Folyó-hullámtér konnektivitás értékelése kétdimenziós hidrodinamikai modellezés alapján

Vivien  Füstös; Tibor ERŐS; János Józsa

doi:10.59258/hk.12331

Füstös Vivien Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest https://orcid.org/0009-0000-1886-5254
ERŐS Tibor Eötvös Loránd Kutatási Hálózat, Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, Tihany https://orcid.org/0000-0002-2252-3115
Józsa János Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3. https://orcid.org/0000-0001-7119-7697

Kulcsszavak: Élőhely-hidraulika, utófeldolgozás, keresztirányú átjárhatóság, mellék- és holtágak, összehasonlítás

Absztrakt

A Gemenci-erdő és Béda-Karapancsa területek hullámterei nagy kiterjedésük okán (is) kiemelt természeti értéket képviselnek. A Duna és a mellékágak mederszintjei között az elmúlt időszak süllyedési és feltöltődési folyamatai nyomán egyre nő a különbség, ami beavatkozás nélkül súlyos ökológiai következményeket vetít előre. Egy átfogó morfodinamikai kutatás keretében célul tűztük ki a jelen állapot felmérését, majd erre alapozva javaslatot teszünk egy hosszútávon fenntartható állapotra. A kutatás köztes lépésében ismertetjük a hidrodinamikai modellek első eredményeit, példát hozunk a keresztirányú átjárhatóság (laterális konnektivitás) értékelésére. Bemutatjuk az árvízi kockázatkezelésből ismert vízmélység-vízsebesség alapú besorolási rendszert, amely jelen alkalmazásában jól megfeleltethető a szubjektív besoroláson alapuló potamális osztályozás típusainak. A modell a további, részletes terepi felmérések adatain alapulóan finomításra szorul. Azonban a bemutatott módszertan segíthet a jelen állapot értékelésében és fontos információval szolgál jövőbeni hatásvizsgálatok alapozásához, mind hidrodinamikai, mind ökológiai vonatkozásban.

Szerző életrajzok

Füstös Vivien, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék, Budapest

FÜSTÖS VIVIEN okleveles infrastruktúra-építőmérnök, jelenleg PhD-tanulmányait folytatja a Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskolában. Kutatási témája a folyami élőhelyek hidromorfológiai vizsgálata mikro- és mezoléptékben. 2017 óta a Magyar Hidrológiai Társaság tagja.

ERŐS Tibor, Eötvös Loránd Kutatási Hálózat, Balatoni Limnológiai Kutatóintézet, Tihany

ERŐS TIBOR biológus, 2005-ben szerzett PhD fokozatot az Eötvös Loránd Tudományegyetemen. Jelenleg az ELKH Balatoni Limnológiai Kutatóintézet igazgatója. Kutatási területe: halegyüttesek szerveződése édesvizekben, biológiai sokféleség és a környezeti tényezők kapcsolata édesvizekben, mintavétel reprezentativitása, monitorozó rendszerek fejlesztése, természetvédelmi területek kijelölése édesvizek természeti értékei alapján. 1999 óta a Magyar Hidrológiai Társaság tagja.

Józsa János, Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, 1111 Budapest, Műegyetem rkp. 3.

JÓZSA JÁNOS okleveles építőmérnök, professzor, a BME rektor emeritusa, az MTA rendes tagja, az MTA Műszaki Tudományok Osztályának elnöke. Kutatási területe a sekély felszíni vizek hidrodinamikája: határfelületi folyamatok, szél keltette tavi víz- és üledékmozgás mérése és numerikus modellezése, hullámteres vízfolyások áramlási, elkeveredési és hordalékvándorlási folyamatainak mérése és modellezése, ártéri elöntések modellezése. A Hidrológiai Közlöny szerkesztőbizottságának tagja.

Hivatkozások

Albert, C., Brillinger, M., Guerrero, P., Gottwald, S., Henze, J., Schmidt, S., Ott, E., Schröter, B. (2021). Planning nature-based solutions: Principles, steps, and insights. Ambio, 50. pp. 1446-1461. https://doi.org/10.1007/s13280-020-01365-1

ADUVIZIG (Alsó-Duna-völgyi Vízügyi Igazgatóság) 2022. évi dunai hajóút-kitűzési terve (2022). https://tinyurl.com/aduvizig (Megtekintés: 2023. január 18.)

Amoros, C., Roux, A.L. (1988). Interaction between water bodies within the floodplains of large rivers: function and development of connectivity. Münstersche Geographische Arbeiten, 29. pp. 125-130.

Bakonyi P., Krámer T., Józsa J. (1999). Ártéri öblözetek töltésszakadást követő elöntési folyamatainak modellezése: I. A folyó és a szakadási szelvény modellje. Hidrológiai Közlöny 79(4). pp. 227-233.

Baranya S., Muste, M., Abraham, D., Pratt, T.C. (2016). Acoustic Mapping Velocimetry (AMV) for in-situ bedload transport estimation. In: River Flow. CRC Press, pp. 1-7. ISBN 978-1-138-02913-2 https://doi.org/10.1201/9781315644479-247

Beechie, T.J., Sear, D.A., Olden, J.D., Pess, G.R., Buffington, J.M., Moir, H., Roni, P., Pollock, M.M. (2010). Process-based Principles for Restoring River Ecosystems. BioScience, 60(3). pp. 209-222. https://doi.org/10.1525/bio.2010.60.3.7

Berger, R.C., Tate, J. N., Brown, G. L., Savant, G. (2010). Adaptive Hydraulics – Users’ Manual. U.S. Army Engineer Research and Development Center (ERDC) Coastal and Hydraulics Laboratory.

Carrara, F., Altermatt, F., Rodriguez-Iturbe, I., Rinaldo, A. (2012). Dendritic connectivity controls biodiversity patterns in experimental metacommunities. Proceedings of the National Academy of Sciences of the United States of America, 109(15). pp. 5761-5766. https://doi.org/10.1073/pnas.1119651109

Chen, X., Chen, L., Zhao, J., Yu, Z. (2015). Modeling the hydrodynamic interactions between the main channel and the floodplain at McCarran Ranch in the lower Truckee River, Nevada. Natural Hazards and Earth System Sciences, 15. pp. 2161-2172. https://doi.org/10.5194/nhess-15-2161-2015

Chen, X., Chen, L., Stone, M. C., Acharya, K. (2020). Assessing connectivity between the river channel and floodplains during high flows using hydrodynamic modeling and particle tracking analysis. Journal of Hydrology 583: 124609. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.124609

Erős T., Bányai Zs. (2020). Sparing and sharing land for maintaining the multifunctionality of large floodplain rivers. Science of the Total Environment, 728: 138441. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2020.138441

Farkas-Iványi K., Trájer A. (2015). The Influence of the River Regulations on the Aquatic Habitats in River Danube, at the Bodak Branch-System, Hungary and Slovakia. Carpathian Journal of Earth and Environmental Sciences, 10(3). pp. 235-245.

Freshwater Ecology adatbázis. https://tinyurl.com/fwecology (Megtekinté: 2023. január 17.)

Füstös V., Baranya S., Fleit G., Erős T., Szalóky Z., Tóth B., Józsa J. (2019). A felső‐magyarországi Duna élőhelyszempontú hidrodinamikai vizsgálata. Pisces Hungarici, 13. pp. 81-90.

Füstös V., Erős T., Józsa J. (2021). 2D vs. 3D Numerical Approaches for Fish Habitat Evaluation of a Large River-Is 2D Modeling Sufficient? Periodica Polytechnica – Civil Engineering, 65(4). pp. 1114-1125. https://doi.org/10.3311/PPci.17788

Füstös V., Sály P., Szalóky Z., Tóth B., Vitál Z., Specziár A., Fleit G., Baranya S., Józsa J., Erős T. (2022). Effects of a nuclear power plant warmwater outflow on environmental conditions and fish assemblages in a very large river (the Danube, Hungary). Ecohydrology, e2512. https://doi.org/10.1002/eco.2512

Gabriel, E., Fagg, G.E., Bosilca, G., Angskun, T., Dongarra, J J., Squyres, J.M., Sahay, V., Kambadur, P., Barrett, B., Lumsdaine, A., Castain, R.H., Daniel, D. J., Graham, R.L., Woodall, T.S. (2004). Open MPI: Goals, Concept, and Design of a Next Generation MPI Implementation. In: Proceedings, 11th European PVM/MPI Users' Group Meeting, Budapest, Hungary, September 2004. https://doi.org/10.1007/978-3-540-30218-6_19

Gilbert, J. T., Wilcox, A. C. (2020). Sediment routing and floodplain exchange (SeRFE): A spatially explicit model of sediment balance and connectivity through river networks. Journal of Advances in Modeling Earth Systems, 12: e2020MS002048. https://doi.org/10.1029/2020MS002048

Goda L., Kalocsa B., Tamás E.A. (2007). River bed erosion on the Hungarian section of the Danube. Journal of Environmental Science for Sustainable Society, 1. pp. 47-54. https://doi.org/10.3107/jesss.1.47

Guida, R.J., Swanson, T.L., Remo, J.W.F., Kiss T. (2015). Strategic floodplain reconnection for the Lower Tisza River, Hungary: Opportunities for flood-height reduction and floodplain-wetland reconnection. Journal of Hydrology, 521. pp. 274-285. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2014.11.080

Habersack, H., Hein, T., Stanica, A., Liska, I., Mair, R., Jäger, E., Hauer, C., Bradley, C. (2016). Challenges of river basin management: Current status of, and prospects for, the River Danube from a river engineering perspective. Science of the Total Environment, 543. pp. 828-845.

Harka Á., Sallai Z. (2004). Magyarország halfaunája. Szarvas, Nimfea Természetvédelmi Egyesület.

Hauer, C., Mandlburger, G., Habersack, H. (2008). Hydraulically related hydro-morphological units: description based on a new conceptual Mesohabitat Evaluation Model (MEM) using LiDAR data as geometric input. River Research and Applications, 25. pp. 29-47. https://doi.org/10.1002/rra.1083

Ijjas I., Kern K., Kovács Gy. (szerk.) (2010). Feasibility Study: The Rehabilitation of the Szigetköz Reach of the Danube. – Report, Ministry of Environment and Water, Budapest, pp. 184-189.

Inskip P.D. (1982). Habitat suitability index models: northern pike. U.S. Department of the Interior, Fish and Wildlife Service, FWS/OBS-82/10.17.

Junk, W.J., Bayley, P. B., Sparks, R.E. (1989). The Flood Pulse Concept in River–Floodplain Systems. In: Dodge, D. P. (ed.) Proceedings of the International Large River Symposium (LARS). Canadian Special Publication of Fisheries and Aquatic Sciences 106. pp. 110-127.

Kalocsa B., Zsuffa I. (1997). A Duna magyar szakaszának vízállásváltozásai. Hidrológiai Közlöny, 77(4) . pp. 183-192.

Kalocsa B., Tamás E. A. (2002). A Duna-Dráva Nemzeti Park természetvédelmi kezelési terv tervezetének vizes fejezete.

Kondolf, G.M., Boulton, A.J., O'Daniel, S., Poole, G. C., Rahel, F J., Stanley, E.H., Wohl, E., Bång, A., Carlstrom, J., Cristoni, C., Huber, H., Koljonen, S., Louhi, P., Nakamura, K. (2006). Process-based ecological river restoration: visualizing three-dimensional connectivity and dynamic vectors to recover lost linkages. Ecology and Society, 11(2). p. 5. https://doi.org/10.5751/ES-01747-110205

Krámer T., Józsa J., Bakonyi P. (1999). Ártéri öblözetek töltésszakadást követő elöntési folyamatainak modellezése: II. Az ártéri modell. Hidrológiai Közlöny 79(4). pp. 234-239.

Láng I. (2017). Teret a folyóknak! A nagyvízi mederkezelés szerepe a hazai árvízvédelemben. Biztosítás és Kockázat, IV(2) . pp. 42-59. https://doi.org/10.18530/BK.2017.2.42

Lasne, E., Lek, S., Laffaille, P. (2007). Patterns in fish assemblages in the Loire floodplain: The role of hydrological connectivity and implications for conservation. Biological Conservation, 139. pp. 258-268. https://doi.org/10.1016/j.biocon.2007.07.002

Li, Y., Zhang, Q., Rui, Y., Yao, J., Tan, Z. (2018). 3D hydrodynamic investigation of thermal regime in a large river-lake-floodplain system (Poyang Lake, China). Journal of Hydrology, 567. pp. 86-101. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2018.10.007

Liang, D., Lu, J., Chen, X., Liu, C., Lin, J. (2020). An investigation of the hydrological influence on the distribution and transition of wetland cover in a complex lake–floodplain system using time-series remote sensing and hydrodynamic simulation. Journal of Hydrology, 587: 125038. https://doi.org/10.1016/j.jhydrol.2020.125038

Maaß, A.L., Schüttrumpf, H. (2019). Reactivation of Floodplains in River Restorations: Long‐Term Implications on the Mobility of Floodplain Sediment Deposits. Water Resources Research, 55. pp. 8178-8196. https://doi.org/10.1029/2019WR024983

Magyarország vízgyűjtő-gazdálkodási tervének második felülvizsgálata (2021). https://vizeink.hu/vgt/ Megtekintés: 2023. január 25.

McAlpin, T.O., Sharp, J.A., Scott, S.H., Savant, G. (2013). Habitat Restoration and Flood Control Protection in the Kissimmee River. Wetlands, 33. pp. 551-560. https://doi.org/10.1007/s13157-013-0412-2

Molnár S. (2021). A magyarországi alsó-Duna élőhely szempontú helyreállításának modellvizsgálata. BSc diplomamunka. Budapesti Műszaki és Gazdaságtudományi Egyetem, Építőmérnöki Kar, Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék. p. 86.

Morales-Hernández, M., García-Navarro, P., Burguete, J., Brufau, P. (2013). A conservative strategy to couple 1D and 2D models for shallow water flow simulation. Computers & Fluids, 81. pp. 26-44. https://doi.org/10.1016/j.compfluid.2013.04.001

Nagy J., Kiss T. (2016). Hydrological and morphological changes of the Lower Danube near Mohács, Hungary. Journal of Environmental Geography, 9(1-2). pp. 1-6. https://doi.org/10.1515/jengeo-2016-0001

Potyó I., Guti G. (2011). Folyami élőhelyek várható változásainak elemzése 1D hidrológiai modell segítségével. Halászatfejlesztés, 33. pp. 69-76.

Pringle, C. (2003). What is hydrologic connectivity and why is it ecologically important? Hydrological Processes, 17. pp. 2685-2689. https://doi.org/10.1002/hyp.5145

Rättich, M., Martinis, S., Wieland, M. (2020). Automatic Flood Duration Estimation Based on Multi-Sensor Satellite Data. Remote Sensing 12(4). p. 643. https://doi.org/10.3390/rs12040643

Schöll K., Kiss A., Dinka M., Ágoston-Szabó E., Schmidt A., Fehér G., Berczik Á. (2009). A gemenci hullámtér víztereinek hidrobiológiai különbségei (Duna-Dráva Nemzeti Park). MHT XXVII. Országos Vándorgyűlés, 2009. július 1-3. Baja.

Shao X., Fang, Y., Jawitz, J.W., Yan, J., Cui, B. (2019). River network connectivity and fish diversity. Science of the Total Environment, 689. pp. 21-30. https://doi.org/10.1016/j.scitotenv.2019.06.340

Szalóky Z., Füstös V., Tóth B., Erős T. (2021) Environmental drivers of benthic fish assemblages and fish‐habitat associations in offshore areas of a very large river. River Research and Applications, 37(5). pp. 712-721. https://doi.org/10.1002/rra.3793

Tamás E.A., Buzetzky Gy., Eichhardt G., Kalocsa B., Sziebert J., Szlávik L., Tornyai G., Varga A., Virágh L., Zellei L. (2010). Ártéri vizes élőhely-rendszerek rekonstrukciós tervezésének tapasztalatai Gemenc és Béda-Karapancsa példáján. MHT XXVIII. Országos Vándorgyűlés, 2010. július 7-9. Sopron.

Tena, A., Piégay, H., Seignemartin, G., Barra, A., Berger, J.F., Mourier, B., Winiarski, T. (2020). Cumulative effects of channel correction and regulation on floodplain terrestrialisation patterns and connectivity. Geomorphology, 354. 107034. https://doi.org/10.1016/j.geomorph.2020.107034

Teng, J., Vaze, J., Dutta, D., Marvanek, S. (2015). Rapid Inundation Modelling in Large Floodplains Using LiDAR DEM. Water Resources Management, 29. pp. 2619-2636. https://doi.org/10.1007/s11269-015-0960-8

Timbadiya, P.V., Krishnamraju, K.M. (2022). A 2D hydrodynamic model for river flood prediction in a coastal floodplain. Natural Hazards. In press. https://doi.org/10.1007/s11069-022-05587-2

U.S. Fish and Wildlife Service (1985). Habitat suitability models and instream flow suitability curves: pink salmon. Biological report, 10.109.

UTIBER KFT. – VIZITERV CONSULT KFT. – BME Konzorcium (2021). Dunai Hajóút Fejlesztési Program. II. szakasz (Szob – déli országhatár). Stratégiai Környezeti Vizsgálat, Környezeti Értékelés.

VITUKI Hungary – BME Konzorcium (2013). A Duna mértékadó árvízszintjeinek felülvizsgálata. Kutatási jelentés.

VIZITERV Environ Kft. (2021). Az előzetes árvízi kockázatbecslés, veszély- és kockázati térképek, a kockázatkezelési tervek első felülvizsgálata. Alsó-Duna tervezési terület összefoglalója.

Ward, J.V., Stanford, J.A. (1995). Ecological Connectivity in Alluvial River Ecosystems and its Disruption by Flow Regulation. Regulated Rivers: Research & Management, 11. pp. 105-119. https://doi.org/10.1002/rrr.3450110109

Zsuffa I. (1993). A gemenci erdő revitalizációjának vízimérnöki munkái. Hidrológiai Közlöny, 73(1). pp. 53-56.