Marek BODZIONY

PROJEKT:

Model dopływu do kaskady zbiorników retencyjnych na rzece Sole

Program komputerowy SOLA przedstawiający matematyczne odwzorowanie zlewni rzeki  Soły na obszarze od jej źródeł do przekroju zapory  w  Czańcu.

zleceniodawca: praca magisterska

WSTĘP

Rosnące potrzeby w zakresie zaopatrzenia w wodę wymagają ingerencji człowieka w naturalny cykl hydrologiczny. Zabezpieczenie tych potrzeb w dużej mierze zależy od jakości prognoz hydrologicznych.

Przy opracowywaniu zasad sterownia zbiornikami retencyjnymi w okresie występowania przepływów powodziowych, które mogą być wywołane opadami lub topniejącym śniegiem decydujące znaczenie mają prognozy hydrologiczne.

Optymalna gospodarka wodna wymaga opracowania wariantowych rozwiązań opartych na symulacji hydrogramu dopływu przy różnych napełnieniach zbiorników retencyjnych. Opcja symulacyjna modelu o parametrach dyskretnie rozłożonych może uwzględniając rożne scenariusze czasowo-przestrzennego rozkładu opadu.

Prognoza dopływu do kaskady zbiorników retencyjnych w czasie rzeczywistym w okresie wystąpienia wezbrań prowadzi do elastycznego sterowania w okresie rezerwy przeciwpowodziowej.

 Rzeka Soła jest prawobrzeżnym dopływem rzeki Wisły. Długość cieku do przekroju w Żywcu wynosi 31 km, a jej powierzchnia 784.8 km (całkowita powierzchnia zlewni wynosi 1390.6 km2). Rzeka Soła rozpoczyna swój bieg na stokach So1owego Wierchu oko1a 755 m npm.

Rzeka So1a przep1ywa przez cztery regiony fizjograficzne : Beskid Żywiecki, Beskid Śląski, Obniżenie Jabłonkowskie, Podgórze Karpackie.

Tereny charakteryzują się wysokimi wskaźnikami zalesienia (szczególnie w Beskidzie Żywieckim i Śląskim). Oprócz zbiorowisk naturalnych, które w tych obszarach dominują, zachowały się tu fragmenty roślinności o cechach pierwotnych.

Powoduje to, że na tym terenie reżim wodny zbliżony jest do naturalnego.

Rzeka Soła charakteryzuje się poważnym potencjałem powodziowym. Najczęściej występujcymi opadami atmosferycznymi w dorzeczu Soły są intensywne opady w środkowej partii dorzecza, tj. w Beskidzie Śląskim i Żywieckim, natomiast są one w mniejszej w części środkowej oraz w dolnej partii dorzecza.
Głównymi dopływami rzeki Soły są: Potok Rycerski, Woda Ujsolska, Bystra, Żabniczanka, Juszczynka, Leśnianka, Koszarawa, Łękawka, Żylica, Wielka Puszcza.

Górna część zlewni rzeki Soły położona jest w obszarze fliszu Karpackiego. Ta część Karpat Fliszowych (Beskid Żywiecki i Śląski), zbudowana jest głównie z piaskowców ilastych warstw magusrkich i podmagurskich oraz odpornych na wietrzenie warstw piaskowca godulskiego (fragmenty Beskidu Żywieckiego). Powierzchniową część 1stanowią gleby gliniasto-szkieletowe. Beskid Śląski i Żywiecki stanowią zwarte grupy górskie, o stromo nachylonych stokach, na ogół rozcięte wąskimi dolinami.

Formowanie się odpływu w zlewni rzecznej jest procesem złożonym. Na ruch wody mają wpływ czynniki morfologiczne, geologiczne i klimatyczne. Dla uproszczenia całego zagadnienia, jak również z powodu ograniczonych informacji hydrometeorologicznych, zastosowany został model o parametrach dyskretnie rozłożonych , w którym proces formowania się fali odpływu sprowadzono do transformacji opadu efektywnego w odpływ powierzchniowy i propagacji fali w korycie rzecznym.

Struktura modelu dopływu do kaskady zbiorników retencyjnych rzeki Soły w szczególności składa się z modelu opadu efektywnego, modelu transformacji opadu efektywnego w odpływ powierzchniowy dla każdej zlewni cząstkowej oraz modelu transformacji fali w korycie rzeki Soły i Koszarawy po przekrój wodowskazowy Żywiec (w modelu nie uwzględniono pracy kaskady zbiorników retencyjnych).,

Modele o parametrach skupionych są adekwatne do opisu procesu odpływu z małych zlewni rzecznych. W tym celu zlewnie rzeki Soły (do przekroju zapory w Czańcu) podzielono na 15 zlewni cząstkowych :1.Czerna (60.70 km2), 2.Potok Rycerski (73.10 km2), 3.Woda Ujsolska (105.70 km2), 4.Bystra (50.60 km2), 5.Żabniczanka (34.70 km2), 6.Juszczynka (25.30 km2), 7.Leśnianka (37.70 km2), 8.Koszarawa (64.30 km2), 9.Krzyżówka (19.60 km2), 10.Pewel (24.20 km2), 11.Sopotnianka (61.30 km2), 12.Łękawka (100.90 km2), 13.Kalonka (11.60 km2), 14.Żylica (71.39 km2), 15.Wielka Puszcza (19.60 km2).

Pozosta1e cieki występujące na badanym terenie stanowią dopływ boczny bezpośrednio zasilający koryto Soły.

Opadem efektywnym nazywamy tę część średniego opadu całkowitego, która poprzez spływ kształtuje hydrogram odpływu powierzchniowego. Do wyznaczenia opadu efektywnego wybrano model SCS (Soil Conservation Service).

W metodzie SCS opad całkowity został rozdzielony na opad efektywny i straty. Opad efektywny jest więc zależny od średniego opadu całkowitego oraz rodzaju gleby, sposobu użytkowania terenu zlewni i uwilgotnienia gleby w okresie poprzedzającym opad. Wszystkie te czynniki obejmuje bezwymiarowy parametr CN (Curve Numer) związany z maksymalną potencjalną retencją zlewni S o wartościach zmieniających się w zakresie od 0 do 100.

Zasadniczą część fali powodziowej stanowi odpływ powierzchniowy. Model Nasha transformujący opad w odpływ powierzchniowy wykorzystuje prosty aparat matematyczny i w dostatecznym stopniu przybliża rzeczywiste systemy hydrologiczne zachodzące w zlewniach czekowych rzeki So1y.

Model Nasha przedstawia zlewnie jako kaskadę n-zbiorników liniowych, z których pierwszy zasilany jest opadem efektywnym, a następne odpływem ze zbiornika poprzedniego. Parametry modelu (n - liczba zbiorników w kaskadzie  i k - stała retencji zbiornika) zostały wyznaczone na podstawie analizy geomorfologicznej. Hydrogramy odpływu ze zlewni cząstkowych stanowią dopływ skoncentrowany w modelu transformacji fali w korycie rzecznym.

Model Muskingum pozwala na wyznaczanie transformacji fali w korycie rzecznym Soły od ujścia potoku Ujsoły do wodowskazu w Żywcu oraz w korycie rzeki Koszarawy od ujścia potoku Krzyżówka do Żywca. Odcinki obliczeniowe modelu transformacji fali są określone przekrojami dopływu ze zlewni cząstkowych.
Transformacja fali w korycie rzecznym zosta1a wyznaczona w oparciu o procedurę:

Q(n+1) = C1 I(n+1)  + C2 I(n)  + C3 Q(n)

gdzie: Q - przepływ obliczony w n-kroku czasowym

I - dopływ w n kroku czasowym

C1, C2, C3 - funkcje zależne od parametrów modelu oraz od kroku czasowego

Parametry modelu są estymowane na podstawie. właściwości hydraulicznych zlewni. Aby uwzględnić dopływ boczny na transformowanych odcinkach przyjęto metodę uproszczoną. Do każdego przepływu dodano dopływ boczny proporcjonalny do powierzchni zlewni.

OPIS DZIAŁANIA PROGRAMU

UWAGI OGÓLNE

Program służy  do symulacji i prognozy dopływu do kaskady  zbiorników  retencyjnych  rzeki Soły w oparciu o średni obserwowany lub prognozowany  opad  w  zlewniach cząstkowych.

 Obliczenie możne podzielić trzy etapy :

1. Określenie opadu efektywnego metodą SCS na podstawie opadu średniego

2.  Transformacja  opadu  efektywnego  w  odpływ   powierzchniowy   przy zastosowaniu modelu Nasha dla zlewni cząstkowych

3.  Transformacja   fali   w   korycie   rzeki   modelem   Muskingum   z uwzględnieniem dopływów bocznych

MENU GŁÓWNE

1. wprowadzenie danych

2. proces obliczeniowy.

Opcja  pozwala  na  tworzenie  zbiorów  z danymi niezbędnymi do procesu obliczeniowego. Należy  podać datę i godzinę rozpoczęcia  opadu, określić zlewnie cząstkowe w których wystąpił opad, oraz godzinowe wartości opadu średniego.

Po zakończeniu procesu wczytywania danych następuje proces zapisu (utworzony zostaje zbiór z danymi).

Przed rozpoczęciem procesu obliczeniowego program pobiera dane (identyfikacja danych następuje poprzez datę).

Po wczytaniu danych wyświetlony zostanie spis zlewni cząstkowych w których wystąpił opad.
Po zakończonym procesie obliczeniowym wyświetlana jest mapa zlewni rzeki Soły. Mapa obrazuje proces transformacji fali w korytach potoków zlewni cząstkowych jak również w korycie rzeki Soły. Nacisnięcie dowolnego klawisza pozwala na przeglądanie transformacji fali powodziowej w poszczególnych zlewniach cząstkowych oraz odcinkach transformacji (użytkownik na bieżąco może sprawdzić zmiany w maksymalnych przepływach oraz śledzić zmiany w kształcie hydrogramów).



 

Opcja umożliwia na dokładna analizę procesu transformacji fali w korytach potoków zlewni cząstkowych jak również w korycie rzeki Soły. Każdy etap obliczeń został przedstawiony jako osobna plansza.

Hydrogram transformacji opadu w odpływu dla pojedynczej zlewni cząstkowej

Hydrogram sumacyjny

Wykres propagacji fali w korycie rzecznym