Temat realizowany w ramach Działalności Statutowej Ś-1/195/2017/DS, zadanie 2 - Wpływ czynników antropogenicznych na ilościowe i jakościowe

Transkrypt

1

2 Temat realizowany w ramach Działalności Statutowej Ś-1/195/2017/DS, zadanie 2 - Wpływ czynników antropogenicznych na ilościowe i jakościowe właściwości procesów hydrologicznych w zlewni pod kierownictwem dr hab. inż. Wiesława Gądka, prof. PK

3 Cel pracy: Celem naukowym pracy jest opracowanie deskryptorów fizycznych zlewni służących do określenia wzorów empirycznych umożliwiających wyznaczanie wartości: deskryptorów przepływu (wyróżników hydrogramu przepływu) W50 i W75 oraz współczynnika asymetrii hydrogramu s dla potrzeb ustalenia przebiegu hydrogramu projektowego, parametru kształtu n i czasu trwania t w funkcji rozkładu Gamma opisującej parametryczny hydrogram projektowy. Celem uzupełniającym jest przygotowanie aplikacji umożliwiającej wykorzystanie opracowanych deskryptorów do wyznaczania hydrogramów projektowych we wskazanym przekroju rzeki.

4 Teza: Istnieje możliwość opracowania deskryptorów fizycznych zlewni służących do określenia wzorów empirycznych umożliwiających wyznaczanie wartości: deskryptorów przepływu (wyróżników hydrogramu przepływu) W50 i W75 oraz współczynnika asymetrii hydrogramu s w każdym przekroju rzeki dla potrzeb ustalenia przebiegu hydrogramu projektowego, parametru kształtu n i czasu trwania t w funkcji rozkładu Gamma opisującej parametryczny hydrogram projektowy, oraz przygotowania aplikacji opartej na systemach GIS umożliwiającej wykorzystanie opracowanych deskryptorów do przetworzenia i wizualizacji wyników w dowolnie wskazanym przekroju rzeki.

5 Hydrologia projektowa jest to termin stosowany w krajach europejskich, w Polsce dotychczas nieużywany. Hydrologia projektowa stanowi hybrydę, łączącą metody obliczeniowe zalecane i stosowane w hydrologii inżynierskiej z hydrologią dynamiczną (procesową), umiejscowioną w systemie GIS (pozyskiwanie danych, przetwarzanie i wizualizacja wyników).

6 Hydrologia projektowa jest dedykowana do przeprowadzania analiz i projektowania w: gospodarce wodnej, gospodarce wodno-ściekowej, budownictwie, w tym budownictwie wodnym i hydrotechnice, gospodarce przestrzennej, gospodarce leśnej.

7 Podstawowymi zasadami w hydrologii projektowej jest stosowanie: uniwersalnych metod obliczeniowych w formie jednolitych formuł obowiązujących na terenie całego kraju, weryfikacji danych i wyników obliczeń nie tylko w danym przekroju obliczeniowym ale na całym analizowanym obszarze.

8 Parametry stosowane w formułach obliczeniowych nazywane są deskryptorami fizycznymi zlewni DFZ (Physical Catchment Descriptors PCD). Deskryptory fizyczne zlewni DFZ można podzielić na trzy podstawowe grupy: stałe - związane z topografią, orografią i hydrografią zlewni np. powierzchnia zlewni, gęstość sieci rzecznej, spadek rzeki, itp. zmienne - reprezentujące przestrzenne zagospodarowanie zlewni np. lesistość, urbanizację, retencję opadową, itp. opisujące dynamikę transformacji opad-odpływ np. stan uwilgotnienia, tłumienie: korytowe i jeziorne, itp.

9 Główne deskryptory PCD (Physical Catchment Descriptor) stosowane w formułach obliczeniowych w krajach Europy zachodniej: Anglia Irlandia MSL ALLUV MSL ALTBAR NETLEN ALTBAR NETLEN AREA PASTURE AREA PASTURE ARTDRAIN PEAT ARTDRAIN PEAT S1085 ARTDRAIN2 S1085 BFI soil SAAPE BFI soil SAAPE DRAIND SAAR DRAIND SAAR STMFRQ FAI STMFRQ FARL TAYLSO FARL TAYLSO PROPWET URBAN FLATWET URBAN FOREST URBEXT FOREST URBEXT

10 Deskryptory fizyczne zlewni DFZ określone na potrzeby realizacji pracy doktorskiej: A powierzchnia zlewni [km 2 ], deskryptor stały ADO udział powierzchni bezpośredniego zasilania dopływów [-], deskryptor stały JEZ GLEMOK GSR LAS S1085 deskryptor tłumienia powodzi przez zbiorniki i jeziora przepływowe [-], deskryptor hydrodynamiczny udział czasu przez jaki gleba jest mokra [-], deskryptor hydrodynamiczny gęstość sieci rzecznej [km/km 2 ], deskryptor stały lesistość zlewni [-], deskryptor zmienny spadek cieku głównego z wyłączeniem 10% długości dolnego i 15% długości górnego odcinka cieku [-], deskryptor stały

11 W hydrologii projektowej istotnym działem są hydrogramy projektowe. Do wyznaczania hydrogramu nieparametrycznego przyjęto metodę zaproponowaną przez Archera, która polega na przedstawieniu hydrogramu w postaci percentyli z zakresu od 0 do 100%, dla części wznoszącej i opadającej. Wartości percentyli są wyznaczane na podstawie hydrogramów dla których wystąpiły przepływy maksymalne roczne z wielolecia (ciągi 30-to letnie). Na ich podstawie wyznaczane są wartości wyróżników hydrogramu (deskryptorów przepływów) W50 i W75 oraz współczynnik asymetrii s, a następnie określa się przebieg parametrycznego hydrogramu projektowego.

12 percentyl [%] W 75 W t [h] Hydrogram nieparametryczny wyznaczony metodą Archer a

13 Do optymalizacji parametrycznego hydrogramu projektowego wykorzystuje się wyróżniki W50 i W75 oraz współczynnik asymetrii s określany dla percentyla p=50%. Funkcja rozkładu Gamma proponowana według Baptista do opisu hydrogramu parametrycznego: gdzie: t czas [h] t W czas wznoszenia [h] n parametr kształtu [-] W celu opracowania formuł umożliwiających wyznaczenie w dowolnym przekroju rzeki przebiegu hydrogramu projektowego opracowano i wyznaczono zestaw deskryptorów DFZ na całym obszarze zlewni rzeki Raby.

14 Dane wykorzystane w pracy Do wyznaczenia deskryptorów DFZ wykorzystano dane cyfrowe oraz analogowe pochodzące z: mphp mapy podziału hydrograficznego Polski Corine Land Cover (CLC1990, CLC2000, CLC2006, CLC2012) IMGW - PIB numerycznego modelu terenu (NMT) podziału hydrograficznego Polski (rozkład gleb) atlasu hydrologicznego Polski (współczynniki przestrzennego rozkładu opadu i wartości parowania terenowego)

15 Zlewnia rzeki Raby

16 Lesistość zlewni Raby według Corine Land Cover z roku: a) 1990 (CLC 1990), b) 2012 (CLC 2012)

17 Na podstawie deskryptorów obliczonych dla przekrojów wodowskazowych i założonej funkcji celu wyznaczono formuły empiryczne dla przekroju tzw. kontrolowanego: gdzie: LAS lesistość zlewni [-] GLEMOK czas dojścia gleby do stanu mokrego [-] GSR gęstość sieci rzecznej [km/km 2 ] S1085 spadek cieku głównego z wyłączeniem 10% długości dolnego i 15% długości górnego odcinka cieku [m/km] ADO udział powierzchni bezpośredniego zasilania dopływów [-] JEZ deskryptor tłumienia powodzi przez zbiorniki i jeziora przepływowe [-]

18 Na podstawie deskryptorów obliczonych dla przekrojów wodowskazowych i założonej funkcji celu wyznaczono formuły empiryczne dla przekroju tzw. niekontrolowanego: gdzie: LAS lesistość zlewni [-] GLEMOK czas dojścia gleby do stanu mokrego [-] GSR gęstość sieci rzecznej [km/km 2 ] JEZ deskryptor tłumienia powodzi przez zbiorniki i jeziora [-]

19 p [%] Raba - Rabka t [h] hydrogram wejściowy hydrogram p. kontrolowany hydrogram p. niekontrolowany Porównanie hydrogramu wejściowego z obliczonym dla przekroju kontrolowanego i dla przekroju niekontrolowanego w przekroju wodowskazowym Rabka dla okresu

20 p [%] Raba - Rabka t [h] hydrogram wejściowy hydrogram p. kontrolowany hydrogram p. niekontrolowany Porównanie hydrogramu wejściowego z obliczonym dla przekroju kontrolowanego i dla przekroju niekontrolowanego w przekroju wodowskazowym Rabka dla okresu

21 Zestawienie deskryptorów hydrogramów przepływu W50 i W75, współczynnika asymetrii s oraz wartości błędu względnego dla formuł wyznaczonych dla przekrojów kontrolowanych na rzece Rabie W50 [t] W75 [t] S [-] MRE W50 [%] MRE W75 [%] Rzeka/ wodowskaz Raba Rabka Raba Mszana Dolna Raba Kasinka Raba Stróża Raba Proszówki Mszanka Mszana Dolna Lubieńka Lubień Krzczonówka Krzczonów Stradomka Stradomka MRE s [%]

22 Porównanie wyznaczonych hydrogramów projektowych dla przekrojów kontrolowanych względem hydrogramów parametrycznych (wejściowych) wyznaczonych metodą Archer a dla wartości: a). objętości hydrogramu powyżej percentyla p 30%, b). środka ciężkości hydrogramu powyżej percentyla p 30%

23 Porównanie wyznaczonych hydrogramów projektowych dla przekrojów niekontrolowanych względem hydrogramów parametrycznych (wejściowych) wyznaczonych metodą Archer a dla wartości: a). objętości hydrogramu powyżej percentyla p 30%, b). środka ciężkości hydrogramu powyżej percentyla p 30%

24 Oczekiwane rezultaty: 1. Opracowanie DFZ dla siatki węzłów rozmieszczonych w odległości maksymalnie 1 km na całym obszarze zlewni rzeki Raby, dla cieków o powierzchni zlewni większych od 2,5 km Wyznaczenie parametrycznego hydrogramu przepływu w wyznaczonych węzłach. 3. Opracowanie aplikacji umożliwiającej korzystanie z wyników obliczeń (parametrycznych hydrogramów projektowych) w dowolnym węźle rzeki Raby.

25 RZEKA PRZEKRÓJ A [km 2 ] GSR [km/km GSR [km/km 2 2 ] S1085 [m/km] S1085 [m/km] ADO [-] ADO [-] JEZ [-] JEZ [-] LAS [-] LAS GLEMOK [-] [-] GLEMOK W50 [-] [t] W75 [t] s [-] n [-] t w [t] p [%] 20 0 t [h]

26