Vásárhelyi Pál Építőmérnöki és Földtudományi Doktori Iskola 

Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszék

Témavezetők: Dr. Baranya Sándor

Folyami hajózás áramlástani és ökológiai hatásának vizsgálata

A kutatási téma néhány soros bemutatása

A kutatás keretein belül a hajók keltette partközeli hullámzás áramlástani, ezen keresztül pedig az élőhelyekre gyakorolt hatásait vizsgáljuk folyami környezetben. A hajók keltette hullámzás kedvezőtlen hatással lehet a mederfenéken élő makroszkopikus élőlényekre, például apró rákokra vagy halikrákra. Az összekapcsolt hidraulikai és ökológiai kutatásokat összefoglaló néven öko- vagy élőhely-hidraulikának nevezzük, mely egy gyerekcipőben járó, de nemzetközi szinten is gyorsan fejlődő interdiszciplináris kutatási irány, ahol különböző tudományterületek szakértőinek szoros együttműködésére van szükség.

A kutatóhely rövid bemutatása

A kutatási téma gondozásának lehetőségét a BME Vízépítési és Vízgazdálkodási Tanszéke biztosítja. Jól felszerelt, modern műszerparkja biztosítja a hajók keltette hullámzások áramlástani hatásának lehető legszélesebb körű, nemzetközi színvonalú terepi vizsgálatát. Az egyetem szuperszámítógépe (Superman) lehetőséget nyújt emellett a kapcsolódó jelenségek részletes számítógépes vizsgálataira is.

A kutatás történetének, tágabb kontextusának bemutatása

Bár a hajózás napjaink egyik legkörnyezetkímélőbb utazási és teherszállítási formája, kedvezőtlen hatásai mégsem hagyhatók figyelmen kívül. A hajócsavarokkal ütköző vízi élőlények mechanikai sérüléseket szenvednek el [1], míg a különböző üzemanyag- és olajszennyezések a vízminőségre lehetnek káros hatással [2]. A hajóhullámok kedvezőtlen hatását a mederfenéken, illetve annak közvetlen környezetében található élőlényekre már felismerték a témát gondozó biológusok és ökológusok, azonban a jelenség számszerű értékelése (pl. a hullámok hatására elsodort egyedek száma a hajó- és áramlási jellemzők függvényében) hazai szinten egyáltalán nem, de nemzetközi szinten is csak nagyon korlátozottan került kidolgozásra (pl. [3-5]).

A hullámzás hatására megnövekedő áramlási sebességek a mederfenéken, vagy annak közelében élő élőlényeket (pl. makrogerinctelenek, halivadékok, halikrák stb.) le- illetve elmoshatják természetes élőhelyükről, melyek így olyan területekre sodródhatnak, ahol túlélési esélyük zérushoz közeli (pl. nagy áramlási sebességű területek, vagy éppen a part). A hullámok következtében a part közelében felkeveredő finomhordalék hatással lehet a vizuális úton tájékozódó halfajokra, a zavaros vízben a növényi táplálékok mennyisége is csökkenhet a fény behatolási mélységének csökkenésével.

A különböző fizikai és biológiai paraméterek egymásra hatása miatt világos, hogy ezen interdiszciplináris kutatási téma sikeres művelése megköveteli a kapcsolódó tudományágak szoros együttműködését, amely irányában hazai szinten az MTA Duna-kutató Intézet és a Duna-Ipoly Nemzeti Park ökológus és biológus szakembereivel már körvonalazódik egy együttműködés.

A felszíni vizek és a hozzájuk köthető ökoszisztémák állapotértékelését, megóvását és javítását nem lehet túlhangsúlyozni; elég az EU Víz Keretirányelvének, vagy az MTA-n formálódó Nemzeti Víztudományi Kutatási Programjának célkitűzéseire gondolni.

A kutatás célja, a megválaszolandó kérdések

A kutatás célja egyrészt kidolgozni egy olyan terepi mérési-, adatfeldolgozási- és számítógépes modellezési módszertant, mely biztosítja a hajóhullámokhoz köthető áramlástani és morfodinamikai hatások részletes, kvantitatív vizsgálatát, másrészt, hogy a hidraulikai hatások megértésén keresztül közelebb kerülhessünk azok ökológiai következményeihez is.

Mérnöki szempontból tehát alapvető kérdés, hogy milyen eszközökkel/eljárásokkal, a hajók keltette hullámzáshoz köthető milyen fizikai paraméterek számszerűsítésére van lehetőségünk, és miként. Szerencsére megfelelő számban rendelkezésünkre állnak modern, jellemzően akusztikus elven működő áramlásmérő valamint nyomásmérő műszerek, melyek a legfontosabb hidrodinamikai paraméterek közvetlen terepi mérésére kínálnak lehetőséget. Így a fő kérdés tehát a nagy idő- és térbeli felbontású adatsorok megfelelő utófeldolgozása, hogy a hajóhullámok hatásait számos különböző szempont szerint értékelhessük és osztályozhassuk, ezzel elősegítve a hidraulikai és ökológiai paraméterek közötti kapcsolatok feltárását.

A terepi mérések emellett kiemelten hozzájárulnak a számítógépes modellépítéshez, melyekkel ki nem mért, vagy ki nem mérhető (pl. jövőbeli, vagy múltbeli) állapotok is vizsgálhatóvá válnak. Természetesen fontos tisztában lenni azzal, hogy egy adott jelenség milyen modelleszközzel vizsgálható hitelesen, illetve, hogy az egyes szoftverekre milyen korlátok vonatkoznak. Vizsgálataink során a norvég NTNU egyetemen fejlesztett szoftver [6] alkalmasságát teszteljük különböző hullámzáshoz köthető komplex jelenségek diszkrét leírására (pl. megtörő hullámok szimulációja, vagy a hullámzás okozta hordalék-felkeveredés számszerűsítése).

Módszerek

A kutatás fő pillérét a terepen végzett hullámzásmérések adják. Egy-egy expedíciószerű mérés során jellemzően egy teljes napra kitelepülve, a folyópartról végzünk hullámzásméréseket. Nyomásmérő műszerekkel nagy időbeli felbontással (8-16 Hz) a part közelében rögzítjük az elhaladó hajók keltette hullámzás hatására kialakuló hidrodinamikai nyomásviszonyokat. A nyomásmérések diszkrét Fourier-transzformációval meghatározott spektruma alapján lehetőség van a több komponensből összetevődő, irreguláris hullámok vizsgálatára, továbbá számszerű becslést adhatunk a jellemző hullámparaméterek (pl. hullámmagasság, periódusidő, stb.) időbeli változására is. A nyomásadatsorok biztosítják továbbá a peremfeltételeket a numerikus áramlási modellek számára is.

1.     ábra - Terepi mérőműszer elrendezés

 

Akusztikus Doppler-elvű sebességmérő műszerekkel (ADV) pontbeli, háromdimenziós áramlási sebességek nagy időfelbontású (8-25 Hz) rögzítésére van lehetőség. Ezen mérési eredmények akár már önmagukban is alkalmasak ökohidraulikai következtetések levonására, pl.: ha a mért sebességek tartósan meghaladják az vizsgálati területre jellemző halivadékok megiramodási sebességét (sebesség, amivel rövid ideig maximálisan úszni képesek), akkor prognosztizálható azok elsodródása. A sebességek és a különböző hullámparaméterek időbeli változásának ismeretében számszerűsíthető továbbá a mederfenék és a közvetlenül fölötte lévő vízréteg között kialakuló nyírófeszültség (ún. fenék-csúsztatófeszültség), mely a mederfenéken élő makrogerinctelen élőlények kapaszkodási képességével hozható összefüggésbe. A fenék-csúsztatófeszültség jól jellemzi továbbá az áramlás parteróziós potenciálját, valamint hordalék-felkeverő képességét is. Mindezeken felül a sebességadatsorok jó ellenőrző adatot biztosítanak a számítógépes modellek számára.

2. ábra - Szárnyashajó által keltett hullámzás hatására kialakuló partvonalra merőleges mederközeli áramlási sebességek idősora a parttól különböző távolságokban

 

A part közelébe érkező és ott megtörő hullámok nagy felbontású kamerával (GoPro) is rögzítésre kerülnek. Egy modern képfeldolgozási módszer (Large-Scale Particle Image Velocimetry, LSPIV [7]) újszerű alkalmazásával lehetőség van a part közelében, a hullámzás hatására kialakuló felszíni áramlási sebességek becslésére. Az eljárás lényege, hogy az algoritmus képes azonosítani és követni bizonyos mintázatokat (jelen esetben a hullámfrontokat és az azok megtörésekor keletkező habot) a videofelvétel egymást követő képkockáin, így ezen foltok haladási sebessége, vagyis a vízfelszínen kialakuló áramlási sebességeloszlás meghatározható olyan zónákban is, ahol más módszer nehezen vagy egyáltalán nem alkalmazható az időleges szárazra kerülés miatt.

A terepen gyűjtött adatokat felhasználva számítógépes modelleket építünk, melyekkel újabb lépéssel közelebb kerülhetünk a hidrodinamikai jelenségek megértéséhez. A part közelében transzformálódó hullámok pontos leírására csak a legmodernebb numerikus hidraulikai megoldások alkalmasak: magasrendű diszkretizációs sémákat és megfelelő szabadfelszín-számítási módszert magában foglaló modelleszköz használata tehát kulcsfontosságú. A nyomásadatsorokkal peremfeltételezett modell esetén, ha a számítások jó közelítéssel képesek az azonos időszakban mért sebességek reprodukálására, a modellt igazoltnak tekinthetjük. Egy igazolt modellel ezután lehetőség van ki nem mért állapotok vizsgálatára is, pl. egy partvédő mű beépítésének hatásvizsgálatára, vagy akár más vízjárás állapotok vizsgálatára is.

Eddigi eredmények

A mért nyomásadatsorok spektrumának geometriai jellemzői alapján lehetőség van különböző, a vizsgált időszakra jellemző hullámparaméterek számszerűsítésére. Az egyes hajók elhaladása következtében kialakuló 10-15 perces hullámeseményeket rövidebb, 1 perces szakaszokra bontva meghatározható a hajóhullámok időbeli változékonysága is. Ezt szemlélteti a következő ábra, ahol a szignifikáns hullámmagasság és a periódusidő időbeli változását láthatjuk különböző időpontokban elhaladt hajók esetén.

3. ábra - Szignifikáns hullámmagasság és periódusidő időbeli változása különböző időben elhaladt hajók által keltett hullámesemények esetén

 

Az LSPIV módszerrel feldolgozott videofelvételek alapján a vízfelszínen kialakuló, időben dinamikusan változó, horizontális áramlási sebességeloszlások számszerűsítését végeztük el. A sebességeloszlások alapján – némi egyszerűsítésekkel élve – lehetőség van a megtörő hullámok hatására kialakuló fenék-csúsztatófeszültség becslésére, melynek jelentősége korábban meg lett említve.

4. ábra - LSPIV módszerrel számított felszíni áramlási sebességek part közelében megtörő hullámok esetén.

 

A terepi mérések alapján különböző léptékű számítógépes modellek felépítésére van lehetőség. Egy kis léptékű, de nagy részletességű, kétdimenziós szeletmodellel például a partvonalra merőleges metszetben vizsgálhatjuk a part közelébe érkező hullámok transzformációját, valamint a megtörő hullámok dinamikáját. Az 5. ábrán egy hullám megtörésének fázisai láthatók 0,1 másodperces időlépéssel. Belátható, hogy a jelenségek ilyen részletes mégis átfogó vizsgálata terepi mérőműszerekkel nem volna lehetséges. A hullám megtörése következtében kialakuló szabadfelszín aláhúzza a modern numerikus matematikai módszerek alkalmazásának szükségességét.

5. ábra – Kis léptékű modell - Megtörő hullámok szimulációja egy kétdimenziós szeletmodellel a REEF3D numerikus megoldóval. A víz a partirányú áramlási sebességkomponens nagysága szerint került színezésre.

 

Egy nagy léptékű, kevésbé részletgazdag modellel megvizsgálhatjuk egy tervezett folyószabályozási beavatkozás, pl. egy a hullámzást mérséklő kavicspad építésének hatását a hajózáshoz köthető áramlásokra, így akár számszerűsíthetővé is válhat, hogy az milyen mértékben képes javítani a partközeli vizes élőhelyek minőségét.

6. ábra – Nagy léptékű modell - Hullámzás kedvezőtlen hatását mérséklő kavicspad körüli áramlás három-dimenziós szimulációja. A vízfelszín saját szintje szerint került színezésre.

 

Várható impakt, további kutatás

A kutatás jelenlegi fázisában felsorakoztattuk a jelenségek vizsgálatára alkalmas mérési-, adatfeldolgozási- és számítógépes modellezési módszereket. A jövőben biológus szakértőkkel való együttműködés (pl. közös terepi mérések végzése) eredményeként nemzetközi szinten is újszerű, a folyami élőhely-hidraulika szempontjából jelentős kutatási eredmények várhatók.

A kutatás végeredménye egy olyan módszertan kifejlesztése, mellyel számszerűsíthetővé válik a különböző méretű, alakú, merülésű és sebességű hajókhoz köthető hullámzás áramlástani és ökológiai hatása mely akár – a gazdasági érdekeket is figyelembe vevő – természetvédelmi célú hajózási sebességkorlátozások bevezetését irányozhatja elő, amitől hosszútávon nagy folyóink ökológiai állapotának javulását, a biodiverzitás növekedését remélhetjük.

Saját publikációk, hivatkozások

Kapcsolódó saját publikációk listája:

Fleit G., Baranya S., Török G. T., Józsa J. (2015): Élőhely szempontú folyószabályozás megalapozása korszerű hidromorfológiai adatelemzéssel. Hidrológiai Közlöny 95(5-6):22-25.

Fleit G., Baranya S., Krámer T., Józsa J. (2015): Hajók keltette hullámzás hatásának terepi feltárása a litorális zónában. Hidrológiai Közlöny 95(3):29-36.

Fleit G., Baranya S., Rühter N., Bihs H., Krámer T., Józsa J. (2016): Investigation of the Effects of Ship Induced Waves on the Littoral Zone with Field Measurements and CFD Modeling. WATER 8:(7) Paper 300. 21 old.

Fleit G. (2017): Élőhely-hidraulikai vizsgálatok a Dunán: Tudomány a sodrásban. Élet és Tudomány 72(11):326-328. old.

Tóth B., Sevcsik A., Baranya S., Fleit G., Józsa J. (2015): Élőhely-átalakítás tervezése a Dunán (1776 fkm) - hullámzástól védett parti zóna kialakítása két sarkantyú térségében. Konferencia poszter, XI. Magyar Haltani Konferencia, Debrecen, 2015. június 26-27.

 

Hivatkozások listája:

[1] Bulte G., Carriere M.A., Bluin-Demers G. (2010): Impact of recreational power boating on two populations of northern map turtles (Graptemys  geographica). Aquat. Conserv.-Mar. Freshw. Ecosyst, 20, 31-38. Old.

[2] Jackivic T.P., Kuzminsk L.N. (1973): Effects of Interaction of Outboard Motors with Aquatic Environment—Review. Environ. Res., 6,436–454. old.

[3] Gabel F. (2012): Impacts of Ship-Induced Waves on Benthic Macroinvertebrates. Ph.D. Thesis, Landwirtschaftlich-Gärtnerischen Fakultät der Humboldt-Universität zu Berlin, Berlin, Németország, 2012.

[4] Liedermann M., Tritthart M., Hoyer H., Schludermann E., Keckeis H., Habersack, H. (2009): Effects of vessel-induced waves on different bank types and their impact on the 0+ fish fauna. In Proceedings of the 7th International Symposium on Ecohydraulics & 8th International Conference on Hydroinformatics, Concepcion, Chile, 2009. Január 12–16.

[5] Liedermann M., Tritthart M., Gmeiner P., Hinterleitner M., Schludermann E., Keckeis H., Habersack H. (2014): Typification of vessel-induced waves and their interaction with different bank types, including management implications for river restoration projects. Hydrobiologia 729, 17–31. old.

[6] Bihs H., Kamath A., Alagan Chella M., Aggarwal A., Arntsen Ø.A. (2016): A New Level Set Numerical Wave Tank with Improved Density Interpolation for Complex Wave Hydrodynamics, Computers & Fluids, 140. kötet, 191-208. old.

[7] Muste M., Fujita I., Hauet A. (2008): Large-scale particle image velocimetry for measurements in riverine environments, Water Resour. Res., 44, W00D19.