Έρευνα της κοκκομετρικής διαβάθμισης των πεδινών κινητών πυθμένων του χειμάρρου Βρασνών

Abstract

The reason to carry out my doctoralthesis was my relation with the flooding problem of “Vrasna” torrent due to the huge flooding devastations from which was made clear that the main cause of the size and intensity of torrent’s flooding water-stereo-supply during the flood on 06-08.10.2006 was and still is the enormous bi-morphic transported amount of debris material resulting to the increase of the entire flooding situation. The results of the present research are a first integrated effort of recording, analyzing and evaluating the per spacerating of transported debris of a standard (typical) greek torrent at coastal zone. There search was conducted in the Vrasna torrent which is well-known for its flooding riskiness and the stereo-transportation dynamics in the Municipal Unity of Volvi Municipality. The Vrasna torrent consists of two major branches which formits mountain watershed, the eastern (Anemomylos stream or Arethousa stream) and the western (Kakia Skala stream) branch. It is point doutth at the newly-constructed Via Egnatia crosses out the stream’s watershed along the western contributory. The construction of Via Egnatia has radically changed the torrential regime, particularly at the western branch, where its central bed at its greater part has been essentially transformed to a network of gutters and drains of Via Egnatia. The watershed of Vrasna torrent (F=17,73km2) belongs to the small watersheds (F=1030 km2), whereas the watersheds of the eastern (F=8,26km2) and of the western (F=6,98km2) belong to the very small watersheds (F<10 km2). The round-shape degree amounts to KF = 1,62. The maximum altitude of the stream amounts to Ηmax=720m and the average to Ηm=301m, belonging to the streams of hilly - semi-mountainοus regions. The geological - petrographic constitution of Vrasna torrent and of its branches (eastern, western) if mainly of crystallized igneous formation (79,44%) and shale (18,87%) whereas the vegetation consists mainly of ever green, broad leaves. A characteristic feature of there-transference bed is the intense percolation function at the alluvium cone as a result of the big percolation capacity of the boulder-gravel-sandy composition of primary depositions. The torrent moves towards there-transference bed characterized by the intense stereo-transportation of medium and thin material and the suspending transportation. Based on the torrential background of Vrasna torrent, the conditionalys is of the torrential environment, the generation hot spots of debris material, the water-stereo-transportation conditions resulting from the flood of October 2006 as well as on the site visitations and the first personal visual contact with the per space grain-metric grading of debris from Vrasna torrent and its branches, the investigation of recording and yielding of the grain-metric rating of the mobile torrent’s bottoms, was selected. The investigation that was followed has taken in to account the fact of the extremely intense differentiation (bi-morphicity) in regard to the grading of debris of mobile bottoms (enormous boulders mixed with extremely thin-grain materials) of mountainous beds which made objectively and technically difficult and from the side of research involving significant problems for the attribution of grading of mobile bottoms. This reason which has led the present paper to focus on their search of mobile bottoms grading of lowland bed of Vrasna stream was because there the homogenization of debris of the respective mobile bottoms, was implemented. Afterwards, we decided to take samples of debris at representative places of the stream where there has been a differentiation of the hydraulic-stereo-transportation conditions (changes of bottom gradients, variation of bed’s width, flow bifurcation, alterations of curvature etc.). Concurrently, we proceeded to the sampling of old slope depositions, roughly at the same sampling cross-sections of debris of mobile bottoms. Following a systematic step-by-step monitoring and observation of the stream continuity nine (9) places of bottom sampling were selected to take surface – volumetric sampling as well as three (3) places of slope sampling. The sampling method we have used was a combination of surface and volumetric sampling. The surface measurement was conducted with on-the-spot measuring of three dimensions of encountered debris at distances bigger than the maximum encountered stone. The volumetric sampling which has been the main research method was upon the sampling surface and upon the slopes square side of 1m (surface 1m2). At positions where the bulky materials are also recorded, the measurement methodology of their diameter and their special gravity as well was done with a measuring tape of three dimensions (length, width, thickness) including the perimeter of bulky materials. A part of these bulky materials was detached, volume-measured and weighed with precision scales in the Laboratory so that to find their specific gravity. The receiving material, distinguished into covering and initial mixture, was collected into bags and moved to the laboratory where the distinguishing sieving was implemented into diameter grades. The respective calculations of grain-measuring analysis of debris feach sample, were done. Counting dm=mm, d100=mm, d90=mm και d50=mm through the grain-measuring curve of debris feach sample. A measured indicator sampling: According to the results of the general torrential Vrasna torrent environment had to give low-intensity floods, duration, small and extensive nature of production foci sediment, resulting in minor flooding. But flooding Vrasna torrent, showed a completely different torrential regime reality with strong (severe) torrential regime function rather gently, as one would expect, based on the date specified in torrential regime ranking torrents of Greece, as defined in the work and writings. (D. Kotoulas 1969, 1979, 2001), (Stefanidis P. 1990, 2006). Locations 7,8,9 (Kakkια Scala torrent) in height and downstream of the confluence of disciplines Kakkia Skala and Arethousa the bi-morphicity remains significant but considerably less so with better homogeneity bi-morphicity development. Finally Locations 1,2,3,4 to the sea prevail clean fine sandy materials, with little presence of gravel. The lowland fundal sections gave grain-measuring variations with dm= 0,2 mm - 12,4mm, d90 = 0,4 mm - 82mm and corresponding pranic with dm = 0,84 mm - 1,5mm, d90 = 4,7 mm - 16mm. The homogeneity is completely substantiates the view that in homogeneous terms of debris, region and even with very fine, any settlement of the stream depends entirely on the hydraulic geometry of river bed (width, bed slope and slope, hydraulic height flood level). The more used to mountain ydronomics theory and practice diameter dm, record dimensions ranging between the maximum value of 12,4mm (sampling D5) and the minimum of 0,2mm (D17A sampling) and percentage dm participation ranging between 2% (sample D20) and 19% (sample D12). This result distinguishes the general prevailing view that the Hellas streams the percentage of dm is between 50-60% (Kotoulas D. 2001, Stefanidis P. 2006). We therefore like to each torrent to seek the percentage relationship of dm and to adjust any deviation from the prevailing view of 50-60%, so the calculated compensation slope acquires its true dimension in the calculation of compensation slope and by extension of dams dimensions. Also we tried to attribute to a first approximation of the relationship diameter dm of the original mixture to the diameter d90 of the capping layer, in accordance with the relation (d90/dm=2,3-3). Our results give a great divergencein some sections (D103=20,6mm>>2,3-3,D9=15,4mm>>2,3-3Dα=37,8mm>>2,3-3, because in Greece there are many small streams with the same, or similar structural characteristics and indeed most considerable number of substances found in coastal tourist areas.These phenomena in the mountainous plains with continued strong and proximate receiving country morphological variations, constantly changing and intensely their energy potential and the fact of extremely intense bi-morphicity of sediment have resulted in no practical impossibility of recording actual gradation of sediment their materials because of intense and successive morphological variations, with the additional observation that the same position other benefits are consequential and other corrosive, giving every time a different structure of the deposited sediment and migrant.

Αφορμή της διδακτορικής μου διατριβής ήταν η ενασχόλησή μου με το πλημμυρικό πρόβλημα του χειμάρρου ‘Βρασνών’, με αφορμή τις τεράστιες πλημμυρικές καταστροφές, από όπου διαπιστώθηκε ότι κύριο αίτιο του μεγέθους και της έντασης της πλημμυρικής υδατοστερεοπαροχής του χειμάρρου κατά την πλημμύρα στις 06-08.10.2006, ήταν και είναι η τεράστια διμορφική διακινούμενη ποσότητα φερτών υλών αυξάνοντας την όλη πλημμυρική κατάσταση. Τα αποτελέσματα της παρούσας έρευνας αποτελούν μιά πρώτης ολοκληρωμένης προσπάθειας καταγραφής, ανάλυσης και αξιολόγησης της κατά χώρον διαβάθμισης των διακινούμενων φερτών υλών ενός τυπικού ελληνικού χειμάρρου της παραθαλάσιας ζώνης. Η έρευνα διεξήχθη στο χείμαρρο Βρασνών στη Δημοτική Ενότητα του Δήμου Βόλβης, του οποίου είναι γνωστή η πλημμυρική επικινδυνότητα και η στερεομεταφορική δυναμική. Ο χείμαρρος Βρασνών, συγκροτείται από δύο κύριους κλάδους που απαρτίζουν την ορεινή του λεκάνη, τον ανατολικό (Ρ. Ανεμόμυλος ή Ρ. Αρέθουσας) και τον δυτικό (Ρ. Κακιά Σκάλα) κλάδο. Επισημαίνεται ότι τη λεκάνη του χειμάρρου, και κατά μήκος του δυτικού συμβάλλοντα διασχίζει η νεοκατασκευασθείσα Εγνατία οδός. Η κατασκευή της Εγνατίας μετέβαλλε ριζικά το χειμαρρικό καθεστώς, ιδιαίτερα στο δυτικό κλάδο, όπου η κεντρική του κοίτη στο μεγαλύτερο μέρος της, έχει ουσιαστικά μετατραπεί σε δίκτυο ρείθρων και οχετών της Εγνατίας Οδού. Η λεκάνη απορροής του χειμάρρου Βρασνών (F=17,73km2) ανήκει στις μικρές λεκάνες απορροής (F=1030 km2), ενώ οι λεκάνες του ανατολικού (F=8,26km2) και του δυτικού (F=6,98km2) ανήκουν στις πολύ μικρές λεκάνες (F<10 km2). Ο βαθμός στρογγυλομορφίας ανέρχεται σε KF = 1,62. Το μέγιστο υψόμετρο του χειμάρρου ανέρχεται σε Ηmax=720m και το μέσο σε Ηm=301m, ανήκοντας στους χειμάρρους των λοφωδών - ημιορεινών περιοχών. Η Γεωλογική-πετρογραφική συγκρότηση του χειμάρρου Βρασνών και των κλάδων του (Ανατολικού, Δυτικού), είναι κυρίως από κρυσταλοπυριγενή σχηματισμό (79,44%), και σχιστολιθικό (18,87%), ενώ η βλάστηση αποτελείται κυρίως από αείφυλλα πλατύφυλλα. Χαρακτηριστικό της κοίτης αναμετακίνησης του χειμάρρου Βρασνών είναι η έντονη διηθητική λειτουργία στον κώνο πρόσχωσης, αποτέλεσμα της μεγάλης διηθητικής ικανότητας της κροκαλο– χαλικοαμμώδους σύστασης των αρχικών αποθέσεων. Ο χείμαρρος κινείται στην κοίτη αναμετακίνησης, με χαρακτηριστικό την έντονη στερεομεταφορά μέσου και λεπτού υλικού και την αιωρομεταφορά. Με βάση το χειμαρρικό γίγνεσθαι του χειμάρρου Βρασνών την ανάλυση των συνθηκών του χειμαρρικού περιβάλλοντος, των εστιών παραγωγής φερτών υλών και των υδατοστερεομεταφορικών συνθηκών, που προέκυψαν κατά την πλημμύρα του Οκτωβρίου του 2006, καθώς και από τις επιτόπιες επισκέψεις και την πρώτη προσωπική οπτική επαφή με την κατά χώρον κοκκομετρική διαβάθμιση των φερτών του χειμάρρου Βρασνών και των κλάδων του, επιλέχθηκε η έρευνα καταγραφής και απόδοσης της κοκκομετρικής διαβάθμισης των κινητών πυθμένων του χειμάρρου. Η έρευνα που ακολουθήθηκε έλαβε υπόψη της, το γεγονός της εξαιρετικά έντονης διαφοροποίησης (διμορφικότητας) της διαβάθμισης των φερτών υλών των κινητών πυθμένων (τεράστιοι ογκόλιθοι ανάμεικτοι με εξαιρετικά λεπτόκκοκα υλικά) των ορεινών κοιτών, που καθιστούσαν αντικειμενικά και τεχνικά δύσκολο και ερευνητικά ενέχοντα σημαντικά προβλήματα απόδοσης της διαβάθμισης των κινητών πυθμένων. Ο λόγος αυτός οδήγησε την παρούσα εργασία να επικεντρωθεί στην έρευνα της διαβάθμισης των κινητών πυθμένων της πεδινής κοίτης του χειμάρρου Βρασνών, είναι επειδή εκεί είχε επιτευχθεί η ομογενοποίηση των φερτών των αντίστοιχων κινητών πυθμένων. Στη συνέχεια αποφασίσθηκε να λάβουμε δείγματα φερτών υλών σε αντιπροσωπευτικές θέσεις του χειμάρρου, όπου υπήρχε διαφοροποίηση των υδραυλικοστερεομεταφορικών συνθηκών (αλλαγές πυθμενικών κλίσεων, μεταβολή του πλάτους της κοίτης, διχασμός ροής, αλλαγές καμπυλότητας, κ.λ.π). Παράλληλα προβήκαμε και στην δειγματοληψία παλαιών πρανικών αποθέσεων, περίπου στις ίδιες διατομές δειγματοληψίας των φερτών υλών των κινητών πυθμένων. Μετά από συστηματική διαβημάτιση και παρατήρηση της συνέχειας του χειμάρρου επιλέχθηκαν προς λήψη επιφανειακής – ογκομετρικής δειγματοληψίας εννέα (9) θέσεις πυθμενικής δειγματοληψίας, καθώς και 3 θέσεις πρανικής δειγματοληψίας. Η μέθοδος δειγματοληψίας που ακολουθήσαμε ήταν συνδυασμός επιφανειακής και ογκομετρικής δειγματοληψίας. Η επιφανειακή μέτρηση γινόταν με επιτόπια μέτρηση των τριών διαστάσεων των απαντώμενων φερτών σε αποστάσεις μεγαλύτερες του μέγιστου απαντώμενου λίθου. Η ογκομετρική δειγματοληψία που αποτελούσε την κύρια μέθοδο έρευνας, ήταν επί της επιφάνειας δειγματοληψίας και επί των πρανών τετράγωνο πλευράς 1m (επιφάνειας 1m2). Στις θέσεις όπου καταγράφονται και ογκώδη υλικά η μεθοδολογία μέτρησης τόσο της διαμέτρου τους όσο και του ειδικού βάρους τους έγινε μέτρηση με μετροταινία των τριών διαστάσεων (μήκος, πλάτος, πάχος) και της περιμέτρου των ογκωδών φερτών. Από τα ογκώδη αυτά υλικά αποσπάσθηκε τμήμα τους, ογκομετρήθηκε και ζυγίσθηκε με ζυγαριά ακριβείας στο Εργαστήριο, ώστε να προκύψει το ειδικό βάρος τους. Το ληφθέν υλικό διακριτοποιημένο σε καλυπτήριο και αρχικό μείγμα συλλέχθηκε σε σάκκους και μεταφέρθηκε στο εργαστήριο, όπου έγινε το κοσκίνισμα διακριτοποίησής του σε βαθμίδες διαμέτρου. Έγιναν οι αντίστοιχοι υπολογισμοί της κοκκομετρικής ανάλυσης των φερτών υλών του κάθε δείγματος. Υπολογίζοντας το dm=mm, d100=mm, d90=mm και d50=mm μέσω της κοκκομετρικής καμπύλης των φερτών υλών του δείγματος. Μια μετρούμενη ενδεικτική δειγματοληψία Σύμφωνα με τα αποτελέσματα το γενικό χειμαρρικό περιβάλλον του χειμάρρου Βρασνών έπρεπε να δίνει πλημμύρες μικρής έντασης, διάρκειας, μικρές και εκτατικής φύσης εστίες παραγωγής φερτών υλών, με αποτέλεσμα μικρής έκτασης πλημμυρικά φαινόμενα. Όμως οι πλημμύρες του χειμάρρου Βρασνών, έδειξαν μια τελείως διαφορετική χειμαρρική πραγματικότητα με έντονη (σφοδρή) χειμαρρική λειτουργία και όχι με ήπια, όπως κάποιος θα ανέμενε, με βάση τα μέχρι σήμερα οριζόμενα στην χειμαρρική κατάταξη των χειμάρρων της Ελλάδας, ως αυτή ορίζεται στις εργασίες και τα συγγράμματα. (Κωτούλας Δ. 1969, 1979, 2001) ,(Στεφανίδης Π. 1990, 2006).Στις Θέσεις 7,8,9, (χείμαρρος Κακκιάς Σκάλας), στο ύψος και κατάντη της συμβολής των κλάδων Κακκιά Σκάλα και Αρέθουσας η διμορφικότητα παραμένει σημαντική αλλά σε σαφώς μικρότερο βαθμό και με καλύτερη ομοιογένεια διμορφικής εξέλιξης. Τέλος στις Θέσεις 1,2,3,4 μέχρι τη θάλασσα επικρατούν καθαρά λεπτόκοκκα αμμώδη υλικά, με μικρή παρουσία χαλίκων. Οι πεδινές πυθμενικές διατομές έδωσαν κοκκομετρικές διακυμάνσεις με dm=0,2 mm – 12,4mm, d90=0,4 mm – 82mm και οι αντίστοιχες πρανικές με dm=0,84 mm – 1,5mm, d90=4,7 mm – 16mm. Η ομοιογένεια αυτή τεκμηριώνει απόλυτα την άποψη ότι στην ομοιογενή, από άποψη φερτών υλών, περιοχή και μάλιστα με πολύ λεπτόκοκκη, η όποια διευθέτηση του χειμάρρου εξαρτάται απόλυτα από τις υδραυλική γεωμετρία των κοιτών (πλάτος, κλίση κοίτης και πρανών, υδραυλικό ύψος πλημμυρικής στάθμης, κ.λ.π). H περισσότερο χρησιμοποιούμενη στην ορεινή υδρονομική θεωρία και πράξη διάμετρος dm, καταγράφει διαστάσεις κυμαινόμενες μεταξύ της μέγιστης τιμής των 12,4mm (δειγματοληψία Δ5) και της ελάχιστης των 0,2mm (δειγματοληψία Δ17Α) και ποσοστιαία συμμετοχή dm κυμαινόμενη μεταξύ 2% (δειγματοληψία Δ20 ) και 19% (δειγματοληψία Δ12). Το αποτέλεσμα αυτό διαφοροποιεί την γενική κρατούσα αντίληψη, ότι στους ελλαδικούς χειμάρρους η ποσοστιαία αναλογία της dm κυμαίνεται μεταξύ 50 – 60% (Κωτούλας Δ. 2001, Στεφανίδης Π. 2006). Επιβάλλεται λοιπόν όπως σε κάθε χείμαρρο να αναζητηθεί η ποσοστιαία σχέση της dm και να προσαρμοσθεί η όποια απόκλιση από την κρατούσα άποψη του 50 – 60%, ώστε η υπολογιζόμενη κλίση αντιστάθμισης να αποκτά την πραγματική της διάσταση στον υπολογισμό των κλίσεων αντιστάθμισης και κατ΄επέκταση των διαστάσεων των φραγμάτων. Προσπαθήσαμε να αποδώσουμε σε μια πρώτη προσέγγιση των σχέσεων των διαμέτρων dm του αρχικού μείγματος με τη διάμετρο d90 του καλυπτήριου στρώματος, σύμφωνα με τη σχέση (d90/dm= 2,3–3) Τα αποτελέσματα μας δίνουν μια εξαιρετική απόκλιση σε κάποιες διατομές (Δ103=20,6mm>>2,3-3,Δ9=15,4mm>>2,3-3,Δα=37,8mm>>2,3-3,) επειδή στον ελλαδικό χώρο υπάρχουν πολλοί μικροί χείμαρροι με τα ίδια, ή παρεμφερή δομικά χαρακτηριστικά και μάλιστα οι περισσότεροι εξ΄αυτών βρίσκονται σε παράκτιες τουριστικές περιοχές.Τα παραπάνω φαινόμενα στις ορεινές κοίτες με τις συνεχείς ισχυρές και εγγύτατα λαμβάνουσα χώρα μορφολογικές διαφοροποιήσεις, που μεταβάλλουν συνεχώς και έντονα το ενεργειακό τους δυναμικό και το γεγονός της εξαιρετικά έντονης διμορφικότητας των φερτών υλών έχουν σαν αποτέλεσμα να υπάρχει πρακτική αδυναμία καταγραφής της πραγματικής κοκκομετρικής διαβάθμισης των φερτών υλών τους, λόγω των έντονων και επάλληλων μορφολογικών διαφοροποιήσεων, με την πρόσθετη επισήμανση ότι στην ίδια θέση άλλες παροχές είναι αποθετικές και άλλες διαβρωτικές, αποδίδοντας κάθε φορά διαφορετική δομή των αποτιθέμενων και διακινούμενων φερτών.