm/h in mm] z disdrometrom . . 32 4.8 Meritve padavin [mm] z uporabo meteoroloˇ skega radarja (4-5 avgust 2014) . . . 32 4.9 Posledice ekstremnih meteoroloˇ skih razmer v noˇ ci s 4. na 5. avgust 2014 (foto: Matej Seˇ cnik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.10 Prikaz razmer na obmoˇ cju Kuzlovca pred in po ekstremnem padavinskem dogodku (foto: Mojca Kogoj) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.11 Prikaz viˇ sinskih razlik [m] med digitalnim modelom reliefa posnetim aprila 2013 in avgusta 2014 . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.12 Histogram ˇ stevila celic glede na erozijo (negativne vrednosti) ali odlaganje sedimentov (pozitivne vrednosti) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.13 Povpreˇ cne vrednosti ˇ casovnega zamika med konico koncentracij suspendiranih snovi in konico pretoka (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . 35 4.14 Razponi parametrov umerjenega modela WATEM/SEDEM z uporabo orodij PEST (povzeto po Bezak in sod. (2015d)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.15 Povezava med povratnimi dobami (OR in AND) in ocenjenimi vrednostmi spremenljivk (povzeto po ˇ Sraj in sod. (2015)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 X Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 4.16 Porazdelitev ocenjenih SSL vrednosti in 50 % intervalov zaupanja za ˇ stiri dogodke, ki so se zgodili v razliˇ cnih letnih ˇ casih . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi XI Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje LIST OF TABLES 2.1 Overview of suspended sediment measuring techniques (adapted after Wren in sod. (2000); Mikoˇ s (2012b)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 14 3.1 Description of pedological cartographic unit codes used in the legend of figure 3.3 20 3.2 Description of CLC Corine land cover codes used in the legend of figure 3.4 and percenteges of land-use types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 20 4.1 The Mann-Kendall test results with the corresponding significance levels for the annual maximum sample of the suspended sediment concentration (SSC) values (adapted after Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 37 4.2 Presentation of seasons with the highest suspended sediment concentration values (adapted after Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 38 4.3 Basic properties of the selected gauging stations (adapted after Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 39 XII Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje LIST OF FIGURES 2.1 Diagram of interaction between water and erosion-sedimentation cycles . . . . . . 4 2.2 Graphical presentation of interaction among erosion, transport and deposition in the lowland and hillslope areas . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 6 2.3 Some soil erosion types . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 7 2.4 Graphical presentation of different rainfall runoff (adapted after Knighton (1998); Rusjan (2008)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 10 2.5 Measuring equipement for the precipitation measurements at specific point (photo: Nejc Bezak) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 12 2.6 Equipement for measuring water level and turbidity in the Kuzlovec catchment (adapted after Bezak in sod. (2013b)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 13 2.7 Equipement for measuring soil erosion at the slope scale (photo: Nejc Bezak) . . 15 3.1 Digital elevation model of the Gradaˇ sˇ cica catchment to the Dvor gauging station 18 3.2 Geological map of the Gradaˇ sˇ cica catchment to the Dvor gauging station . . . . 18 3.3 Pedological cartographic units (PKE) of the Gradaˇ sˇ cica catchment to the Dvor gauging station . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 19 3.4 CLC Corine land cover map of the Gradaˇ sˇ cica catchment . . . . . . . . . . . . . 19 3.5 Example of grafical goodness-of-fit test for different copula functions . . . . . . . 23 3.6 Determination of the OR return period for the trivariate case using the Gumbel- Hougaard copula (SSC=suspended sediment concentration; Q=peak discharge) . 24 4.1 Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measure- ments at the Kuzlovec catchment I . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 27 4.2 Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measure- ments at the Kuzlovec catchment II . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 28 4.3 Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measure- ments at the Kuzlovec catchment III . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.4 Discharge [m3/s] and suspended sediment measurements [mg/l] at the Dvor gauging station I (Gradaˇ sˇ cica catchment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 29 4.5 Discharge [m3/s] and suspended sediment [mg/l] measurements at the Dvor gauging station II (Gradaˇ sˇ cica catchment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 30 4.6 Discharge [m3/s] and suspended sediment [mg/l] measurements at the Dvor gauging station III (Gradaˇ sˇ cica catchment) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 31 4.7 Measurement of rainfall intensity and accumulated rainfall with disdrometer [mm/h in mm] . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.8 Rainfall radar measurements [mm] (4-5 August 2014) . . . . . . . . . . . . . . . . 32 4.9 Consequences of the extreme meteorological conditions on the night from 4th to 5th of August 2014 (photo: Matej Seˇ cnik) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.10 Situation in the Kuzlovec torrent before and after the extreme rainfall event (photo: Mojca Kogoj) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 33 4.11 Difference [m] between digital terrain model from April 2013 and August 2014 . 34 4.12 Histogram showing number of cells (y-axis) with positive or negative DoD values (x-axis) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 34 4.13 Avarage lag values between maximum suspended sediment concentration values and peak discharge values (adapted from Bezak in sod. (2015c)) . . . . . . . . . 35 4.14 Parameter ranges for the calibrated WATEM/SEDEM model parameters, which were determined using the automatic parameter estimation procedure (PEST) (adapted from Bezak in sod. (2015d)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 40 4.15 Joint return period values for OR and AND cases for the analysed pairs (adapted from ˇ Sraj in sod. (2015)) . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 41 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi XIII Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 4.16 Distribution of estimated SSL values and 50 % confidence intervals for four events, which happened in different seasons . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 42 XIV Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje KAZALO PRILOG • PRILOGA A: Comparison between the peaks-over-threshold method and the annual maximum method for flood frequency analysis • PRILOGA B: Trivariate Frequency Analyses of Peak Discharge, Hydrograph Volume and Suspended Sediment Concentration Data Using Copulas • PRILOGA C: Flood frequency analyses, statistical trends and seasonality analyses of discharge data: a case study of the Litija station on the Sava River • PRILOGA D: Analyses of suspended sediment loads in Slovenian rivers • PRILOGA E: Bivariate flood frequency analysis using the copula function: a case study of the Litija station on the Sava River • PRILOGA F: Estimation of soil loss by the WATEM/SEDEM model using an automatic parameter estimation procedure • PRILOGA G: Pregled meritev vsebnosti suspendiranega materiala v Sloveniji in primer analize podatkov • PRILOGA H: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlo- vec in Mačkov graben • PRILOGA I: Estimation of suspended sediment loads using copula function Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 1 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 1 UVOD 1.1 Opis problematike in relevantnost problema Suspendirane snovi so pomemben hidrološki dejavnik, ki vplivajo na ekološke razmere v vodoto- kih, in so lahko pokazatelj razvitosti erozijskih procesov v zaledju (Bezak in sod., 2015c; Bilotta in Brazier, 2008; Newcombe in Macdonald, 1991; Tramblay in sod., 2010). Primer negativnega vpliva sedimentov na ekološke razmere v vodnem okolju predstavlja premeščanje sedimentov, onesnaženih z živim srebrom po reki Soči v Tržaški zaliv (Petkovˇ sek, 2002; Rajar in sod., 2007). Na tem mestu je treba poudariti, da sedimenti ne povzročajo le negativnega vpliva na vodno okolje, kar je večinoma posledica človeških dejavnosti, temveč gre za naravni pojav, ki ima tudi pozitiven vpliv. Prav tako je pomembno poznavanje in razumevanje medsebojne interakcije med sedimenti ter številnimi hidrotehničnimi objekti. V Sloveniji je bila v zadnjem desetletju večina študij o sedimentih narejenih v povezavi s hidroelektrarnami na reki Savi (GEATEH, 2010), določene analize pa so bile izvedene tudi na drugih vodotokih (Dolinar, 2014). Tako je bilo npr. ugotovljeno, da lahko transport sedimentov povzroči poškodbe na betonskih konstrukcijah vodnih zgradb, kar lahko pomeni povečanje obratovalnih stroškov ter drage sanacijske ukrepe (Kryˇ zanowski in sod., 2012). Z vidika dobrega ekološkega in kemijskega stanja vodnih teles, ki je eden izmed ciljev okvirne direktive Evropske unije o vodah (Evropski parlament in Svet EU, 2000), pa je pomemben vpliv hidrotehničnih objektov na transport sedimentov (Bogen in Bøn- snes, 2001; GEATEH, 2010; Mikoˇ s, 2000). Kljub temu, da se količine premeščenih sedimentov v svetovnem merilu nekoliko zmanjšujejo (Walling in Fang, 2003) in da je tudi v Sloveniji prisoten negativen trend v izmerjenih koncentracijah suspendiranih snovi na določenih vodotokih (Bezak in sod., 2015c), gre še vedno za pomemben dejavnik, katerega je potrebno obravnavati celo-stno, torej na nivoju porečja, ki velikokrat presega državne meje in v teh primerih je potrebno vzpostaviti mednarodno sodelovanje (Babi´ c-Mladenovi´ c in sod., 2013; SedAlp, 2015). Eden iz- med predpogojev za nadgradnjo razumevanja o fluvialnem premeščanju suspendiranih snovi je zvezno spremljanje te hidrološke spremenljivke (Mikoˇ s, 2012c; Bezak in sod., 2013a). Agencija Republike Slovenije za okolje (ARSO) je meritve koncentracij suspendiranih snovi izvajala od sredine 20. stoletja v okviru hidrološkega monitoringa, v letu 2012 je prišlo do začasne prekini- tve meritev, ki pa se bodo nadaljevale v okviru projekta BOBER (Boljše Opazovanje za Boljše Ekološke Rešitve), predvidoma v letu 2015 (Bezak in sod., 2013a, 2015c; Ulaga, 2005, 2006). Mikoˇ s (2012c) je naredil pregled zakonodajne podlage za izvajanje državnega hidrološkega mo- nitoringa, ki ga izvaja ARSO: Zakon o varstvu okolja (Ur. l. RS, 41/04), Zakon o vodah (Ur. l. RS, 67/02), Zakon o varstvu pred naravnimi in drugimi nesrečami (Ur. l. RS, 64/94) ter Uredba o stanju površinskih voda (Ur. l. RS, 14/09). Za nadgradnjo znanja o fluvialnem premeščanju suspendiranih snovi v tekočih vodah pa so izre- dnega pomena tudi podatki pridobljeni na eksperimentalnih porečjih, kjer gre za opazovanja, ki ne potekajo v sklopu državnega hidrološkega monitoringa. Na eksperimentalnih porečjih se ob dogodkih različnih intenzitet, večinoma z visoko frekvenco vzorčenja, izvajajo meritve več hidro- loških spremenljivk, kot so npr. padavine, pretoki, vsebnost suspendiranega materiala (Bezak in sod., 2013b; Brocca in sod., 2011; Lenzi in sod., 1999; ˇ Sraj in sod., 2008b). Prednost sočasnih meritev prej omenjenih spremenljivk na manjšem območju je predvsem, da lahko ustrezno ovre- dnotimo povezave med opazovanimi hidrološkimi procesi. V Evropi so se prva eksperimentalna porečja pojavila že kmalu po letu 1900 (Warmerdam in Stricker, 2010), v Sloveniji pa je bilo porečje reke Reke eno izmed prvih takšnih območij (Brilly in sod., 2005; ˇ Sraj in sod., 2008b). Kasneje so se meritve npr. izvajale še na eksperimentalnem porečju reke Dragonje ter Gradaščice z Glinščico (Brilly in sod., 2005; ˇ Sraj in sod., 2008b). Trenutno je aktualno predvsem porečje reke Gradaščice in nekaterih hudourniških območij v povirju tega porečja (Bezak in sod., 2013b). Zaradi tega je bilo porečje Gradaščice izbrano za izvajanje terenskih meritev v okviru doktorske disertacije. 2 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Podatki, pridobljeni z meritvami na eksperimentalnih porečjih ter v okviru državnih hidroloških monitoringov, se lahko analizirajo in preučijo z uporabo statistično-matematičnih metod ter modelov, s katerimi lahko modeliramo okoljske procese (npr. hidrološki, hidravlični modeli, mo- deli, s katerimi lahko ovrednotimo erozijo tal). V zadnjem desetletju se v hidrološki praksi vse pogosteje uporabljajo funkcije kopula (ang. copula) (Bezak in sod., 2014a), ki so že bile uspešno uporabljene za modeliranje številnih naravnih procesov, kjer hkrati nastopa več medsebojno bolj ali manj odvisnih spremenljivk (Bezak in sod., 2014b; Genest in Favre, 2007; Grimaldi in Seri- naldi, 2006; Salvadori in sod., 2007; ˇ Sraj in sod., 2015). Na eksperimentalnih porečjih se lahko opazujejo tudi procesi erozije tal (Zorn, 2009), ki je neposredno povezana s fluvialnim preme- ščanjem suspendiranih snovi. Razmerje med prej omenjenima procesoma (premeščanje rinjenih ter lebdečih plavin ter erozijskimi procesi) lahko zajamemo s koeficientom odplavljanja (Ferro in Minacapilli, 1995; Lu in sod., 2006; Walling, 1983). Meritve erozije tal so precej redkejše kot meritve transporta suspendiranih snovi, še posebej na nivoju porečja, saj se meritve erozije tal zaradi vplivov vode, večinoma izvajajo ali na nivoju erozijskih polj velikosti nekaj kvadratnih metrov (Zorn, 2009) ali na nivoju pobočja (Malvar in sod., 2011), zato je za oceno erozije tal potrebno uporabiti različne modele. Merritt in sod. (2003) je naredil pregled obstoječih modelov za vrednotenje erozije tal, ki jih lahko razdelimo v tri glavne skupine: empirični oziroma pol-empirični modeli (npr. USLE, RUSLE), konceptualni modeli (npr. HSPF, LASCAM) ter modeli, ki opisujejo dejanske fizikalne procese, ki se odvijajo v naravnem okolju (npr. LISEM, TOPOG, PESERA). Nadalje je Petkovˇ sek (2000) naredil pregled procesno utemeljenih metod za modeliranje erozije tal. Modeli različnih kompleksnosti, s katerimi lahko modeliramo okoljske procese, imajo različno število parametrov, ki vplivajo na izračune in jih je potrebno umeriti glede na dejanske podatke, saj lahko le tako zmanjšamo negotovost v končnih izračunih oziroma modelnih napovedih. Podatki, pridobljeni v okviru državnega hidrološkega monitoringa in z meritvami na eksperi- mentalnih porečjih, se lahko uporabijo kot vhodni parameter različnih okoljskih modelov. Prav tako lahko prej omenjene podatke obdelamo z uporabo statistično-matematičnih orodij. Na ta način je možno nadgraditi znanje o fluvialnem premeščanju suspendiranih snovi ter povezanosti z drugimi hidrološkimi procesi kot so: padavine, prestrezanje padavin, površinski in podpovr- šinski odtok, evapotranspiracija. Pridobljeno znanje se lahko uporabi pri zagotavljanju dobrega ekološkega stanja vodnih teles, pri načrtovanju hidrotehničnih objektov in izrabi vodne energije ter zmanjševanju ogroženosti zaradi erozijskih procesov. 1.2 Hipoteze Na podlagi predstavljene problematike (poglavje 1.1) so bile oblikovane naslednje hipoteze: • hidrometeorološki pojavi velikih intenzitet (močne lokalne padavine) imajo nadpovprečen vpliv na vrednosti koncentracij suspendiranih snovi, ki jih vodotoki premeščajo ter maksi- malne koncentracije suspendiranih snovi večinoma nastopijo pred konico poplavnega vala (nastopom maksimalnega pretoka); • koeficient odplavljanja, ki predstavlja razmerje med dejanskimi izmerjenimi količinami lebdečih plavin (ocenjene letne količine fluvialno premeščenih suspendiranih snovi), in med potencialnimi letnimi količinami erodiranega materiala, določenega z uporabo empiričnega modela erozije tal (npr. USLE, RUSLE), je odvisen od velikosti porečja; • z uporabo funkcij kopula lahko hkrati analiziramo vrednosti konic pretokov, volumne vi- sokovodnih valov ter koncentracije suspendiranih snovi. Razumevanje povezave med ekstremnimi meteorološkimi dogodki in procesi transporta sedi- mentov je prav tako pomembno z vidika učinkovitega načrtovanja hidrološkega monitoringa. V Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 3 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje primeru, da se meritve koncentracij suspendiranih snovi ne izvajajo zvezno, lahko le z občasnimi meritvami pred oziroma po nastopu konice pretoka, napačno določimo maksimalne količine pre- meščenih suspendiranih snovi. Vrednotenje razmerja med erozijo tal ter količinami lebdečih plavin nam omogoča določiti kritična območja v porečju, kjer se intenzivno odvijajo erozijski procesi. Uporaba funkcij kopula na podatkih o pretokih ter koncentracijah suspendiranih snovi pa do sedaj, po nam znanih podatkih, še ni bila izvedena. 1.3 Cilji V okviru doktorske disertacije bomo podrobneje obravnavali teme, ki so prikazane v poglav- jih 1.1 ter 1.2. Cilj disertacije je nadgraditi znanje o hidroloških procesih v porečjih, kjer se fluvialno premeščanje suspendiranih snovi dogaja ob hidrometeoroloških pojavih različnih magnitud, predvsem pa nas bodo zanimali ekstremni pojavi. Raziskali bomo sezonski vpliv na obravnavane hidrološke procese (tj. suspendirane snovi, pretoke), ugotavljali prisotnost trendov v analiziranih časovnih serijah in analizirali časovni odziv porečja ob ekstremnih hidromete- oroloških pojavih. Zanimalo nas bo, kakšna je časovna dinamika pri fluvialnem premeščanju suspendiranih snovi, pretokih in intenziteti padavin ter kako so ti procesi medsebojno povezani. Na podlagi podatkov o koncentracijah suspendiranih snovi (tj. meritve izvedene na eksperi- mentalnih porečjih ter v okviru državnega hidrološkega monitoringa) bomo poskušali določiti okvirne vrednosti masnih bilanc premeščenih lebdečih plavin v izbranem časovnem obdobju. Te vrednosti bomo primerjali z rezultati empiričnega modela za ocenjevanje potencialnega le- tnega sproščanja drobnozrnatih zemljin kot glavnega razpršenega izvora suspendiranih snovi, kjer bomo uporabili model WATEM/SEDEM. Podatke o pretokih in koncentracijah suspendi- ranih snovi bomo analizirali z uporabo sodobnih statistično–matematičnih metod. Izvedli bomo multivariatne verjetnostne analize z uporabo funkcij kopula, ki omogočajo hkratno upoštevanje dveh ali več v naravi bolj ali manj odvisnih hidroloških spremenljivk. Prikazane bodo enačbe uporabljenih statistično-matematičnih orodij, osnovne zakonitosti delovanja izbranih okoljskih modelov ter metode, ki se uporabljajo za meritve suspendiranih snovi v vodotokih. Rezultate meritev, analiz ter modeliranja bomo primerjali z ugotovitvami drugih raziskovalcev. 1.4 Struktura doktorske disertacije Doktorska disertacija je sestavljena iz petih glavnih delov. Uvodnemu poglavju (poglavje 1) sledi poglavje imenovano pregled literature (poglavje 2), kjer so opisani številni procesi, ki sestavljajo vodni ter erozijsko-sedimentacijski krog, prikazane so merske metode, s katerimi lahko opazujemo te procese. Nadalje sledi poglavje metode, kjer je narejen povzetek uporabljenih metod, predstavljena so obravnavana porečja, opisana so uporabljena statistično-matematična orodja ter modeli za vrednotenje erozije tal (poglavje 3). Sledi del, kjer so prikazani rezultati, ki so v obliki razprave povezani z ugotovitvami drugih avtorjev (poglavje 4). V tem poglavju so prikazani rezultati meritev, analiz povezanosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi (pretoki in padavinami), modeliranja erozije tal ter primeri aplikacij funkcij kopula na hidroloških podatkih. Razprava je usmerjena predvsem na mednarodno umestitev rezultatov. Sledi zaključno poglavje (poglavje 5), kjer so podani odgovori o tem ali lahko de-lovne hipoteze zavrnemo ali sprejmemo, povzeti so bistveni zaključki ter nekatere usmeritve za nadaljnje delo. Celotna vsebina disertacije se prepleta z vsebino člankov, ki so dodani kot priloge k doktorski disertaciji (priloga A, priloga B, priloga C, priloga D, priloga E, priloga F, priloga G, priloga H, priloga I). Povedano drugače, disertacija je strukturirana v obliki monografije, kjer pa se velik del vsebine nahaja v priloženih člankih, zato ima besedilo v posameznih poglavjih večinoma vlogo veznega in povezovalnega besedila. 4 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 2 PREGLED LITERATURE 2.1 Opis procesov sproščanja, premeščanja in odplavljanja zemljin ter pove- zanih hidroloških procesov Na Zemlji se voda nahaja v različnih agregatnih stanjih, poleg tega je Zemlja edini planet v so- larnem sistemu, kjer lahko najdemo vodo v tekočem agregatnem stanju, vsaj v večjih količinah (Brilly in ˇ Sraj, 2005). Prav voda oziroma kroženje vode je eden izmed gradnikov življenja na planetu Zemlja in brez nje življenje, v obliki kot ga poznamo danes, ne bi bilo mogoče. Po drugi strani pa kroženje vode v vodnem oziroma hidrološkem krogu povzroča težave v obliki poplav, ki lahko povzročijo smrtne žrtve ter veliko gmotno škodo. Prav tako je gibanje vode eden od kontrolnih mehanizmov(ang. control mechanism) erozijskih procesov. Slika 2.1 prikazuje pre-pletanje oziroma interakcijo med hidrološkim ter erozijsko-sedimentacijskim krogom, pri tem pa je potrebno poudariti, da za vse procese prikazane na sliki 2.1, ni značilna enaka dinamika, saj je npr. geološki dvig površja (ang. uplift) izrazito počasnejši proces kot površinski odtok (ang. surface flow) ali izhlapevanje oziroma evaporacija (ang. evaporation). Na sliki 2.1 so prikazani naravni procesi, na katere lahko vplivajo tudi človeške dejavnosti, ki lahko določene procese pospešijo ali upočasnijo. Tako lahko npr. intenzivna sečnja gozdov pospeši erozijske procese, izgradnja prodnih zadrževalnikov prekine premeščanje sedimentov, gradnja na poplavnih obmo- čjih vpliva na tok površinskih voda, itd. V naslednjih podpoglavjih (poglavji 2.1.1 in 2.1.2) so nekoliko podrobneje opisani okoljski procesi obravnavani v doktorski disertaciji. Slika 2.1: Shematski prikaz prepletanja vodnega in erozijsko-sedimentacijskega kroga Figure 2.1: Diagram of interaction between water and erosion-sedimentation cycles Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 5 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 2.1.1 Procesi sproščanja, premeščanja in odlaganja Slika 2.2 prikazuje povezanost procesov sproščanja, premeščanja in odlaganja sedimentov. Pri tem so prikazani procesi, ki so bili najizrazitejši na porečju Gradaščice, kjer so se izvajale meritve različnih hidroloških spremenljivk in ki bo nekoliko podrobneje opisano v nadaljevanju (poglavje 3.2). Na sliki 2.2 je kompleksno površje Zemlje razdeljeno na ravninski ter hriboviti del. Podobne razdelitve se pogosto uporabljajo pri načrtovanju konceptualnih hidroloških modelov (Savenije, 2010). Za vsako območje so značilne edinstvene lastnosti (npr. raba tal, dinamika procesov, prevladujoči tip odtoka vode). Na hribovitem območju, kjer je prevladujoča raba tal gozd, večinoma prevladujejo procesi sproščanja, kot so erozija in veliki masni premiki (npr. plazovi), ki lahko pogosto prispevajo velik delež erozijskega materiala (Mikoˇ s in sod., 2006). Ta material se večinoma zaradi površinskega odtekanja vode premešča dolvodno, del materiala se odloži v lokalnih depresijah (ang. local depression), preostanek se v obliki lebdečih (ang. suspended sediments) ter rinjenih (ang. bed load) plavin premešča v ravninsko območje, kjer večinoma prevladujejo kmetijska zemljišča ter travniki. Na tem delu prevladujejo procesi odlaganja, saj gre za teren z manjšim naklonom in posledično manjšo energijo vodnega toka. Glavni vir sedimentov v ravninskem območju je večinoma erozija brežin, ki je še posebej izrazita ob ekstremnih hidro- meteoroloških dogodkih. Procese preoblikovanja (zniževanja) zemeljskega površja lahko v grobem razdelimo na: • procesi preperevanja (ang. weathering); • erozija tal (ang. soil erosion); • velika masna gibanja (ang. mass movements). Procesi preperevanja vključujejo biološko, fizikalno in kemično preperevanje (Petkovˇ sek, 2002; Pintar in Mikoˇ s, 1983), med masne premike lahko štejemo npr. globoke plazove, plitve plazove, podore. Skaberne (2000) je podal pregled težnostnih premikanj na pobočjih. Erozija tal (ang. soil erosion) oziroma erozija prsti, kjer je prst vrhnja plast litosfere (pedosfera) debeline nekaj 10 centimetrov (Petan, 2010; Zorn in Komac, 2005), je prav tako eden izmed pomembnejših procesov, ki preoblikujejo zemeljsko površje. Na procese erozije tal med drugim vplivajo različne oblike padavin (npr. sneg, dež) in premiki zračnih mas (veter) (Petkovˇ sek, 2002; Pintar in Mikoˇ s, 1983). Glede na opisane procese je očitno, da se erozijski procesi intenzivno prepletajo s procesi kroženja vode (slika 2.1), saj pri eroziji tal in velikih masnih gibanjih nastopa voda v različnih agregatnih stanjih. Prav tako kroženje vode vpliva na procese preperevanja. Poleg kroženja vode ter gibanja zračnih mas (veter) ima pomemben vpliv na erozijske procese tudi težnost. V Sloveniji se je v preteklosti več pozornosti posvečalo erozijskim procesom, saj se je velik del prebivalstva ukvarjal s kmetijstvom in prav ta gospodarska panoga je zaradi izgube rodovitnih tal najbolj ranljiva. S pogozdovanjem in opuščanjem kmetijstva se je zmanjševalo tudi število erozijskih študij (Petan, 2010). Po nekaterih ocenah se v Sloveniji letno sprosti med 4 in 6∗106 m3 materiala, kar pomeni da se površje v povprečju zniža za 0,25 mm na leto (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Zorn in Komac, 2005). Pri tem se je potrebno zavedati, da gre za povprečno oceno, kjer se količine sproščenih zemljin razlikujejo za različne pokrovnosti oziroma rabe tal (ang. land-use) (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Petan, 2010). Na erozijske procese vplivajo: podnebne oziroma hidro- loške značilnosti (npr. časovna in prostorska porazdelitev ekstremnih meteoroloških dogodkov), topografske značilnosti površja (npr. naklon površja, izbočenost, vbočenost), fizikalne lastnosti tal (npr. tekstura, struktura, delež organskih snovi), raba tal (npr. gozd, kmetijsko zemljišče) ter človeške dejavnosti (npr. pogozdovanje, intenzivno kmetijstvo) (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Pe- tan, 2010). 6 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje KONCEPTUALIZACIJA EROZIJE TAL HRIBOVITO OBMOČJE RAVNINSKO OBMOČJE NADMORSKA VIŠINA ODDALJENOST OD VODOTOKA HRIBOVITO OBMOČJE EROZIJA IN VELIKI MASNI PREMIKI ZDRS ZEMLJINE ŽLEBIČNA EROZIJA PODORI DROBIRSKI TOKOVI (*) EROZIJA KOT POSLEDICA PADLEGA LESA JARKOVNA EROZIJA PLITVI PLAZOVI SNEŽNA EROZIJA ODLAGANJE SEDIMENTOV TRANSPORT ODLAGANJE SEDIMENTOV-LOKALNE DEPRESIJE RINJENE PLAVINE IN TRANSPORT PLAVJA SUSPENDIRANE SNOVI RAVNINSKO OBMOČJE EROZIJA TRANSPORT EROZIJA BREŽIN RINJENE, LEBDEČE PLAVINE TER TRANSPORT PLAVJA ODLAGANJE SEDIMENTOV ODLAGANJE SEDIMENTOV *Fotografiral Mirko Kunšič. VIR: http://www.gore-ljudje.net/novosti/59420/ Slika 2.2: Grafični prikaz interakcije med procesi sproščanja, premeščanja ter odlaganja na ravninskem ter hribovitem območju Figure 2.2: Graphical presentation of interaction among erosion, transport and deposition in the lowland and hillslope areas V disertaciji se bomo osredotočili na erozijske procese, ki so posledica relativno razpršenega gibanja vode, in so prikazani na sliki 2.3 ter jih lahko razdelimo na (Mikoˇ s in Zupanc, 2000): • pljuskovna erozija (ang. splash erosion); • medžlebična erozija (ang. interrill erosion); • žlebična (ang. rill erosion); Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 7 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje • jarkovna (ang. gully erosion). Pljuskovna erozija nastopi, ko dežne kaplje pridejo v stik s tlemi. Posamezni delci tal se lahko zaradi erozijske moči dežnih kapelj premaknejo tudi do 0,6 metra v višino ter 1,5 metra horizon- talno od mesta pljuska dežne kaplje (Yerima in van Ranst, 2005). Pljuskovna erozija je v največji meri odvisna od intenzitete dežja, kinetične energije dežnih kapelj ter lastnosti tal (Petan, 2010; Petkovˇ sek, 2002). Dokler se zaradi površinskega odtekanja vode ne izoblikujejo majhni potočki v obliki žlebičev, prevladuje medžlebična erozija, pri kateri še ne pride do združevanja površin- skega toka v žlebiče (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Yerima in van Ranst, 2005). Ko pa je prispevno območje dovolj veliko oziroma količina vode zadostna, se začnejo oblikovati žlebiči (Petkovˇ sek, 2002). S stopnjevanjem koncentriranja vodnih tokov, ki je odvisna od dolžine pobočja (Rusjan in Mikoˇ s, 2006), se začne postopoma pojavljati jarkovna erozija, kjer so tla razjedena tako glo-boko, da jih ne moremo izravnati z običajnimi orodji za kmetijsko obdelavo (Mikoˇ s in Zupanc, 2000). Nekateri avtorji omenjajo še brazdno erozijo (ang. furrow erosion), ki je vmesna stopnja med žlebično ter jarkovno erozijo (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Petan, 2010). Procesi pljuskovne, medžlebične ter žlebične erozije so površinski, medtem ko sta brazdna ter jarkovna erozija že procesa, ki povzročata globinsko erozijo (Mikoˇ s in Zupanc, 2000; Petan, 2010). Slika 2.3: Nekatere oblike erozije tal Figure 2.3: Some soil erosion types Petkovˇ sek (2002) je zbral nekatere enačbe, s katerimi lahko modeliramo možno stopnjo spro- ščanja v žlebičih. Enačbe lahko razdelimo na tiste, ki temeljijo na parametrih, kot sta strižna napetost ali specifična moč toka, ter enačbe, ki upoštevajo turbulentna nihanja strižne napeto- sti. Za izračun premestitvene zmogljivosti je potrebno poznati vrednosti specifične moči vodnega toka (Petkovˇ sek, 2002). Dejansko sproščanje v žlebičih je odvisno od trenutnega pretoka pla- vin, če je pretok velik, je na voljo manj energije za dodatno sproščanje (Petkovˇ sek, 2002). V primeru, da je pretok plavin večji od premestitvene zmogljivosti, nastopi odlaganje, ki ga lahko izračunamo kot razliko pretoka plavin ter premestitvene zmogljivosti (Petkovˇ sek, 2002). Naslednja stopnja v erozijsko-sedimentacijskem krogu (slika 2.1) je premeščanje drobnozrnatih zemljin z zgornje plasti zemeljske površine (pedosfere) v kombinaciji z grobozrnatim erozijskim drobirjem po erozijskih jarkih in hudournikih v rečno mrežo (Mikoˇ s, 2012a). V primeru, da se prej omenjeni material premešča po rečni strugi, ga lahko imenujemo plavine (ang. fluvial sediments) (Mikoˇ s, 2012a; Rusjan in Mikoˇ s, 2006). Plavine lahko v grobem razdelimo na: • kalne snovi; 8 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje • lebdeče plavine; • rinjene plavine. Poleg tega vodotok premešča še raztopljene snovi, ki pa imajo pri preučevanju transporta plavin zanemarljiv prispevek (Mikoˇ s, 2012a). Prodonosnost je izraz za dejanski transport rinjenih plavin [kg/s, t/leto, m3/leto], ki se premikajo po dnu ali poskakujejo v rečni tok (ang. saltation), ter izraz za prej opisan pojav (Mikoˇ s, 2012a). Poskakovanje rinjenih plavin predstavlja prehod med premeščanjem rinjenih ter lebdečih plavin. Kalne snovi večinoma sestavljajo drobni sedimenti velikosti melja (premer zrn je med 0,002 in 0,06 mm) in gline (premer zrn je manjši od 0,002 mm), ki se v vodotokih večinoma premeščajo brez stika z rečnim dnom tudi ob običajnih hidroloških razmerah. Ob povišanih vodostajih imajo velik vpliv na kalnost tudi lebdeče plavine oziroma suspendirane snovi [mg/l, t/leto, m3/leto], kjer gre za nekoliko bolj grob material s prevladujočim deležem peska (premer zrn med 0,06 in 2 mm), ki zaradi turbulence lebdi v vodnem toku in ima pogosto enako hitrost kot vodni tok (Rusjan in Mikoˇ s, 2006). Ti delci se ob običajnih oziroma podpovprečnih hidroloških razmerah lahko ponovno odložijo oziroma premikajo kot rinjene plavine (Mikoˇ s, 2012a). Pri transportu sedimentov vzdolž rečne mreže sta pomembna tudi procesa rečnega obrusa (ang. fluvial abrasion), kjer gre za procese brušenja, glajenja, krušenja, ter rečno sortiranje kot posledica selektivnega premeščanja (ang. fluvial sorting), ki lahko poteka v različnih smereh (npr. vzdolžno, prečno, vertikalno) (Mikoˇ s, 1994, 2012a). Drobni delci se lahko premeščajo tudi skozi različne plasti zgornjih delov litosfere, vendar so procesi podpovršinskega spiranja ter premeščanja v naravnih razmerah zanemarljivi (Grant in sod., 1996; Rusjan in Mikoˇ s, 2006). Zapisati je potrebno še, da vodotok pogosto premešča plavje, največkrat leseno plavje (ang. wooden debris), ki pa ni predmet raziskave v tej disertaciji. Leseno plavje ima lahko velik vpliv na erozijske procese v strugi vodotoka, npr. oblikovanje lokalnih tolmunov in erozijskih zajed. Za oceno premestitvene zmogljivosti vodnih tokov za rinjene plavine se lahko uporabijo različne empirične enačbe, ki so bile izpeljane na podlagi laboratorijskih eksperimentov in ob določenih predpostavkah. Verjetno ena izmed najpogosteje uporabljenih metod je enačba Meyer-Peter- Müller (Meyer-Peter in M¨ uller, 1948), ki je bila izpeljana na podlagi poizkusov na Eidgenössische Technische Hochschule (ETH) Zürich. Kasneje so bili na ETH Zürich eksperimenti izvedeni še pri nekaterih drugih pogojih, kot npr. večji nakloni laboratorijskega žleba (Smart in J¨ aggi, 1983; Rickenmann, 1991). Enačba Meyer-Peter-Müller je poleg nekaterih drugih enačb kot npr. enačba Ackers in White (1973) implementirana tudi v prosto dostopni program HEC-RAS (Gibson in sod., 2006), ki se pogosto uporablja za hidravlično modeliranje. Tudi nekatera druga programska orodja kot npr. MIKE modeli imajo vgrajene nekatere module (1D, 2D in 3D) za račun transporta sedimentov (MIKE, 2015). Nadalje lahko z uporabo enačbe Ackers in White (1973) določimo celotno premestitveno zmogljivost, torej tako prispevek lebdečih kot rinjenih plavin. Za modeliranje transporta rinjenih ter lebdečih plavin po rečni mreži so na razpolago tudi nekateri drugi modeli kot npr. STAND, SRH-1D, SRH-2D (Merritt in sod., 2003; Zeng in Beck, 2003; Ruark in sod., 2011; USDI, 2015). Kot je razvidno iz slike 2.1, so za sklenitev erozijsko-sedimentacijskega kroga nujni še nekateri drugi geološki procesi kot je npr. geološki dvig, ki lahko na širšem območju Alp znaša tudi do 1 mm na leto, vendar so to ekstremni dvigi, ki so značilni zgolj za nekatera območja (Norton in sod., 2011). 2.1.2 Padavine in površinski odtok Erozijsko-sedimentacijski krog je pogosto v interakciji z vodnim oziroma hidrološkim krogom (slika 2.1). Nastanek padavin, ki poteka v oblakih, je kompleksen proces, ki se odvija v atmosferi, kjer zračni tokovi premikajo oblake (ter oblačne delce) v horizontalni ter vertikalni smeri (Petan, Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 9 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 2010). Rakovec in Vrhovec (2000) podajata natančen opis nastanka padavin, kjer lahko ločimo dva glavna mehanizma, in sicer, koalescenca oziroma zlivanje kapljic ter rast ledenih kristalov na račun podhlajenih kapljic (Petan, 2010). Poenostavljeno pa do nastanka padavin pride, ko delci v oblakih zrastejo do takšne velikosti, da se zaradi teže izločijo v različnih oblikah padavin (padavinske kaplje ter padavinski snežni kristali) (Brilly in ˇ Sraj, 2005; Petan, 2010; Rakovec in Vrhovec, 2000). Padavine lahko razdelimo glede na izvor padavin, opazovanja pri tleh ter oblike gibanja zračnih mas, ki povzročajo padavine (Brilly in ˇ Sraj, 2005): • orografske padavine; • konvektivne padavine; • ciklonske padavine. Orografske padavine nastajajo ob dviganju zračnih mas zaradi trka le-teh s pobočji gorskih grebenov, konvektivne padavine se v Sloveniji večinoma pojavljajo v poletnem obdobju, zaradi lokalnega dvigovanja segretih zračnih mas, kjer gre za t.i. poletne nevihte, ciklonske padavine pa lahko razdelimo na frontalne ter nefrontalne ciklonske padavine (Brilly in ˇ Sraj, 2005). S hidrološkega vidika so pomembnejši procesi, ki se odvijajo, ko pridejo različne oblike padavin (dež, sneg, toča, sodra, rosa) v stik z zemeljskim površjem oziroma različnimi vrstami vegetacije. Pri tem je prestrezanje padavin pomemben proces, še posebej v državah kot je Slovenija, kjer gozd pokriva preko 60 % celotne površine. Ovington (1954) je ugotovil, da lahko količina prestreženih padavin znaša med 6 in 93 %. Za iglavce delež prestreženih padavin večinoma znaša med 20 in 40 %, listavci pa praviloma prestrežejo med 20 in 25 % padavin (Geiger in sod., 1995). V Sloveniji so se meritve prestreženih padavin v daljšem časovnem obdobju izvajale na porečju reke Dragonje, kjer je bilo ugotovljeno, da znaša povprečni delež letnih izhlapelih padavin 25 % za severno ter 28 % za južno raziskovalno pobočje porečja Dragonje (ˇ Sraj, 2003; ˇ Sraj in sod., 2008a). Na izhlapevanje prestreženih padavin med drugim vplivajo: temperatura zraka, gibanje zračnih mas (veter), časovno obdobje v letu, tip vegetacije oziroma pokrovnost tal (ˇ Sraj, 2003). Preostanek padavin, ki ga vegetacija ne prestreže oziroma zgolj začasno zadrži, nato ob stiku s tlemi tvori padavinski odtok, ki ga lahko v grobem razdelimo na (Knighton, 1998; Rusjan, 2008): • neposredni odtok po strugi; • površinski odtok; • infiltracijo. Zgoraj omenjeni procesi skupaj prispevajo k celotni količini vode v izhodnem profilu določenega prispevnega območja. Prispevek posameznih komponent je odvisen od številnih dejavnikov, kot npr. intenziteta in trajanje padavinskega dogodka, pokrovnost tal in posledično delež prestre- ženih padavin, infiltracijska sposobnost tal, klimatske razmere (aridno ali humidno območje) (Rusjan, 2008). Slika 2.4 prikazuje različne poti stekanja padavinske vode. Teorijo nastanka Hortonovega površinskega odtoka (ang. Horton overland flow) (slika 2.4) je leta 1933 podal Horton (Horton, 1933). Do površinskega odtoka padavinske vode pride, ko je intenziteta padavin večja od infiltracijske sposobnosti tal. V nasprotnem primeru do tvorbe površinskega odtoka ne pride in padavine v celoti pronicajo v tla (Rusjan, 2008). Infiltracijska sposobnost tal se med padavinskim dogodkom zmanjšuje in je odvisna od lokalnih razmer (Rus- jan, 2008). Posledično do nastopa Hortonovega površinskega odtoka pride z določenim časovnim zamikom glede na začetek padavinske dogodka (Rusjan, 2008). Nadalje se Hortonov površinski 10 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 2.4: Prikaz različnih vrst padavinskega odtoka (povzeto po Knighton (1998); Rusjan (2008)) Figure 2.4: Graphical presentation of different rainfall runoff (adapted after Knighton (1998); Rusjan (2008)) odtok pogosto pojavi v manjših porečjih z manjšim deležem vegetacije, saj lahko ta zadrži in zakasni proces površinskega odtoka. Teorijo nastanka saturiranega oziroma zasičenega površin- skega odtoka (ang. saturation overland flow) (slika 2.4) je predlagal Hewlett (1961). Po tej teoriji pride do površinskega odtoka v primeru, ko so tla že zasičena z vodo (dvig talne vode) zaradi predhodnih padavin. Ko nivo talne vode doseže površje se ob kombinaciji z dodatnimi padavinami tvori saturiran površinski odtok (Rusjan, 2008). Do pojava tega procesa ne prihaja zgolj v bližini vodotokov, kjer je višina podtalnice večinoma relativno visoka, temveč tudi na območjih, kjer je to pogojeno s primernimi topografskimi ter hidro-geološkimi pogoji (npr. konkavna pobočja) (Rusjan, 2008). Za razliko od Hortonovega površinskega odtoka se zasičen površinski odtok pogosteje pojavi na območjih z relativno gosto vegetacijo. Hortonov površinski odtok ter saturiran površinski odtok predstavljata dve teoriji formiranja površinskega odtoka, nekatere študije pa so pokazale, da je podpovršinski tok (ang. subsurface flow) lahko prevla- dujoči del odtoka padle vode (Rusjan, 2008). V grobem lahko podpovršinski tok razdelimo na plitev podpovršinski tok ter globlji tok podtalne vode (Rusjan, 2008). Voda, ki se infiltrira v tla, med pronicanjem doseže talni horizont skozi katerega se vertikalno ne more več infiltrirati (hidravlična prevodnost se večinoma zmanjšuje z večanjem globine), zato se začne voda lateralno gibati proti vodotoku (Rusjan, 2008). Razlika med medtokom (slika 2.4) in gibanjem podtalne vode je v večji hitrosti gibanja medtoka, ki se odvija v horizontih, ki so bližje površju. Zgoraj opisani procesi so pogosto zajeti v konceptualnih hidroloških modelih (npr. Savenije (2010); Seibert in Beven (2009); Seibert in Vis (2012)). 2.2 Merske metode V naslednjih podpoglavjih bodo opisane nekatere merske metode, ki se lahko uporabljajo za meritve različnih procesov, ki sestavljajo vodni ter erozijsko-sedimentacijski krog (slika 2.1). 2.2.1 Meritve padavin Merilne naprave za meritve padavin lahko v grobem razdelimo na tiste, ki omogočajo prostor- ski zajem podatkov (npr. meteorološki radar) ter ostale, s katerimi lahko izmerimo vrednosti padavin v izbrani točki, torej točkovne meritve. Glede na priročnik Svetovne meteorološke or- ganizacije (WMO, 2008) lahko točkovne merilne instrumente razdelimo na ročne ter avtomatske Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 11 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje merilne naprave. Med ročne naprave lahko štejemo ombrometre ter totalizatorje. Ombrometer se uporablja za meritve padavin v krajših časovnih intervalih, kot je npr. dnevni časovni korak (npr. meritve se izvajajo vsak dan ob 7:00 zjutraj), medtem ko se totalizatorji uporabljajo za meritve padavin v daljših časovnih obdobjih (npr. mesečne meritve) (Brilly in ˇ Sraj, 2005). Med avtomatske merilce pa štejemo naslednje merilne naprave (WMO, 2008): • meritve padavin s tehtanjem (ang. weight gauge); • meritve padavin s prekucniki (ang. tipping bucket gauge); • meritve padavin s plovcem (ang. float gauge). Pri vseh zgoraj omenjenih napravah je verjetno najpomembnejši korak umerjanje (ang. cali- bration) merske opreme, poleg tega je med izvajanjem meritev potrebno zagotoviti ustrezno vzdrževanje opreme (WMO, 2008). WMO (2008) podaja tudi natančna navodila za postavitev merske opreme ter opis nekaterih najpogostejših pogreškov pri meritvah. Zgolj v primeru, da se meritve izvajajo v skladu s priporočili (WMO, 2008), lahko v pridobljene podatke zaupamo in jih uporabimo za nadaljnje analize ali hidrološke napovedi. Vsaka merska metoda ima pripadajočo natančnost, ki jo večinoma določi proizvajalec naprave, in jo je prav tako potrebno upoštevati. Slika 2.5 prikazuje nekatere merske naprave, s katerimi lahko merimo padavine. Na sliki 2.5 so prikazani Helmanov dežemer (ombrometer) (slika 2.5a), ki zahteva ročne odčitke padavin, prekucnik, ki avtomatično beleži vsak prekuc in posledično znano količino padavin (slika 2.5b) ter optični disdrometer, ki določi količino padavin na podlagi algoritma, ki upo- števa velikost ter čas padanja kapljic skozi laserski žarek, ki poteka med sprejemno in oddajno glavo disdrometra (slika 2.5c). Pri slednji metodi gre za t.i. indirektne meritve padavin, kjer se lahko izmerjene vrednosti razlikujejo od količin padavin, izmerjenih s prekucniki ali ombro-metri (Petan, 2010). Prednost disdrometrov pa je, da lahko z njimi določimo tudi nekatere druge značilnosti padavinskega dogodka (npr. kinetična energija padavin) (Petan, 2010). Več informacij o samem načinu delovanja optičnih disdrometrov je na voljo na spletni strani nekaterih proizvajalcev teh instrumentov: http://www.thiesclima.com/disdrometer.html ali http://www.ott.com/en-us/products/meteorological-sensors/ott-parsivel2/. Uporaba satelitskih podatkov ali meteorološkega radarja omogoča prostorski zajem podatkov o padavinah. V Sloveniji se za namen meteorološke prognoze trenutno uporabljata dva meteo- rološka radarja, ki sta locirana na Lisci in Črnem Vrhu nad Polhovim Gradcem. Razvijajo se tudi druge metode zaznavanja padavin, kot npr. uporaba elektromagnetnih signalov obstoječih telekomunikacijskih omrežij (Overeem in sod., 2011). V svetovnem merilu se število točkovnih merilnikov padavin zmanjšuje, saj jih počasi nadomeščajo meteorološki radarji, vendar so podatki, pridobljeni s točkovnimi instrumenti izrednega pomena za določitev pravilne prostorske porazdeljenosti padavin na izbranem porečju (Bardossy in Pegram, 2013). Večina izmed zgoraj omenjenih merskih instrumentov je namenjenih meritvam dežja, nekatere naprave pa se lahko uporabijo tudi za meritve snežnih padavin in rose. Predvsem snežne pa- davine imajo lahko v državah, kot je Slovenija, velik vpliv na letno bilanco padavin, zato je potrebno izbrati ustrezno mersko opremo, ki omogoča kvalitetne meritve te meteorološke spre- menljivke. WMO (2008) podaja tudi pregled merske tehnike, s katero lahko merimo zgolj snežne padavine. Več informacij o merskih instrumentih, ki se uporabljajo za meritve padavin na eksperimentalnem porečju Gradaščice, je podanih v prilogi H. 2.2.2 Meritve pretokov V hidrometriji, ki je veda o meritvah lastnosti vode, lahko izvajamo naslednje meritve (Brilly in ˇ Sraj, 2005): 12 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje (a) Helmanov dežemer (b) Prekucnik (c) Optični disdrometer Slika 2.5: Prikaz merske opreme za točkovne meritve padavin (foto: Nejc Bezak) Figure 2.5: Measuring equipement for the precipitation measurements at specific point (photo: Nejc Bezak) • meritve globin vode; • meritve gladin vode; • meritve hitrosti vode; • meritve pretokov vode. Z vidika vodne bilance v hidrološkem krogu so vsekakor najzanimivejše tiste meritve, na podlagi katerih lahko določimo vrednost pretoka v izbranem prečnem prerezu vodotoka. Za meritve pretokov v vodotokih se lahko uporabijo različne metode, kjer je podobno kot pri meritvah pa- davin potrebno izbrati metodo, ki je najustreznejša glede na terenske in hidrološke razmere. Turnipseed in Sauer (2010) podajata natančen opis nekaterih merskih instrumentov, s katerimi lahko določimo pretok vode. Poleg izbire ustreznega načina merjenja je potrebo za izvajanje meritev določiti tudi ustrezen merski prečni profil, ki mora izpolnjevati nekatere pogoje, kot so: v izbranem profilu ne prihaja do izrazitih erozijskih procesov oziroma odlaganja sedimentov, ob visokih vodostajih načeloma ne prihaja do prelivanja vode izven območja struge, prečni prerez mora biti dostopen, da lahko tudi ob visokovodnih razmerah izvedemo meritve. V grobem pa lahko meritve pretokov razdelimo tudi na neposredne (npr. volumetrična metoda, metoda z uporabo sledila), torej tiste, kjer določamo vrednost volumna v določenem časovnem intervalu, ter posredne, kjer pretok določimo na podlagi drugih parametrov vodnega toka (npr. merski objekti, določanje pretoka na podlagi meritev hitrosti in dimenzij prečnega prereza ali uporaba pretočne krivulje). Na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice (poglavje 3.2.1) se vrednosti pretokov določajo na podlagi meritev gladin z uporabo tlačne sonde in pretočne krivulje. Za določitev pretočne krivulje (imenujemo jo lahko tudi Q-H krivulja), ki je funkcija, ki povezuje vrednost vodostaja in pre- toka, se izvajajo tudi občasne meritve pretokov ali z uporabo Dopplerjevega merilca hitrosti Flow Tracker ADV (http://www.sontek.com/productsdetail.php?FlowTracker-Handheld-ADV-1) ali z uporabo metode, kjer se pretok določi na podlagi znane koncentracije sledila (http: //www.flow-tronic.com/en/products). Več informacij o meritvah pretokov na eksperimentalnem porečju je podanih v prilogi H. V okviru dela na eksperimentalnem porečju je bila izdelana Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 13 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje tudi diplomska naloga, katere cilj je bil primerjava prej omenjenih metod določanja pretokov in kjer so prav tako podani nekateri opisi različnih instrumentov, ki jih lahko uporabimo za posredne ali neposredne meritve pretokov (Cvetko, 2013). Slika 2.6a prikazuje lokacijo zračne in vodne sonde (tlačni sondi), ki se uporabljata za posredne meritve pretokov, na eksperimentalnem porečju Kuzlovec. V prilogi A pa je podan opis merskega instrumenta, ki se je uporabljal za meritve pretokov na vodomerni postaji Litija na reki Savi, ki je bila uporabljena za določene analize prikazane v tej disertaciji (priloga C). (a) Lokacija vodne ter zračne sonde na (b) Lokacija Hydrolab MS5 sonde na porečju Kuzlovec porečju Kuzlovec Slika 2.6: Prikaz opreme za meritve pretokov in motnosti na porečju Kuzlovec (povzeto po Bezak in sod. (2013b)) Figure 2.6: Equipement for measuring water level and turbidity in the Kuzlovec catchment (adapted after Bezak in sod. (2013b)) 2.2.3 Meritve fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi Podobno kot pri meritvah pretokov in padavin lahko tudi za meritve koncentracij suspendiranih snovi uporabimo različne metode. Preglednica 2.1 prikazuje prednosti in slabosti nekaterih metod, ki jih lahko uporabimo za meritve rečnih sedimentov (Wren in sod., 2000; Mikoˇ s, 2012b). Številne metode, prikazane v preglednici 2.1, so bile uporabljene tudi pri meritvah, ki so potekale v okviru projekta SedAlp (SedAlp, 2015). V Sloveniji se meritve koncentracij suspendiranih snovi v okviru državnega hidrološkega moni- toringa izvajajo že več kot 50 let (Ulaga, 2005, 2006; Bezak in sod., 2013a). Za meritve pa se je večinoma uporabljala metoda stekleničenja (preglednica 2.1), kjer je po meritvi vzorec potrebno še laboratorijsko obdelati, če želimo določiti koncentracije suspendirani snovi, ki jih vodotok premešča. Več informacij o meritvah koncentracij suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih je podanih v prilogi D in prilogi G. V prilogi H in prilogi I je več informacij o meritvah fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi, 14 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Preglednica 2.1: Pregled merilnih metod za meritve suspendiranih snovi (povzeto po Wren in sod. (2000); Mikoˇ s (2012b)) Table 2.1: Overview of suspended sediment measuring techniques (adapted after Wren in sod. (2000); Mikoš (2012b)) Metoda Delovanje Prednosti Slabosti Stekleničenje Merilno stekleno posodo Preverjena metoda, omo- Slaba časovna ločljivost, potopimo v vodo (ročni goča določitev zrnavosti in invazivna metoda, brez odvzem) ali se med po- koncentracije, možna toč- laboratorijskega dela ni plavnim valom napolni kovna meritev ali integri- rezultatov, zahteva iz- sama (samodejni od- rana po vertikali, mnoge urjeno terensko osebje, vzem) oziroma merilno druge metode se umerjajo zajem vzorca ni nujno plastično/teflonsko vrečko s to metodo izokinetičen v hidrodinamično obli- kovanem vzorčevalniku spustimo v vodni tok (izo- kinetični odvzem), analiza sledi ločeno Črpalno Vzorec vode in sedimenta Preverjena metoda, omo- Slaba časovna ločljivost, vzorčenje črpamo iz toka in kasneje goča določitev zrnavosti invazivna metoda, brez analiziramo, uporabljamo in koncentracije, omogoča laboratorijskega dela ni različne sesalne črpalke samodejno vzorčenje rezultatov, pogosto zajem (peristaltične, membran- vzorca ni izokinetičen, ske) omejena praktična sesalna višina Akustična Odboj zvoka od sedimenta Neinvazivna metoda, do- Slabo prevajanje odbi- se uporabi za določanje bra prostorska in časovna tega zvočnega signala, sla- zrnavosti in koncentracije ločljivost, tudi za večje bljenje signala ob visokih globine koncentracijah delcev Optična Merimo odbojno sipa- Preprosta metoda, dobra Močno odvisna od zr- nje pod različnimi koti časovna ločljivost, omo- navostne sestave, samo ali prevajanje vidne ali goča uporabo in zajema- točkovne meritve, pogosto infrardeče svetlobe skozi nje podatkov na daljavo, onesnaženje instrumenta vzorec vode in sedimenta relativno poceni Odbojnost Merimo čas odboja laser- Ni odvisna od zrnavo- Draga in invazivna me- koncentrira- skega žarka od površine stne sestave, pokriva širok toda, samo točkovne meri- nega žarka delcev sedimenta interval zrnavosti in kon- tve centracij Laserska Merimo odbojni kot laser- Ni odvisna od zrnavostne Nezanesljiva in draga, difrakcija skega žarka od površine sestave invazivna metoda, samo delcev sedimenta točkovne meritve, omejen interval zrnavosti Jedrska Merimo odbojno sipa- Nizkoenergijska metoda, Nizka občutljivost, raz- nje ali prevajanje žarkov pokriva širok interval zr- padanje jedrskega vira gama ali rentgenskih žar- navosti in koncentracij sevanja, okoljski predpisi, kov skozi vzorec vode in invazivna metoda, samo sedimenta točkovne meritve Daljinski Daljinsko zaznavanje od- Uporabna za večja obmo- Slaba ločljivost, slaba spektralni boja in sipanja svetlobe čja uporabnost v rečnem oko- odboj od vodnih teles lju, odvisnost od zrnavo- stne sestave ki poteka na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice, kjer se za meritve te hidrološke spremen- ljivke uporablja optična metoda merjenja (preglednica 2.1), za meritve se torej uporablja več- parametrska sonda (http://www.ott.com/en-us/products/water-quality/hydrolab-ms5/). Meritve koncentracij suspendiranih snovi so se od poletja 2013 do poletja 2014 izvajale na eks- Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 15 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje perimentalnem porečju Kuzlovec (priloga H) (Slika 2.6b), od jeseni 2014 pa se meritve izvajajo na vodomerni postaji Dvor (slika 3.1), kjer meritve pretokov v okviru državnega hidrološkega monitoringa izvaja ARSO. 2.2.4 Meritve erozijskih procesov Meritve erozijskih procesov se večinoma izvajajo ali na nivoju erozijskih polj ali na nivoju pobočja (Petkovˇ sek, 2002; Zorn, 2009; Petan, 2010; Prats in sod., 2013). Zorn (2009) je izvajal meritve erozije prsti v porečju reke Dragonje in preučeval vpliv rabe tal na erozijske procese. Zorn (2009) je podal tudi več informacij o postavitvi merske opreme. Robichaued in Brown (2002) podajata opis in lastnosti metode za meritve erozijskih procesov na nivoju pobočja, kjer je glavna prednost takšne merilne tehnike nizka cena in relativno preprosta aplikacija. Slika 2.7 prikazuje primer postavitve takšne opreme na eksperimentalnem porečju na Portugalskem (Prats in sod., 2013). Za meritve erozije tal se lahko uporabijo tudi erozijski žebljiči, ki jih je nekoliko podrobneje opisal Petkovˇ sek (2002). (a) Meritve erozije na nivoju pobočja I (b) Meritve erozije na nivoju pobočja II Slika 2.7: Prikaz opreme za meritve erozije na nivoju pobočja (foto: Nejc Bezak) Figure 2.7: Equipement for measuring soil erosion at the slope scale (photo: Nejc Bezak) Za določitev masnih bilanc procesov sproščanja, premeščanja in odlaganja lahko uporabimo tudi različne geodetske metode, kot je npr. terestrično lasersko skeniranje (TLS) (ang. terrestrial laser scanning) (Blasone in sod., 2014) ali aero laserskega skeniranja (ALS) (ang. airborne laser scanning) (Carrivick in sod., 2013). Na podlagi periodičnih snemanj in razlik med zaporednimi snemanji v definiranem digitalnem modelu terena (ang. digital terrain model) lahko določimo območja, kjer prihaja do izrazitih erozijskih procesov ter dele opazovanega območja, kjer prihaja do odlaganja materiala (Wheaton in sod., 2010). Pri zgoraj opisanih merilnih tehnikah gre za neposredne meritve. Erozijske procese pa lahko posredno opazujemo tudi s spremljanjem vrednosti rinjenih ter lebdečih plavin v vodotoku. Na ta način lahko določimo zgolj vrednosti, ki se dejansko premestijo do vodotoka, saj se lahko velik del erozijsko sproščenega materiala odloži v porečju. Razmerje med erozijskimi procesi ter premeščanjem rinjenih ter lebdečih plavin lahko opišemo s koeficientom odplavljanja (Lu in sod., 2006). Za meritve rinjenih plavin se lahko uporabijo različne merske metode kot so: lovilne košare, akustični merski instrumenti, terestrično lasersko skeniranje, sledila (npr. barvanje ali uporaba magnetov). Verjetno najučinkovitejša metoda pa je izgradnja merske postaje. Na 16 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje območju Alp je npr. postaja Rio Cordon ena izmed najstarejših, saj se meritve izvajajo že več kot 20 let (Lenzi in sod., 1999, 2003, 2006; Mao in Lenzi, 2007). Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 17 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 3 METODE DELA 3.1 Opazovani procesi in uporabljane merske metode V okviru doktorske disertacije smo podrobneje opazovali naslednje procese, ki sestavljajo vodni ter erozijsko-sedimentacijski krog: • padavine; • površinski odtok; • erozijski procesi; • transport sedimentov. Za opazovanje teh procesov smo uporabili naslednje merske instrumente: • meritve padavin s prekucniki ter optičnim disdrometrom; • meritve gladin vode z uporabo tlačnih sond; • meritve pretokov z uporabo Dopplerjevega merilca hitrosti ter metode razredčenja; • meritve erozijskih procesov z uporabo terestričnega laserskega skeniranja (TLS); • meritve motnosti z uporabo optične metode merjenja (več-parametrska sonda). Podrobnejši opis procesov in merskih metod je podan v poglavju 2. 3.2 Opis obravnavanih porečij V nadaljevanju bodo prikazana porečja, ki so bila obravnavana v okviru doktorske disertacije. Najprej bosta opisani dve eksperimentalni porečji, ki sta del porečja Gradaščice in kjer so se izvajale hidrološke meritve, nato pa bodo predstavljena porečja, kjer so se oziroma se še vedno izvajajo meritve v okviru državnega hidrološkega monitoringa, ki ga izvaja ARSO. 3.2.1 Eksperimentalni porečji Kuzlovec in Mačkov graben Eksperimentalni porečji Kuzlovec in Mačkov graben sta del porečja Gradaščice. Na teh dveh porečjih ima Katedra za splošno hidrotehniko (KSH, UL FGG) postavljeno sodobno mersko opremo, ki je bila uporabljena tudi za izvajanje meritev v okviru te doktorske disertacije. Ne- katere meritve so se izvajale tudi v okviru Evropskega projekta SedAlp (SedAlp, 2015). Slika 3.1 prikazuje digitalni model višin (DMV) porečja Gradaščice do vodomerne postaje Dvor z vrisanimi vodotoki na tem območju. Na sliki 3.2 je prikazana geološka sestava porečja Grada- ščice do postaje Dvor. Za prikaz legende na sliki 3.2 so uporabljene naslednje oznake: CENKR1: Nanosi rek in potokov; CENKR19: Pisan peščenjak, argilit, tufit, apnenec, ponekod z rožen-cem; CENKR26: Svetlo siv kristalast dolomit; CENKR27: Piroklastiti, apnenec; CENKR29: Dolomit, ploščast apnenec; CENKR30: Neplastovit dolomit; CENKR31: Laporni apnenec, do- lomit, peščen skrilavec, oolitni apnenec; CENKR32: Temno siv apnenec in dolomit - žažarske plasti; CENKR34: Grödenski skladi - rdeč peščenjak, alevrolit, prehodi v skrilavec in konglo- merat; CENKR35: Grödenski skladi - zelenkasto siv peščenjak, alevrolit, prehodi v skrilavec in konglomerat; CENKR36: Glinast skrilavec, alevrolit, peščenjak in konglomerat; CENPO29: Glavni dolomit; CENPO30: Karbonatne in klastične kamenine; boksit; CENPO40: Kremenov peščenjak in glinast skrilavec. 18 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 3.3 prikazuje pedološke kartografske enote (PKE) porečja reke Gradaščice do postaje Dvor, kjer so šifre uporabljene v legendi razložene v preglednici 3.1. Slika 3.4 prikazuje rabo tal istega območja, kjer je za klasifikacijo različnih slojev pokrovnosti uporabljena skupna evropska metodologija CLC (Corine-Land-Cover). V preglednici 3.2 so podani deleži posameznih pokrovnosti tal za porečje Gradaščice do vodomerne postaje Dvor. Opazimo lahko, da je geološka sestava porečja relativno nehomogena (slika 3.2). Nadalje lahko vidimo, da gozd (mešani, iglasti in listnati) pokriva več kot 65 % porečja Gradaščice do vodomerne postaje Dvor, ki meri 78,7 km2. Bezak in sod. (2013b) so prikazali nekatere osnovne značilnosti dveh eksperimentalnih porečij (Kuzlovec in Mačkov graben), ki sta del porečja Gradaščice (več informacij o obeh območjih je v prilogi H). Slika 3.1: Digitalni model višin porečja Gradaščice do vodomerne postaje Dvor Figure 3.1: Digital elevation model of the Gradaščica catchment to the Dvor gauging station Slika 3.2: Geološka karta porečja Gradaščice do vodomerne postaje Dvor Figure 3.2: Geological map of the Gradaščica catchment to the Dvor gauging station Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 19 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 3.3: Pedološke kartografske enote (PKE) porečja Gradaščice do vodomerne postaje Dvor Figure 3.3: Pedological cartographic units (PKE) of the Gradaščica catchment to the Dvor gauging station Slika 3.4: CLC Corine pokrovnost zemljišč porečja Gradaščice Figure 3.4: CLC Corine land cover map of the Gradaščica catchment 3.2.2 Porečja, kjer se meritve izvajajo v okviru državnega hidrološkega monito- ringa V okviru doktorske disertacije so bili uporabljeni tudi podatki, ki so bili pridobljeni v okviru državnega hidrološkega monitoringa Republike Slovenije ter Združenih držav Amerike. V Slo- veniji je za izvajanje meritev hidroloških spremenljivk zadolžen ARSO (ArhivPV, 2015) v ZDA pa United States Geological Survey (USGS) (USGS, 2015) (podatki so prikazani v prilogi B). 20 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Preglednica 3.1: Opis šifer pedoloških kartografskih enot uporabljenih v legendi slike 3.3 Table 3.1: Description of pedological cartographic unit codes used in the legend of figure 3.3 Šifra Opis šifre 1058 Rendzina, na apnencu in dolomitu, sprsteninasta 80%, rendzina, na apnencu in do- lomitu, prhninasta 20% 1103 Rendzina, na apnencu in dolomitu, prhninasta 50%, rendzina, na apnencu in dolo- mitu, sprsteninasta 50% 1104 Rendzina, na apnencu in dolomitu, sprsteninasta 70%, rjava, pokarbonatna tla, na apnencu in dolomitu, tipična 30% 1107 Evtrična rjava tla, na laporju, tipična 80%, evtrična rjava tla, na mehnih karbona- tnih kamninah (lapornati apnenci), tipična 20% 1108 Evtrična rjava tla, na vezanih klastičnih pelitskih in psamitskih kamninah, tipična 70%, distrična rjava tla, na vezanih klastičnih kamninah, tipična 20% 1113 Distrična rjava tla, na permo-karbonskih skrilavcih in peščenjakih, tipična 80%, ranker, distričen, erozijski 20% 1115 Distrična rjava tla, na grodenskih peščenjakih, tipična 80%, ranker, distričen, erozij- ski 20% 1116 Distrična rjava tla, na vezanih klastičnih kamninah, tipična 80%, ranker, distričen, erozijski 20% 1117 Distrična rjava tla, na vezanih klastičnih kamninah, tipična 60%, ranker, distričen, regolitični 40% 1119 Rjava pokarbonatna tla, na apnencu in dolomitu, tipična 80%, rendzina, na apnencu in dolomitu, sprsteninasta 20% 1120 Obrečna tla, evtrična, srednje globoka 50%, obrečna tla, evtrična, zmerno oglajena 30%, obrečna tla, evtrična, globoka 20% Preglednica 3.2: Opis šifer pokrovnosti zemljišč uporabljenih v legendi slike 3.4 in deleži povr- šin posameznih pokrovnosti tal Table 3.2: Description of CLC Corine land cover codes used in the legend of figure 3.4 and percenteges of land-use types Šifra Opis CLC šifre Površina [km2] Delež površine [%] 313 Mešani gozd 32,8 41,6 311 Listnati gozd 18,9 24,0 243 Pretežno kmetijske površine z večjimi 17,4 22,1 območji naravne vegetacije 231 Pašniki 5,3 6,7 312 Iglasti gozd 3,3 4,1 242 Kmetijske površine drobnoposestniške 0,8 1,1 strukture 112 Nesklenjene urbane površine 0,4 0,5 Za izvedbo verjetnostnih analiz z uporabo metode letnih maksimumov (ang. annual maximum method; AM) in metode vrednosti nad izbranim pragom (ang.peaks-over-threshold; POT) so bili uporabljeni podatki z vodomerne postaje Litija na reki Savi, ki je ena izmed najstarejših postaj s katerimi upravlja ARSO. Več informacij o postaji Litija je podanih v prilogi A ter prilogi C. Kot osnova za določitev prisotnosti trendov v nekaterih meteoroloških podatkih (npr. povprečne mesečne temperature ali mesečne vsote padavin) so bili uporabljeni tudi podatki z meteoroloških postaj Kredarica, Rateče ter Ljubljana (priloga C). Poleg podatkov o pretokih ter nekaterih meteoroloških podatkov so bili v disertaciji uporabljeni tudi podatki o koncentracijah suspendiranih snovi (SSC), ki so bili prav tako pridobljeni v okviru državnih hidroloških opazovanj. Več informacij o postajah, ki so postavljene na sloven- Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 21 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje skih vodotokih in kjer se že več kot 50 let izvajajo meritve SSC vrednosti, je podanih v prilogi G. Postaje, kjer so se meritve SSC vrednosti neprekinjeno izvajale daljše časovno obdobje in so bile uporabljene za analize sezonskosti, verjetnostne analize, ugotavljanje prisotnosti trendov in še za nekatere ostale analize (Bezak in sod., 2015c), so opisane v prilogi D. Ulaga (2005, 2006) pa je podala nekatere dodatne informacije o prej omenjenih postajah. Za izvedbo trivariatnih verjetnostnih analiz z uporabo funkcij kopula, kjer so bili hkrati obrav- navani podatki o pretokih ter koncentracijah suspendiranih snovi, so bile uporabljene naslednje postaje: • Gornja Radgona na reki Muri (Slovenija); • Trenton na reki Delaware (ZDA); • Iowa City na reki Iowa (ZDA); • Newport na reki Juniata (ZDA); • Point of Rocks na reki Potomac (ZDA); • Beme na reki Schuylkill (ZDA). Dodatne informacije o zgoraj omenjenih postajah so na voljo v prilogi B. V okviru doktorske disertacije smo aplicirali tudi model WATEM/SEDEM za modeliranje erozije tal na naslednjih lokacijah, ki ležijo v Sloveniji: • Kuzlovec (Kuzlovec); • Kobarid (Soča); • Hotešk (Idrijca); • Veliko Širje (Savinja); • Šentjakob (Sava). Natančnejši opis porečij, uporabljenih za modeliranje erozije tal je podan v prilogi F. V prilogi H je več informacij o hudourniškem porečju Kuzlovec, v prilogi G pa so opisana ostala porečja, ki so bila izbrana za modeliranje erozije tal in kjer so se izvajale meritve koncentracij suspendiranih snovi v okviru državnega hidrološkega monitoringa. 3.3 Statistično-matematične metode V naslednjih poglavjih bodo opisana statistično-matematična orodja oziroma metode, ki so bile uporabljene za analizo podatkov, pridobljenih na eksperimentalnem porečju ter v okviru držav- nih hidroloških monitoringov (poglavje 3.2). Namen analize podatkov s takšnimi metodami je pridobiti nova znanja in nadgraditi razumevanje o hidroloških procesih, ki jih analiziramo. 3.3.1 Sezonskost ter trendi hidroloških spremenljivk Za prikaz sezonskih značilnosti analiziranih podatkov je bila uporabljena metoda, ki jo je pre- dlagal Burn (1997) in temelji na prikazu podatkov na krožnici (ang. circular statistics). Prikaz enačb za določitev sezonskih karakteristik obravnavanih podatkov je podan v prilogi C. Metodologija za sezonsko analizo podatkov, ki jo je predlagal Burn (1997) je bila uporabljena tudi v raziskavi, ki so jo naredili Bezak in sod. (2015b), kjer so avtorji analizirali značilnosti visokovodnih valov v slovenskih vodotokih. 22 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Za določitev prisotnosti trendov v analiziranih serijah se pogosto uporablja Mann-Kendall test (Kendall, 1975; Douglas in sod., 2000), ki je nekoliko natančneje razložen v prilogi B in prilogi D. Gre za statistični test, s katerim lahko določimo, ali je v analiziranih časovnih serijah prisoten trend (pozitiven ali negativen). Pogosto pa je pred izvedbo analiz potrebno preveriti, ali je vzorec homogen, kar lahko naredimo npr. z uporabo standardnega normalnega testa homogenosti (ang. standard normal homoge- neity test) (Sahin in Cigizoglu, 2010). Za določitev potencialnih izločencev (ang. outliers) v vzorcu lahko uporabimo test, ki ga je predlagal Grubbs (Grubbs, 1950). Nadalje se lahko za testiranje avtokorelacije (ang. autocorrelation) v analiziranem vzorcu uporabi Box-Pierce test (Box in Pierce, 1970). Omenjeni testi in aplikacija na hidroloških podatkih so prikazani v prilogi B in prilogi D. 3.3.2 Metoda letnih maksimumov ter metoda vrednosti nad izbranim pragom Za izvedbo univariatnih verjetnostnih analiz, kjer analiziramo eno spremenljivko, lahko upora- bimo ali metodo letnih maksimumov (AM) (ang. annual maximum method) ali metodo vrednosti nad izbranih pragom (POT) (ang. peaks-over-threshold method). Natančen opis obeh metod je podan v prilogi A. AM in POT metodi sta bili uporabljeni tudi pri določitvi rezultatov, prikazanih v prilogi B, prilogi C, prilogi D in prilogi E. Pred izvedbo verjetnostnih analiz je potrebno zagotoviti, da je analiziran vzorec homogen, stacionaren ter da v njem ni mogoče zaznati avto-korelacijskih lastnosti, za kar lahko uporabimo teste opisane v poglavju 3.3.1. Večinoma se za izvedbo verjetnostnih analiz uporabi več različnih porazdelitvenih funkcij, med katerimi se nato izbere tisto, ki se najbolje ujema z analiziranimi podatki. Za izvedbo statističnih testov, s katerimi lahko testiramo ničelno hipotezo, lahko izberemo teste, kot sta Kolmogorov- Smirnov ali Anderson-Darling test (ˇ Sraj in sod., 2012). Poleg statističnih testov lahko uporabimo tudi različne kriterije ustreznosti (ang. goodness-of-fit criteria) kot so npr. testi RMSE (ang. root mean square error), MAE (ang. mean absolute error), RMAE (ang. relative mean absolute error). Pred dokončno izbiro porazdelitvene funkcije je priporočljivo uporabiti še vsaj en grafični test, s katerim lahko preverimo, ali se izbrana porazdelitev ustrezno ujema s podatki (npr. QQ grafični test). Natančen opis statističnih testov, testov ustreznosti ter grafičnih testov je podan v prilogi A ter v delih ˇ Sraj in sod. (2012, 2013). 3.3.3 Funkcije kopula V zadnjih letih se v hidrološki praksi vse pogosteje uporabljajo tudi funkcije kopula, s katerimi lahko hkrati analiziramo, več v naravi bolj ali manj odvisnih spremenljivk (Salvadori in De Mi- chele, 2004; Grimaldi in Serinaldi, 2006; Genest in Favre, 2007; Salvadori in sod., 2007; Bezak in sod., 2014b; ˇ Sraj in sod., 2015). Beseda kopula izhaja iz latinščine, kjer pomeni ”povezati”. V okoljskih vedah se tako funkcije kopula uporabljajo za povezovanje različnih spremenljivk (procesov) v analizah. Postopek izvedbe multivariatnih verjetnostnih analiz (ang. multivariate frequency analysis) z uporabo funkcij kopula lahko opišemo z naslednjimi koraki: • oblikovanje vzorca (AM metoda ali POT metoda) in izbira spremenljivk (npr. konice pre- tokov, volumni visokovodnih valov, intenziteta padavin, trajanje padavinskega dogodka), ki jih želimo analizirati; • izvedba univariatnih verjetnostnih analiz in izbira najustreznejše porazdelitve funkcije za vsako spremenljivko posebej (t.i. določitev robnih porazdelitvenih funkcij (ang. marginal distributions)); • ocena odvisnosti med izbranimi spremenljivkami, na podlagi katere izberemo kopule, ki jih lahko apliciramo na izbrane podatke; Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 23 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje • ocena parametrov izbranih funkcij kopula ter izbira najustreznejše kopule; • določitev povezave med multivariatnimi povratnimi dobami in ocenjenimi vrednostmi spre- menljivk. Opazimo lahko, da je izvedba univariatnih verjetnostnih analiz (poglavje 3.3.2) eden izmed korakov oziroma prvi korak pri izvedbi multivariatnih verjetnostnih analiz s funkcijami kopula. Podobno kot pri običajnih porazdelitvenih funkcijah lahko tudi pri multivariatnih analizah upo- rabimo različne kopule, ki pripadajo različnim družinam kopul. Ustrezen nabor kopul določimo na podlagi ocene odvisnosti med spremenljivkami (več informacij je v prilogi B in prilogi E). V prilogi E so podane nekatere simetrične funkcije kopula (ang. symmetric copula), ki se pogosto uporabljajo za bivariatne analize hidroloških podatkov, v prilogi B pa so opisane nekatere trivariatne simetrične ter asimetrične kopule (ang. asymmetric copula) iz Arhimedove družine kopul. Za oceno parametrov kopul lahko uporabimo eno izmed naslednjih metod: • metoda momentov (ang. method of moments); • metodo največjega verjetja (ang. maximum likelihood method); • metodo največjega pseudo-verjetja (ang. maximum pseudo-likelihood method). Razširjen opis prednosti in slabosti posameznih metod so podali Joe (1997); Nelsen (2006); Sal- vadori in sod. (2007), uporaba metode momentov in metode največjega pseudo-verjetja pa je prikazana v prilogi B in prilogi E. Genest in sod. (2009) so naredili pregled in primerjavo nekaterih statističnih testov, ki jih lahko uporabimo pri multivariatnih analizah. Statistični testi, ki so bili uporabljeni v okviru doktorske disertacije, pa so prikazani v prilogi B in prilogi E. Poleg tega priloga B in priloga E prikazujeta tudi nekaj grafičnih testov, s katerimi lahko potrdimo ali zavrnemo rezultate statističnih testov (Genest in Favre, 2007). Slika 3.5 prikazuje primer grafičnega testa za preverjanje ustreznosti različnih funkcij kopula, ki imajo različne značilnosti. Rdeče točke prikazujejo dejanske izmerjene podatke, medtem ko črne točke prikazujejo generirane vrednosti z uporabo definiranega kopula modela. (a) Gumbel-Hougaards kopula (b) Clayton kopula (c) Frank kopula Slika 3.5: Prikaz grafičnih testov za preverjanje ustreznosti določenih kopul Figure 3.5: Example of grafical goodness-of-fit test for different copula functions Nadalje so Salvadori in sod. (2007), Vandenberghe in sod. (2011) ter Graler in sod. (2013) naredili pregled različnih teoretičnih definicij povratnih dob, ki so povezane z multivariatnimi analizami. 24 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje ˇ Sraj in sod. (2013) so naredili primerjavo med rezultati bivariatnih ter običajnih univariatnih verjetnostnih analiz za primer vodomerne postaje v Slovenije. V prilogi B in prilogi E je podanih več informacij o primarnih in sekundarnih povratnih dobah, ki so bile uporabljene v okviru analiz izvedenih v sklopu doktorske disertacije. Slika 3.6 prikazuje povezavo med tremi izbranimi spremenljivkami (konice pretokov, volumni visokovodnih valov in koncentracijami suspendiranih snovi) in povratno dobo OR, ki je prikazana v Salvadori in sod. (2007), z uporabo Gumbel-Hougaard kopule. Povratna doba OR (slo. ALI) označuje primer, ko se zgodi vsaj ena izmed obravnavanih spremenljivk, pogosto pa se srečamo tudi s povratno dobo AND (slo. IN), ki označuje primer, ko se hkrati zgodijo vse obravnavane spremenljivke ((Salvadori in sod., 2007)). Slika 3.6: Določitev povratne dobe OR za primer hkratne analize treh spremenljivk z uporabo Gumbel-Hougaard kopule (SSC=koncentracije suspendiranih snovi; Q=konice pretokov) Figure 3.6: Determination of the OR return period for the trivariate case using the Gumbel-Hougaard copula (SSC=suspended sediment concentration; Q=peak discharge) 3.4 Modeliranje erozije tal Za modeliranje erozije tal lahko uporabimo procesno utemeljene modele kot so npr. WEPP, LISEM in PESERA (Petkovˇ sek, 2000), empirične oziroma pol-empirične modele, kot je USLE (Petkovˇ sek, 2002), ali pa konceptualne modele. Petkovˇ sek (2000, 2002) je podal več infor- macij o nekaterih procesno utemeljenih modelih (npr. WEPP, LISEM, TOPOG), natančnejši opis modela PESERA pa je dostopen na spletni strani http://eusoils.jrc.ec.europa.eu/ ESDB_Archive/pesera/pesera_data.html. V okviru doktorske disertacije smo za modeliranje erozije tal uporabili model WATEM/SEDEM, ki omogoča prostorsko porazdeljeno modeliranje in bo podrobneje opisan v poglavju 3.4.2. Ena izmed prednosti modela WATEM/SEDEM je to, da je model prosto dostopen (http://geo.kuleuven.be/geography/modelling/erosion/ watemsedem2006/index.htm). 3.4.1 V Sloveniji pogosto uporabljene metode za modeliranje erozije tal V Sloveniji se je za vrednotenje erozije tal pogosto uporabljala enačba, ki je bila razvita za območje Sredozemlja in jo je definiral Gavriloviˇ c (1970): W = 3, 14 ∗ HY ∗ KT ∗ K1,5 ∗ F Z W (1) Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 25 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje kjer je FW površina porečja [km2], HY so srednje letne padavine [mm], KT je temperaturni koeficient območja, KZ pa erozijski koeficient območja (Petkovšek, 2002). Enačba 1 omogoča izračun srednjega letnega sproščanja zemljin W [m3/leto] (Petkovˇ sek, 2002). V svetovnem merilu pa se veliko pogosteje uporablja empirična enačba USLE oziroma njene posodobitve kot sta RUSLE ali MUSLE. Enačba RUSLE ima naslednjo obliko (Renard in sod., 1997): A = R ∗ K ∗ L ∗ S ∗ C ∗ P (2) kjer je R parameter erozivnosti padavin (Petan, 2010), K parameter erodibilnosti zemljine, L dejavnik dolžine pobočja, S dejavnik naklona pobočja, C parameter pokrovnosti tal in P parameter kmetijskih zaščitnih ukrepov (Petkovˇ sek, 2002). Z uporabo enačbe 2 lahko določimo povprečno letno izgubo tal na enoto površine [kg/ha*leto]. Panagos in sod. (2014) so naredili primerjavo med rezultati PESERA modela in podatkovno bazo EIONET-SOIL, kjer so zbrani rezultati vrednotenja erozije tal z uporabo USLE in RUSLE metodologije. Primerjava je bila izvedena za 8 držav, ki so članice Evropske skupnosti. Podobna primerjava med različnimi modeli (WATEM/SEDEM, RUSLE, PESERA) je bila izvedena tudi za 61 porečij v Španiji (de Vente in sod., 2008). 3.4.2 Model WATEM/SEDEM Za modeliranje erozije tal se lahko uporabi tudi model WATEM/SEDEM (Alatorre in sod., 2010; de Vente in sod., 2008; Shi in sod., 2012; Van Rompaey in sod., 2002), ki končne rezultate povprečne letne izgube tal izračuna na podlagi naslednjih korakov: • Določitev povprečne letne izgube tal A [kg*m−2*leto−1] z uporabo metode RUSLE (Renard in sod., 1997); • Izračun letne transportne sposobnosti TC [kg*m−2*leto−1] za vsako računsko celico; • Za vsako računsko celico program določi lokalne vrednosti erozije ter količino sedimen- tov, ki v celico pridejo iz gorvodnih delov porečja z uporabo algoritma večsmernega toka (ang. multiple flow algorithm) (Verstraeten in Prosser, 2008). V primeru, da je transpor-tna sposobnost celice večja, kot dotok sedimentov, se ves material premesti dolvodno, v nasprotnem primeru v računski celici pride do odlaganja materiala. Osnovna različica modela WATEM/SEDEM za izračun uporablja računske celice v velikosti 20∗20 m. Za izračun končnih rezultatov pa je potrebno modelu podati naslednje vhodne podatke v obliki rastrskih slojev: • digitalni model višin (DMV); • parcelno karto (ang. parcel map), kjer so posebej označene ceste, reke, kmetijska zemljišča, gozdovi ter travniki; • karto erozivnosti padavin R; • karto erodibilnosti zemljine K; • karto pokrovnosti tal C; Priporočljivo je, da vse vhodne podatke podamo kot rastrske sloje, kljub temu pa je nekate- rim spremenljivkam možno pripisati konstantno vrednost za celotno obravnavano območje (npr. faktor erozivnosti padavin R ali faktor erodibilnosti zemljin K). Več informacij o modelu WA- TEM/SEDEM je podanih v prilogi F. Za umerjanje modela WATEM/SEDEM je bil uporabljen prosto dostopni program za ocenjeva- nje parametrov PEST (http://www.pesthomepage.org/), ki omogoča avtomatično umerjanje različnih programov. Za aplikacijo PEST orodij morajo biti izpolnjeni naslednji pogoji: 26 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje • parametri modela in modelni izračuni morajo biti zapisani v ASCII datoteki; • program, pri katerem želimo oceniti parametre, lahko modelne izračune do konca izvede brez posredovanja uporabnika. V primeru modela WATEM/SEDEM smo morali uporabiti še program AutoIt (https://www. autoitscript.com/site/autoit/) s katerim smo zagotovili, da je model končne izračune do-ločil brez pomoči uporabnika. Več informacij o postopku je v prilogi F. PEST je bil že uspešno uporabljen za kalibracijo različnih hidroloških programov, kot sta HSPF (Doherty in John- ston, 2003) in HBV (Kotar, 2013). PEST je vključen tudi v program Groundwater Vistas (https://www.rockware.com/product/overview.php?id=147), ki združuje MODFLOW module in PEST. Več informacij o avtomatičnem umerjanju modela WATEM/SEDEM s progra- mom PEST je podanih v prilogi F. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 27 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 4 REZULTATI IN RAZPRAVA Prikaz rezultatov in njihova primerjava z ugotovitvami drugih raziskovalcev je narejena v nasle- dnjih štirih podpoglavjih. Prvi del prikazuje rezultate meritev izvedenih na eksperimentalnem porečju Gradaščice (poglavje 4.1), sledi analiza povezanosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi, kjer je poudarek na porečjih, kjer so se meritve izvajale v okviru državnega hidrološkega monitoringa (poglavje 4.2), nato so prikazani rezultati modeliranja erozije tal z uporabo modela WATEM/SEDEM (poglavje 4.3) in na koncu so prikazani še primeri aplikacij funkcij kopula na različnih hidroloških podatkih (poglavje 4.4). 4.1 Rezultati meritev na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice V tem poglavju so prikazane meritve, ki so bile izvedene na eksperimentalnih porečjih Kuzlovec ter Mačkov graben, ki sta del porečja reke Gradaščice. Vsa tri območja so opisana v poglavju 3.2.1. 4.1.1 Rezultati meritev padavin, pretokov in fluvialnega premeščanja suspendira- nih snovi V prilogi H in poglavju 2.2 je prikazana merska oprema uporabljena na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice. Slike 4.1, 4.2, 4.3 prikazujejo meritve padavin (uporabljeni prekucniki), pretokov (določeni na podlagi meritev s tlačno sondo in uporabo pretočne krivulje) ter meritev koncentracij suspendiranih snovi (multiparameterska sonda). Meritve padavin se iz- vajajo tudi z optičnim disdrometrom, kjer so podatki v realnem času dostopni na spletu: http://ksh.fgg.uni-lj.si/avp/DisCrniVrh/. V prilogi H je opisan postopek določitve zveze med motnostjo [NTU] in koncentracijo suspendiranih snovi [mg/l] ter postopek definiranja pretočne krivulje. (a) Meritve jeseni 2013 (b) Meritve pozimi 2014 Slika 4.1: Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem porečju Kuzlovec I Figure 4.1: Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measurements at the Kuzlovec catchment I V obdobju med poletjem 2013 in poletjem 2014 so se meritve motnosti izvajale na hudourniškem območju Kuzlovca (poglavje 3.2.1). V tem obdobju je bilo z multiparametersko sondo (MS5 Hydrolab, OTT) izmerjenih več kot 10 nadpovprečnih dogodkov (slike 4.1, 4.2, 4.3). V večini primerov je do nastopa konice koncentracije suspendiranih snovi prišlo pred nastopom konice 28 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje pretoka, kjer je časovni zamik znašal med 20 minutami in 4 urami. Takšno odvisnost med tema dvema spremenljivkama lahko imenujemo tudi pozitivna histereza, ki je značilna predvsem za manjša porečja, kjer se potencialni viri sedimentov nahajajo v bližini struge oziroma v strugi sami (Baˇ ca, 2008; Soler in sod., 2008). Negativna histereza oziroma pojav, ko konica pretoka nastopi pred konico koncentracij suspendiranih snovi, pa je večinoma značilna za porečja, kjer so glavni viri sedimentov precej oddaljeni od rečne struge (Baˇ ca, 2008). Na slikah 4.1, 4.2, 4.3 so prikazani nekateri dogodki, ki so bili izmerjeni v vseh štirih letnih časih (pomlad, poletje, jesen, zima). (a) Meritve pozimi 2014 (b) Meritve spomladi 2014 Slika 4.2: Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem porečju Kuzlovec II Figure 4.2: Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measurements at the Kuzlovec catchment II Dodatne informacije o medsebojni povezanosti pretokov, padavin in koncentracij suspendiranih snovi so podane v poglavju 4.4.3 ter v prilogi I. Na podlagi meritev koncentracij suspendiranih snovi, pretokov in padavin in z uporabo me- todologije, prikazane v poglavju 4.4.3 ter v prilogi I, smo ocenili, da se je skozi prečni profil postaje Kuzlovec, ki se nahaja na iztoku iz porečja (poglavje 3.2.1), v obdobju med junijem 2013 in junijem 2014 premestilo približno 5 t suspendiranega materiala. Ob tem je potrebno dodati, da je bilo obravnavano obdobje z vidika intenzivnosti procesov precej neaktivno, saj sta se kasneje v drugi polovici leta 2014 zgodila dva izrazito nadpovprečna dogodka, ki bosta prikazana v poglavju 4.1.2. Iz rezultatov, prikazanih v prilogi I, je razvidno, da smo najvišje koncentracije suspendiranih snovi zabeležili oziroma ocenili pozimi in jeseni v obdobju, ko so se izvajale meritve motnosti na Kuzlovcu (preglednica 2 v prilogi I). Od jeseni leta 2014 se meritve motnosti izvajajo na lokaciji vodomerne postaje Dvor, kjer ARSO izvaja meritve pretokov v okviru državnega hidrološkega monitoringa (poglavje 3.2). Slike 4.4, 4.5, 4.6 prikazujejo meritve koncentracij suspendiranih snovi na vodomerni postaji Dvor. Tudi pri meritvah koncentracij suspendiranih snovi na vodomerni postaji Dvor smo opazili, da do nastopa konice koncentracij suspendiranih snovi pride pred nastopom konice pretoka. Časovni zamiki so znašali 2 uri za dogodek na sliki 4.4, 1,5 ure za obe konici na sliki 4.5a, 5 ur za dogodek na sliki 4.6a ter 2 uri za konici na sliki 4.6b. Medtem, ko je pri dogodku na sliki 4.5b konica pretoka nastopila 1 uro pred konico koncentracij suspendiranih snovi. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 29 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje (a) Meritve poleti 2014 (b) Meritve poleti 2014 Slika 4.3: Prikaz meritev pretokov [m3/s], koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] ter padavin [mm] na eksperimentalnem porečju Kuzlovec III Figure 4.3: Discharge [m3/s], suspended sediment [mg/l] and precipitation [mm] measurements at the Kuzlovec catchment III Slika 4.4: Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor I (porečje Gradaščice) Figure 4.4: Discharge [m3/s] and suspended sediment measurements [mg/l] at the Dvor gauging station I (Gradaščica catchment) Dogodek na sliki 4.4, ki se je zgodil oktobra 2014, je imel ocenjeno povratno dobo pretokov med 30 in 50 let (PovratneDP, 2013), kar pomeni, da je šlo za relativno ekstremen dogodek. V obdobju trajanja dogodka se je skozi prečni profil vodomerne postaje Dvor premestilo približno 12.000 t suspendiranega materiala. Poleg tega lahko iz slike 4.4 opazimo, da so maksimalne izmerjene vrednosti motnosti presegale merilno območje multiparametrske sonde, ki znaša od 0 do 3.000 NTU (6390 mg/l) . Na sliki 4.5a je lepo viden tudi proces črpanja sedimentov (ang. sediment depletion), ki je eden 30 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje (a) Meritve jeseni 2014 (b) Meritve jeseni 2014 Slika 4.5: Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor II (porečje Gradaščice) Figure 4.5: Discharge [m3/s] and suspended sediment [mg/l] measurements at the Dvor gauging station II (Gradaščica catchment) izmed najpomembnejših faktorjev, ki vplivajo na dinamiko procesov, povezanih s premeščanjem sedimentov, in posledično tudi na pozitivne oziroma negativne histereze, ki jih lahko opazimo v povezavi med pretoki in koncentracijami suspendiranih snovi (Baˇ ca, 2008; De Sutter in sod., 2001). Gre za proces, ko je pri zaporednih dogodkih, količina premeščenih sedimentov pri vsakem dogodku manjša, saj je vsakič na razpolago manj potencialnih virov sedimentov. Na tem mestu je potrebno omeniti še fenomen prvega vala odplavljanja sedimentov (ang. first flush), kjer gre za proces, ko lahko po daljšem obdobju, v katerem ni bilo izrazitega padavinskega dogodka, pričakujemo intenzivnejše procese transporta sedimentov (tudi ostalih snovi, ki jih lahko premešča voda), kot v primeru več zaporednih dogodkov (Baˇ ca, 2008; Eder in sod., 2014). Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 31 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje (a) Meritve pozimi 2014 (b) Meritve spomladi 2015 Slika 4.6: Prikaz meritev pretokov [m3/s] in koncentracij suspendiranih snovi [mg/l] na vodomerni postaji Dvor III (porečje Gradaščice) Figure 4.6: Discharge [m3/s] and suspended sediment [mg/l] measurements at the Dvor gauging station III (Gradaščica catchment) 4.1.2 Rezultati meritev erozijskih procesov Na eksperimentalnem porečju Kuzlovca so se izvajale tudi posredne meritve erozijskih procesov z uporabo terestričnega laserskega skeniranja (TLS), na podlagi katerega je bil določen digitalni model reliefa (DMR). Grigillo in sod. (2014, 2015) so podali več informacij o postopku določitve DMR-ja na podlagi TLS za območje Kuzlovca, kjer je zaradi specifičnosti hudourniških območij potrebno uporabiti posebne algoritme za odstranitev dreves. Prvo skeniranje je bilo izvedeno aprila 2013, drugo avgusta 2014 po ekstremnem padavinskem 32 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje dogodku, ki se je zgodil v noči s 4. na 5. avgusta 2014, ko je v približno 9 urah padlo med 110 in 140 mm padavin (količina padavin izmerjena s prekucniki), kar pomeni, da je bila povratna doba tega padavinskega dogodka večja kot 100 let (Bezak in sod., 2015a). Zaradi te ujme je bilo poškodovanih približno 50 km cest, celotna škoda pa je bila ocenjena na približno 0,5 milijona EUR (Bezak in sod., 2015a). Sliki 4.7 in 4.8 prikazujeta meritve padavin izvedenih z disdrometrom postavljenim na Črnem Vrhu nad Polhovim Gradcem (poglavje 2.2.1) in meteorološkim radarjem s katerim upravlja ARSO (Petan, 2014). Zaradi ekstremnih meteoroloških in hidro-loških razmer se je sprožilo približno 50 plitvih plazov, zaradi velikih količin plavja (večinoma posledica žledu, ki se je zgodil februarja 2014) je bilo poškodovanih tudi nekaj mostov (Bezak in sod., 2015a). Sliki 4.9 prikazujeta razmere v porečju Gradaščice po ekstremnem dogodku, ki se je zgodil avgusta 2014. Slika 4.7: Meritve intenzitete padavin in vsote padavin [mm/h in mm] z disdrometrom Figure 4.7: Measurement of rainfall intensity and accumulated rainfall with disdrometer [mm/h in mm] Slika 4.8: Meritve padavin [mm] z uporabo meteorološkega radarja (4-5 avgust 2014) Figure 4.8: Rainfall radar measurements [mm] (4-5 August 2014) Na podlagi terenskih ogledov smo ugotovili, da je bila tudi dinamika erozijskih procesov spro- ščanja, premeščanja in odlaganja zelo velika, kar je razvidno iz slike 4.10, ki prikazuje razmere v Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 33 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje hudourniku Kuzlovec pred (leto 2012) in po (leto 2014) prej omenjenem ekstremnem dogodku. (a) Med dogodkom se je sprožilo več kot 50 plitvih (b) Zaradi velike količine plavja je bila poškodovana plazov cestna infrastruktura Slika 4.9: Posledice ekstremnih meteoroloških razmer v noči s 4. na 5. avgust 2014 (foto: Matej Sečnik) Figure 4.9: Consequences of the extreme meteorological conditions on the night from 4th to 5th of August 2014 (photo: Matej Sečnik) (a) Situacija v Kuzlovcu leta 2012 (b) Situacija v Kuzlovcu leta 2014 Slika 4.10: Prikaz razmer na območju Kuzlovca pred in po ekstremnem padavinskem dogodku (foto: Mojca Kogoj) Figure 4.10: Situation in the Kuzlovec torrent before and after the extreme rainfall event (photo: Mojca Kogoj) Slika 4.11 prikazuje razliko med dvema digitalnima modeloma reliefa z velikostjo celic 5 cm (ang. DEM of difference), ki sta bila določena na podlagi TLS snemanj aprila 2013 in avgusta 2014. Prikazano je manjše območje v velikosti približno 25∗160 metrov. Povprečna razlika med DMR- jem iz leta 2014 in 2013, ki je bila določena na podlagi približno 1,93∗106 celic, je znašala 0,104 metra, kar pomeni, da se je z opazovanega območja premestilo več kot 400 m3 materiala. Na podlagi ocenjenih vrednosti transporta suspendiranih snovi, prikazanih v poglavju 4.1.1, lahko sklepamo, da je zaradi ekstremnega padavinskega dogodka (slike 4.7, 4.8, 4.9), med katerim se meritve koncentracij suspendiranih snovi niso izvajale, prišlo do izrazitih erozijskih procesov, ki so razvidni iz slike 4.11. Količina sproščenega drobno in bolj grobozrnatega materiala je bila nekaj velikostnih razredov nad običajnimi količinami, ki smo jih izmerili z uporabo multipara- 34 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 4.11: Prikaz višinskih razlik [m] med digitalnim modelom reliefa posnetim aprila 2013 in avgusta 2014 Figure 4.11: Difference [m] between digital terrain model from April 2013 and August 2014 meterske sonde (poglavje 4.1.1). Z uporabo metodologije prikazane v prilogi I smo ocenili, da se je v obdobju od junija 2013 do maja 2014 skozi prečni profil postaje Kuzlovec premestilo približno 5 t suspendiranega materiala. Ti rezultati kažejo, da je za procese fluvialnega preme- ščanja suspendiranih snovi in tudi za premeščanje grobozrnatega erozijskega drobirja značilna velika časovna spremenljivost. To pomeni, da se večinoma velik del materiala premesti ob nekaj ekstremnih dogodkih, ki se lahko zgodijo na vsakih nekaj let (Lenzi in Marchi, 2000). Nadalje so nekateri avtorji ugotovili, da imajo lahko tudi dogodki, za katere so značilne relativno povprečne magnitude, pomemben vpliv na količine fluvialno premeščenih suspendiranih snovi (Tena in sod., 2011). Slika 4.12: Histogram števila celic glede na erozijo (negativne vrednosti) ali odlaganje sedimentov (pozitivne vrednosti) Figure 4.12: Histogram showing number of cells (y-axis) with positive or negative DoD values (x-axis) Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 35 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 4.12 prikazuje razmerje med številom celic in razlikami med rezultati TLS snemanj iz leta 2013 in leta 2014. Negativne vrednosti označujejo erozijo, pozitivne pa odlaganje sedimentov. Opazimo lahko, da je za večje število celic značilna negativna vrednost razlik med DMR iz leta 2014 ter 2013 (slika 4.12). 4.2 Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidro- loškimi procesi 4.2.1 Povezava med pretoki in koncentracijami suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih Poleg terenskih meritev, ki so potekale na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice (poglavje 4.1), smo analizirali tudi podatke o koncentracijah suspendiranih snovi, ki jih je v več kot 50 letih meritev pridobila Agencija RS za okolje in so prosto dostopni na spletni strani Agencije (http: //vode.arso.gov.si/hidarhiv/pov_arhiv_tab.php) (slika 4.13). Več informacij o lokaciji postaj, kjer so se izvajale vsakodnevne ter občasne meritve, in ostalih lastnostih vodomernih postaj je podanih v prilogi G ter prilogi D. Slika 4.13: Povprečne vrednosti časovnega zamika med konico koncentracij suspendiranih snovi in konico pretoka (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) Figure 4.13: Avarage lag values between maximum suspended sediment concentration values and peak discharge values (adapted from Bezak in sod. (2015c)) Na podlagi terenskih meritev z visoko frekvenco vzorčenja (poglavje 4.1) smo ugotovili, da do nastopa koncentracije suspendiranih snovi v veliki večini primerov pride pred nastopom konice pretoka. Časovne razlike so v tem primeru relativno majhne in večinoma ne presegajo tra- janj nekaj ur, kar je glede na velikost eksperimentalnega porečja pričakovano. Te ugotovitve smo potrdili z uporabo podatkov prikazanih v prilogi D. Z upoštevanjem podatkov o pretokih in koncentracijah suspendiranih snovi z dnevnim korakom vzorčenja z več kot 25 vodomernih postaj v Sloveniji smo ugotovili, da konica pretoka večinoma nastopi za konico koncentracij suspendiranih snovi (pozitivne vrednosti prikazane na sliki 4.13). Tudi v tem primeru so bile 36 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje časovne razlike relativno majhne (v povprečju manj kot 1 dan) (slika 4.13), kar ponovno ni pre-senetljivo, saj se v Sloveniji monitoring večinoma izvaja na manjših do srednje velikih porečjih (priloga D). Natančnejši opis metodologije za določitev rezultatov prikazanih na sliki 4.13 je podan v prilogi D. Ob tem je potrebno dodati, da bi za zanesljivejše zaključke o povezanosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi s procesi površinskega odtoka vode, potrebovali več meritev z manjšim časovnim korakom vzorčenja. Posledično to pomeni, da so za večino dogodkov značilne pozitivne histereze, ki so nekoliko po- drobneje opisane v poglavju 4.1 ter v (priloga D). Ker se meritve koncentracij suspendiranih snovi pogosto izvajajo manj pogosto kot meritve pre- tokov ali meritve padavin, in je v nekaterih primerih potrebno oceniti masne bilance premeščenih suspendiranih ter rinjenih plavin, se za ocenjevanje vrednosti suspendiranih snovi uporabi funk- cija, ki povezuje to spremenljivko z vrednostmi pretokov. Zato smo izračunali tudi vrednosti Pearsonovega koeficienta korelacije med pretoki in koncentracijami suspendiranih snovi in ugo- tovili, da so bile izračunane vrednosti med 0,05 in 0,59 (priloga D). Relativno nizke vrednosti izbranega koeficienta korelacije so lahko posledica različnih procesov, opisanih v poglavju 4.1, kot so črpanje sedimentov, pozitivna oziroma negativna histereza ter fenomen prvega vala. To pomeni, da je uporaba krivulj pretok-koncentracije suspendiranih snovi (Rodriguez-Blanco in sod., 2010; Harrington in Harrington, 2013) za ocenjevanje morebitnih manjkajočih podatkov o fluvialnem premeščanju suspendiranih snovi na podlagi podatkov o pretokih v primeru slovenskih vodotokov relativno nezanesljiva. Do podobnih ugotovitev so prišli tudi drugi raziskovalci za vodotoke na različnih delih Evrope (Rodriguez-Blanco in sod., 2010). Tudi z uporabo podatkov, pridobljenih na eksperimentalnem porečju Kuzlovec smo ugotovili, da je raztros med podatki o pretokih in koncentracijah suspendiranih snovi relativno velik. Zato smo definirali model, kjer smo uporabili funkcije kopula, s katerim lahko vrednosti fluvialno premeščenih suspendiranih snovi v izbranem dogodku ocenimo na podlagi podatkov o pretokih in padavinah. Model je podrobneje opisan v poglavju 4.4.3 ter prilogi I in je bil uporabljen za oceno letno premeščenih suspendiranih snovi skozi prečni profil postaje Kuzlovec v obdobju med junijem 2013 in junijem 2014 (poglavje 4.1.1). 4.2.2 Trendi v obravnavanih hidroloških spremenljivkah Nadalje smo na vodomernih postajah, kjer so se meritve koncentracij suspendiranih snovi izvajale zvezno v daljšem časovnem obdobju, analizirali tudi prisotnost trendov v časovnih serijah kon- centracij suspendiranih snovi. Uporabili smo test Mann-Kendall, ki je opisan v poglavju 3.3.1. Ugotovili smo, da je za približno polovico postaj značilen pozitiven trend, za drugo polovico analiziranih postaj pa negativen trend, vendar so bili vsi statistično značilni trendi negativni. Preglednica 4.1 prikazuje rezultate testa Mann-Kendall s pripadajočimi stopnjami značilnosti za vzorec letnih maksimumov koncentracij suspendiranih snovi (Bezak in sod., 2015c). Več rezultatov je v prilogi D. Potencialni razlogi za zmanjševanje fluvialno premeščenih suspendiranih snovi so: izgradnja čistilnih naprav, zapiranje nekaterih rudnikov ter usedanje sedimentov v akumulacijskih bazenih hidroelektrarn. Do podobnih ugotovitev so prišli tudi drugi raziskovalci (Walling in Fang, 2003). Več rezultatov testov Mann-Kendall in njihova interpretacija je podanih v prilogi D. Prisotnost sprememb v časovnih serijah smo z uporabo testa Mann-Kendall iskali tudi v podatkih o pretokih in padavinah (priloga C in priloga D). Podobno kot pri koncentracijah suspendiranih snovi, tudi v primeru pretokov nismo uspeli določiti ali pozitivnega ali negativnega trenda v analiziranih časovnih serijah (priloga C in priloga D). Ena izmed pomembnejših ugotovitev pa je bila, da so rezultati statističnih testov lahko izrazito odvisni od izbrane metodologije za določitev vzorca (npr. AM metoda ali POT metoda, ki sta opisani v poglavju 3.3.2). Priloga C Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 37 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje vsebuje dodatne informacije o prej omenjeni ugotovitvi. Preglednica 4.1: Rezultati testa Mann-Kendall s pripadajočimi stopnjami značilnosti za ča- sovne serije letnih maksimumov koncentracij suspendiranih snovi (SSC) (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) Table 4.1: The Mann-Kendall test results with the corresponding significance levels for the annual maximum sample of the suspended sediment concentration (SSC) values (adapted after Bezak in sod. (2015c)) Postaja Vodotok Obdobje AM-SSC Gornja Radgona Mura 1977-2005 0.36 (27.9) Petanjci Mura 1956-1973 -1.63 (89.7) Polana Ledava 1963-1973 -2.88 (99.6) Ranca Pesnica 1967-1973 0.15 (11.9) Zamušani Pesnica 1967-1973 -1.52 (87.1) Šentjakob Sava 1955-1973 -0.18 (13.9) Šentjakob Sava 1978-1993 -1.17 (75.8) Hrastnik Sava 1997-2006 0.45 (34.5) Radeče Sava 1955-1973 -0.56 (42.5) Radeče Sava 1975-1993 0.53 (40.2) Veliko Širje Savinja 1955-1973 -2.90 (99.6) Veliko Širje Savinja 1978-1989 1.51 (86.9) Veliko Širje Savinja 1994-2005 -0.69 (50.7) Kobarid Soča 1962-1973 -2.88 (99.6) Miren Vipava 1985-2005 1.57 (88.4) 4.2.3 Sezonske značilnosti opazovanih hidroloških procesov Za analize sezonskosti smo uporabili metode, prikazane v poglavju 3.3.1. Rezultati kažejo, da so sezonske značilnosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi odvisne od sezonskih karakteristik pretokov. Večinoma konice koncentracij suspendiranih snovi nastopijo ali poleti kot posledica poletnih neviht ali jeseni kot posledica frontalnih padavin. Preglednica 4.2 prikazuje rezultate sezonskih značilnosti koncentracij suspendiranih snovi, kjer je več informacij o metodologiji podanih v prilogi D. Nadalje so najnižje koncentracije večinoma značilne za zimsko obdobje, ko je površje pogosto pokrito s snegom, in snežne padavin nimajo takšne erozijske moči kot npr. poletne nevihte. Dodatna pojasnila o analizah sezonskosti za postaje, kjer so se meritve izvajale v okviru državnega hidrološkega monitoringa, so podana v prilogi D. Ugotovitve pridobljene na mreži slovenskih vodotokov smo potrdili tudi z meritvami in opazovanji na eksperimentalnem porečju reke Gradaščice, kjer je poletna nevihta, ki se je zgodila v noči s 4. na 5. avgust 2014, povzročila intenzivne procese sproščanja, premeščanja in odlaganja sedimentov (poglavje 4.1). Bezak in sod. (2015b) so analizirali sezonsko obnašanje pretokov v slovenskih vodotokih na podlagi podatkov s 50 vodomernih postaj, kjer je bil koeficient sezonskosti eden izmed parametrov za razdelitev postaj v šest homogenih skupin. Dodatne informacije o sezonskih značilnostih ne- katerih postaj so podane tudi v prilogi D, kjer so bile analizirane postaje, kjer se izvajajo meritve koncentracij suspendiranih snovi, ter v prilogi C, kjer so bili analizirani podatki z vodomerne postaje Litija na reki Savi, ki je ena izmed najstarejših postaj v Sloveniji in kjer so se meritve pretokov začele izvajati že pred letom 1900. 38 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Preglednica 4.2: Prikaz sezonskih maksimumov koncentracij suspendiranih snovi (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) Table 4.2: Presentation of seasons with the highest suspended sediment concentration values (adapted after Bezak in sod. (2015c)) Postaja Vodotok Obdobje Maks-SSC Gornja Radgona Mura 1977-2005 Poletje Petanjci Mura 1956-1973 Pomlad Polana Ledava 1963-1973 Zima Ranca Pesnica 1967-1973 Poletje Zamušani Pesnica 1967-1973 Pomlad Šentjakob Sava 1955-1973 Zima Šentjakob Sava 1978-1993 Jesen Hrastnik Sava 1997-2006 Jesen Radeče Sava 1955-1973 Poletje Radeče Sava 1975-1993 Jesen Veliko Širje Savinja 1955-1973 Poletje Veliko Širje Savinja 1978-1989 Poletje Veliko Širje Savinja 1994-2005 Jesen Kobarid Soča 1962-1973 Poletje Miren Vipava 1985-2005 Jesen 4.3 Rezultati modeliranja erozije tal Za modeliranje erozije tal je bil uporabljen prosto dostopni model WATEM/SEDEM, ki je opisan v poglavju 3.4.2 ter v prilogi F. 4.3.1 Masne bilance fluvialno premeščenih suspendiranih snovi Za vodomerne postaje, kjer so se meritve koncentracij suspendiranih snovi zvezno izvajale daljše časovno obdobje (poglavje 3.2.2), smo določili tudi masne bilance fluvialno premeščenih suspendiranih snovi. V prilogi D so prikazane vrednosti masnih bilanc [t/leto] za več kot 10 vodomernih postaj v Sloveniji. Specifične vrednosti fluvialno premeščenih suspendiranih snovi so znašale med 0,31 in 1,2 t/ha/leto (preglednica 4.3 in priloga D in priloga G). Pri tem je potrebno poudariti, da so to povprečne številke, ki so lahko določeno leto višje in naslednje leto precej nižje. Poleg tega te ocene ne vsebujejo doprinosa rinjenih plavin, ki lahko v primeru hudourniških vodotokov prispevajo med 20 in 90 % k skupni bilanci premeščenih rinjenih ter lebdečih plavin (Lenzi in Marchi, 2000). Več informacij o relativno redkih meritvah rinjenih plavin v slovenskih vodotokih je podanih v prilogi F. Z uporabo modela za ocenjevanje količine premeščenih suspendiranih snovi v določenem do- godku, ki je opisan v poglavju 4.4.3, smo na podlagi podatkov o pretokih in padavinah ocenili, da se je med junijem 2013 in junijem 2014 skozi prečni profil postaje Kuzlovec premestilo približno 5 t suspendiranega materiala, kjer pa je šlo za obdobje brez izrazitih erozijskih procesov. Vendar se je nato avgusta 2014 zgodil dogodek, kjer so količine sproščenega drobno in grobo zrnatega materiala nekaj velikostnih razredov (približno 400 m3 na manjšem območju v velikosti približno 25∗160 metrov) presegale prej omenjene vrednosti (poglavje 4.1.2). 4.3.2 Potencialno sproščanje Vrednosti prikazane v poglavju 4.3.1 so predstavljale osnovo za oceno skupne količine plavin, ki jih slovenski vodotoki premeščajo. Te ocene, ki so prikazane v prilogi F, so bile uporabljene kot eden izmed vhodnih podatkov pri modeliranju erozije tal z uporabo modela WATEM/SEDEM. Opis modela WATEM/SEDEM je podan v poglavju 3.4.2. Modeliranje je bilo izvedeno za 5 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 39 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Preglednica 4.3: Prikaz nekaterih osnovnih značilnosti obravnavanih postaj (povzeto po Bezak in sod. (2015c)) Table 4.3: Basic properties of the selected gauging stations (adapted after Bezak in sod. (2015c)) Postaja Obdobje Povprečni dnevni Povprečna dnevna pretok m3/s SSC vrednost g/m3 Gornja Radgona 1977-2005 150,7 49,5 Petanjci 1956-1973 171,7 111,0 Polana 1963-1973 1,6 140,7 Ranca 1967-1973 1,1 55,1 Zamušani 1967-1973 5,8 47,6 Šentjakob 1955-1973 97,5 23,9 Šentjakob 1978-1993 84,3 23,8 Hrastnik 1997-2006 152,7 24,0 Radeče 1955-1973 232,3 84,1 Radeče 1975-1993 209,0 69,5 Veliko Širje 1955-1973 45,6 54,5 Veliko Širje 1978-1989 45,3 51,3 Veliko Širje 1994-2005 39,9 46,8 Kobarid 1962-1973 35,1 19,3 Miren 1985-2005 16,7 19,0 porečij v Sloveniji, ki skupaj pokrivajo približno 20 % celotne površine Slovenije. Kot vhodne podatke smo uporabili digitalni model višin z natančnostjo 20 m, karto erozivnosti padavin (Petan, 2010), karto erodibilnosti zemljin, karto rabe tal ter ocene letno premeščenih plavin (priloga F). Za kalibracijo modela WATEM/SEDEM smo uporabili prosto dostopni programski paket PEST, ki se pogosto uporablja za kalibracijo hidroloških modelov (Kotar, 2013). Z uporabo orodij PEST smo izvedli tudi občutljivostno analizo (ang. sensitivity analysis), kjer smo ugotovili, da imajo parametri WATEM/SEDEM modela, ki so vezani na računske celice, pri katerih je pokrovnost tal gozd, večji vpliv na končne izračune modela kot drugi parametri (npr. parametri, ki zajamejo vpliv pašnikov). Slika 4.14 prikazuje razpone parametrov v primeru, ko smo model WATEM/SEDEM umerili z uporabo orodij PEST (Bezak in sod., 2015d). Več informacij o občutljivostnih analizah ter kalibraciji modela WATEM/SEDEM je podanih v prilogi F. Nadalje smo z uporabo modela WATEM/SEDEM določili povprečne letne vrednosti izgube tal za pet izbranih porečij. Modelirana povprečna vrednost izgube tal je znašala 2,2 t/ha/leto. Mikoˇ s in Zupanc (2000) sta ocenila, da se v Sloveniji letno sprosti ≈ 5∗106 m3 materiala, kar je ≈ 10∗106 t. Glede na površino Slovenije (≈ 20.000 km2) lahko izračunamo, da je specifično sproščanje po oceni, ki sta jo naredila Mikoˇ s in Zupanc (2000), enako približno 5 t/ha/leto. Opazimo lahko, da se ta ocena ujema z modeliranimi vrednostmi, ki smo jih dobili z aplikacijo modela WATEM/SEDEM. Te izračune smo primerjali tudi z rezultati modela PESERA (poglavje 3.4) in ugotovili, da so bile modelirane vrednosti z uporabo modela PESERA nižje, kot z uporabo modela WATEM/SEDEM, vendar v istem velikostnem razredu (priloga F). Do odstopanj je prišlo zaradi različne prostorske ločljivosti obeh modelov, različnih vhodnih podatkov, različne osnove obeh modelov ter ali je bil model kalibriran glede na dejanske izmerjene podatke ali kalibracije sploh ni bilo. Podrobneje so razlike med prej omenjenima modeloma razložene v prilogi F. 40 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Slika 4.14: Razponi parametrov umerjenega modela WATEM/SEDEM z uporabo orodij PEST (povzeto po Bezak in sod. (2015d)) Figure 4.14: Parameter ranges for the calibrated WATEM/SEDEM model parameters, which were determined using the automatic parameter estimation procedure (PEST) (adapted from Bezak in sod. (2015d)) 4.3.3 Koeficient odplavljanja Na podlagi rezultatov prikazanih v poglavjih 4.3.1 in 4.3.2 smo izračunali tudi koeficient odplavljanja, ki predstavlja razmerje med dejanskimi izmerjenimi oziroma ocenjenimi količinami premeščenih plavin in potencialnimi letnimi količinami erodiranega materiala določenimi z upo- rabo modela WATEM/SEDEM (Ferro in Minacapilli, 1995; Lu in sod., 2006; Walling, 1983). Izračunane vrednosti za 5 območij v Sloveniji so se gibale med 0,07 ter 0,22 (priloga F). Ugotovili smo, da se koeficient odplavljanja zmanjšuje s povečevanjem prispevnega območja, kar pomeni, da pri večjih porečjih manj erozijsko sproščenega materiala prispe do struge vodotoka, saj večje porečje večinoma vsebuje več lokalnih depresij, kjer lahko prihaja do odlaganja ma- teriala. Negativna zveza med koeficientom odplavljanja in velikostjo porečja sicer ni bila tako izrazita kot v nekaterih drugih študijah (Ferro in Minacapilli, 1995; Lu in sod., 2006), kar lahko pripišemo dejstvu, da bi za zanesljivejšo oceno o prej omenjeni povezavi modeliranje erozije tal morali narediti na več porečjih različnih velikosti, kar pa zaradi omejitev v količini podatkov o premeščanju plavin ni bilo mogoče, saj zanesljivi podatki z drugih vodotokov v Sloveniji niso na razpolago. Razlogi so: ali se meritve koncentracij suspendiranih snovi ter rinjenih plavin sploh niso izvajale ali pa so bile meritve zgolj občasne in posledično ne moremo narediti zane- sljive ocene o bilancah letno premeščenih plavin, saj je raztros med pretoki in koncentracijami suspendiranih snovi pogosto prevelik (poglavje 4.2.1). Več informacij o izračunanih koeficientih odplavljanja je na voljo v prilogi F. 4.4 Uporaba funkcij kopula Funkcije kopula se v zadnjem desetletju vse pogosteje uporabljajo v hidrološki praksi (Bezak in sod., 2014a) in so nekoliko podrobneje opisane v poglavju 3.3.3, v prilogi B in v prilogi E. Joe (1997), Nelsen (2006) ter Salvadori in sod. (2007) pa podajajo osnovne informacije o funkcijah kopula in njihovih značilnostih. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 41 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 4.4.1 Rezultati multivariatnih verjetnostnih analiz visokovodnih valov Funkcije kopula smo uporabili za multivariatne verjetnostne analize podatkov o pretokih, volu- mnih visokovodnih valov ter trajanjih visokovodnih valov. Uporabljeni so bili podatki z vodo- merne postaje Litija na reki Savi. Postopek izvedbe bivariatnih verjetnostnih analiz je podrob- neje opisan v prilogi E. Na podlagi rezultatov analiz smo ugotovili, da je bila kopula Gumbel-Hougaard iz Arhimedove družine kopul najustreznejša za modeliranje parov konice pretokov in volumnov visokovodnih valov ter volumnov visokovodnih valov in trajanj visokovodnih valov, medtem ko je bila Student-t kopula izbrana za sočasno analizo podatkov o pretokih in trajanjih visokovodnih valov. Nadalje pa smo izvrednotili tudi različne vrednosti povratnih dob, ki so posebej definirane za multivariatne primere (priloga E). Slika 4.15 prikazuje povezavo med multivariatnimi povratnimi dobami in ocenjenimi vrednostmi spremenljivk, kjer je več informacij o metodologiji podanih v prilogi E. Slika 4.15: Povezava med povratnimi dobami (OR in AND) in ocenjenimi vrednostmi spremenljivk (povzeto po ˇ Sraj in sod. (2015)) Figure 4.15: Joint return period values for OR and AND cases for the analysed pairs (adapted from ˇ Sraj in sod. (2015)) 4.4.2 Rezultati multivariatnih analiz konic pretokov, volumnov valov ter koncen- tracij suspendiranih snovi V prilogi B je podanih več informacij o trivariatni verjetnostni analizi podatkov o pretokih, volumnih visokovodnih valov ter koncentracijah suspendiranih snovi. Za izvedbo analiz so bili uporabljeni podatki, pridobljeni v okviru državnih hidroloških monitoringov v Sloveniji in ZDA (poglavje 3.2.2). Za izvedbo multivariatnih verjetnostnih analiz so bile uporabljene simetrične in asimetrične različice funkcij kopula, ki so bile izbrane glede na odvisnosti med prej omenjenimi spremenljivkami. Podobno kot v poglavju 4.4.1 smo z uporabo statističnih in grafičnih testov ugotovili, da je najustreznejše rezultate dala kopula Gumbel-Hougaard. Poleg tega smo ugotovili, da so asimetrične različice kopul v nekaterih primerih lahko ustreznejše kot simetrične funkcije kopula, saj imajo en parameter več in lahko posledično bolje opišejo odvisnost med različnimi spremenljivkami. Določili pa smo tudi povezavo med primarnimi in sekundarnimi vrednostmi povratnih dob in ocenjenimi vrednostmi vseh treh spremenljivk. Ta povezava bi lahko bila uporabna pri načrtovanju različnih objektov. Nekoliko razširjen opis metodologije in analize 42 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje rezultatov je na voljo v prilogi B. 4.4.3 Rezultati ocenjevanja suspendiranih snovi z uporabo kopul Poleg prikazanih analiz smo funkcije kopula uporabili tudi za ocenjevanje vrednosti premeščenih suspendiranih snovi na podlagi podatkov o pretokih in padavinah (priloga I). Za ta namen smo uporabili podatke z eksperimentalnega porečja Kuzlovec, ki je opisano v poglavju 3.2.1. Ker se meritve motnosti niso izvajale zvezno smo z uporabo kopul definirali model s katerim lahko na podlagi znanih podatkov o konici pretoka in vsoti padavin za izbran dogodek ocenimo vrednosti suspendiranih snovi, saj smo ti dve spremenljivki opazovali z zveznimi meritvami. Dogodke smo definirali na podlagi padavinskih dogodkov, dva zaporedna dogodka pa sta bila ločena, če je bilo med njima več kot 6 urno obdobje brez padavin. Več informacij o metodologiji določanja dogodkov je podanih v prilogi I. V modelu smo uporabili kopulo Gumbel-Hougaard, ki je v aplikacijah, prikazanih v poglavju 4.4.1 in v poglavju 4.4.2, dala najboljše rezultate. Ker je bila odvisnost med pari spremenljivk vsota padavin, konica pretoka in vsota premeščenih suspendiranih snovi skoraj popolnoma enaka, smo se odločili za uporabo simetrične funkcije kopula. Parametre modela, ki so dejansko parametri robnih porazdelitvenih funkcij in funkcije kopula, smo ocenili na podlagi 21 izmerjenih dogodkov (slika 4.16). Slika 4.16: Porazdelitev ocenjenih SSL vrednosti in 50 % intervalov zaupanja za štiri dogodke, ki so se zgodili v različnih letnih časih Figure 4.16: Distribution of estimated SSL values and 50 % confidence intervals for four events, which happened in different seasons Z uporabo definiranega modela smo nato na podlagi izmerjenih vrednosti konic pretokov in vsote padavin ocenili vrednosti premeščenih suspendiranih snovi (SSL) za dogodke, ko se dejanske meritve motnosti niso izvajale. Slika 4.16 prikazuje ocenjene vrednosti SSL za štiri izbrane dogodke v različnih letnih časih, ko se meritve koncenntracij suspendiranih snovi niso izvajale. Več informacij o metodologiji za določitev slike 4.16 je prikazanih v prilogi I. Rezultate ocenjevanja smo primerjali z ocenami, ki smo jih določili z uporabo multiple linearne regresije (ang. multiple Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 43 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje linear regression), in ugotovili, da je prikazana metodologija z uporabo funkcij kopula dala bolj smiselne rezultate, saj smo pri uporabi multiple linearne regresije pri nekaterih dogodkih dobili negativne ocenjene vrednosti premeščenih suspendiranih snovi, kar seveda ni smiselno. Opisan model je potrebno preveriti še na podatkih z drugih porečij in ga primerjati še z ne- katerimi metodami za ocenjevanje vrednosti suspendiranih snovi. Več informacij o rezultatih ocenjevanja fluvialno premeščenih suspendiranih snovi je podanih v prilogi I. 44 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 5 SKLEPI V doktorski disertaciji smo opisali rezultate terenskih hidroloških meritev, izvedenih na manj- šem eksperimentalnem porečju, ki je del porečja reke Save. Različne meteorološke in hidrološke podatke smo analizirali s številnimi matematično-statističnimi orodji, med drugim smo uporabili funkcije kopula, ki smo jih aplicirali na hidrološke podatke. Z uporabo modela WATEM/SEDEM smo modelirali erozijo tal in določili razmerje med potencialnimi količinami erodiranega mate- riala in dejanskimi vrednostmi suspendiranih in rinjenih plavin, ki jih vodotoki premeščajo. Vsebina disertacije se prepleta z vsebino člankov, ki so podani kot priloge (priloga A, priloga B, priloga C, priloga D, priloga E, priloga F, priloga G, priloga H, priloga I). Na podlagi prikazanih rezultatov (poglavje 4) in delovnih hipotez (poglavje 1) lahko zapišemo naslednje ugotovitve. • Hipoteza 1: hidrometeorološki pojavi velikih intenzitet (močne lokalne padavine) imajo nadpovprečen vpliv na vrednosti koncentracij suspendiranih snovi, ki jih vodotoki preme- ščajo ter maksimalne koncentracije suspendiranih snovi večinoma nastopijo pred konico poplavnega vala (nastopom maksimalnega pretoka). Sklepi: izrazito nadpovprečni padavinski dogodki, za katere je značilna velika erozijska moč, imajo izredno velik vpliv na procese sproščanja, premeščanja in odlaganja erozijskega materiala in posledično tudi na vrednosti koncentracij suspendiranih snovi, ki jih vodotoki premeščajo. Količine premeščenega materiala ob takih ekstremnih dogodkih lahko nekaj velikostnih razredov presegajo vrednosti, ki se skozi določen prečni profil vodotoka pre- mestijo v daljšem časovnem obdobju (npr. mesec, leto ali celo desetletje). Nadalje, do nastopa konice koncentracij suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih v povprečju pride pred nastopom konice pretoka, kjer so časovne razlike večinoma v časovnem razponu veli- kosti 1 dneva. Ta ugotovitev je bila potrjena tako z meritvami z visoko frekvenco vzorčenja (20 in 30 minut) kot z meritvami z dnevnim korakom zajema podatkov. Ta dognanja se ujemajo z ugotovitvami, ki so zapisane v svetovni literaturi, kjer so časovni zamiki od- visni od lokalnih razmer, kot so npr. velikost porečja, topografske, geološke, pedološke, klimatološke in hidrološke značilnosti obravnavanih območij. • Hipoteza 2: koeficient odplavljanja, ki predstavlja razmerje med dejanskimi izmerjenimi količinami lebdečih plavin (ocenjene letne količine fluvialno premeščenih suspendiranih snovi), in med potencialnimi letnimi količinami erodiranega materiala, določenega z upo- rabo empiričnega modela erozije tal (npr. USLE, RUSLE), je odvisen od velikosti porečja. Sklepi: na podlagi rezultatov modeliranja erozije tal z uporabo modela WATEM/SEDEM in dejanskih vrednosti premeščenih plavin za 5 porečij v Sloveniji smo ugotovili, da se ko- eficient odplavljanja zmanjšuje z večanjem prispevnega območja, vendar odvisnost ni bila zelo izrazita, kar lahko pripišemo dejstvu, da je povezava med sproščanjem, premeščanjem in odlaganjem odvisna od številnih dejavnikov. Razgiban relief, relativno gosta hidrolo- ška mreža in hudourniški značaj večine slovenskih vodotokov so dejavniki, ki med drugim vplivajo na koeficient odplavljanja, ki ima v primeru zelo velikih porečij (≥ 10.000 km2) z ravninsko topografijo, drugačne značilnosti. • Hipoteza 3: z uporabo funkcij kopula lahko hkrati analiziramo vrednosti konic pretokov, volumne visokovodnih valov ter koncentracije suspendiranih snovi. Sklepi: v okviru doktorske disertacije smo pokazali, da lahko z uporabo funkcij kopula hkrati analiziramo konice pretokov, volumne visokovodnih valov ter koncentracije suspen- diranih snovi, poleg tega pa smo z uporabo funkcij kopula definirali tudi model, s katerim lahko na podlagi podatkov o konici pretoka in vsoti padavin brez meritev ocenimo količino fluvialno premeščenih suspendiranih snovi v izbranem dogodku. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 45 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Poleg tega se v zadnjih desetletjih (približno od 1960 do 2010) vrednosti fluvialno premeščenih suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih nekoliko zmanjšujejo, kar bi lahko bila posledica gra- dnje čistilnih naprav, zapiranja rudnikov in povečanja površine območij pokritih z gozdom, ki je posledica opuščanja kmetijstva in urbanizacije. Nadalje lahko največje vrednosti koncentracij suspendiranih snovi izmerimo ali poleti kot posledico poletnih neviht ali jeseni kot posledico več dni trajajočih frontalnih padavin, ki se v zadnjem desetletju ali dveh pojavljajo pogosteje, zaradi sprememb v letni razporeditvi padavin. Pridobljeni rezultati se lahko uporabijo pri načrtovanju hidrotehničnih objektov (določitev zveze med ocenjenimi vrednosti spremenljivk in povratnimi dobami z uporabo funkcij kopula), pri efektivnejšem obratovanju hidroelektrarn (poznavanje zveze med pretoki in koncentracijami su- spendiranih snovi), zasnovi hidrološkega monitoringa (poznavanje zakonitosti in značilnosti flu- vialnega premeščanja suspendiranih snovi) in načrtovanju ukrepov za zmanjševanje erozijske ogroženosti (modeliranje erozije tal z uporabo modela WATEM/SEDEM). Na podlagi pridobljenih rezultatov in ugotovitev lahko zapišemo tudi nekaj predlogov za nadalj- nje delo: • postavitev merske opreme za opazovanje erozijskih procesov na nivoju pobočja; • uporaba modela WATEM/SEDEM in orodij PEST za prostorsko umerjanje in nadaljnje modeliranje erozije tal; • uporaba kopul na časovnih vrstah, ocenjevanje nemerjenih spremenljivk in poskus izgra- dnje hidrološkega modela padavine-odtok z uporabo funkcij kopula. 46 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 6 POVZETEK Razumevanje in poznavanje procesov, ki sestavljajo vodni oziroma hidrološki ter erozijsko- sedimentacijski krog, ki se medsebojno prepletata, je pomembno z vidika varstva pred naravnimi nesrečami, zagotavljanja ustreznih pogojev za življenje (npr. pitna voda) ter številnih drugih dejavnikov. V doktorski disertaciji so obravnavani naslednji procesi: fluvialno premeščanje suspendiranih snovi, površinski odtok vode, padavine ter erozijski procesi. Disertacija je struk- turirana v obliki monografije, vendar se vsebina disertacije prepleta z vsebino člankov, ki so k disertaciji dodani kot priloge (6 člankov objavljenih v revijah s faktorjem vpliva (IF), 2 članka objavljena v slovenskih revijah ter 1 članek, ki je oddan v revijo z IF). V uvodnem poglavju disertacije je podan opis problematike in predstavitev relevantnosti pro- blema, zapisane so postavljene 3 hipoteze, ki smo jih pri raziskovalnem delu preverjali, ter opisani so nekateri drugi cilji doktorske disertacije. V disertaciji so najprej opisani in predstavljeni hidrološki procesi (sproščanje, premeščanje, od- plavljanje zemljin ter povezanih hidroloških procesov), sledi opis merskih metod, ki so bile upo- rabljene za izvedbo meritev (meritve padavin, pretokov, fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi ter erozijskih procesov). Nadalje je podan opis obravnavanih porečij vključno z eksperimen- talnim porečjem, kjer so se meritve z visoko frekvenco vzorčenja izvajale v okviru doktorske diser- tacije (Kuzlovec, ki je del porečja Gradaščice), sledi opis uporabljenih statistično-matematičnih metod (metoda letnih maksimumov, metoda vrednosti nad izbranim pragom, metode za analizo sezonskosti ter trendov), ki so bile uporabljene za analizo podatkov, pri tem je poudarek na funkcijah kopula, ki omogočajo hkratno analizo dveh ali več v naravi bolj ali manj odvisnih spremenljivk. V zadnjem delu prvega dela disertacije pa so prikazane osnove modeliranja ero- zije tal s poudarkom na modelu WATEM/SEDEM. Poleg tega so prikazane nekatere v Sloveniji pogosto uporabljene metode za ovrednotenje erozije tal. V drugem delu disertacije (rezultati in razprava) so prikazani rezultati različnih terenskih meri- tev (npr. meritve fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi, padavin, pretokov, erozije tal), izvedena je analiza povezanosti fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidro- loškimi procesi (padavine in odtok), prikazani so rezultati modeliranja erozije tal ter uporabe funkcij kopul. V zadnjem delu disertacije so prikazani bistveni sklepi ter nekatere ideje za nadaljnje delo. Ugotovili smo, da imajo padavinski dogodki velikih intenzitet nadpovprečen vpliv na procese sproščanja, premeščanja in odlaganja erozijskega materiala. Količine premeščenega materiala so lahko pri teh dogodkih nekaj velikostnih razredov večje od dolgoletnega povprečja. V Sloveniji do nastopa konice fluvialno premeščenih suspendiranih snovi večinoma prihaja pred nastopom konice pretoka, pri tem pa so časovne razlike večinoma relativno majhne (do 1 dneva). Te ugo- tovitve se ujemajo z zapisi v svetovni literaturi, kjer so raziskovalci med drugim ugotovili, da so časovni zamiki odvisni od velikosti porečja, topografskih, geoloških ter številnih drugih lastnosti porečij. Nadalje se količine fluvialno premeščenih suspendiranih snovi v slovenskih vodotokih večinoma zmanjšujejo, kar je lahko posledica različnih vzrokov, kot sta zaraščanje površja zaradi opuščanja kmetijske obdelave (urbanizacija) ter zapiranje rudnikov. Z aplikacijo modela WA- TEM/SEDEM na 5 porečjih (Kuzlovec, Kobarid, Hotešk, Veliko Širje, Šentjakob brez HE Moste) v Sloveniji je bilo ugotovljeno, da se koeficient odplavljanja zmanjšuje z večanjem prispevnega območja. Model WATEM/SEDEM smo umerili glede na izmerjene podatke suspendiranih ter rinjenih snovi z uporabo PEST orodij. Funkcije kopula pa so bile uporabljene za multivariatne verjetnostne analize poplavnih dogodkov, kjer smo hkrati upoštevali konice pretokov, volumne visokovodnih valov ter trajanja visokovodnih valov, poleg tega pa smo funkcije kopula uporabili tudi za analizo podatkov o suspendiranih snoveh ter za ocenjevanje vrednosti fluvialno preme- Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 47 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje ščenih suspendiranih snovi na podlagi podatkov o pretokih in padavinah (definirali smo model s katerim lahko ocenimo vrednosti fluvialno premeščenih suspendiranih snovi). Daljša razprava o nekaterih rezultatih ter dodatni zaključki so na voljo v priloženih člankih. 48 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje 7 SUMMARY Understanding and knowledge about the processes that define water or hydrologic cycle and erosion-sedimentation cycle (these two cycles are inter-connected) is important in order to en- sure safety during natural disasters, to provide sufficient conditions for life (e.g. drinkable water) and also due to several others reasons. In the presented thesis we have dealt with next processes: fluvial transport of suspended sediments, surface runoff, rainfall and erosion processes. The the- sis structure is the same as in case of monograph but the thesis content interacts with content of papers that are attached to the thesis (6 papers that were published in SCI journals, 2 papers that were published in Slovenian journals and 1 paper that was submitted to the SCI journal). Introduction section includes description of problems connected with fluvial transport of suspen- ded sediments and some related problems, 3 hypothesis that were tested during the research work are introduced and in the end some other aims are also presented. Firstly, the investigated hydrological processes are described (erosion, transport and deposition of sediments and connected hydrological processes), then the measuring methods are presented (methods for measuring rainfall, discharge, fluvial transport of suspended sediment and erosion processes). Further, the investigated catchments including experimental catchment where high- frequency measurements were performed are described (Kuzlovec that is part of the Gradaščica River catchment), in the next section the statistical-mathematical tools that were used for data analysis are shown (annual maximum series method, peaks-over-threshold method and tools to analyse seasonality and trends in the time series). The emphasis was given to the copula functions that can be used for simultaneous study of two or more (in)dependent variables that define the environmental process. In the last section of the first part of thesis the basic concepts of soil erosion modelling are presented where the emphasis was given to the WATEM/SEDEM model that can be used for soil erosion modelling. Moreover, some other methods that were quite frequently used in Slovenia for soil erosion assessment are also presented. In the second part of the thesis (results and discussion), results of field measurements are pre- sented (e.g. measurements of fluvial transport of suspended sediments, rainfall, discharge and soil erosion), analysis of connection between fluvial transport of suspended sediments and other hydrological processes (rainfall and runoff) was carried out, soil erosion modelling results are described and application of copula functions is shown on practical examples. In the last section of the thesis the main conclusions are presented and some ideas for further research work are described. The main conclusions are: rainfall events that have large rainfall intensities have significant impact on erosion, transport and deposition process. During these kinds of events the suspended sediment budgets can be for a few orders of magnitude larger than the long-term annual rates. In Slovenia the peak of the suspended sediment transport mostly occurs before the peak discharge but the time differences are rather small (up to 1 day). These conclusions are in agreement with findings that were made by other researchers who also found that time differences depend on catchment area, topographic, geological properties and several other factors. Moreover, the trends in the transport of suspended sediments in Slovenian streams are mostly negative (all statistically significant trends are negative). Reasons for this can be in closing of mines in Slovenia or increasing the forested areas that are consequence of abandoning of farming due to urbanisation. Application of the WATEM/SEDEM model (5 cat- chments in Slovenia: Kuzlovec, Kobarid, Hotešk, Veliko Širje, Šentjakob brez HE Moste) showed that sediment delivery ratio decreases with increasing catchment area. WATEM/SEDEM model was calibrated using measured suspended sediment and bed load data with application of the PEST tools. Copula functions were used for multivariate flood frequency analysis where peak discharge, hydrograph volume and hydrograph duration were considered in the analysis. Moreo- Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 49 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje ver, copula functions were also used to analyse suspended sediment data and for the estimation of the suspended sediment values based on the measured discharge and rainfall values (model that can be used to estimate suspended sediment loads was defined). Extended discussion about some results and additional conclusions can be found in the attached papers. 50 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje VIRI Ackers, P., White, W. 1973. Sediment transport: new approach and analysis. Journal of Hydraulics Division 99, 11: 2040–2060. Alatorre, L. C., Begueria, S., Garcia-Ruiz, J. M. 2010. Regional scale modeling of hillslope sediment delivery: A case study in the Barasona Reservoir watershed (Spain) using WA- TEM/SEDEM. Journal of Hydrology 391, 1-2: 111–125. doi:10.1016/j.jhydrol.2010.07.010. ArhivPV 2015. Ljubljana. Agencija Repulike Slovenije za okolje. http://vode.arso.gov.si/ hidarhiv/pov_arhiv_tab.php. Bača, P. 2008. Hysteresis effect in suspended sediment concentration in the Rybárik basin, Slovakia. Hydrological Sciences Journal 53, 1: 224–235. doi:10.1623/hysj.53.1.224. Babić-Mladenović, M., Bekić, D., Grošelj, S., Kupusović, T., Mikoš, M., Oskoruš, D., Damjano- vić, V., Ninković, D., Milačič, R., Petković, S. 2013. Towards Practical Guidance for Sustainable Sediment Management using the Sava River Basin as a Showcase (Estimation of Sediment Ba- lance for the Sava River). Zagreb, International Sava River Basin Commission: 87 str. Bardossy, A., Pegram, G. 2013. Interpolation of precipitation under topographic influence at different time scales. Water Resources Research 49, 1: 4545–4565. doi:10.1002/wrcr.20307. Bezak, N., Brilly, M., Mikoš, M., Šraj, M. 2014a. Uporaba kopul v hidrologiji. Raziskave s področja geodezije in geofizike-2014: zbornik predavanj 20, 1: 7–22. Bezak, N., Grigillo, D., Rusjan, S., Šraj, M., Kozmus Trajkovski, K., Petrovič, D., Mikoš, M. 2015a. Sediment budget estimation in a small torrential catchment using DEM of difference approach. European Geosciences Union, General Assembly 2015, Dunaj, Austria, 12 -17 april 2015: 1 str. Bezak, N., Horvat, A., Šraj, M. 2015b. Analysis of flood events in Slovenian streams. Journal of Hydrology and Hydromechanics 63, 2: 134–344. doi:10.1515/johh-2015-0014. Bezak, N., Mikoš, M., Šraj, M. 2014b. Trivariate Frequency Analyses of Peak Discharge, Hydro- graph Volume and Suspended Sediment Concentration Data Using Copulas. Water Resources Management 28, 8: 2195–2212. doi:10.1007/s11269-014-0606-2. Bezak, N., Šraj, M., Mikoš, M. 2013a. Pregled meritev vsebnosti suspendiranega materiala v Sloveniji in primer analize podatkov. Gradbeni vestnik 62, 12: 274–280. Bezak, N., Šraj, M., Mikoš, M. 2015c. Analyses of suspended sediment loads in Slovenian rivers. Hydrological Sciences Journal doi:10.1080/02626667.2015.1006230. Bezak, N., Šraj, M., Rusjan, S., Kogoj, M., Vidmar, A., Sečnik, M., Brilly, M., Mikoš, M. 2013b. Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben. Acta hydrotehnica 26, 45: 85–97. Bezak, N., Rusjan, S., Petan, S., Sodnik, J., Mikoš, M. 2015d. Estimation of soil loss by the WATEM/SEDEM model using an automatic parameter estimation procedure. Environmental Earth Sciences doi:10.1007/s12665-015-4534-0. Bilotta, G. S., Brazier, R. E. 2008. Understanding the influence of suspended solids on water quality and aquatic biota. Water Research 42, 12: 2849–2861. doi:10.1016/j.watres.2008.03.018. Blasone, G., Cavalli, M., Marchi, L., Cazorzi, F. 2014. Monitoring sediment source areas in a debris-flow catchment using terrestrial laser scanning. Catena 123, 1: 23–36. doi:10.1016/j. catena.2014.07.001. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 51 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Bogen, J., Bønsnes, T. E. 2001. The impact of a hydroelectric power plant on the sediment load in downstream water bodies, Svartisen, northern Norway. Science of the Total Environment 266, 1-3: 273–280. doi:10.1016/S0048-9697(01)00650-7. Box, G., Pierce, D. 1970. Distribution of residual autocorrelations in autoregressive-integrated moving average time series models. Journal of the American Statistical Association 65, 1: 1509– 1526. doi:10.1080/01621459.1970.10481180. Brilly, M., Globevnik, L., Štravs, L., Rusjan, S. 2005. Eksperimentalna porečja v Sloveniji. Raziskave s področja geodezije in geofizike-2005: zbornik predavanj 11, 1: 47–59. Brilly, M., Šraj, M. 2005. Osnove hidrologije. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo: 309 str. Brocca, L., Melone, F., Moramarco, T., Penna, D., Borga, M., Matgen, P., Heitz, S. 2011. Inve- stigation of the hydrologic response of three experimental basins across Europe. Die Bodenkultur 62, 1-4: 31–37. Burn, D. H. 1997. Catchment similarity for regional flood frequency analysis using seasonality measures. Journal of Hydrology 202, 1-4: 212–230. doi:10.1016/s0022-1694(97)00068-1. Carrivick, J., Geilhausen, M., Warburton, J., Dickson, N., Carver, S., Evans, A., Brown, L. 2013. Contemporary geomorphological activity throughout the proglacial area of an alpine catchment. Geomorphology 188, 1: 83–95. doi:10.1016/j.geomorph.2012.03.029. Cvetko, P. 2013. Meritve pretokov vodotoka z dvema različnima instrumentoma. Diplomska naloga. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba P. Cvetko): 62 str. De Sutter, R., Verhoeven, R., Krein, A. 2001. Simulation of sediment transport during flood events: laboratory work and field experiments. Hydrological Sciences Journal 46, 4: 599–610. doi:10.1080/02626660109492853. Doherty, J., Johnston, J. M. 2003. Methodologies for calibration and predictive analysis of a watershed model. Journal of the American Water Resources Association 39, 2: 251–265. doi:10.1111/j.1752-1688.2003.tb04381.x. Dolinar, B. 2014. Suspendirani sedimenti v reki Dravi. Gradbeni vestnik 63, 4: 94–100. Douglas, E. M., Vogel, R. M., Kroll, C. N. 2000. Trends in floods and low flows in the United States: impact of spatial correlation. Journal of Hydrology 240, 1-2: 90–105. doi:10.1016/ s0022-1694(00)00336-x. Eder, A., Exner-Kittridge, M., Strauss, P., Blöschl, G. 2014. Re-suspension of bed sediment in a small stream – results from two flushing experiments. Hydrology and Earth System Sciences 18, 1: 1043–1052. doi:10.5194/hess-18-1043-2014. Evropski parlament in Svet EU 2000. Direktiva 2000/60/ES. Bruselj, Evropski parlament: 71 str. Ferro, V., Minacapilli, M. 1995. Sediment delivery processes at basin scale. Hydrological Sciences Journal-Journal Des Sciences Hydrologiques 40, 6: 703–717. doi:10.1080/02626669509491460. Gavrilovič, S. 1970. Savremeni načini proračunavanja bujičnih nanosa i izrada karata erozije. Posvet Erozija, bujični tokovi i rečni nanos. Beograd, Yugoslavia, Institut Jaroslav Černi: 85-100. GEATEH 2010. Študijsko-raziskovalna naloga: Plavine v zajezitvah verige hidroelekrarn na reki Savi. Ljubljana, HSE: 236 str. 52 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Geiger, R., Aron, R. H., Todhunter, P. 1995. The Climate near the Ground. Braun- schweig/Wiesbaden, Friedr. Vieweg Sohn Verschlagsgesellschaft mbH: 528 str. Genest, C., Favre, A. C. 2007. Everything you always wanted to know about copula modeling but were afraid to ask. Journal of Hydrologic Engineering 12, 4: 347–368. doi:10.1061/(asce) 1084-0699(2007)12:4(347). Genest, C., Remillard, B., Beaudoin, D. 2009. Goodness-of-fit tests for copulas: A review and a power study. Insurance Mathematics Economics 44, 2: 199–213. doi:10.1016/j.insmatheco. 2007.10.005. Gibson, S., Brunner, G., Piper, S., Jensen, M. 2006. Sediment transport computations with HEC-RAS. PROCEEDINGS of the Eighth Federal Interagency Sedimentation Conference (8thFISC). Reno, NV, USA, JFIC: 57-64. Graler, B., van den Berg, M. J., Vandenberghe, S., Petroselli, A., Grimaldi, S., De Baets, B., Verhoest, N. E. C. 2013. Multivariate return periods in hydrology: a critical and practical review focusing on synthetic design hydrograph estimation. Hydrology and Earth System Sciences 17, 4: 1281–1296. doi:10.5194/hess-17-1281-2013. Grant, R., Laubel, A., Kronvang, B., Andersen, H., Svendsen, L., Fuglsang, A. 1996. Loss of dissolved and particulate phosphorus from arable catchments by subsurface drainage. Water Research 30, 11: 2633–2642. doi:10.1016/S0043-1354(96)00164-9. Grigillo, D., Rusjan, S., Vrečko, A., Džebo, E., Kozmus, K., Urbančič, T., Petrovič, D., Mikoš, M. 2014. Digitalni model reliefa struge hudournika Kuzlovec in matematično modeliranje toka vode. Digitalni prostor (GIS v Sloveniji). Ljubljana, Slovenija, ZRC: 35-42. Grigillo, D., Vrečko, A., Mikoš, M., Gvozdanovič, T., Anžur, A., Vezočnik, R., Petrovič, D. 2015. Determination of large wood accumulation in a steep forested torrent using laser scanning. Engineering Geology for Society and Territory - Volume 3, Springer: 127-130. Grimaldi, S., Serinaldi, F. 2006. Asymmetric copula in multivariate flood frequency analysis. Advances in Water Resources 29, 8: 1155–1167. doi:10.1016/j.advwatres.2005.09.005. Grubbs, F. E. 1950. Sample criteria for testing outlying observations. Annals of Mathematical Statistics 21, 1: 27–58. doi:10.1214/aoms/1177729885. Harrington, S. T., Harrington, J. R. 2013. An assessment of the suspended sediment rating curve approach for load estimation on the Rivers Bandon and Owenabue, Ireland. Geomorphology 185, 1: 27–38. doi:10.1016/j.geomorph.2012.12.002. Hewlett, J. 1961. Soil moisture as a source of baseflow from steep mountain watersheds. USDA, Forest Service 132, 1: 1–11. Horton, R. 1933. The role of infiltration in the hydrologic cycle. Transactions of American Geophysical Union 14, 1: 446–460. Joe, H. 1997. Multivariate models and dependence concepts. London; New York, Chapman Hall: 480 str. Kendall, M. 1975. Multivariate analysis. London, Griffin: 210 str. Knighton, D. 1998. Fluvial Forms and Processes. A New Perspective London, Arnold: 383 str. Kotar, A. 2013. Vpliv podnebnih sprememb na visoke pretoke Vipave. Diplomska naloga. Lju- bljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba A. Kotar): 75 str. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 53 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Kryžanowski, A., Mikoš, M., Šušteršič, J., Ukrainczyk, V., Planinc, I. 2012. Testing of Concrete Abrasion Resistance in Hydraulic Structures on the Lower Sava River. Journal of Mechanical Engineering 58, 4: 245–254. doi:10.5545/sv-jme.2010.217. Lenzi, M. A., D’Agostino, V., Billi, P. 1999. Bedload transport in the instrumented catchment of the Rio Cordon: Part I: Analysis of bedload records, conditions and threshold of bedload entrainment. Catena 36, 3: 171–190. doi:10.1016/S0341-8162(99)00016-8. Lenzi, M. A., Mao, L., Comiti, F. 2003. Interannual variation of suspended sediment load and sediment yield in an alpine catchment. Hydrological Sciences Journal-Journal Des Sciences Hydrologiques 48, 6: 899–915. doi:10.1623/hysj.48.6.899.51425. Lenzi, M. A., Mao, L., Comiti, F. 2006. When does bedload transport begin in steep boulder-bed streams? Hydrological Processes 20, 16: 3517–3533. doi:10.1002/hyp.6168. Lenzi, M. A., Marchi, L. 2000. Suspended sediment load during floods in a small stream of the Dolomites (northeastern Italy). Catena 39, 4: 267–282. doi:10.1016/s0341-8162(00)00079-5. Lu, H., Moran, C. J., Prosser, I. P. 2006. Modelling sediment delivery ratio over the Murray Darling Basin. Environmental Modelling Software 21, 9: 1297–1308. doi:10.1016/j.envsoft.2005. 04.021. Malvar, M. C., Prats, S. A., Nunes, J., Keizer, J. 2011. Post-fire overland flow generation and inter-rill erosion under simulated rainfall in two eucalypt stands in north-central Portugal. Environmental Research 111, 2: 222–236. doi:10.1016/j.envres.2010.09.003. Mao, L., Lenzi, M. A. 2007. Sediment mobility and bedload transport conditions in an alpine stream. Hydrological Processes 21, 14: 1882–1891. doi:10.1002/hyp.6372. Merritt, W. S., Letcher, R. A., Jakeman, A. J. 2003. A review of erosion and sediment transport models. Environmental Modelling Software 18, 8-9: 761–799. doi:10.1016/s1364-8152(03) 00078-1. Meyer-Peter, B., Müller, T. 1948. Formulas for bed load transport. Report on Second Meeting of International Association for Hydraulics Research. Stockholm, IAHR: 39-64. MIKE 2015. DHI. Products-Sediments, http://www.mikepoweredbydhi.com/products/ mike-21/sediments. Mikoš, M. 1994. Fluvialna abrazija v prodonosnih vodotokih. 1. del, Terensko raziskovanje procesov in njihov matematični opis. Gradbeni vestnik 43, 3-5: 68–76. Mikoš, M. 2000. Prodna bilanca reke Save od Jesenic do Mokric. Gradbeni vestnik 49, 9: 208–219. Mikoš, M. 2012a. Kalnost v rekah kot del erozijsko-sedimentacijskega kroga. Gradbeni vestnik 61, 6: 129–142. Mikoš, M. 2012b. Metode terenskih meritev suspendiranih sedimentov v rekah. Gradbeni vestnik 61, 7: 151–158. Mikoš, M. 2012c. Predlog obratovalnega hidrološkega monitoringa kalnosti na spodnji Savi. Gradbeni vestnik 61, 8: 170–176. Mikoš, M., Fazarinc, R., Ribičič, M. 2006. Sediment production and delivery from recent large landslides and earthquake-induced rock falls in the Upper Soca River Valley, Slovenia. Engine- ering Geology 86, 2-3: 198–210. doi:10.1016/j.enggeo.2006.02.015. 54 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Mikoš, M., Zupanc, V. 2000. Erozija tal na kmetijskih površinah. Sodobno kmetijstvo 33, 1: 419–423. Nelsen, R. 2006. An introduction to copulas. Dordrecht, Springer: 272 str. Newcombe, C., Macdonald, D. 1991. Effects of Suspended Sediments on Aquatic Ecosystems. North American Journal of Fisheries Management 11, 1: 72–82. doi:10.1577/1548-8675(1991) 011<0072:EOSSOA>2.3.CO;2. Norton, K., von Blanckenburg, F., DiBiase, R., Schlunegger, F., Kubik, P. 2011. Cosmoge- nic 10Be-derived denudation rates of the Eastern and Southern European Alps. International Journal of Earth Sciences 100, 5: 1163–1179. doi:10.1007/s00531-010-0626-y. Overeem, A., Leijnse, H., Uijlenhoet, R. 2011. Measuring urban rainfall using microwave links from commercial cellular communication networks. Water Resources Research 47, 1: 1–16. doi:10.1029/2010WR010350. Ovington, J. 1954. A comparison of rainfall in different woodlands. Forestry London 27:, 41-53. Panagos, P., Meusburger, K., van Liedekerke, M., Alewell, C., Hiederer, R., Montarella, L. 2014. Assessing soil erosion in Europe based on data collected through a European network. Soil Science and Plant Nutrition 60, 1: 15–29. doi:10.1080/00380768.2013.835701. Petan, S. 2010. Meritve in prostorsko modeliranje erozivnosti padavin kot parametra erozije tal. Doktorska disertacija. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba S. Petan): 205 str. Petan, S. 2014. 24 urna vsota padavin ob 7:00 dne 5.8.2014 izmerjena z meteorološkim radarjem (ARSO). Agencija RS za okolje, Osebna komunikacija. Petkovšek, G. 2000. Procesno utemeljeno modeliranje erozije tal. Acta hydrotehnica 18, 28: 41–60. Petkovšek, G. 2002. Kvantifikacija in modeliranje erozije tal z aplikacijo na povodju Dragonje. Doktorska disertacija. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba G. Petkovšek): 205 str. Pintar, J., Mikoš, M. 1983. Izdelava smernic in normativov z globalno usmeritvijo urejanja po ekosistemih, pojavnostih in ekološki primernosti ter načinov gospodarjenja s povirji voda. Poročilo VGI. Ljubljana, VGI: 133 str. PovratneDP 2013. Ljubljana. Agencija RS za okolje (ARSO), Sektor za analize in prognoze površinskih voda, Urad za hidrologijo in stanje okolja: 33 str. Prats, S. A., Malvar, M. C., Vieira, D. C. S., MacDonald, L., Keizer, J. 2013. Effectiveness of hydromulching to reduce runoff and erosion in a recently burnt pine plantation in central Portugal. Land Degradation Development doi:10.1002/ldr.2236. Rajar, R., Četina, M., Horvat, M., Žagar, D. 2007. Mass balance of mercury in the Mediterranean Sea. Marine Chemistry 107, 1: 89–102. doi:10.1016/j.marchem.2006.10.001. Rakovec, J., Vrhovec, T. 2000. Osnove meteorologije za naravoslovce in tehnike. Ljubljana, Društvo matematikov, fizikov in astronomov Slovenije: 329 str. Renard, K., Foster, G., Weesies, G., McCool, D., Yoder, D. 1997. Predicting soil erosion by water : a guide to conservation planning with the revised universal soil loss equation (RUSLE). Washington, D.C.; USA, U.S. Dept. of Agriculture, Agricultural Research Service: 404 str. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 55 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Rickenmann, D. 1991. Hyperconcentrated flow and sediment transport at steep slopes. Journal of Hydraulic Engineering 117, 11: 1419–1439. doi:10.1061/(ASCE)0733-9429(1991)117:11(1419). Robichaued, P., Brown, R. 2002. Silt Fences: An Economical Technique for Measuring Hillslope Soil Erosion. http://www.fs.fed.us/rm/pubs/rmrs_gtr094.pdf, Fort Collins, USA, U.S. Deparment of Agriculture, Forest Service, Technical Report RMRS-GTR-94, 24 p. Rodriguez-Blanco, M. L., Taboada-Castro, M. M., Palleiro, L., Taboada-Castro, M. T. 2010. Temporal changes in suspended sediment transport in an Atlantic catchment, NW Spain. Geo- morphology 123, 1-2: 181–188. doi:10.1016/j.geomorph.2010.07.015. Ruark, M., Niemann, J., Greimann, B., Arabi, M. 2011. Method for Assessing Impacts of Parameter Uncertainty in Sediment Transport Modeling Applications. Journal of Hydraulic Engineering, ASCE 137, 6: 623–636. doi:10.1061/(ASCE)HY.1943-7900.0000343. Rusjan, S. 2008. Hidrološke kontrole sproščanja hranil v porečjih. Doktorska disertacija. Lju- bljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba S. Rusjan): 206 str. Rusjan, S., Mikoš, M. 2006. Dinamika premeščanja lebdečih plavin v porečjih. Acta hydrotehnica 24, 40: 1–20. Sahin, S., Cigizoglu, H. K. 2010. Homogeneity analysis of Turkish meteorological data set. Hydrological Processes 24, 8: 981–992. doi:10.1002/hyp.7534. Salvadori, G., De Michele, C. 2004. Analytical calculation of storm volume statistics involving Pareto-like intensity-duration marginals. Geophysical Research Letters 31, 4: 1–4. doi:10.1029/ 2003gl018767. Salvadori, G., De Michele, C., Kottegoda, N. T., Rosso, R. 2007. Extremes in nature an approach using Copulas. Dordrecht, Springer: 292 str. Savenije, H. H. G. 2010. Topography driven conceptual modelling (FLEX-Topo). Hydrology and Earth System Sciences 14, 12: 2681–2692. doi:10.5194/hess-14-2681-2010. SedAlp 2015. SedAlp project. http://www.sedalp.eu/index.shtml, Alpine Space. Seibert, J., Beven, K. 2009. Gauging the ungauged basin: how many discharge measurements are needed? Hydrology and Earth System Sciences 13, 6: 883–892. doi:10.5194/hess-13-883-2009. Seibert, J., Vis, M. 2012. Teaching hydrological modeling with a user-friendly catchment-runoff- model software package. Hydrology and Earth System Sciences 16, 9: 3315–3325. doi:10.5194/ hess-16-3315-2012. Shi, Z. H., Ai, L., Fang, N. F., Zhu, H. D. 2012. Modeling the impacts of integrated small watershed management on soil erosion and sediment delivery: A case study in the Three Gorges Area, China. Journal of Hydrology 438, 1: 156–167. doi:10.1016/j.jhydrol.2012.03.016. Skaberne, D. 2000. Predlog slovenskega izrazoslovja pobočnih premikanj pobočnega transporta. Geologija 44, 1: 89–100. doi:10.5474/geologija.2001.006. Smart, G., Jäggi, M. 1983. Sedimenttransport in steilen Gerinnen. Report 64. Zurich, ETH Zurich, der Versuchsanstalt für Wasserbau, Hydrologie und Glaziologie: 191 str. Soler, M., Latron, J., Gallart, F. 2008. Relationships between suspended sediment concentrations and discharge in two small research basins in a mountainous Mediterranean area (Vallcebre, Eastern Pyrenees). Geomorphology 98, 1-2: 143–152. doi:10.1016/j.geomorph.2007.02.032. 56 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Šraj, M. 2003. Modeliranje in merjenje prestreženih padavin. Doktorska disertacija. Ljubljana, Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo (samozaložba M. Šraj): 236 str. Šraj, M., Bezak, N., Brilly, M. 2012. Vpliv izbire metode na rezultate verjetnostnih analiz konic, volumnov in trajanj visokovodnih valov Save v Litiji. Acta hydrotehnica 25, 42: 41–58. Šraj, M., Bezak, N., Brilly, M. 2013. Primerjava med klasičnimi univariatnimi verjetnostnimi analizami in bivariatnimi z uporabo funkcije kopula. Acta hydrotehnica 26, 44: 37–48. Šraj, M., Bezak, N., Brilly, M. 2015. Bivariate flood frequency analysis using the copula function: a case study of the Litija station on the Sava River. Hydrological Processes 29, 2: 225–238. doi: 10.1002/hyp.10145. Šraj, M., Brilly, M., Mikoš, M. 2008a. Rainfall interception by two deciduous Mediterranean forests of contrasting stature in Slovenia. Agricultural and forest meteorology 148, 1: 121–134. doi:10.1016/j.agrformet.2007.09.007. Šraj, M., Rusjan, S., Petan, S., Vidmar, A., Mikoš, M., Globevnik, L., Brilly, M. 2008b. The experimental watersheds in Slovenia. IOP Conference Series 4, 1: 1–13. doi:10.1088/1755-1307/ 4/1/012051. Tena, A., Batalla, R. J., Vericat, D., Lopez-Tarazon, J. A. 2011. Suspended sediment dyna- mics in a large regulated river over a 10-year period (the lower Ebro, NE Iberian Peninsula). Geomorphology 125, 1: 73–84. doi:10.1016/j.geomorph.2010.07.029. Tramblay, Y., Saint-Hilaire, A., Ouarda, T. B. M. J., Moatar, F., Hecht, B. 2010. Estimation of local extreme suspended sediment concentrations in California Rivers. Science of the Total Environment 408, 19: 4221–4229. doi:10.1016/j.scitotenv.2010.05.001. Turnipseed, D., Sauer, V. 2010. Discharge measurements at gaging stations: U.S. Geological Survey Techniques and Methods. http://pubs.usgs.gov/tm/tm3-a8/, Reston, Virginia, USA, book 3, chap. A8, 87 p. Ulaga, F. 2005. Monitoring suspendiranega materiala v slovenskih rekah. Acta hydrotehnica 23, 39: 117–127. Ulaga, F. 2006. Transport suspendiranega materiala v slovenskih rekah. Ujma 20, 1: 144–150. USDI 2015. SRH-1D. http://www.usbr.gov/pmts/sediment/model/srh1d/index.html, U.S. Department of the Inerior, Bureau of Reclamation. USGS 2015. United States Geological Survey-data. http://nwis.waterdata.usgs.gov/usa/ nwis/qwdata. Van Rompaey, A. J. J., Govers, G., Puttemans, C. 2002. Modelling land use changes and their impact on soil erosion and sediment supply to rivers. Earth Surface Processes and Landforms 27, 5: 481–494. doi:10.1002/esp.335. Vandenberghe, S., Verhoest, N. E. C., Onof, C., De Baets, B. 2011. A comparative copula-based bivariate frequency analysis of observed and simulated storm events: A case study on Bartlett- Lewis modeled rainfall. Water Resources Research 47, 1: 1–16. doi:10.1029/2009wr008388. de Vente, J., Poesen, J., Verstraeten, G., Van Rompaey, A., Govers, G. 2008. Spatially dis- tributed modelling of soil erosion and sediment yield at regional scales in Spain. Global and Planetary Change 60, 3-4: 393–415. doi:10.1016/j.gloplacha.2007.05.002. Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi 57 Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Verstraeten, G., Prosser, I. P. 2008. Modelling the impact of land-use change and farm dam construction on hillslope sediment delivery to rivers at the regional scale. Geomorphology 98, 3-4: 199–212. doi:10.1016/j.geomorph.2006.12.026. Walling, D. E. 1983. The sediment delivery problem. Journal of Hydrology 65, 1-3: 209–237. doi:10.1016/0022-1694(83)90217-2. Walling, D. E., Fang, D. 2003. Recent trends in the suspended sediment loads of the world’s rivers. Global and Planetary Change 39, 1-2: 111–126. doi:10.1016/s091-8181(03)00020-1. Warmerdam, P., Stricker, H. 2010. Fundamental hydrological research results drawn from studies in small catchment. IAHS Publications 336, 1: 47–53. Wheaton, J., Brasington, J., Darby, S., Sear, D. 2010. Accounting for uncertainty in DEMs from repeat topographic surveys: improved sediment budgets. Earth Surface Processes and Landforms 35, 2: 136–156. doi:10.1002/esp.1886. WMO 2008. World Meteorological Organization guide to meteorological instruments and methods of observation. https://www.wmo.int/pages/prog/gcos/documents/gruanmanuals/ CIMO/CIMO_Guide-7th_Edition-2008.pdf, Geneva, Switzerland, part I, No. 8. Wren, D. G., Barkdoll, B. D., Kuhnle, R. A., Derrow, R. W. 2000. Field techniques for suspended-sediment measurement. Journal of Hydraulic Engineering 126, 2: 97–104. doi: 10.1061/(asce)0733-9429(2000)126:2(97). Yerima, B., van Ranst, E. 2005. Introduction to Soil Science: Soils of the Tropics. Oxford, Trafford Publishing: 440 str. Zeng, W., Beck, M. 2003. STAND, a dynamic model for sediment transport and water quality. Journal of Hydrology 277, 1-2: 125–133. doi:10.1016/S0022-1694(03)00073-8. Zorn, M. 2009. Erosion processes in Slovene Istria - part 1: Soil erosion. Acta Geographica Slovenica-Geografski Zbornik 49, 1: 39–68. doi:10.3986/ags49102. Zorn, M., Komac, B. 2005. Erozija prsti na kmetijskih zemljiščih v Sloveniji. Ujma 19, 1: 233–238. 58 Bezak, N. 2016. Povezanost fluvialnega premeščanja suspendiranih snovi z drugimi hidrološkimi procesi Doktorska disertacija. Ljubljana, UL FGG, Doktorski študij Grajeno okolje Ta stran je namenoma prazna Priloga A Priloga A: Članek 1 Comparison between the peaks-over-threshold method and the annual maximum method for flood frequency analysis Bezak, N., Brilly, M., Šraj, M. (2014) Hydrological Sciences Journal, 59(5): 959-977 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1080/02626667.2013.831174 Priloga B Priloga B: Članek 2 Trivariate Frequency Analyses of Peak Discharge, Hydrograph Volume and Suspended Se- diment Concentration Data Using Copulas Bezak, N., Mikoš, M., Šraj, M. (2014) Water Resources Management, 28(8): 2195-2212 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1007/s11269-014-0606-2 Priloga C Priloga C: Članek 3 Flood frequency analyses, statistical trends and seasonality analyses of discharge data: a case study of the Litija station on the Sava River Bezak, N., Brilly, M., Šraj, M. (2016) Journal of Flood Risk Management, 1-15 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1111/jfr3.12118 Priloga D Priloga D: Članek 4 Analyses of suspended sediment loads in Slovenian rivers Bezak, N., Šraj, M., Mikoš, M. (2016) Hydrological Sciences Journal, 1-15 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1080/02626667.2015.1006230 Priloga E Priloga E: Članek 5 Bivariate flood frequency analysis using the copula function: a case study of the Litija station on the Sava River Šraj, M., Bezak, N., Brilly, M. (2015) Hydrological Processes, 29(2): 225-238 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1002/hyp.10145 Priloga F Priloga F: Članek 6 Estimation of soil loss by the WATEM/SEDEM model using an automatic parameter estimation procedure Bezak, N., Rusjan, S., Petan, S., Sodnik, J., Mikoš, M. (2015) Environmental Earth Sciences, 74(6): 5245.5261 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://dx.doi.org/10.1007/s12665-015-4534-0 Priloga G Priloga G: Članek 7 Pregled meritev vsebnosti suspendiranega materiala v Sloveniji in primer analize podatkov Bezak, N., Šraj, M., Mikoš, M. (2013) Gradbeni vestnik, 62(12): 274-280 Članek je v izvirniku k doktorski disertaciji priložen zgolj v tiskani različici. V elektronski različici disertacije članek ni viden, zaradi spoštovanja določil z založnikom in je dostopen na spletnem naslovu: http://www.zveza-dgits.si/pregled-meritev-vsebnosti-suspendiranega-materiala-v-sloveniji- in-primer-analize-podatkov UDK: 519.2:556.3(497.4) Priloga H Priloga H: Članek 8 Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben Bezak, N., Šraj, M., Rusjan, S., Kogoj, M., Vidmar, A., Sečnik, M., Brilly, M., Mikoš, M. (2013) Acta hydrotechnica, 26(45): 85-97 UDK: 556.51:627.152.3(497.4) Acta hydrotechnica 26/45 (2013), Ljubljana Open Access Journal ISSN 1581-0267 Odprtodostopna revija UDK/ UDC: 556.51:627.152.3(497.4) Prejeto/ Received: 22. 09. 2014 Kratki znanstveni prispevek– Short scientific paper Sprejeto/ Accepted: 08. 01. 2015 PRIMERJAVA DVEH SOSEDNJIH EKSPERIMENTALNIH HUDOURNIŠKIH POREČIJ: KUZLOVEC IN MAČKOV GRABEN COMPARISON BETWEEN TWO ADJACENT EXPERIMENTAL TORRENTIAL WATERSHEDS: KUZLOVEC AND MAČKOV GRABEN Nejc Bezak1, ∗, Mojca Šraj1, Simon Rusjan1, Mojca Kogoj1, Andrej Vidmar1, Matej Sečnik1, Mitja Brilly1, Matjaž Mikoš1 1 Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Univerza v Ljubljani, Jamova cesta 2, 1000 Ljubljana Izvleček Eksperimentalna porečja, ki so pogosta tudi v svetovnem merilu, so pomemben dejavnik pri razvoju hidrologije, saj nam omogočajo opazovanje in proučevanje različnih procesov, kot so padavine, površinski odtok, premeščanje sedimentov, procesi erozije, itd. V prispevku so predstavljeni nekateri merski instrumenti, s katerimi smo opremili dve sosednji eksperimentalni porečji (Mačkov graben ter Kuzlovec) ter njuno okolico. Obe porečji sta del porečja reke Gradaščice, ki se izliva v Ljubljanico, slednja pa je del porečja reke Save. V članku so prikazani nekateri preliminarni rezultati analiz izmerjenih podatkov s poudarkom na suspendiranih snoveh. Ugotovili smo, da do nastopa maksimalne vrednosti koncentracij suspendiranih snovi v povprečju pride pred nastopom konice pretoka, kar je pogosto značilnost manjših porečij, kjer so potencialni viri sedimentov locirani blizu struge oz. v strugi sami. Poleg tega je očitno, da imajo izraziti padavinski dogodki velik vpliv na premeščanje suspendiranih snovi. Meritve s časovnim korakom krajšim od ½ ure se bodo na obeh eksperimentalnih porečjih nadaljevale, s čimer bomo pridobili kvalitetne podatke, s katerimi bomo lahko nadgradili znanje o hidroloških procesih. Ključne besede: eksperimentalna porečja, hudourniška območja, padavine, pretoki, suspendirane snovi, merski instrumenti. Abstract Experimental watersheds, which are frequent around the world, are important for improving our hydrological knowledge. Different hydrological processes such as precipitation, surface runoff, suspended sediment transport, erosion processes, are usually observed in the experimental watersheds. This paper presents some measuring equipment used in two experimental watersheds, namely Kuzlovec and Mačkov graben. Both catchments are part of the Gradaščica river basin, which drains into the Ljubljanica river that is part of the Sava river basin. Some preliminary analysis results are also presented. One of the main conclusions was that the suspended sediment concentration peak occurs on average before the peak discharge, which is often the case for small watersheds. Here sediment sources are located near the channels or in the channel itself. Furthermore, significant precipitation events have a large influence on the suspended sediment ∗ Stik / Correspondence: nejc.bezak@fgg.uni-lj.si © Bezak N. et al.; Vsebina tega članka se sme uporabljati v skladu s pogoji licence Creative Commons Priznanje avtorstva – Nekomercialno – Deljenje pod enakimi pogoji 4.0. © Bezak N. et al.; This is an open-access article distributed under the terms of the Creative Commons Attribution – Non Commercial – Share Alike 4.0 Licence. 85 Bezak N et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana concentrations. Measurements with precise time step on both experimental watersheds will continue in the future. Measured data will be used as a basis for upgrading the knowledge about hydrological processes. Keywords: experimental watersheds, torrent, precipitation, discharge, suspended sediments, measuring equipment. 1. Uvod neposredno določa odtok s porečja. Rusjan (2008) je analiziral časovno dinamiko sproščanja hranil z Eksperimentalna porečja ( ang. experimental river gozdnatega prispevnega območja, kjer so bile basins), poimenovana tudi eksperimentalna terenske meritve izvedene v območju potoka povodja ( amer. ang. experimental watersheds; brit. ang. Padež. Petan (2010) se je ukvarjal z meritvami in experimental catchments) so temelj za razvoj modeliranjem intenzitete padavin, določil pa je hidrologije kot znanstvene vede s področja tudi karto erozivnosti padavin za Slovenijo. geofizikalnih ved in pridobitev novih spoznanj o procesih, ki so (ne)posredno povezani z vodo in Podobna eksperimentalna porečja so pogosta tudi v kroženjem vode na Zemlji (vodnim krogom). Na drugih državah (npr. Lenzi et al., 1999; Brocca et eksperimentalnem porečju uporabljamo zanesljivo al., 2011; Coenders-Gerrits et al., 2013), kar in robustno mersko opremo, ki omogoča zajem pomeni, da je predstavljena tematika podatkov v različnih časovnih korakih in s katero eksperimentalnih porečij aktualna. Seveda so lahko opazujemo npr. padavine, procese terenske meritve predpogoj za nadgradnjo znanja o generiranja površinskega odtoka, kakovost vode, hidroloških procesih. V Evropi so se sicer prva erozijske pojave, dinamiko podzemne vode, torej eksperimentalna porečja pojavila že v začetku 20. dinamiko naravnih procesov, lahko pa tudi vpliv stoletja (Warmerdam in Stricker, 2010). človekovih posegov v naravno okolje, npr. v V nadaljevanju prispevka bosta najprej gozdove (Mikoš, 1994). predstavljeni dve eksperimentalni hudourniški Porečje reke Reke je bilo prvo izmed večjih porečji, ki sta del vodnega telesa reke Gradaščice eksperimentalnih porečij na območju Slovenije, (Kuzlovec in Mačkov graben). Opisana bo kjer so se meritve začele pred več kot 15 leti uporabljena merska oprema ter rezultati (Brilly et al., 2000; 2002; 2005; Šraj et al., 2008b). preliminarnih analiz pridobljenih (izmerjenih) Kasneje je sta bili vzpostavljeni še eksperimentalni hidroloških podatkov. porečji Dragonje (Globevnik, 2001; Petkovšek, 2002; Petkovšek et al., 2003; Petkovšek in Mikoš, 2. Predstavitev eksperimentalnih porečij 2003; Šraj et al., 2008a; Petan, 2010) ter Mačkov graben in Kuzlovec Gradaščice z Glinščico (Brilly et al., 2005; Rusjan et al., 2003). Brilly et al. (2005) je predstavil vsa tri Izbrani eksperimentalni porečji Mačkov graben in eksperimentalna porečja in mersko opremo, ki je Kuzlovec sta del porečja reke Gradaščice (sliki 1 in bila uporabljena. Z uporabo pridobljenih podatkov 2). Oba hudourniška potoka se iztekata v Veliko na eksperimentalnih porečjih so bile podrobno Božno (Božno), ki se pri Polhovem Gradcu združi obdelane številne tematike, kot so npr. erozijski z Malo vodo. Od sotočja naprej se reka imenuje procesi (Petkovšek, 2002), prestrežene padavine Gradaščica. Slednja teče v osrednjem delu (Šraj et al., 2008a), sproščanje nitratov (Rusjan et Slovenije, med dinarskim in alpskim svetom in se al., 2008), itd. Globevnik (2001) je prikazala pri Bokalškem jezu v Ljubljani razdeli na Mestno karakteristike celostnega pristopa k upravljanju s Gradaščico ter Mali Graben. Mestna Gradaščica in porečji na primeru porečja Dragonje, ki ga je Mali Graben se v Ljubljani izlivata v reko obravnaval tudi Petkovšek (2002), ki je opazoval Ljubljanico, ki je del porečja reke Save. in modeliral erozijske procese. Šraj (2003) je Porečje Gradaščice je večinoma hribovito, saj del obravnavala proces prestrezanja padavin na istem območja sestavlja Polhograjsko hribovje z vrhovi porečju, ki je pomemben dejavnik v vodnem tudi preko 1000 m (pomembnejši vrhovi so Tošč, krogu, saj gre za hidrološko spremenljivko, ki Pasja ravan, Špik, Grmada, Gabrovec). To se 86 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana odraža v hudourniškem odzivu vodotokov (hiter pričakujemo izrazite erozijske procese. Na nastop konice pretoka in tudi relativno hitro hudourniškem območju Kuzlovca skoraj ni zmanjševanje pretokov), kjer so manj obsežne antropogenih vplivov, medtem ko so ti nekoliko poplave relativno pogoste, lahko pa nastopijo tudi izrazitejši na hudourniškem območju Mačkovega katastrofalne poplave, kot so bile npr. poplave leta grabna. 1924 ali 1926 (Jesenovec, 1994). Razgiban teren s strmimi pobočji in ozkimi dolinami je značilen tudi Preglednica 1: Osnovne lastnosti eksperimentalnega porečja Mačkov graben za izbrani eksperimentalni hudourniški območji (Mačkov graben ter Kuzlovec). Table 1: Basic characteristics of the Mačkov graben experimental watershed Prispevna površina 2,33 km2 Nadmorska višina 384 m; 1015 m; 649 m (min, max, srednja) n.v. Naklon porečja (max, 58,5° (163,5%); 30,5° povprečje) (59%) Lega SW Letna količina padavin 1600-1800 mm Dolžina glavne struge 1780 m Naklon struge (povprečje) 9,3 % Mešani gozd (40,4 %), listati gozd (28 %), Slika 1: Lokacija porečja Gradaščice na karti Pokrovnost in raba pretežno kmetijske Slovenije z označenimi hidro-geografskimi območji prostora (CLC) površine z večjimi območji naravne Figure 1: Location of the Gradaščica watershed vegetacije (11,6 %) on the map of Slovenia with hydro-geographical Laporni apnenec, dolomit, areas peščen skrilavec, oolitni apnenec; neplastovit dolomit; svetlo siv V preglednicah 1 in 2 so prikazane nekatere Geologija kristalast dolomit; geološke, pedološke, topografske ter hidrografske Grödenski skladi - rdeč značilnosti hudourniških območij Mačkov graben peščenjak, alevrolit, in Kuzlovec. Porečje Gradaščice obsega 158,8 prehodi v skrilavec in km2, izbrani eksperimentalni porečji pa konglomerat predstavljata le majhen del celotnega porečja reke Pedologija Rendzina na apnencu in dolomitu Gradaščice (preglednici 1 in 2). Hudourniško obnašanje obeh vodotokov je značilno za Mačkov graben in Kuzlovec (preglednici 1 in 2). Slika 3 prikazuje digitalni model višin (DMV) Prevladujoča raba tal je v obeh primerih gozd, na eksperimentalnega porečja Mačkov graben ter obeh območjih je geološka sestava relativno struge vodotokov, slika 4 pa izbrano podobna, prevladujoča prst pa je rendzina na eksperimentalno območje na modelu terena apnencu in dolomitu (preglednici 1 in 2). Geološka (Google Zemlja, 2014). Slika 4 potrjuje, da je podlaga je relativno erodibilna, kar pomeni, da območje gozdnato in razgibano. Gozd namreč lahko pri ekstremnih hidrometeoroloških pogojih predstavlja skoraj 70% površine (preglednica 1). 87 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana Slika 2: Lokacija eksperimentalnih porečij Kuzlovec ter Mačkov graben na porečju Gradaščice Figure 2: Location of the Kuzlovec and Mačkov graben torrents in Gradaščica River watershed Preglednica 2: Osnovne lastnosti Na sliki 5 je ena izmed zaplavnih hudourniških eksperimentalnega porečja Kuzlovec pregrad, ki so zgrajene v hudourniškem območju Mačkovega grabna kot eden izmed ukrepov za Table 2: Basic characteristics of the Kuzlovec experimental watershed zmanjšanje poplavne ter erozijske ogroženosti. Zaplavna prostornina vseh omenjenih pregrad je Prispevna površina 0,71 km2 izkoriščena, zaplavni prostor se ne prazni, kar Nadmorska višina pomeni, da za hudourniškimi pregradami ne (min, max, srednja) 394 m; 847 m; 631 m n.v. prihaja do usedanja dotekajočih hudourniških Naklon porečja (max, 46,5° (105,3%); 27,3° povprečje) (51,6%) plavin in tako te pregrade ne zmanjšujejo erozijske Lega SW ogroženosti. Ker gre za območje, kjer so erozijski Letna količina padavin 1600-1800 mm procesi izraziti, zapolnjenost pregrad verjetno ni Dolžina glavne struge 1300 m posledica antropogenih vplivov. Naklon struge DMV porečja Kuzlovec prikazuje slika 6, porečje (povprečje) 22,2 % Mešani gozd (38,3 %), pa je označeno še na modelu terena (Google listati gozd (43,7 %), Zemlja, 2014) na sliki 7. Podobno kot pri Pokrovnost in raba pretežno kmetijske Mačkovem grabnu lahko tudi pri Kuzlovcu prostora (CLC) površine z večjimi potrdimo ugotovitve o prevladujoči rabi tal, ki smo območji naravne jih določili na podlagi karte pokrovnosti CLC vegetacije (18 %) Corine. Na Kuzlovcu gozd namreč predstavlja več Laporni apnenec, dolomit, kot 80 % celotne površine. Slika 8 prikazuje strugo peščen skrilavec, oolitni apnenec; neplastovit hudournika Kuzlovec, kjer lahko opazimo, da se v bližini struge nahaja veliko kamninskega drobirja, Geologija dolomit; Grödenski skladi - rdeč peščenjak, alevrolit, zemeljskih usedlin ter zapadlega lesa, ki jih prehodi v skrilavec in hudournik ob ekstremnih dogodkih premešča konglomerat; temno siv dolvodno v Veliko Božno. Tudi na porečju apnenec in dolomit Kuzlovca sta postavljeni dve hudourniški pregradi. Pedologija Rendzina na apnencu in Tudi pri teh dveh pregradah je zaplavni prostor dolomitu zapolnjen s hudourniškimi plavinami. Za oba hudournika je značilen stalni tok, kar pomeni da je voda v vodotoku prisotna v vseh štirih letnih časih. 88 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana Slika 3: Digitalni model višin (DMV) Slika 6: Digitalni model višin (DMV) eksperimentalnega porečja Mačkov graben eksperimentalnega porečja Kuzlovec Figure 3: Digital elevation model (DEM) of the Figure 6: Digital elevation model (DEM) of the Mačkov graben experimental watershed Kuzlovec experimental watershed Slika 4: Eksperimentalno območje hudournika Slika 7: Prispevno območje hudournika Kuzlovec Mačkov graben na modelu terena (Google Zemlja, na modelu terena (Google Zemlja, 2014) 2014) Figure 7: Kuzlovec experimental watershed Figure 4: Mačkov graben experimental watershed (Google Earth, 2014) (Google Earth, 2014) Slika 5: Hudourniška pregrada v strugi Slika 8: Struga hudournika Kuzlovec hudournika Mačkov graben Figure 8: Kuzlovec torrent channel Figure 5: Check dam in the Mačkov graben torrent channel 89 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana 3. Metodologija in predstavitev Črnem Vrhu nad Polhovim Gradcem meritve uporabljene merilne opreme zagotavlja od poletja 2014. Občasne meritve pretokov za potrebe vzpostavitve pretočnih krivulj Za opazovanje hidroloških procesov je na porečju so potekale od poletja 2013 do spomladi 2014 ob Gradaščice postavljena sodobna merska oprema. različnih hidroloških pogojih (izvedenih je bilo več Lokacija posameznih merilnih instrumentov je kot 10 meritev ob različnih vodostajih). Dežemeri prikazana na sliki 9. Uporabljena je naslednja 1, 2, 3, 4, 5 in 6 so postavljeni na nadmorskih merilna oprema: višinah 630 m, 814 m, 774 m, 768 m, 661 m in 444 • 6 avtomatičnih dežemerov (Onset RG2-M), ki metrov. Disdrometer v Ljubljani se nahaja na so postavljeni v okolici Kuzlovca ter nadmorski višini 292 metrov, disdrometer na Mačkovega grabna; Črnem Vrhu nad Polhovim Gradcem pa na • nadmorski višini 810 metrov. 2 tlačni sondi (Onset HOBO), ki sta locirani na iztoku iz Mačkovega grabna in Kuzlovca, ter Za meritve padavin se uporabljajo dežemeri Onset služita merjenju vodostajev ter temperature RG2-M, ki jih pogosto imenujemo tudi prekucniki vode in zraka; (ang. tipping bucket). Za zagotovitev ustreznosti • Sonda za meritve kakovosti vode (Hydrolab meritev je potrebno vsak dežemer umeriti. Slika 10 MS5), ki se ob ekstremnih dogodkih namesti prikazuje dežemer med postavljanjem. Kapaciteta na porečju Kuzlovca, in omogoča meritve pH, spominskega modula (ang. data logger) dežemera raztopljenega kisika, motnosti, nitratov, omogoča zapis 8000 dogodkov in ker vsak temperature ter številnih drugih parametrov; dogodek oz. prekuc mehanizma predstavlja 0,2 • mm padavin (taka količina je določena s 2 disdrometra (Thies Clima ter OTT Parsivel) sta locirana nekaj kilometrov od obeh kalibracijo), to pomeni da lahko dežemer izmeri eksperimentalnih povodij (Ljubljana ter Črni 1600 mm padavin (podatki se na spominski modul Vrh nad Polhovim Gradcem) ter merita zapišejo ob padavinskem dogodku), potem pa je intenziteto padavin, velikost, porazdelitev in potrebno spominski modul sprostiti. Omenjeni hitrost padavinskih delcev. dežemeri ne potrebujejo zunanjega napajanja, spominski modul pa za zapis podatkov uporablja Za določitev pretočne krivulje se izvajajo tudi baterijo (CR2032). občasne meritve pretokov z uporabo merilnikov, ki pretok izmerijo na podlagi metode razredčenja (Flo-tracer) ter na podlagi Dopplerjevega efekta (FlowTracker). Večinoma gre za podobno opremo (uporabljene so nekatere novejše različice merskih instrumentov), ki je bila uporabljena pri drugih eksperimentalnih porečjih (npr. Brilly et al., 2005; Rusjan, 2008; Rusjan et al., 2008; Šraj et al., 2008a; Petan et al., 2010). Primerjavo obeh merilnih instrumentov je naredila Cvetko (2013). Dežemeri 1, 2, 3 in 4 so bili na terenu postavljeni poleti 2012, dežemera 5 ter 6 pa proti koncu leta 2012 (slika 9). Meritve vodostajev, temperature Slika 10: Dežemer številka 6 med postavljanjem vode in zraka na iztoku iz Kuzlovca ter Mačkovega grabna so se začele poleti leta 2013 (slika 9). Figure 10: Rain gauge number 6 during Meritve kakovosti vode s Hydrolab MS5 sondo so installation process se prav tako začele poleti 2013 (slika 9), v istem obdobju je bil postavljen tudi disdrometer v Za meritve intenzitete padavin ter porazdelitve Ljubljani na UL FGG, medtem ko disdrometer na padavinskih delcev se uporabljata disdrometra, ki 90 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana sta locirana v Ljubljani (slika 11) ter Črnem Vrhu disdrometra, zato se tudi izmerjene količine nad Polhovim Gradcem (slika 12). V Ljubljani je padavin razlikujejo od tistih, ki jih izmeri dežemer postavljen disdrometer proizvajalca OTT Parsivel, na sliki 13 (Petan, 2010). Na podlagi začetnih na Črnem Vrhu pa disdrometer proizvajalca Thies meritev lahko ocenimo, da so te razlike lahko tudi Clima. Podatki se zapisujejo na spominsko kartico do 25 %. (2 GB), izbran interval merjenja pa je 1 minuta. Za meritve vodostajev ter temperature zraka in Oba instrumenta sta že bila uporabljena za vode na iztoku iz Kuzlovca ter Mačkovega grabna opazovanje erozivnosti padavin na območju se uporablja sonda proizvajalca Onset HOBO. Ena Slovenije (Petan et al., 2010). Petan (2010) pa je izmed sond meri vodni tlak (na sliki 13 je locirana podal tudi nekoliko natančnejši opis prej omenjene v vodotoku), druga pa zračni tlak (barometrični; na merilne opreme ter metodologije merjenja. sliki 13 je locirana na drevesu). Na podlagi teh Osnovni princip delovanja obeh disdrometrov je podatkov je mogoče določiti vrednosti vodostajev. drugačen kot pri običajnih dežemerih Zaradi tega sta v obeh porečjih postavljeni po dve (prekucnikih), saj disdrometer določi količino, sondi (ena v vodi ter ena v zraku). Izbrani interval hitrost in porazdelitev padavinskih delcev na merjenja je 10 minut, spominski modul pa podlagi algoritma, ki upošteva spremembo omogoča zapis približno 20.000 (64 kB) dogodkov napetosti, kot posledico prekinitve žarka (zaradi (meritev). Slika 13 prikazuje mikro-lokacijo obeh padavin) med sprejemno in odbojno glavo sond na eksperimentalnem porečju Kuzlovec. Slika 9: Lokacija merilnih mest na porečju Gradaščice Figure 9: Location of the measuring sites in the Gradaščica watershed 91 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana Slika 13: Lokacija vodne ter zračne sonde na Slika 11: Disdrometer OTT Parsivel v Ljubljani eksperimentalnem porečju Kuzlovec Figure 11: Disdrometer OTT Parsivel in Ljubljana Figure 13: Location of the water and air data loggers in the Kuzlovec experimental watershed Slika 12: Disdrometer Thies Clima in avtomatični Slika 14: Zveza med masno koncentracijo dežemer na Črnem Vrhu nad Polhovim Gradcem suspendiranih snovi (mg(l) in motnostjo (NTU) Figure 12: Disdrometer Thies Clima and tipping Figure 14: Relationship between mass bucket rain gauge in Črni Vrh nad Polhovim concentration of suspended solids (mg/l) and Gradcem turbidity (NTU) 92 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana Meritve motnosti se izvajajo s Hydrolab MS5 4. Rezultati in razprava sondo, ki meri različne parametre, kot so motnost, pH, temperatura vode. Hydrolab MS5 sonda je Primer analize jesenskega dogodka (september leta prenosna naprava, ki za obratovanje ne potrebuje 2013) je prikazan na sliki 16, kjer so prikazani podatki, ki so bili izmerjeni na porečju Kuzlovca. zunanjega napajanja, saj se napaja z uporabo 8 običajnih AA baterij, čas delovanja brez potrebe po Padavinski podatki so prikazani s časovnim menjavi baterij pa je odvisen od časovnega koraka korakom 20 minut. Padavinski dogodek se je začel meritev ter števila izbranih parametrov, ki jih 9.9.2013 ob 5:20 ter trajal do 10.9.2013 ob 1:00, prikazani pa so podatki od nedelje 8.9.2013 ob sonda meri. Za določitev koncentracije suspendiranih snovi na podlagi meritev motnosti je 18:00 do torka 10.9 ob 4:00. V tem obdobju je treba vzpostaviti zvezo med tema spremenljivkama dežemer 1 izmeril 62.8 mm padavin, dežemer 3 (motnostjo in koncentracijo suspendiranih snovi), 66.6 mm padavin, dežemer 6 pa 71.2 mm. kot prikazuje slika 14. Za določitev povezave med Povprečna intenziteta padavin je znašala približno 3.2-3.5 mm/h, medtem ko je bila maksimalna motnostjo ter masno koncentracijo suspendiranih snovi smo na terenu vzeli 5 vzorcev. Za vsakega intenziteta padavin za dežemera 1 in 3 približno 15 od petih vzorcev smo določili motnost z uporabo mm/h (določena na podlagi 20 minutnih Hydrolab sonde. Za izračun masne koncentracije padavinskih podatkov). Opazimo lahko, da do so bili vzorci filtrirani, sušeni, s tehtanjem pa smo nastopa konice koncentracije suspendiranih snovi določili maso delcev, ki so ostali na filtrirnem pride pred nastopom konice pretoka. Pri drugi papirju. Slika 15 prikazuje mikro-lokacijo (večji) konici (slika 16) je razlika med nastopom prenosne Hydrolab sonde. Izbrani časovni korak konice pretoka ter konice koncentracije meritev je 20 minut. suspendiranih snovi 70 minut. Slika 17 prikazuje pozitivno histerezo med koncentracijami suspendiranih snovi ter pretokom (maksimalne vrednosti koncentracij suspendiranih snovi nastopijo pred konico pretoka). Taka dinamika obeh procesov je značilna predvsem za manjša porečja (npr. Soler et al., 2008), na kar kažejo tudi naše preliminarne ugotovitve, ki so prikazane na slikah 16 ter 17. Podobno obnašanje je značilno tudi za druge dogodke, izmerjene na porečju Kuzlovec, kjer je časovni zamik znašal med 20 minutami in 4 urami. Izmerili smo 11 dogodkov, ki so se zgodili v vseh štirih letnih časih v letih 2013 ter 2014. Potencialni viri sedimentov se v predstavljenem primeru nahajajo v bližini struge oziroma v strugi sami. Tako lahko pojasnimo tudi relativno ozke doline, ki so jih izoblikovali vodotoki na območju Polhograjskega hribovja. Negativno histerezo oz. pojav, ko do nastopa konice pretoka pride pred nastopom konice koncentracij suspendiranih snovi, lahko opazimo pri porečjih, kjer so glavni viri sedimentov Slika 15: Lokacija Hydrolab MS5 sonde na eksperimentalnem porečju Kuzlovca oddaljeni od struge vodotoka (npr. Bača, 2008). Poleg tega smo na podlagi meritev različnih Figure 15: Location of the Hydrolab MS5 sonde in hidrometeoroloških parametrov ugotovili, da imajo the Kuzlovec torrent meteorološki pojavi (ekstremne padavine) velikih intenzitet velik vpliv na fluvialno premeščanje 93 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana suspendiranih snovi (npr. Bača, 2008, Soler et al., vseh štirih letnih časih), kjer smo pri vseh 2008). dogodkih z izjemo enega opazili, da do nastopa Izračunali smo tudi Pearsonov koeficient korelacije koncentracije suspendiranih snovi pride pred med vrednostmi padavin (dežemer številka 1), nastopom konice pretoka, časovni zamiki pa so pretoki ter koncentracijami suspendiranih snovi znašali od 20 minut do 4 ure. Prav tako smo pri prikazanimi na sliki 16 za prikazan dogodek, ki se vseh dogodkih opazili, da so izmerjene vrednosti je zgodil v septembru 2013 (približno 36 urno padavin dober indikator koncentracij suspendiranih obdobje). Izračune korelacijskih koeficientov smo snovi, v veliko primerih celo boljši kot vrednosti opravili tudi z zamikanjem podatkov, saj smo s pretokov. tem opazovali, pri kakšnem zamiku je korelacija Slika 18 prikazuje primerjavo izmerjenih padavin med omenjenimi spremenljivkami maksimalna. med dežemeri številka 1, 3 in 6 v obdobju med Ugotovili smo, da je odvisnost med padavinami in junijem ter oktobrom leta 2013. Prikazane so koncentracijami suspendiranih snovi izrazitejša kot padavine v 20 minutnih časovnih intervalih. odvisnost med pretokom in koncentracijami Dežemer številka 3 je v tem obdobju izmeril 470 suspendiranih snovi. Največjo vrednost mm padavin, dežemer 6 511 mm, dežemer 1 pa Pearsonovega koeficienta korelacije med 433.4 mm padavin. Razliko lahko pojasnimo z padavinami ter koncentracijami suspendiranih dejstvom, da gre za poletno obdobje, ko so pogoste snovi smo dobili pri časovnem zamiku 60 minut lokalne poletne nevihte. Maksimalne 20 minutne (koeficient korelacije je znašal 0,78), odvisnost padavine so bile v tem obdobju 12,8 mm in 16,2 med pretoki in koncentracijami pa je bila mm za dežemera 3 in 6, medtem ko je pri maksimalna pri časovnem zamiku 70 min, kjer je dežemeru 1 maksimalna 20 minutna vsota padavin Pearsonov koeficient korelacije znašal 0,71. znašala 12.2 mm. V približno 14 mesecih (od junija 2013 do avgusta 2014) smo izmerili 11 dogodkov (razporejenih v Slika 16: Primer analize hidrološkega dogodka, ki se je zgodil med 8.9.2013 ter 10.9.2013, na porečju Kuzlovca Figure 16: Example of the hydrologic event, which occurred between 8.9.2013 and 10.9.2013, in the Kuzlovec torrent 94 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana 5. Zaključki V prispevku sta predstavljeni dve sosednji eksperimentalni hudourniški porečji v bližini Ljubljane in sicer hudourniško območje Mačkov graben in hudourniško območje Kuzlovec; obe sta del porečja reke Gradaščice, ki se izliva v Ljubljanico in je del porečja reke Save. Opisane so nekatere osnovne topografske, geološke in hidrografske značilnosti obeh hudourniških območij, ki imajo velik vpliv na opazovane hidrološke procese, kot so padavine, generiranje površinskega odtoka ter premeščanje sedimentov. Predstavljena je uporabljena merilna oprema ter nekatere značilnosti merilnih instrumentov. Nadalje so prikazani tudi nekateri preliminarni rezultati analiz pridobljenih hidroloških podatkov. Na podlagi do sedaj pridobljenih podatkov lahko Slika 17: Prikaz pozitivne histereze (svetlo modra sklepamo, da konica sedimentograma v povprečju črte) za hidrološki dogodek, ki se je zgodil jeseni nastopi pred konico pretoka, kjer je časovni zamik leta 2013 na porečju Kuzlovca znašal med 20 minutami ter 4 urami. Vrednosti Figure 17: Presentation of the positive hysteresis časovnih zamikov so določene na podlagi do sedaj (light blue lines) effect for the autumn 2013 izmerjenih ter analiziranih dogodkov (11 hydrologic event in the Kuzlovec torrent dogodkov v vseh štirih letnih časih v obdobju od junija 2013 do avgusta 2014). Ta pojav je značilen za manjša porečja, kjer se potencialni viri sedimentov nahajajo relativno blizu struge oz. v strugi sami (Soler et al., 2008). Poleg tega je iz prikazanih rezultatov očitno, da imajo hidrometeorološki pojavi velikih intenzitet, kar so npr. ekstremni padavinski dogodki, nadpovprečen vpliv na fluvialno premeščanje suspendiranih snovi (npr. Bača, 2008, Soler et al., 2008). Eksperimentalna porečja so ena izmed možnosti za pridobitev novih spoznanj, ki so povezana z opazovanim hidrološkim procesom. V prihodnje bomo meritve na eksperimentalnih hudourniških porečjih Mačkov graben in Kuzlovec nadaljevali z namenom, da zagotovimo daljše časovne serije hidroloških podatkov, kar bo omogočilo kakovostnejše hidrološke analize. Slika 18: Primerjava med dežemeri številka 1, 3 in 6 za obdobje od junija do oktobra leta 2013 Zahvala Figure 18: Comparison between raingauges 1, 3 Terenske raziskave so potekale v okviru EU and 6 for the period between June and October raziskovalnega projekta SedAlp, ki je financiran 2013 preko Alpine Space programa in iz raziskovalnega 95 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana programa P2-0180 Vodarstvo in geotehnika, ki ga Doctoral thesis, University of Ljubljana, Faculty for financira Javna agencija za raziskovalno dejavnost Civil and Geoderic Engineering, 176 p. (in Slovenian) Republike Slovenije. Delo prvega avtorja je Google Zemlja (2014). Dostopno na: potekalo v okviru doktorskega izobraževanja in ga https://www.google.com/earth/ (10.09.2014). je finančno podprla Javna agencija za raziskovalno Jesenovec, S. (1994). Poročanje časopisov o ujmi 8. dejavnost. Za laboratorijsko analizo vzorcev vode Avgusta 1924. leta., Mišičev vodarski dan 1994, 34–37 se zahvaljujemo Renatu Babiču. Za recenzijo se (in Slovenian). zahvaljujemo dvema anonimnima recenzentoma. Lenzi, M.A., D'Agostino, V., Billi, P. (1999). Bedload transport in the instrumented catchment of the Rio Viri Cordon: Part I: Analysis of bedload records, conditions and threshold of bedload entrainment, Catena, 36(3), Bača, P. (2008). Hysteresis effect in suspended 171–190. sediment concentration in the Rybárik basin, Slovakia. Hydrological Sciences Journal, 53(1): 224–235. Mikoš, M. (1994). Pomen eksperimentalnih povodij za ugotavljanje vplivov gozda na vodni režim. V: ANKO, Brilly, M., Mikoš, M., Petkovšek, G., Šraj, M., Boštjan (ur.). Gozd in voda : zbornik seminarja, Poljče, Kogovšek, J., Drobne, D. (2000). Eksperimentalno 11. - 13. oktober 1994 = Forest and water : workshop povodje reke Reke, Raziskave s področja geodezije in proceedings, Poljče, October 11 - 13, 1994. Ljubljana: geofizike - 2000 : zbornik predavanj. Slovensko Biotehniška fakulteta, Oddelek za gozdarstvo, 51–60. združenje za geodezijo in geofiziko, 67–76 (in Slovenian). Petan, S. (2010). Measurements and spatial modelling of rainfall erosivity of a soil erosion factor. Doctoral Brilly, M., Mikoš, M., Petkovšek, G., Šraj, M., thesis, University of Ljubljana, Faculty for Civil and Kogovšek, J., Drobne, D., Štravs, L. (2002). The Geoderic Engineering, 205 p. Dostopno na: Experimental monitoring of water regime in the Reka http://drugg.fgg.uni-lj.si/778 (10.09.2014) (in river = Eksperimentalna opazovanja vodnega režima na Slovenian). reki Reki. Acta carsologica, 31(1), 65–74. Petan, S., Rusjan, S., Vidmar, A., Mikoš, M. (2010). Brilly, M., Globevnik, L., Štravs, L., Rusjan, S. (2005). The rainfall kinetic energy–intensity relationship for Eksperimentalna porečja v Sloveniji, Raziskave s rainfall erosivity estimation in the mediterranean part of področja geodezije in geofizike - 2005 : zbornik Slovenia, Journal of Hydrology, 391(3-4), 314–321. predavanj. Slovensko združenje za geodezijo in geofiziko, 47–59 (in Slovenian). Petkovšek, G. (2002). Quantification and modelling soil erosion with an spplication on the Dragonja watershed Brocca, L., Melone, F., Moramarco, T., Penna, D., Doctoral thesis, University of Ljubljana, Faculty for Borga, M., Matgen, P., Heitz, S. (2011). Investigation of Civil and Geoderic Engineering, 205 p. (in Slovenian) the hydrologic response of three experimental basins across Europe, Die Bodenkultur, 62(1-4), 31–37. Petkovšek, G., Globevnik, L., Mikoš, M. (2003). Površinska erozija na eksperimentalnem povodju reke Coenders-Gerrits, A.M.J., Hopp, L., Savenije, H.H.G., Dragonje - trendi v zadnjih 40 letih = Surface soil Pfister, L. (2013). The effect of spatial throughfall erosion in the experimental watershed of river Dragonja patterns on soil moisture patterns at the hillslope scale, - trends in the past 40 years. Gradbeni vestnik, 52(11), Hydrology and Earth System Sciences, 17, 1749–1763. 276–281 (in Slovenian). Cvetko, P. (2013). Stream flow measurements with two Petkovšek, G., Mikoš, M. (2003). Meritve erozijskih different instruments. Unpublished diploma thesis, procesov v eksperimentalnem povodju Dragonje, JZ University of Ljubljana, Faculty for Civil and Geoderic Slovenija = Measurements of erosion processes in the Engineering, 62 p. (in Slovenian). experimental catchment of the Dragonja river, SW Globevnik, L. (2001). An integrated approach towards Slovenia. Acta hydrotechnica, 21(34), 37–56. water management in catchments: an integrated analysis Rusjan, S., Fazarinc, R., Mikoš, M. (2003). River of time and spatial components of water regimes as the rehabilitation of urban watercourses on the example of basis of modern procedures of modelling and planning the Glinščica river in Ljubljana. Acta hydrotechnica, of water management solutions, land use, and 21(34), 1–22. environmental protection: the Dragonja catchment. 96 Bezak N. et al.: Primerjava dveh sosednjih eksperimentalnih hudourniških porečij: Kuzlovec in Mačkov graben – Comparison between two adjacent experimental torrential watersheds: Kuzlovec and Mačkov graben Acta hydrotechnica 26/45 (2013), 85-97, Ljubljana Rusjan, S. (2008). Hydrological controls of nutrient Šraj, M. (2003). Modeling and measuring of rainfall mobilization in watersheds. Doctoral thesis, University interception Doctoral thesis, University of Ljubljana, of Ljubljana, Faculty for Civil and Geoderic Faculty for Civil and Geoderic Engineering, 236 p. (in Engineering, 206 p. Dostopno na: http://drugg.fgg.uni- Slovenian) lj.si/788 (10.09.2014) (in Slovenian). Šraj, M., Brilly, M., Mikoš, M. (2008a). Rainfall Rusjan, S., Brilly, M., Mikoš, M. (2008). Flushing of interception by two deciduous Mediterranean forests of nitrate from a forested watershed : an insight into contrasting stature in Slovenia, Agricultural and forest hydrological nitrate mobilization mechanisms through meteorology, 148(1), 121–134. seasonal high-frequency stream nitrate dynamics, Šraj, M., Rusjan, S., Petan, S., Vidmar, A., Mikoš, M., Journal of Hydrology, 354(1-4), 187–202. Globevnik, L., Brilly, M. (2008b). The experimental Soler, M., Latron, J., Gallart, F. (2008). Relationships watersheds in Slovenia. IOP Conf. Ser.: Earth Environ. between suspended sediment concentrations and Sci. , 4, 012051, 1–13. discharge in two small research basins in a mountainous Warmerdam, P., Stricker, H. (2010). Fundamental Mediterranean area (Vallcebre, Eastern Pyrenees), hydrological research results drawn from studies in Geomorphology, 98(1–2): 143–152. small catchment, IAHS Publ., 336, 47–53. 97 Priloga I Priloga I: Članek 9 Estimation of suspended sediment loads using copula function Bezak, N., Rusjan, S., Kramar Fijavž, M., Mikoš, M., Šraj, M. (2016) Oddano v recenzijo v SCI revijo Document Outline Naslovnica_Bezak Nejc-1