KAKO DELUJE VODA V STRUGI REKE?
prof. dr. Mihael Brenčič
Ali ste vedeli, da je dinamika tekočin in s tem tudi vode zadnje nerešeno vprašanje klasične fizike, to je mehanike? V dobi, ko je fizika prodrla v skrivnosti subatomskih delcev in ko je le še vprašanje časa, da bomo začeli uporabljati kvantne računalnike, še vedno v celoti ne poznamo obnašanja tekočin. Tudi vode kot kemijske spojine še vedno ne. Skorajda ne mine dan, ko se v znanstveni literaturi ne bi pojavil kakšen članek, ki nam odkriva njene, do sedaj še neznane lastnosti. Voda in tudi ostale tekočine so še vedno zagonetne. Kljub temu pa znanost in stroka zelo dobro razumeta, kako se voda obnaša v strugah vodotokov, potokov in rek. To področje preučuje hidrodinamika vodotokov, katere rezultate se nato uporablja pri urejanju rek in potokov, žal pa ta dognanja vse premalo izkoriščamo za njihovo varovanje in za uvajanje na naravi temelječih rešitev.
Slika 1: Idilična podoba počasi tekoče reke Radovne pozimi na območju Krnice. (foto: Mihael Brenčič)
Ključ za razumevanje toka rek je vodna bilanca, enostaven koncept, ki predstavlja osnovo za večino zapletenih hidrodinamskih enačb. Malce v šali bi lahko to opisali kot koncept polnega lonca, kolikor vode nalijemo v lonec, toliko vode iz lonca izlijemo. Morda pa nekdo poreče, da temu ni tako. Če lonec postavimo na štedilnik in ga segrejemo, bo čez čas v njem manj vode kot na začetku. Drži, zaradi tega bo del vode izhlapel, če pa bo zavrela, pa izparel. Tudi ta voda ne izgine kar tako, njen volumen znamo natančno izmeriti. Tudi v naravi je izhlapela voda pomemben del vodne bilance, ki jo merimo, ali še pogosteje skušamo oceniti s pomočjo različnih fizikalnih enačb. Toda pri poplavah je del vode, ki izhlapi, zanemarljivo majhen v primerjavi s količinami vode, ki se valijo po strugah.
Slika 2: Klasična vodomerna lata na dnu suhe struge. (foto: Mihael Brenčič)
Količine vode v strugah so odvisne od padavin, in kakor smo videli v začetku avgusta 2023, visoke in intenzivne padavine povzročijo tudi intenzivne poplave. Višje so padavine, višje so poplave, čeprav ta odnos ni premočrten in je odvisen od številnih dejavnikov. Med poplavami lahko z dokaj veliko natančnostjo govorimo o tem, da toliko vode, kot jo pade s padavinami na površje, tudi odteče. To pomeni, da mora struga vodotoka navzdol prenesti toliko vode, kot jo je padlo v njegovem porečju. Vzdolž toka se količine vode v strugi povečujejo, to je predvsem zaradi tega, kar se z dolžino poti proti izlivu povečuje število njenih pritokov, pa tudi površina tal, ki se drenirajo vanj, je vedno večja.
Količino vode v strugah merimo, in če tega ne bi počeli, ne bi vedeli, kako se reka obnaša, prav tako pa ne bi imeli ničesar, s čemer bi načrtovali naše preventivne in obrambne ukrepe pred visokimi vodami. V večini primerov na rekah merimo pretočne višine, to je nadmorsko višino, do katere sega voda v reki ob določenem času. Za to obstajajo različne metode, najstarejša in najenostavnejša je vodomerna lata, deska, na kateri je vgravirana merska skala, lata pa je vgrajena v strugo in vpeta v geodetski koordinatni sistem, zato da lahko natančno odčitamo nadmorsko višino (slika 2). Čeprav imamo danes na razpolago bolj ali manj sofisticirane elektronske metode za meritve, je vsaka državna vodomerna postaja še vedno opremljena z vodomernimi latami. Pogosto je tako, da je ob visokih pretokih, ko nastopijo poplave, to edina zanesljiva meritev, vse ostale metode pa odpovedo. Pretočne višine so pomembne za zasledovanje poplavnih višin, vendar pa samo s pomočjo teh meritev ne moremo izračunati prostorninskih pretokov vode, to je prostornine, ki skozi strugo steče v določeni časovni enoti. Ta je najpogosteje izražena z enotami m3/s (kubičnimi metri na sekundo) ali pri nižjih prostorninskih pretokih z L/s (litri na sekundo). Zato da pretočne višine pretvorimo v prostorninske pretoke, potrebujemo pretočno krivuljo. To je matematična enačba, ki podaja odnos med pretočno višino reke in njenim prostorninskim pretokom. Kako takšno krivuljo dobimo? Z eno od alternativnih metod izmerimo pretok in istočasno izmerimo pretočno višino (slika 3). To večkrat ponovimo in nato postavimo enačbo. Določanje pretočnih krivulj je ena od najpomembnejših nalog državne hidrološke službe, ki jo v Sloveniji opravlja Agencija za okolje – ARSO.
Slika 3: Meritve pretokov s hidrometričnim krilom za določitev pretočne krivulje. (foto: Mihael Brenčič)
Tako, sedaj smo izmerili pretoke. Zelo pomembna spremenljivka tekoče vode v strugi je tudi njena hitrost. Tudi za te meritve imamo danes na voljo alternativne metode, lahko pa nanje sklepamo tudi posredno s pomočjo pretoka. Morda se bo laičnemu očesu zdelo, da je najvišja hitrost reke na površini na njeni sredini, in da je hitrost enakomerno porazdeljena po njenem celotnem profilu, vendar ni tako. Najvišje hitrosti se vedno nahajajo pod površino reke, kje natančno, pa je odvisno od geometrije njenega prečnega preseka ter od tega, kakšna je oblikovanost njene struge. V strokovni latovščini rečemo, da je struga hrapava, če je zelo neenakomerne oblike in z veliko ovirami, na primer z balvani ali zarastjo struge, če pa imamo opraviti z betonsko strugo, pa govorimo o gladki strugi. Povsem jasno je, da v gladki strugi voda teče in odteče hitreje kot v hrapavi.
Hitrost toka vode v strugi je tesno povezana z njeno transportno in erozijsko sposobnostjo. Višjo hitrost bo imela, več sedimenta in plavja bo lahko voda nosila s seboj, prav tako bo voda z višjo hitrostjo imela višjo erozijsko moč. Hitrost toka vode v strugi je tesno povezana z vlečnimi silami, višje bodo hitrosti, višje bodo tudi vlečne sile. Če stojimo ob strugi, v kateri divja voda, lahko slišimo močno bobnenje, ki ga ne ustvarja le voda, ampak tudi ves sediment, ki ga reka vleče s seboj in se kotali po dnu. Pri visokih vodnih stanjih, pri hitrostih nekaj metrov na sekundo, lahko voda za seboj vleče nekaj metrov široke kamnite balvane (slika 4). In ko vode upadejo, se pogosto čudimo, kaj vse je voda prestavila in prenesla. Moč hitro tekoče vode je izjemna, pogosto nepredstavljiva.
Slika 4: Voda gore premika – balvani v strugi Tržiške Bistrice. (foto: Mihael Brenčič)
Na porazdelitev hitrosti toka vode v strugah zelo vpliva tudi njihova prostorska lega, zavoji, okljuki in meandri. Na zunanji strani zavoja je hitrost toka višja, kot na notranji, zato ima na zunanji strani tudi višjo erozoijsko moč, na notranji strani pa pogosto odlaga sediment, ki ga je prinesla s seboj. In kot smo videli že pred tem, se zaradi tega od enega brega do drugega spreminjajo tudi vlečne sile, ki vladajo v njej.
Če smo se do sedaj dotaknili predvsem porazdelitve hitrosti prečno na smer toka reke, si zdaj še oglejmo, kako je z njenimi hitrostmi vzdolž toka, vzdolž poteka struge. Oglejmo si to na primeru odseka struge, kjer ni nobenih pritokov, to pomeni, da se njen prostorninski pretok vzdolž toka ne spreminja. Tam, kjer bo struga širša, bodo hitrosti nižje, in tam, kjer bo struga ožja, bodo hitrosti višje. Zaradi zožitve pa se bo pri višjih hitrostih nekoliko dvignila tudi njena gladina.
Kjer gladina reke prosto niha in se razliva po strugi sem in tja, govorimo o toku s prosto gladino. V rekah, ki so premoščene z mostovi, pa se lahko ob visokih vodah pojavi tudi drugačen tok, ki je značilen za tok vode v ceveh, takšen tok poimenujemo tok s tlačno višino. Ob avgustovskih poplavah leta 2023 smo videli, da je poplavna voda poškodovala ali podrla številne mostove (slika 5). Voda deluje podobno kot slovenske avtoceste, ko je presežena pretočna kapaciteta, začne zastajati, gladina vode nad mostom se prične dvigovati. V prometu so to prometni zastoji ali prometni zamaški.[a]
Slika 5: Most na Viru pri Domžalah, poškodovan zaradi zastajanja plavja. (foto: Vesna Mislej)
Kapaciteta prepusta pod mostom je za tok vode omejena, še zlasti, če se njegov prečni presek zmanjša zaradi zabitih hlodov, tako kot se je to dogajalo na Savinji, Kamniški Bistrici in Meži. Vendar se pri tem dogodi še nekaj, ob zožitvi, ki jo predstavlja prepust pod mostom, se zaradi podobnega učinka, kot smo ga opisali predhodno, močno poveča hitrost toka vode. Vse dokler je pod mostom še prosta gladina reke, se med dvigovanjem hitrost zelo povečuje, šele ko je prepust povsem zalit, se naraščanje hitrosti vode upočasni, ker voda zastaja nad mostom. Zaradi tega se pod mostovi pojavijo visoke vlečne sile, ki pogosto spodjejo njihove stebrne opore v koritu reke. V avgustovskih poplavah smo videli nič koliko poškodovanih mostnih opor.
Med ljudskimi pregovori bomo našli številne na temo tega, da si voda vedno najde pot. Prav to smo lahko med avgustovskimi poplavami videli pri zastajanju vode za mostovi. Ti so postali delno prepustni jezovi, voda, ki ni mogla odteči po strugi, je začela iskati drugo pot. Ker je veliko vodotokov reguliranih, je voda ob zaplavljanju in prelivanju poiskala svoje stare struge, ki pa so danes pozidane. Zaradi tega obtekanja se je na številnih mestih zgodilo, da je erodirala in spodnašala stavbe prelita voda, in ne voda v sicer utrjeni strugi.
Tudi pri avgustovskih poplavah se je izkazalo, da se je voda za vse nepremišljene in samovoljne posege v strugo maščevala. Pri nepremišljenih in divjih zožitvah in pri različno visokih nasipih se je voda ravnala po svojih zakonitostih, spreminjala je hitrost in smer svojega toka, s tem pa tudi svojo transportno in erozijsko moč.
Pri poplavah niso pomembne le pretočne višine in prostorninski pretoki. Pri tako visokih vodah, kot smo jim bili priča v avgustu 2023, igra pomemben vpliv tudi oblika poplavnega vala in njegova celotna prostornina. Morda bi to najlažje opisali s trajanjem poplave. Če je poplava dolga, potem je prostornina poplave mnogo večja kot pri kratkotrajni poplavi. Prostornina poplave pa je tudi tesno povezana s tem, koliko časa se voda na nekem območju zadrži.
Poplavni val potuje po strugi reke, vzdolž toka se neprestano spreminja. Če je njegova oblika v povirnem delu relativno kratka in je pretok visok, pa se vzdolž toka poplavni val plošči, vršni pretoki se zmanjšujejo, hitrost naraščanja pretokov se zmanjšuje, trajanje poplavnega vala pa se podaljšuje. Zato lega naselij glede na tok reke pomembno vpliva na njihovo poplavno ogroženost. Vse to se je odražalo prav pri razvoju avgustovske poplave v Savinjski dolini.
Tok vode v strugah rek ima še številne druge lastnosti, ki se jih v našem zapisu nismo niti dotaknili. Ne glede na to, ali imamo opravka z nizkovodnim ali visokovodnim stanjem vode v strugi reke, je obnašanje vode v njej zapleteno, ne podcenjujmo je.
[a] Čeprav je videti kot šaljiva primera, imata prometni tok in tok vode v strugah veliko skupnih lastnosti. Eden od alternativnih pristopov k matematično fizikalnemu modeliranju toka tekočin, ki mu pravimo Lagrangeov princip, temelji na tem, da tekočino opišemo kot množico delcev.
