|
Marek BODZIONY PRACA DOKTORSKA: KOMPUTEROWE WSPOMAGANIE PROJEKTOWANIA SYSTEMÓW RETENCJI OPÓŹNIAJĄCYCH ODPŁYW POWODZIOWY ZE ZLEWNI GÓRSKIEJ |
|
|
STRONA W TRAKCIE KONSTRUKCJI |
|
|
spis treści: [uwagi ogólne] [ cel i teraz pracy] [zlewni pilotowa] [baza algorytmiczna] |
|
|
rok: 2006 PROMOTOR:
|
|
|
Rozwój cywilizacji wiąże się z antropogenizacją coraz wyższych części zlewni, co powoduje zaburzenie naturalnych procesów zachodzących w przyrodzie, głównie związanych z nadmiernym i zbyt szybkim formowaniem się spływu powierzchniowego. Aby opóźnić odpływ ze zlewni poszukuje się prostych i tanich rozwiązań. Najtrudniejszym elementem jest powiązanie działania pojedynczych urządzeń w system, ponieważ brakuje odpowiednich narzędzi pozwalających sprawdzić skuteczność proponowanych rozwiązań dla konkretnych warunków lokalizacyjnych. Dlatego postanowiłem stworzyć takie narzędzie, które chciałbym państwu zaprezentować. |
|
|
Skutki zbyt szybkiego formowania się spływu - kliknij w obraz aby powiększyć |
|
|
|
|
|
|
|
|
Celem mojej rozprawy doktorskiej jest opracowanie matematycznego modelu wspomagającego decyzje w doborze optymalnych rozwiązań z zakresu małej retencji z uwzględnieniem ich lokalizacji oraz konstrukcji. Teza: istnieje możliwość przeprowadzenia obiektywnej oceny wpływu poszczególnych rozwiązań technicznych na hydrogram odpływu powierzchniowego w dowolnym przekroju poprzecznym zlewni wraz z określeniem obszarowego zasięgu skuteczności działania tych rozwiązań, przy uwzględnieniu: lokalnych warunków terenowych oraz przestrzennego zagospodarowania powierzchni zlewni. |
|
|
Jako zlewnię pilotową wybrałem zlewnię rzeki Łękawki leżącą w Beskidzie Małym. Jest to zlewnia górska dorzecza górnej Wisły o powierzchni 100 km2.
Około 70% powierzchni zlewni stanowią kompleksy leśne o zróżnicowanym drzewostanie. Pozostałą część powierzchni zlewni stanowią pola uprawne oraz gęsta zabudowa wiejska. Charakterystyczną cechą zlewni jest symetryczny układ cieków głównych. Różnią się one pokryciem i zagospodarowaniem terenu. Zlewnię rzeki Kocierzanki stanowią głównie lasy i pola uprawne, natomiast pokrycie zlewni rzeki Łekawki to przede wszystkim zabudowa i pola uprawne. Wyboru tej zlewni dokonałem z uwagi na zróżnicowany charakter zagospodarowania przestrzennego, umożliwiający przetestowanie większość opracowanych rozwiązań. Dodatkowo dla tej zlewni została przeprowadzona analiza hydrotechniczna w ramach komponentu B4 Projektu Banku Światowego z kwietnia 2001, co pozwoliło na sprawdzenie przyjętych tam rozwiązań. |
|
|
|
|
|
Bazę algorytmiczną stanowił model WISTOO opracowany Instytucie Inżynierii i Gospodarki Wodnej Politechniki Krakowskiej. WISTOO jest integralnym modelem transformacji opadu w odpływ z czasowym krokiem obliczeniowym 1 godzina. Model działa w oparciu o warstwy tematyczne przedstawione na slajdzie: - numeryczny model terenu - sieć hydrograficzna - rozmieszczenie poszczególnych rodzajów gleb - przestrzenne zagospodarowanie terenu - rozmieszczenie posterunków pomiarowych Zlewnie jest dzielona na elementy kwadratowe (rastry) o wymiarze określanym przez użytkownika w zależności od potrzeb obliczeniowych. Z uwagi na odmienny charakter przeprowadzanych symulacji model WISTOO wymagał opracowania całkowicie nowej aplikacji umożliwiającej wprowadzanie i modyfikację parametrów technicznych wykorzystanych urządzeń oraz narzędzi obliczeniowych, które uwzględniają wpływ oddziaływania tych urządzeń na obieg wody w zlewni. |
 Warstwy tematyczne |
|
Lokalizacja urządzeń retencyjnych |
Szczególną uwagę zwróciłem na zakres i sposób przygotowania danych wejściowych do modelu. Wymagało to przygotowania procedur umożliwiających lokalizację obiektów w oparciu o cyfrowe mapy tematyczne oraz możliwość określania i zmiany ich parametrów. Lokalizacji urządzeń można dokonać poprzez graficzny interfejs (użytkownik wskazuje położenie urządzenia) lub poprzez określenie ich współrzędnych w pliku z danymi. W tym pliku znajdują się również niezbędne parametry obliczeniowe urządzeń. Dzięki temu można w prosty i szybki sposób zmieniać zarówno parametry jak i lokalizacje urządzeń. |
|
Plik ten skorelowany jest z warstwą określającą sieć hydgraficzną poprzez identyfikator, w którym określany jest numer piksela mapy rastrowej. W wyniku obliczeń otrzymuje się plik dokumentacyjny zawierający godzinowe wartości przepływu w zadanych przekrojach oraz hydrogram w postaci wydruku ekranowego. |
|
|
Przykładowy zrzut ekranowy |
|
|
Wykorzystując nową aplikację modelu WISTOO przeprowadziłem szereg symulacji numerycznych, których celem było określenie najbardziej skutecznego rozwiązania zmniejszającego odpływ powierzchniowy ze zlewni górskiej z punktu widzenia pojedynczego obiektu, jak i całego systemu obiektów. W przeprowadzonych analizach zostały sprawdzone pod względem skuteczności działania następujące rozwiązania techniczne: - parkingi i place sportowe z wsiąkaniem powierzchniowym, - niecki z wsiąkaniem, - zbiorniki z wsiąkaniem, - studnie chłonne, - rowy chłonne, - niecki retencyjne, - niecki filtrujące, - dachy z podpiętrzaniem i dachy zielone, - zbiorniki retencyjne wód deszczowych. - tzw. „łapacze przepływu”, - zbiorniki wodne usytuowane obok koryt cieków, - zbiorniki wodne usytuowane na terenie zlewni zbierające wodę ze spływu powierzchniowego, - przerzuty wody z cieków na obszary oddalone od koryt rzecznych (wydłużenie drogi spływu), - zmiana drogi spływu np. poprzez odpowiednią konstrukcje dróg (gruntowych) na zboczach zlewni górskich, - odwodnienia dróg asfaltowych. W pracy umieściłem opis urządzeń możliwych do zastosowania w zlewni a przeznaczonych do zmniejszenia odpływu powierzchniowego, z uwzględnieniem matematycznych równań opisujących ich pracę i zakres stosowalności. Oceną skuteczności działania analizowanych urządzeń była wielkość redukcji wysokości przepływu w kulminacji fali.
- tzw. „łapacze przepływu”, - zbiorniki wodne usytuowane obok koryt cieków, dlatego skupiłem się na analizie tych rządzeń. Podstawę ich opracowania stanowił bilans wodny zbiornika, którego poszczególne elementy wykorzystywałem w zależności od typu rozwiązania. Zbiorniki z uwagi na powierzchnię chronioną zostały zakwalifikowane do III klasy budowli. Przepływ miarodajny i kontrolny określiłem w oparciu o wytyczne IMGW dla zlewni niekontrolowanych. |
|
|
MAŁE ZBIORNIKI LOKALIZOWANE W KORYCIE CIEKU ("ŁAPACZE PRZEPŁYWU") |
|
|
Małe zbiorniki lokalizowane w korycie cieku nazywane w pracy „łapaczami przepływu” są urządzeniami wykorzystującymi naturalne ukształtowanie terenu.
Oto przykładowa lokalizacja takiego urządzenia.
Usytuowana w poprzek cieku przeszkoda (mogą to być np.: zakotwione w brzegu koryta bale drewna) tworzy zaporę. Wielkość przestrzeni pod nią określa objętość wody, jaka może przepłynąć. Pozostała część wody jest gromadzona powyżej tworząc swego rodzaju zbiornik. Woda może przepływać górą i dołem przeszkody.
„Łapacze przepływu” mogą być stosowane dla bardzo małych zlewni -ograniczenie to jest powodowane małą pojemnością zbiornika. Skuteczność działania tych urządzeń wynika przede wszystkim z połączenia kilku „łapaczy” w system kaskadowy. |
|
|
MAŁE ZBIORNIKI LOKALIZOWANE OBOK KORYTA CIEKU |
|
|
Małe zbiorniki lokalizowane obok koryta cieku składają się z: - kanału dopływowego - czaszy zbiornika - kanały odpływowego - przelewu nadmiarowego
Jako czaszę zbiornika można wykorzystać naturalne ukształtowanie terenu lub specjalnie do tego celu przygotowane miejsca. Niezbędne jest odpowiednie zastabilizowanie i uszczelnienie brzegów i dna zbiornika.
Specjalnie usytuowany i ukształtowany kanał dopływowy pozwala na rozpoczęcie procesu retencji w przypadku wystąpienie określonych przepływów. |
|
|
PRACA ZBIORNIKÓW (ROZWIĄZANIA NUMERYCZNE) |
|
|
Proces obliczeniowy modelu WISTOO zakłada jednogodzinowy krok obliczeniowy, co w przypadku pracy małych zbiorników stanowi zbyt długi okres. Dlatego w mojej aplikacji dokonałem dyskretyzacji czasowej. Każdy krok obliczeniowy modelu WISTOO został podzielony na 60 części czyli dla zbiorników obliczenia były wykonywane z krokiem 1 minuta. Dla znanych wartości przepływu na początku i końcu przedziału (Qp, Qwyj) oraz zadanego przepływu (Qzad) po przekroczeniu, którego rozpoczyna się proces retencji wody w zbiorniku, zostają obliczone aktualne wartości przepływu q1 i q2, aktualny wypływ ze zbiornika (qaj) oraz aktualne napełnienie (haj) - wartości te są zależne od fazy pracy zbiornika. Jako wynik na końcu przedziału obliczeniowego modelu (czyli po każdej godzinie obliczeń) określany jest nowy zredukowany przepływ (qwyj). |
|
|
|
|
|
W czasie przeprowadzanych symulacji wykorzystano rzeczywiste dane hydrometeorologiczne z okresu powodzi z roku 1997. |
|
|
rozmieszczenie posterunków i oznaczenia numeryczne
rozkład opadów w poszczególnych posterunkach |
|
|
|
|
pełny tekst pracy doktorskiej
Zlewnia charakteryzuje się dużą deniwelacją terenu oraz silnie rozbudowaną siecią hydrograficzną. Głównymi ciekami są: rzeka Kocierzanka i rzeka Łękawka. 
