UREĐENJE BUJICA

Uređenje bujica je uređenje bujičnog korita i pripadajućeg bujičnog sliva.

Bujice ili bujični tokovi su povremeni ili stalni prirodni vodotoci (jaruge, suhodoline, potoci i rječice), čija su slivna područja zahvaćena erozijskim procesima.

Karakterizirane su naglim nadolascima poplavnih voda koje nastaju neposredno poslije jakih kiša ili ubrzanog topljenja snijega, kao i velikim količinama nanosa i razornom snagom toka.

Pod pojmom erozije podrazumijevaju se promjene na površinskom sloju tla koje nastaju kao posljedica djelovanja kiše, snijega, mraza, temperaturnih razlika, vjetra, valova, struja, tekućih voda i antropogenih činilaca. Te promjene uvijek označavaju procese isključivo vezane za otkidanje, transport i taloženje čestica tla.

Prema uzroku erozije razlikuje se:

(I) regionalna ili pluvijalna erozija, nastala djelovanjem kiše (usporena erozija) i antropogenih činilaca (ubrzana erozija),

(II) fluvijalna erozija, nastala djelovanjem tekuće vode, (III) glacijalna erozija, nastala djelovanjem leda, (IV) eolska erozija, nastala djelovanjem vjetra, (V) abrazija, erozija nastala djelovanjem valova i struja.

Erozija nastala djelovanjem kiše, tekuće vode i leda često se naziva vodna erozija.

U našim su krajevima najzatupljenije regionalna i fluvijalna erozija.

(I) Kod regionalne erozije se prema načinu kako erozija odnosi slojeve tla razlikuju:

(a) površinska erozija, (b) dubinska ili linearna erozija, (c) mješovita erozija (kombinacija površinske i dubinske erozije).

(a) Površinsku eroziju čine:

(i) obična površinska erozija, s jednolikim odnošenjem površinskih čestica tla po cijelom slivu,

(ii) slojevita (laminarna) erozija, s odnošenjem tla u tankim slojevima (lamelama) različite debljine,

1

(iii) raspadinska (osulinska) erozija, gdje se pored sitnijih čestica tla za vrijeme jakih kiša niz padinu podjednako kotrljaju i krupniji stjenski odlomci.

(b) Dubinsku eroziju sačinjavaju:

(i) brazdasta erozija, (ii) jaružasta erozija, (iii) mješovita jaružasto – piramidalna erozija, (iv) urvinska erozija, koju sačinjavaju odroni, soliflukcije (manji urvinski

pokreti termogenog karaktera), popuzine (veća kretanja mase tla niz strme padine obala) i klizanja tla velikih razmjera (ruč – tereni),

(v) jaka erozija krša.

(c) Mješovitu eroziju čine:

(i) površinska erozija s mjestimičnom pojavom manjih brazda i jaružica, (ii) površinska erozija s mjestimičnom pojavom manjih površinskih klizanja

tla i soliflukcijom, (iii) erozija krša u početnom i srednjem stadiju, (iv) površinska erozija karakterizirana manjim piramidalnim oblicima nastalim

zbog “bombardiranja” tla kišnim kapima (ako su takvi oblici u početnom stadiju).

(II) Kod fluvijalne erozije se ovisno o tipu vodotoka razlikuju:

(a) bujična erozija, (b) riječna erozija.

1. DIJELOVI BUJIČNOG TOKA

Sukladno karakteru i stupnju zahvaćenosti erozijskim procesima moguće je bujični tok podijeliti na tri dijela:

(1) prikupište (gornji tok), (2) grlo bujice (srednji tok), (3) čunj (donji tok, naplavina).

(1) Prikupište je zahvaćeno jakom erozijom. Djelovanjem velike pokretne sile, od manjih, ali strmih potoka i brazda, nastaju erozijski lijevci koji se stalno proširuju.

(2) Grlo bujice je karakterizirano ravnotežnim stanjem s relativno ujednačenim pronosom nanosa. U ovom dijelu toka voda obično teče uskom dolinom.

2

(3) Čunj karakterizira taloženje nanosa, odnosno stvaranje naplavine na kojoj bujica s vremenom stvara novo i zatrpava staro korito, a često se račva u više korita.

Ovakva sistematizacija bujičnog toka upućuje da se cilj uređenja bujica sastoji u tome da se u gornjem toku spriječi erozija, a u donjem taloženje.

2. PARAMETRI BUJIČNIH TOKOVA

Radi utvrđivanja stanja i prognoziranja razvoja erozijskih procesa na nekom bujičnom slivu potrebno je provesti analizu slijedećih činilaca:

(1) oblika bujičnog sliva i gustoće mreže, (2) reljefa bujičnog sliva, (3) geološko – petrografskih uvjeta, (4) vegetacijskog pokrivača, (5) razvijenosti erozije na slivu, (6) klimatskih uvjeta, (7) utjecaja ljudskog rada.

3

Tek nakon detaljne analize ovih činilaca moguće je provesti kvantitativnu determinaciju bujičnih tokova. 1. Oblik bujičnog sliva i gustoća riječne mreže (1) Oblik bujičnog sliva karakteriziran je faktorom oblika sliva, Rf. Za naše prilike preporuča se vrijednost ovog parametra definirati izrazom:

( ) LO

0.1952πL

OR slsl

f ≈+

=

gdje su:

Osl - duljina vododijelnice, [km], L - duljina glavnog vodotoka (od ušća do krajnje točke vododijelnice), [km].

(2) Gustoća riječne mreže, Du [km km-2].

Za Du < 0.5 [km km-2] se smatra da je gustoća riječne mreže slaba. Srednju gustoću hidrografske mreže predstavlja vrijednost, Du = 0.5 do 1.0 [km km-2], jaku, Du = 1.0 do 2.0 [km km-2], i vrlo jaku Du > 2.0 [km km-2].

4

2. Reljef bujičnog sliva

Za potpuniju analizu reljefa bujičnog sliva uobičajeno je odrediti:

(1) srednju (nadmorsku) visinu sliva, (2) srednji pad sliva, (3) srednju visinsku razliku sliva, (4) potencijal slijevanja u vrijeme jakih kiša, (5) potencijalnu brzinu slijevanja velikih voda u vrijeme jakih kiša, (6) koeficijent erozijske energije reljefa, (7) geomorfološko – erozijski koeficijent sliva.

(1) Srednja visina sliva,⎯hsl [m n.m.].

(2) Srednja visinska razlika sliva, Δhsl [m], određuje se prema izrazu:

Δhsl =⎯hsl – hu

gdje je hu [m n.m.] (nadmorska) visina ušća ili dna profila za koji se računa srednja visinska razlika.

(3) Srednji pad sliva, ⎯I.

(4) Potencijal slijevanja u vrijeme jakih kiša, Psl [m km s-1], definiran je izrazom:

AΔh g 2P slsl =

gdje su nove oznake:

g - ubrzanje polja sile teže, [m s-2],

A - površina bujičnog sliva, [km2].

(5) Potencijalna brzina slijevanja velikih voda u vrijeme jakih kiša, Pv [ms-1 km-1], izračunava se iz izraza:

AΔh g 2

P slv =

(6) Koeficijent erozijske energije reljefa, Ker [m km-1/2], dobije se prema izrazu Silvestrova:

5

4e

er A3.16h

K =

gdje je he [m] dubina erozijskog bazisa (visinska razlika krajnjih točaka sliva).

(7) Geomorfološko – erozijski koeficijent sliva, Ksl [m km-3/2], dan je također Silvestrovim izrazom:

Ksl = Du Ker

3. Geološko – petrografski uvjeti

Budući je za definiranje režima otjecanja i režima nanosa bujičnog sliva od bitnog značenja poznavanje učešća pijeska, šljunka, lapora, gline, stijena i drugih materijala, podloge za ovu vrstu analizira se geološko – petrografske i pedološke karte bujičnog područja.

Na osnovi spomenutih karata i detaljnog pregleda terena određuju se srednja vrijednost koeficijenata vodonepropusnosti tla, Kt, definiranog izrazom:

Kt = 0.4 Ap + 0.7 App + Anp

gdje su:

Ap - površina bujičnog sliva u postocima, koja je građena od izrazito vodopropusnih materijala (pijeska, šljunka i dr.),

App - površina bujičnog sliva u postocima, koja je građena od materijala srednje vodopropusnosti (škriljaca, lapora, fliša i dr.),

Anp - površina bujičnog sliva u postocima, koja je građena od slabo vodopropusnih materijala (gline, glineno – asfaltnih škriljaca, krupnih eruptiva i dr.).

Vrijednost koeficijenata Kt kreće se od 0.4 za veoma vodopropusna tla do 1.0 za vodonepropusno tlo.

4. Vegetacijski pokrivač

Utjecaj vegetacijskog pokrivača, prvenstveno šume, potom travnjaka i mnogih višegodišnjih kultura (voćnjaka, vinograda i dr.), vrlo je značajan za režim otjecanja i razvoj erozijskih procesa na nekom bujičnom slivu.

6

Zato je potrebno izvršiti detaljan pregled vegetacijskog pokrivača na bujičnom slivu i kasnijim planimetriranjem na karti određenog mjerila odrediti postotno učešće površina pod šumom, Aš, površina pod travom, At, i površina tla bez stalnog vegetacijskog pokrivača, Ag.

Na osnovi tih podataka izračunava se koeficijent vegetacijskog pokrivača, Kv, primjenom izraza:

Kv = 0.6 Aš + 0.8 At + Ag

Ako je vrijednost koeficijenata Kv bliža jedinici, utoliko je sliv više nezaštićen vegetacijskim pokrivačem. To znači da će, u smislu obrane od erozije, biti potrebne i obuhvatnije protuerozijske mjere i radovi.

5. Razvijenost erozije u slivu

Jačina erozijskih procesa na slivu i koritu karakterizira se koeficijentom erozije, Ke, definiranog izrazom:

( )I a X YKe += ϕ

gdje su:

Y - koeficijent otpora čestica tla na eroziju. Ovisi o geološkoj građi sliva, vrsti pedoloških tvorevina i klimi. Srednje (recipročne) vrijednosti ovog koeficijenta prikazane su u tablici.

7

X a - koeficijent uređenja sliva. Odnosi se na zaštićenost tla od atmosferskih utjecaja i sliva erozije prirodnim putem (npr. vegetacijom) (koeficijent X) ili umjetno stvorenim uvjetima (protuerozijskim tehničkim ili biološkim radovima) (koeficijent a). Prema tome, to su u biti dva koeficijenta čiji se umnožak kreće od 0.05 za zaštićeno tlo, do 1.0 za potpuno golo, nezaštićeno i neuređeno tlo.

Kako se iz tablice razabire, srednja vrijednost koeficijenata X a dane su za slivove prije izvođenja protuerozijskih radova. Postoji i tablica srednjih vrijednosti koeficijenata uređenja sliva i za slivove poslije izvođenja protuerozijskih radova.

ϕ - koeficijent vidljivih i jasno izraženih erozijskih procesa u slivu.

8

⎯I - srednji pad sliva,

Istaknimo da vrijednosti koeficijenata Y, X a i ϕ treba određivati prema procentualnom učešću pojedinih elemenata u bujičnom slivu ili erozijskom području.

Na osnovi izračunatih vrijednosti koeficijenata erozije, Ke, svrstana su bujična područja u slijedećih pet kategorija razornosti.

9

6. Klimatski uvjeti

Za definiranje režima otjecanja i režima nanosa u bujičnom slivu izuzetnu ulogu ima detaljna studija klimatskih činilaca, ponajprije oborina (kiše i snijega), a potom vjetra i temperature zraka i tla.

Bujični sliv ima u odnosu na velike riječne slivove, zbog relativno male površine, mnoge specifičnosti koje se u klimatskom pogledu rjeđe uočavaju kod većih riječnih slivova.

Kod analize oborina od naročitog je interesa analiza tvz. bujičnih kiša, tj. kiša palih tokom 24 [h] čija je visina veća od 30 [mm].

Također je značajno istraživanje prosječnog godišnjeg broja bujičnih kiša, odnosno njihove učestalosti.

Uz ove podatke potrebno je raspolagati i s analizama intenziteta kiša, te s podacima o pravcima kretanja oblaka koji su prouzrokovali bujične kiše.

7. Utjecaj ljudskog rada

Čovjekova djelatnost u prirodi (poljoprivredi, šumarstvu, urbanizmu, izvedbi hidrotehničkih objekata) prouzrokovala je velike poremećaje u vegetacijskom pokrivaču, te strukturi i stabilnosti tla.

Zato su čovjek i socijalno – ekonomski odnosi u njegovom društvu utjecali na pojavu ubrzane erozije više nego svi prethodno analizirani prirodni učinci.

U uvjetima u kojima se odvija povijest ljudskog društva, čovjek nije mogao naslutiti ne samo kakav je hod erozijskih procesa nego i da ocijeni potencijalnu opasnost od erozije za buduće generacije. U tom smislu činio je i danas čini (svjesno ili nesvjesno) mnoge oblike destruktivnog rada u cilju vlastite egzistencije, izazivajući tako eroziju protiv samog sebe.

10

3. KVANTITATIVNA ANALIZA BUJIČNIH TOKOVA

Kao rezultat inženjerskog nastojanja da se priroda bujičnih tokova odredi kvantitativnim pokazateljima, pomoću stalnih i karakterističnih parametara bujičnog toka, definiran je kvantitativni indeks bujičnosti sliva i prirodnog vodotoka, Bsl, kao:

1 A L1 A Δh O D K

Bš

slslutsl +

+=ϕ

Svi parametri koji figuriraju u ovom izrazu već su prije tumačeni, s napomenom da je radi dimenzionirane ispravnosti izraza potrebno srednju visinsku razliku sliva, Δhsl, uvrstiti u [km].

Ako je izračunata vrijednost indeksa bujičnosti ispod 0.1 onda promatrani sliv i njegovo korito nemaju osobine bujičnog toka. Ako je ta vrijednost od 0.1 do 0.4 onda se radi o slabo izraženim bujičnim tokovima; ako je ona od 0.4 do 0.7 onda se podrazumijeva tokovi osrednjeg bujičnog karaktera; ako je ona od 0.7 do 1.0 onda se radi o vrlo izrazitim bujičnim tokovima, a ako je ta vrijednost veća od 1.0 onda je u pitanju fenomen pretjerano izraženog (ekscesivnog) bujičnog toka.

Intervencija stručnjaka bujičara bit će potrebna ako je proračunata vrijednost indeksa bujičnosti veća od 0.4.

Dakle, proračunavanjem indeksa Bsl u svim spornim pitanjima iz prakse može se odgovoriti da li je jedan prirodni vodotok bujičan ili ne.

4. MAKSIMALNO OTJECANJE S BUJIČNIH SLIVOVA

Zbog karaktera bujičnih slivova određivanje maksimalnog otjecanja je redovito teško definirati pomoću postupaka koji se koriste kod analize otjecanja s riječnih slivova.

Naime, maksimalno otjecanje s bujičnih slivova sa javlja gotovo iznenada, neposredno poslije jakih kiša ili naglog topljenja snijega, za razliku od riječnih slivova gdje ovakvo otjecanje nastaje nakon određenog vremenskog intervala od pojave kiše ili ubrzanog topljenja snijega.

Zato se za proračun maksimalnog otjecanja s bujičnih slivova koristi mnoštvo postupaka (izraza) pretežno empirijskog ili poluempirijskog karaktera. Međutim, u primjeni ovih izraza treba biti vrlo oprezan, budući da su oni gotovo redovito

11

dobiveni na temelju analize otjecanja s konkretnih bujičnih slivova i, prema tome, nisu univerzalnog karaktera.

Ovdje će se prikazati dvije formule za definiranje maksimalnog otjecanja s bujičnih slivova, budući da su one općenitijeg karaktera jer sadrže i određenu teorijsku interpretaciju. To su:

(1) racionalna formula,

(2) Gavrilovićeva (1956) formula.

Obje ove formule tretiraju otjecanje s bujičnog sliva i u funkciji povratnog razdoblja, što omogućuje prognoziranje bujičnih voda.

(1) Racionalna formula se koristi za proračun maksimalnog otjecanja zadanog povratnog razdoblja s urbanih i drugih manjih slivova. Prema ovoj formuli maksimalno otjecanje je izraženo u funkciji slijedeća tri parametra:

(a) prosječne jačine oborina, i [l s-1 ha-1] (određenog trajanja, to [min], i određenog povratnog razdoblja, PR[godina]),

(b) površine sliva, A [km2], (c) koeficijenta otjecanja, C.

Kod otjecanja s bujičnih slivova uvriježeno je vrijednost koeficijenta otjecanja birati ovisno od vrste vegetacijskog pokrivača, topografskih uvjeta u slivu i vrste tla.

Vrijednost ovog koeficijenta su za karakteristična stanja u bujičnom slivu prikazane u tablici.

12

(3) Gavrilovićeva formula za proračun maksimalnog otjecanja, Qmax [m3s-1], povratnog razdoblja, PR = 5 do 1 500 [godina], s bujičnih slivova glasi:

( ) A h g 2 L 0.3 - H 0 22. - 15.0 H K K R Q slddvtfmax Δ=

gdje nova oznaka Hd [m] označava visinu maksimalne dnevne bujične kiše (kiše visine preko 30 [mm]) određenog povratnog razdoblja, PR [godina]. VELIKE VODE

Pod pojmom «velika voda» podrazumijeva se jedno od karakterističnih stanja vodnog režima koje je posljedica naglog dizanja razine vode, odnosno kada se na vodotocima javljaju tzv. poplavni vodni valovi. Pri pojavi takvih valova količine vode u vodotocima naglo se povećavaju do velikih protoka i zatim opadaju do srednjih odnosno niskih voda. Naglo povećanje razina vode u vodotocima izaziva plavljenje okolnog terena pri čemu se najviše dosegnut protok (vodostaj) zove velika voda – to u stvari predstavlja maksimalnu ordinatu na hidrogramu (nivogramu). Izlijevanje vode iz vodotoka duž priobalnog terena naziva se poplavom.

Uzroci pojave velikih voda mogu biti: 1. Jake kiše posljedica kojih ovisi o njihovoj jačini, rasprostiranju,

trajanju i pravcu kretanja. 2. Topljenje nagomilanog snijega. 3. Uslijed rušenja prethodno odronom stvorenih brana. 4. Uslijed rušenja izgrađenih brana ili nasipa. 5. Uslijed pogrešnog rukovanja pokretnim ustavama na branama. 6. Uslijed promjene vodnog režima na pritokama i stvaranja

umjetne koincidencije pojave voda na glavnom vodotoku i pritokama.

7. Uslijed formiranja ledenih barijera na rijekama. 8. Uslijed zaustavljanja i nagomilavanja drveća zbog nedovoljne

propusnosti mostova i sl. 9. Uslijed pojave vjetra na ušćima većih rijeka i mora (sa utjecajem

plime) i dr.

Od svih navedenih uzroka najvažnije su kiše koje obično dolaze u kombinaciji sa još nekim uzrokom pojave velikih voda (kod nas to je obično pojava naglog topljenja snijega), mada niti druge uzroke ne treba podcjenjivati.

13

Poznavanje velikih voda neophodno je pri dimenzioniranju hidrotehničkih objekata i to sa stanovišta ekonomičnosti i sigurnosti. Podcijenjene velike vode i po njima izvršeno dimenzioniranje hidrotehničkih objekata, dovodi do plavljenja i rušenja objekata i sa njima drugih nepovoljnih posljedica. Precijenjene velike vode imaju za posljedicu rasipanje sredstava (zbog predimenzioniranih hidrotehničkih objekata). Za potrebe dimenzioniranja hidrotehničkih objekata, u smislu propuštanja velike vode, mjerodavan je vrh poplavnog vala (maksimalni protok). Kada želimo odrediti utjecaj akumulacija ili korita vodotoka na transformaciju vodnog vala, mjerodavan je oblik hidrograma maksimalnih protoka. Kako se hidrotehnički objekti dimenzioniraju sa ciljem osiguranja nizvodnog područja, određivanje mjerodavne vrijednosti velike vode svodi se na definiranje maksimalne protoke i oblika hidrograma velikog vodnog vala koji odgovara nekoj vjerojatnosti pojave, odnosno povratnom periodu.

Metode za proračun mjerodavne velike vode u ovisnosti o raspoloživosti

podataka osmatranja i mjerenja, mogu se podijeliti na: a) Metode proračuna velike vode na hidrološki izučenim profilima. b) Metode za proračun velike vode na hidrološki nedovoljno neizučenim

profilima. c) Metode za proračun velike vode na hidrološki neizučenim profilima.

Pod pojmom hidrološki izučeni profil, podrazumijeva se profil rijeke, gdje

postoje dovoljno duge serije mjerenja vodostaja i protoka. Obično su to serije duže od 15-20 godina.

PRORAČUN MAKSIMALNIH PROTOKA NA HIDROLOŠKI IZUČENIM PROFILIMA

Pod pojmom maksimalni godišnji protoci podrazumijeva se vrijednost

maksimalnih protoka nekog vodotoka na određenom profilu tijekom kalendarske godine. Tako formirana serija predstavlja osnovu za sve dalje analize maksimalnih protoka. Te se analize temelje na praktičnoj primjeni teorije matematičke statistike i teorije vjerojatnosti pojave. Formirana vremenska serija mora predstavljati populaciju razmatranog procesa u cjelini, mora biti homogena i članovi vremenske serije moraju biti slučajne veličine. Pored toga primjena teorije vjerojatnosti zahtjeva da u strukturi razmatrane slučajne promjenjive ne dolazi do naglih odnosno postupnih promjena statističkih pokazatelja, koji definiraju slučajnu promjenjivu.

14

Reprezentativnost serije maksimalnih godišnjih vrijednosti protoka Polazeći od pretpostavke da serija maksimalnih protoka predstavlja realizaciju stohastičkog procesa prije praktičkog korištenja iste, neophodno je prethodno ispitati njenu statističku strukturu, u smislu identifikacije razdoblja malih i velikih voda.

Pri tome se koristi najjednostavnija procedura definiranja modulnih odstupanja od srednje vrijednosti, ili se praktično primjenjuje spektralna teorija slučajnih procesa. Za dužinu reprezentativne serije usvaja se ono razdoblje koje obuhvaća dva ili više puna ciklusa. Pri tome treba imati u vidu da jedan pun ciklus obuhvaća oba razdoblja – sušno i kišno. S druge strane reprezentativna vremenska serija mora biti takve dužine da sadrži pouzdane statističke parametre. Neophodno je da relativna srednja kvadratna odstupanja statističkih parametara ne budu veća od 10 %, što se računa:

- za srednju vrijednost

100*nQ

σσ =

- za koeficijent varijacije

100*12

2⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛+= v

vC c

nc

vσ

- za koeficijent asimetrije

100*)561( 42vvC cc

ns++=

σσ

gdje su:

Q = srednja vrijednost serije maksimalnih godišnjih protoka Qmax

σ = standardna devijacija serija Qmax Cv = koeficijent varijacije serija Qmax

Cs = koeficijent asimetrije serije Qmax

n = ukupan broj članova serije Qmax

15

Vremenska serija može se smatrati reprezentativnom ako obuhvaća bar dva puna ciklusa i ako relativne srednje greške prikazanih parametara (maksimalnih protoka) zadovoljavaju postavljeni uvjet.

Empirijske funkcije raspodjele Empirijska funkcija raspodjele P*(x) slučajno promjenjive X, predstavlja

zakon promjene učestalosti događaja X>x u razmatranom slučajnom uzorku:

NmppxXpxP ==>= * a *;)(*)(* gdje je:

p* = učestalost događaja empirijske funkcije X>x m = broj elemenata u slučajnom uzorku koji zadovoljavaju uvjet X>x N = ukupna veličina uzorka

Empirijska funkcija raspodjele računa se neposredno na osnovu

kronološkog niza podataka (članova vremenske serije) koji su međusobno nezavisni. U praksi je uobičajeno da se članovi vremenske serije najprije urede po padajućim vrijednostima. Za proračun empirijske vjerojatnosti u hidrološkoj se praksi koriste slijedeće približne formule:

- Hazena

NmPm

5,0* −=

- Weibula

1*

+=

NmPm

- Čegodajeva

4,03,0*

+−

=NmPm

- Aleksijeva

5,025,0*

+−

=NmPm

16

Povratni period m-tog člana u nizu izračuna se:

*

1

mm P

T =

Dimenzija povratnog perioda ovisi o načinu formiranja osnovne serije slučajne promjenjive. Ako je serija formirana korištenjem samo jednog podatka u godini (npr. max. god. protok), tada se povratni period izražava u godinama. Povratni period označava prosječni interval vremena unutar kojega se, sa vjerojatnošću P(x), ocjenjuje da će slučajna promjenjiva X biti jedanput veća od x. Tako npr. ako vjerojatnost slučajne promjenjive X, iznosi P (x) = 0,02, povratni period je:

godinaxP

xT 5002,01

)(1)( ===

Za određivanje teorijskih vrijednosti maksimalnih godišnjih protoka određene vrijednosti pojave u praksi se vrši prilagođavanje teorijskih funkcija raspodjele empirijskim podacima. Najčešće se koriste slijedeće teorijske funkcije raspodjele slučajne promjenjive X: normalna, Log-normalna, Gumbelova, Pirson III i Log Pirson III zakoni raspodjele. Numerička rješenja funkcija raspodjele uglavnom su dana tablično. PRORAČUN MAKSIMALNIH PROTOKA NA HIDROLOŠKI NEDOVOLJNO IZUČENIM SLIVOVIMA Proračun maksimalnih protoka vode na hidrološki nedovoljno izučenim slivovima zasniva se na analizi svih raspoloživih hidrometeoroloških mjerenih podataka kako na analziranom slivu, tako i na susjednim, analognim slivovima. Ovisno od dužine i obima sistematskih hidrometeoroloških osmatranja na vodotoku, proračun maksimalnih protoka voda može se vršiti: - objedinjavanjem pojedinih parametara velikih voda sa više hidroloških

stanica - uključivanjem više maksimuma pojavljenih u razdoblju osmatranja - koristeći hidrometerološke podatke u razdoblju osmatranja na danom profilu i

slivu, primjenjujući teoriju jediničnog hidrograma. Napominje se, da su hidrološka osmatranja, bez obzira na njihovu dužinu, dragocjeni fond informacija sa sliva koja mogu dati prvu sliku o procesima

17

otjecanja koji se događaju u slivu. Na organizaciji tih osmatranja uvijek treba inzistirati, jer organizacija i vršenje ovih osmatranja daleko manje košta nego greške u hidrološkim proračunima. PRORAČUN VELIKIH VODA NA SLIVOVIMA BEZ HIDROLOŠKIH OSMATRANJA Proračun elemenata velikih voda ima svoja bitna obilježja ovisno od tome da li na danom vodotoku postoje sustavna hidrološka osmatranja ili ne. U slučaju kada hidrološka osmatranja ne postoje, proračun velikih voda se vrši primjenom različitih metoda koje su zasnovane na teorijskim predstavama o procesima formiranja otjecanja. Kako su ovi procesi veoma složeni i ovise o mnogobrojnim faktorima, proračun velikih voda na slivovima bez hidroloških osmatranja, u načelu se mogu podijeliti na dvije osnovne grupe. 1. Metode koje su zasnovane na teorijskim predstavama o procesima formiranja

otjecanja na padini sliva i u koritu rijeka, tj. metode zasnovane na genetičkoj formuli otjecanja (teoriji izokona).

2. Metode koje se zasnivaju na korištenju empirijskih ovisnih glavnih elemenata otjecanja i faktora koji ga uslovljavaju.

Zbog složenosti hidroloških procesa, u praksi se obično koristi jednostavan prikaz formiranja otjecanja iz kojeg, za proračun velikih voda, proizlazi racionalna metoda (granični intenzitet otjecanja) i metoda jediničnog hidrograma. Druga grupa metoda, u najvećem broju slučajeva, ima redukcijski karakter i predstavljaju redukciju maksimalnog modula otjecanja sa uvećanjem površine sliva ili vremena dotjecanja. Primjena jedne ili druge grupe metoda nije jasno definirana, ali se može reći da za slivove F<50-100 km2, odnosno manje slivove, metode bazirane na genetičkoj teoriji otjecanja imaju značajnu prednost.

18

Metoda SCS (Soil Conservation Servise) Suglasno metodi SCS, realni hidrogram se može aproksimirati trokutom. Polazeći od jednakosti zapremina oteklih voda i efektivnih kiša, sintetički jedinični hidrogram u obliku trokuta definiran je slijedećim parametrima: - vršnom ordinatom, koja je funkcija površine sliva F i vremena površinskog

otjecanja Tb.

[ ] /mm/sm T

F0,556U 3

bmax

⋅=

- vremenom površinskog otjecanja

Tb = TP + K TP = TP (1 + K) gdje je:

TP – vrijeme porasta vodnog vala

2TtT k

PP +=

Tk – trajanje kiše, tP – vrijeme “zakašnjenja” sliva

Koeficijent oblika sliva K, predstavlja odnos vremena retardacije i porasta hidrograma

P

k

TTK =

Za potrebe proračuna neophodno je na osnovu podataka sa hidrološki izučenih slivova ustanoviti regionalne zavisnosti između vrijednosti koef. oblika sliva K i odgovarajućih morfoloških i fizičkih karakteristika sliva. Vrijeme “zakašnjenja” sliva tP predstavlja ključni parametar jediničnog hidrograma i obično se smatralo konstantnim za zadani sliv. Međutim novija istraživanja pokazala su da ono ovisi o trajanju kiše i da se može izraziti kao

tP = a Tk + t0

Parametar “a” malo varira i može se dovesti u vezu sa površinom sliva, tj. a = f(F) (za F 20 km2 a = 0,30; za F 40 km2 a = 0,34; za F 60 km2 a = 0,39; za F 100 km2 a = 0,49; za F 140 km2 a = 0,60 itd.).

19

Parametar t0, koji se može shvatiti kao vrijeme “zakašnjenja” trenutnog jediničnog hidrograma ovisi o topografskim karakteristikama sliva. Između nekoliko ispitanih ovisnosti na slivovima, rijeke Mirne i Vučice, najbolje rezultate su dale ovisnosti:

0,47

0

0,086c0,6

0

IL1,06t

ILLL0,4t

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛⋅=

⎟⎠

⎞⎜⎝

⎛ ⋅⋅⋅=

- gdje je L, Lc – dužina glavnog toka, odnosno rastojanje težišta sliva do profila u km, - I – prosječni pad glavnog toka [%]. Na kraju se može reći da i ostali postupci koji se koriste za određivanje sistetičkog jediničnog hidrograma baziraju se na sličnim principima. Iz istog razloga, prilikom proračuna velikih voda primjenom sintetičkog jediničnog hidrograma treba biti veoma oprezan, pa je samim tim daleko bolje i učinkovitije organizirati na dotičnom vodotoku privremena osmatranja i mjerenja u cilju dobivanja pouzdanijeg jediničnog hidrograma na analiziranom slivu. Postoji još velik broj metoda koje se koriste za proračun maks. protoka: racionalna, metoda Kresnika, metoda Srebrenovića, metoda jediničnog hidrograma i dr. i nijednu ne treba odbaciti niti usvojiti kao posebno lošu ili posebno dobru, već ih treba metodološki ispravno koristiti. Potrebno je istaknuti da - pri proračunu maksimalnih protoka na

nedovoljno izučenim i neizučenim slivovima nikako se ne smije pristupiti

jednostavnom «intuitivnom usvajanju parametara» određene metode

pomoću literature, pogotovo ako su oni određeni za druga područja ili se

nalaze u literaturi. U tom slučaju postoji opasnost kojoj su izloženi

nedovoljno iskusni inženjeri i hidrotehničari pri primjeni spomenutih

metoda, jer one u sebi kriju veliku opasnost ako im se parametri intuitivno

usvoje (bez dovoljne kritičke ocjene) što može značajno utjecati na dobiveni

rezultat.

20

5. REŽIM NANOSA U BUJIČNOM SLIVU

Nastanak vučenog i lebdećeg nanosa u prirodnim, pa prema tome i bujičnim slivovima, i njenog pronos koritom vodotoka je rezultat erozijskih procesa, prvenstveno pluvijalne i fluvijalne erozije.

Stoga se opći intenzitet erozije može odrediti iz pronosa nanosa kroz jedan ili više hidrometrijskih profila prirodnih vodotoka ili određivanjem volumena zasipavanja nanosom prirodnih ili umjetnih jezera i akumulacija.

U dosadašnjim je tumačenjima istaknuto kako je pronos nanosa vrlo promjenjiva osobina vodotoka, koji se mijenja s dubinom vode u vodotoku, s intenzitetom kiše, kao i s geometrijskim karakteristikama riječnog korita.

Na temelju usporednog motrenja protoka i pronosa nanosa na hidrometrijskim profilima kroz višegodišnje razdoblje mogu se preciznije odrediti količine vučenog i lebdećeg nanosa i njihov međuodnos u ovisnosti od uzdužnog pada korita, karakterističnih visina oborina (prvenstveno maksimalnih dnevnih i godišnjih) i stupnja ugroženosti sliva erozijom.

Pri tome treba napomenuti da je kod bujičnih tokova vrlo često teško uočiti odvojeno vučeni i lebdeći nanos, jer se kod jako bujičnih vodotoka koritom može pronositi kašasta masa od blata i kamenja. Poneki stjenski blokovi, volumena i do nekoliko kubnih metara, mogu biti u kašastoj masi transportirani na veliku udaljenost.

Zbog poteškoća kojima je redovito praćeno mjerenje nanosa, što je posebno svojstveno bujičnom nanosu, u inžinjerskoj se praksi definiranje režima ove vrste nanosa obično provodi prema empirijskim izrazima pojedinih autora, npr. Herheulidzea (1947), Poljakova (1948) i Sokolovskog (1952).

Pri tome, dakako, treba biti oprezan s primjenom tih izraza, jer su oni uglavnom nastali proučavanjem režima bujičnog nanosa nekog konkretnog bujičnog sliva ili erozijskog područja i, prema tome, nemaju univerzalnu primjenu.

Za naše se prilike može upotrijebiti Gavrilovićev (1972) izraz za proračun prosječne godišnje produkcije vučenog i lebdećeg nanosa, Nup [m3], na nekom bujičnom slivu ili erozijskom području. Izraz je oblika:

3ekgup K T HA N π=

gdje su, uz prethodno uvedene oznake:

21

Tk - temperaturni koeficijent, definiran izrazom:

0.1 10T

T gk +=

⎯Tg - srednja godišnja temperatura zraka bujičnog sliva, [oC],

⎯Hg - srednja godišnja visina oborina, [mm].

Izraz je dobiven na osnovi višegodišnjih terenskih i laboratorijskih istraživanja, a u teorijskom je smislu temeljen na količini nanosa po potencijalu erozije.

Istaknimo da njegovom primjenom dobijemo količinu nanosa koja prosječno godišnje nastane na bujičnom slivu ili erozijskom području. Ova je činjenica važna stoga što erozijski nanos koji nastane ne dospijeva na ušće bujičnog sliva u cjelokupnoj količini. Veći dio od godišnje produkcije erozijskog nanosa zauvijek ostane u uvalama, pukotinama i raznim udubljenjima, pa često puta ne dospijeva ni u sporedna korita bujičnog toka.

Tako npr. istraživanja u bujičnim područjima rijeka Reine i Rhone pokazuju da je godišnja produkcija erozijskog nanosa i do pet puta veća od količine nanosa koja prosječno dospijeva na ušće bujičnog sliva i njegov recipijent.

Zato je, kao posljedica nastojanja da se razluči pojam (1) produkcije erozijskog nanosa od pojma (2) volumena (pronosa) nanosa koji dospjeva na određeni hidromaterijski profil, uveden koeficijent zadržavanja (koeficijent retencije), Kr. Ovim se koeficijentom umanjuje količina prosječno godišnje nastalog nanosa na jednom bujičnom slivu ili erozijskom području u odnosu na mjesto (hidrometrijski profil) mjerenja godišnjeg pronosa nanosa.

Dakle, množenjem prije navedenog izraza s koeficijentom Kr dobije se prosječni godišnji pronos (volumen) vučenog i lebdećeg nanosa, Nu [m3], na promatranom hidrometrijskom profilu, tj.:

Nu = Kr Nup

gdje je koeficijent zadržavanja definiran izrazom:

( )10 L 25.0h O

K slslr +

Δ=

U gornjem izrazu je značenje pojedinih oznaka kao i u prethodnim izrazima, s dimenzioniranom iznimkom koja se sastoji u tome da srednju visinsku razliku sliva, Δhsl, treba uvrstiti u [km].

22

6. KARTE EROZIJE BUJIČNOG SLIVA

Kao krajnji rezultat prethodnih analiza izrađuju se karte erozije nekog bujičnog sliva ili erozijskog područja.

Na osnovi srednje vrijednosti koeficijenata erozije, Ke, i srednje godišnje područje nanosa, Nup, mogu se sve geomorfološko – hidrografske jedinice u bujičnom slivu ili erozijskom području podijeliti u slijedećih pet kategorija:

(I) Područje pretjerane erozije. Ovdje se svrstavaju površine zahvaćene procesima erozije dubinskog tipa (teška jaružasta erozija i urvinska erozija najtežeg tipa) s prosječnom godišnjom količinom nanosa iznad 4 000 do 5 000 [m3 km-2] i procesima erozije površinskog tipa (osulinska erozija, jaka brazdasta erozija, jaka erozija krša i jaka slojevita erozija) s prosječnom godišnjom količinom nanosa iznad 3 000 [m3 km-2].

(II) Područje jake erozije. U ovu se kategoriju svrstavaju površine zahvaćene procesima dubinske erozije (jaružasta erozija, brazdasta erozija i urvinska erozija (odroni, soliflukcije, klizanja osrednje jačine)) s prosječnom godišnjom količinom nanosa od 2 000 do 3 000 [m3 km-2] i procesima površinske erozije (raspadine, manje brazde, goleti) s prosječnom godišnjom količinom nanosa od 1 500 do 2 500 [m3 km-2].

(III) Područje srednje erozije. Tu se svrstavaju područja zahvaćena erozijskim procesima dubinskog tipa (brazde i jaružice osrednjeg stupnja razvoja, manje soliflukcije i odroni ) s prosječnom godišnjom količinom nanosa od 1 200 do 1 500 [m3 km-2] i površinskom erozijom s prosječnom godišnjom količinom nanosa od 1 000 do 1 200 [m3 km-2].

(IV) Područje slabe erozije. Ovako se svrstavaju dijelovi bujičnog sliva ili erozijskog područja s mješovitim (dubinskim i površinskim) erozijskim procesima, kao i sve dobro njegovane oranice. Kod terena pod pašnjacima i pod šumom tu pripadaju degradirani pašnjaci i zapuštene (nemeliorirane) šikare, kao i sječom devastirane šume, pod uvjetom da na tim terenima nama mnogo jaruga i soliflukcijskih pojava. Prosječna godišnja količina nanosa kreće se od 500 do 1 000 [m3 km-2].

(V) Područje vrlo slabe erozije . Ovamo se svrstavaju sva relativno očuvana tla u dolinama (oranice, vrtovi, livade, pašnjaci i voćnjaci), kao i dobro održavane šume i šikare. Prosječna godišnja količina nanosa kreće se od 80 do 500 [m3 km-

2].

Rekognosciranjem buičnog sliva ili erozijskog područja mogu se odrediti grube granice jačine erozije. Pri tome mogu vrlo korisno poslužiti foto i video snimci terena.

23

7. SUSTAVI ZA UREĐENJE BUJIČNIH TOKOVA

Prilikom borbe protiv erozije i zaštite od bujičnih poplava primjenjuje se više sustava kod kojih se zapravo radi o specijalnoj kombinaciji protuerozijskih radova i mjera (hidrotehnički, šumsko-tehnički i agrotehnički radovi, te ekonomske, administrativne, prosvjetno – odgojne i propagandne mjere) s kojima se utječe na određeni bujični sliv ili erozijsko područje.

U suvremenoj inženjerskoj praksi ističu se slijedeći sustavi za uređenje bujičnih tokova:

(1) Klasični europski sustav. Glavne osobine klasičnog europskog sustava sadržane su u podizanju sustava kamenih pregrada u koritima bujičnih tokova i pošumljavanju slivnog područja, uz mjestimičnu melioraciju zapuštenih šuma, šikara i pašnjaka.

Pregrade su obično deponijskog tipa i podižu se u bujičnim koritima gdje postoje povoljni uvjeti za zadržavanje većih količina nanosa. Na strmijim se oranicama provodi terasiranje.

Teorijska osnova za projektiranje sustava pregrada sadržana je u pojmu pada izjednačenja, Iiz, koji je definiran empirijskim izrazom:

( )R C K 03.0

b K - I 22b

nfniz ρ

ρρ=

gdje su:

ρn - gustoća mase bujičnog nanosa, [kg m-3],

Kf - koeficijent trenja, koji se obično uzima s vrijednošću 0.76,

bn - najdulja dimenzija zrna nanosa, [m],

Kb - koeficijent bujičnosti vode, [m3 kg-1], definiran izrazom:

( )1- n 11 K

bb ρ+=

nb - volumenski odnos bujičnog nanosa u jedinici volumena bujične vode, a u odnosu na volumen istaloženog nanosa poslije 24 [h] u boci volumena 1 [l],

C - Chezyjev koeficijent, [m1/2 s-1],

R - hidraulički radijus, [m].

24

Prema ovako definiranom padu izjednačenja određuje se za svaki potez korita bujičnog toka ukupan broj pregrada i njihova visina.

Klasični europski sustav redovito obuhvaća i regulaciju korita, odnosno kinetiranje donjih tokova bujičnog sliva. Regulacije korita mogu biti vrlo različite, ali im je skoro redovita osobina da su izvedene u krutim, u poprečnom smislu pravokutnim ili trapeznim profilima, a da su u uzdužnom smislu izvedene u obliku pravih kineta ili kanala, bez vođenja računa o prirodnom hodu bujičnog toka.

U klasične europske sustave obavezno ulaze i šumsko – agrotehnički radovi za uređenje šireg slivnog područja, te niz administrativnih mjera.

Nedostatak je europskog sistema što se u bujičnom slivu i koritu događaju česte i nagle promjene, kako u pogledu otjecanja tako i u pogledu veličine, odnosno srednje dimenzije bujičnog nanosa. To zahtjeva stalno podizanje novih (sekundarnih i tercijarnih) pregrada.

(2) Francuski sustav. Ovaj se sustav uređenja bujica prvenstveno sastoji u frontalnoj izgradnji na više poteza u koritu vodotoka niskih, kamenih pregrada ovalnog potočnog profila.

Bujični sliv također treba dodatno sanirati šumsko – agrotehničkim radovima (pošumljavanjem, melioracijama pašnjaka), te administrativnim mjerama (zabranom oranja uz i niz brdo i zabranom držanja prekobrojne stoke). Eksploatacija šuma mora biti također maksimalno regulirana.

Za razliku od europskog sustava, pregrade se u koritu ne podižu prema padu izjednačenja, već prema padu projektiranja, Ip, koji se obično uzima za 1/2 do 1/3 manji od prirodnog pada korita. Visina pregrada je obično 1 do 2 [m] (najviše 3 do 4 [m]), pri čemu naročitu pažnju treba posvetiti uređenju odrona, popuzina i klizišta, gdje se provodi odgovarajuće dreniranje i grade (vodo)odvodni kanali.

Ovaj je sistem relativno lagan za izvođenje. Međutim, efikasnost mu ne odgovara svim uvjetima bujičnih tokova, a naročito tamo gdje se radi o velikim količinama erozijskog nanosa i velikim količinama bujične vode.

(3) Njemački sustav. Ovaj sustav uređenja bujica neposredno proizlazi iz klasičnog europskog sustava, s razlikom što se bazira na relativno visokim pregradama u bujičnim koritima, koje su, suprotno francuskom sustavu, oštrih pravocrtnih formi protočnih profila. Ovakvom se vrstom građevina nastoje zadržati znatne količine erozijskog nanosa i uspostaviti što dulji potez uravnoteženog pada korita.

25

Velike količine nanosa koje se zadrže na spomenutim objektima služe ujedno i kao retencije za znatne količine voda koje dotječu pri naglom topljenju snijega, što je posebno značajno za alpske krajeve.

Bujični se sliv također sanira pošumljavanjem ogoljelih površina i uređenjem šumskog i degradiranog poljoprivrednog zemljišta.

Nedostatak je ovog sustava što nizvodno od visokih pregrada dolazi do produbljivanja bujičnog korita, tako da je potrebno poduzeti odgovarajuće radove za fiksiranje pojedinih poprečnih profila. Ovo se najčešće postiže izgradnjom niskih objekata – pragova. Osim toga, pošto su pregrade relativno visoke građevine, u trenutku njihovog eventualnog rušenja (prilikom nadolaska katastrofalno velikih bujičnih voda) dolazi do poplava na nizvodnim djelovima sliva.

(4) Ruski sustav ili sustav protuerozijske organizacije teritorije. Kod ovog se sustava borba protiv bujica provodi primjenom svih uvodno nabrojenih protuerozijskih radova i mjera.

U tom se cilju bujični sliv dijeli na karakteristična područja:

(a) hidrografsko područje – pojas sliva neposredno uz korito glavnog bujičnog toka i njegovih pritoka,

(b) dohidrografsko područje – pojas neposredno iznad hidrografske mreže glavnog bujičnog toka i njegovih pritoka,

(c) vododjelničko područje – pojas iznad dohidrografske zone do same vododjelnice bujičnog sliva.

Za svako od ovih područja predviđaju se različiti antierozijski radovi i mjere:

(a) u hidrografskom području se izvode radovi na uređenju korita bujičnog toka i pošumljavaju priobalnih pojaseva,

26

(b) u dohidrografskom području se stvaraju pašnjaci, uzgajaju višegodišnje poljoprivredne kulture (voćnjaci, vinogradi, malinjaci) i vrše obimne šumske i poljoprivredne melioracije,

(c) u vododjelničkom području se najčešće prednost daje melioracijama planinskih pašnjaka i šikara, uzgoju ratarskih kultura, te ubrzanom razvoju stočarstva i podizanju stočarskih farmi.

(5) Talijanski sustav ili sustav brdskih bonifikacija. Ovaj se sustav sastoji u nastojanju da se svaki dio bujičnog sliva podvrgne pravilnom poljoprivrednom, šumskom i vodoprivrednom korištenju. Tla zahvaćena najjačom erozijom pretvaraju se ponajprije u pašnjake, jer se smatra kako je pravilna organizacija stočarstva ujedno i najrentabilnije korištenje erozijskih područja.

Naredna se prednost daje kulturama voćnjaka i vinograda, s tim da se na uskim terasama često zasijavaju i druge kulture, kao npr. povrće. Pri tome se ne zaboravlja zaštitni vegetacijski pokrivač na svim najogoljenijim mjestima, koji ujedno služi i kao vatrozaštitni pojas.

Iz lokalnih izvora i mikroslivova ili izgradnjom manjih umjetnih brdskih jezeraca navodnjavaju se uzgajane poljoprivredne kulture.

(6) Američki sustav ili sustav integralnih melioracija. Osnovnu karakteristiku ovog sustava čini promjena integralnog uređenja bujičnog sliva. Stoga je američki sustav povezan s detaljnim proučavanjem svih uvjeta u bujičnom slivu, počevši od detaljnog izučavanja vegetacijskog pokrivača, tla, sadašnjeg stanja privrede i navika stanovništva, pa sve do najsitnijih detalja o mogućnostima svrsishodnog preuređenja i upotrebe tla i voda, te zapošljavanja stanovništva u bujičnim područjima.

Naročita se pažnja posvećuje i daje prednost uređenju vodnog režima i očuvanju prirode, uz maksimalno korištenje mogućnosti za uzgoj šuma, poljoprivrednih kultura, podizanje i unapređenje stočarstva, ribarstva, turizma i rekreacije.

(7) Sustav s procjednim pregradama. Ovaj je sustav zasnovan na načelu da se u koritima bujičnih tokova izrađuju posebne pregrade građevine, visine do 2 [m], s procjednim otvorima, a u slivnom području zidići protiv ispiranja tla.

Pregrade zadržavaju znatne količine nanosa, dok se zidićima provodi melioracija najugroženijih padina od erozije i bujičnih voda.

(8) Retardacijski sustav. Sastoji se u izgradnji tvz. šupljih brana (s velikim otvorima) u buj. koritima i (vodo)odvodnih reterdacijskih kanala u buj. slivu.

Zadatak je ovih objekata da podijele bujični poplavni val u više dijelova koji nizvodno otječu nejednakih brzina, što onda sigurno dovodi do ublažavanja razorne snage poplavnog vala.

27