ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 1

Transkrypt

1 1. Wstęp Zakres opracowania Lokalizacja Wykaz wykorzystanych materiałów Geologia Obliczenia hydrologiczne Dane hydrologiczne ze "Studium ochrony przed powodzią..." Dane IMGW w Krakowie Wybór metody obliczeń hydrologicznych Obliczenie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewniach niekontrolowanych o powierzchni większej od 50 km Wzory Punzeta Obliczenie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewniach niekontrolowanych o powierzchni mniejszej od 50km Hydromorfologiczna charakterystyka koryta cieków Czas spływu po stokach ts Obliczenie przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w oparciu o kwantyle zmiennej Wyniki obliczeń przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia za pomocą formuły Punzeta (wyżynna i górska), metody opadowej, materiałów od Inwestora Model hydrauliczny Model HEC-RAS Zestawienie obliczeń dla Drwiny i Serafy Wnioski ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 1

2 Opracowanie oceny stanu technicznego obwałowań: 1. Wstęp Przedmiotem opracowania jest określenie przepływów miarodajnych i kontrolnych dla potrzeby oceny wysokości wałów przeciwpowodziowych. Obliczenia wykonano dla zlewni rzek: Drwina Długa (lewy dopływ Serafy), Serafa (prawy dopływ Wisły). W przypadku cieków będących dopływami Wisły (odcinki do ujścia do Wisły), odprowadzanie wód powodziowych uzależnione jest od stanu wody w międzywalu rzeki Wisły. W związku z tym w obliczaniach uwzględniony zostanie wpływ wód powodziowych Wisły. 2. Zakres opracowania Obliczenia wykonane są dla potrzeby oceny następujących wałów przeciwpowodziowych dla rzek: Drwina Długa (wał prawy - 3,49 km, wał lewy - 3,724 km), Serafa (wał prawy - 3,25 km, wał lewy - 2,950). 3. Lokalizacja Lokalizacja obiektów pokazana została na rysunku nr 1. Ukształtowanie terenu pokazane zostało na rysunku nr 2. Rysunek nr 1. Lokalizacja odcinków objętych opracowaniem. ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 2

3 Rysunek nr 2. Ukształtowanie terenu - mapa hipsometryczna źródło: 4. Wykaz wykorzystanych materiałów Dla wykonania niniejszego opracowania wykorzystano następujące materiały: wykaz wałów do badań stanu technicznego ze wskazaniem klas wałów, powierzchni chronionych, mapy topograficzne, dane z Mapy Podziału Hydrograficznego Polski - RZGW w Krakowie, dane IMGW w Krakowie, listopad 2013, pomiary geodezyjne wykonane w miesiącach sierpień-wrzesień 2013, "Studium ochrony przed powodzią ze względu na ochronę ludzi i mienia województwa małopolskiego na obszarze zlewni górnej Wisły". 5. Geologia Obszar zlewni analizowanych rzek tworzą grunty mało i średnio przepuszczalne. W bezpośrednim podłożu występują mady pyłowe, gliniaste i ilaste oraz gleby wytworzone z lessów. ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 3

4 Rysunek nr 3. Analizowane odcinki wałów na tle Polskiej Mapy Gleb w skali 1: mady pyłowe, gliniaste i ilaste. 6. Obliczenia hydrologiczne 6.1. Dane hydrologiczne ze "Studium ochrony przed powodzią..." W celu oceny wałów skorzystano z obliczeń hydrologicznych zawartych w opracowaniu pn.: "Studium ochrony przed powodzią ze względu na ochronę ludzi i mienia województwa małopolskiego na obszarze zlewni górnej Wisły". Z opracowania tego wykorzystane zostały przepływy oraz odpowiadające im rzędne. Dla pozostałych cieków wykonane zostały obliczenia hydrologiczne wg metod opisanych poniżej. Dane zestawione zostały w tabelach w punkcie nr 6.6 i Dane IMGW w Krakowie Dla potrzeby niniejszego opracowania pozyskano dane z IMGW w Krakowie. Dane te zostały wykorzystane do sprawdzenia przyjętych wartości przepływów oraz odpowiadających im rzędnych z opracowań IIGW. Dane oraz ich porównanie zestawiono w poniższych tabelach. Na ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 4

5 podstawie porównania przepływów IMGW i IIGW można stwierdzić, iż wykorzystane przepływy oraz odpowiadające im rzędne z opracowań IIGW są wystarczające do oceny wałów. ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 5

6 Różnica danych pomiędzy opracowaniami IIGW Politechnika Krakowska, a danymi IMGW w Krakowie Przekrój wodowskazowy Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia Opracowanie IMGW w Krakowie z r. Qmaxp% [m 3 /s] Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia "Studium ochrony przed powodzią dla miasta i gminy Oświęcim" Qmaxp% [m 3 /s] Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia "Studium ochrony przed powodzią ze względu na ochronę ludzi i mienia województwa małopolskiego na obszarze zlewni górnej Wisły" Qmaxp% [m 3 /s] WISŁA Nowy Bieruń x x x x 28.52% 26.08% 22.99% 19.73% x x x x x x Pustynia x x x x -9.62% -7.91% -6.95% -6.65% x x x x x x Gromiec x x x x -8.52% -7.22% -4.82% -4.43% x x x x x x Gromiec x x x x x x x x x x % -9.79% x x Smolice x x x x x x x x x x 4.10% -2.11% x x Kraków Bielany x x x x x x x 10 x -1.48% -8.46% x x Sierosławice x x x x x x x -9.95% x -9.62% % x x Popędzynka x x x x x x x -6.41% x -4.42% -3.77% x x Karsy x x x x x x x -4.75% x -2.82% -2.10% x x x brak danych ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 6

7 Zestawienie danych z opracowań IIGW Politechnika Krakowska oraz danych IMGW w Krakowie Przekrój wodowskazowy Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia Opracowanie IMGW w Krakowie z r. Qmaxp% [m 3 /s] Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia "Studium ochrony przed powodzią dla miasta i gminy Oświęcim" Qmaxp% [m 3 /s] Przepływy o maksymalnym zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia "Studium ochrony przed powodzią ze względu na ochronę ludzi i mienia województwa małopolskiego na obszarze zlewni górnej Wisły" Qmaxp% [m 3 /s] WISŁA Nowy Bieruń x x x x x x x x Pustynia x x x x x x x x Gromiec x x x x x x x x Gromiec x x x x x x x x 2450 x x x Smolice x x x x x x x x 3300 x x x Kraków Bielany x x x x x x x 3430 x x x Sierosławice x x x x x x x 3620 x x x Popędzynka x x x x x x x 6420 x x x Karsy x x x x x x x 7525 x x x x brak danych ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 7

8 6.3. Wybór metody obliczeń hydrologicznych Przyjęte metody do obliczeń zależą od wielkości oraz lokalizacji zlewni rzeki. Dla zlewni niekontrolowanych o powierzchni < od 50 km 2 wykorzystana zostanie metoda opadowa wg Stachy i Fal. Dla zlewni niekontrolowanych o powierzchni > 50 km 2 użyty zostanie wzór Punzeta dla obszarów: karpackiego (górski) i wyżynny. W przypadku lokalizacji przekroju obliczeniowego w pobliżu wodowskazu przepływy wyliczone zostaną za pomocą standardowej metody przenoszenia informacji hydrologicznej (ekstrapolacja, interpolacja) Obliczenie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewniach niekontrolowanych o powierzchni większej od 50 km 2 W zlewniach niekontrolowanych o powierzchni większej od 50 km 2, gdzie nie można przenieść informacji wykorzystując metodę ekstrapolacji w ramach podobieństwa hydrologicznego, należy zastosować metody pośrednie. Do obliczenia przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia zastosowane zostaną wzory empiryczne o zasięgu regionalnym Wzory Punzeta W zlewniach niekontrolowanych, położonych w zlewni górnej Wisły do obliczania przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia należy zastosować wzór Punzeta. Ze względu na regionalny charakter formowania się przepływów, wdorzeczu górnej Wisły wydzielono trzy obszary: karpacki (górski), wyżynny i równinny, dlaktórych opracowano oddzielne zależności. Równanie dla zlewni górskich o powierzchniach od 50 km 2 A 500 km 2 stosuje się w obszarze Karpat i szczytowych partii gór Świętokrzyskich. Z równań dla zlewni wyżynnych można korzystać w rejonie Podkarpacia, a dla zlewni równinnych w prawobrzeżnym dorzeczu Sanu poza obszarem Karpat o powierzchniach zmieniających się w granicach 50 km 2 A 600 km 2. Formułę Punzeta w uogólnionej postaci możemy zapisać: Q max,p = Q max,50% φ p Q max,p - przepływ maksymalny o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia w m 3 /s, Q max,50% - przepływ maksymalny o prawdopodobieństwie p = 50% w m 3 /s φ p - współczynnik wyrażający stosunek przepływu o zadanym prawdopodobieństwie przewyższenia do przepływu o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 50%,która jest funkcją współczynnika zmienności c v. ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 8

9 Wartość współczynnika φ p przedstawia ogólne równanie: w φ p p = αpc v +1 α p - - współczynnik zależny od zadanego prawdopodobieństwa przewyższenia, w p - wykładnik potęgowy zależny od zadanego prawdopodobieństwa przewyższenia. Ostatecznie, dla α p i w p wyrażonych w zależności od kwantyla t p w standaryzowanym rozkładzie normalnym, wartość współczynnika φ p oblicza się ze wzoru: c v - współczynnik zmienności, p 0,839 1,48 0,144 t p p v φ = 1+0,944 t c + 1 t p - kwantyl w standaryzowanym rozkładzie normalnym. Współczynnik zmienności c v oblicza się z równania: 0,173 0,102 0,066 cv 3,027 W A L ΔW - różnica wysokości pomiędzy najwyżej położonymi źródłami cieku W źr w zlewni, a wysokością w przekroju obliczeniowego W p w km, A - powierzchnia zlewni w km 2, L - długość najdłuższego cieku w zlewni w km. Przepływy maksymalny o prawdopodobieństwie przewyższenia p = 50% dla zlewni w dorzeczu górnej Wisły oblicza się z następujących równań: - zlewnie górskie (wzór Karpacki): - zlewnie wyżynne: - zlewnie równinne: Qmax,50% 0, A P N I max,50% P - opad średni roczny w mm, 0,747 0,536 0,603 0,075 Q 0, A P N I 0,872 1,065 0,07 0,089 Qmax,50% 0, A P N I 0,757 0,372 0,561 0,302 N - wskaźnik nieprzepuszczalności gleb, stabelaryzowany. I - umowny spadek zlewni w. Wźr Wp I 1000 L ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 9

10 Opracowanie oceny stanu technicznego obwałowań: W źr - wzniesienie najwyżej położonego źródła cieku w zlewni w km n.p.m., W p - wzniesienie przekroju obliczeniowego, zamykającego zlewnię w km n.p.m. Odpowiedni wzór do obliczenia Q max 50% dobiera się w zależności od powierzchni zlewni, jej średniego wzniesienia oraz umownego spadku zlewni. Wartości funkcji φ max p% określa się w zależności od współczynnika zmienności obliczanego na podstawie wzoru obowiązującego dla całego dorzecza górnej Wisły. W zależności od lokalizacji zlewni stosuję się odpowiedni wzór Punzeta. Na poniższym rysunku pokazany został zasięg stosowania wzorów Punzeta. Rysunek nr 4. Zasięgi stosowania obszarowych równań regresji, formuły roztopowej, formuły Wołoszyna i wzorów Punzeta. ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 10

11 6.5. Obliczenie przepływów maksymalnych rocznych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w zlewniach niekontrolowanych o powierzchni mniejszej od 50km 2 Do obliczenia przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia dla zlewni o powierzchni poniżej 50 km 2 zastosowano formułę opadową (wg Stachý i Fal) w postaci: Q p = f. F 1. φ. H 1. A. λ p. δ j [m 3 /s] f bezwymiarowy współczynnik kształtu fali, równy 0.45 na pojezierzach i 0.60 na pozostałych obszarach kraju, F 1 maksymalny moduł odpływu jednostkowego, w zależności od hydromorfologicznej charakterystyki koryta rzeki Φ r i czasu spływu po stokach t s, Czarneckiej, φ współczynnik odpływu przyjmowany w zależności od utworów glebowych według H 1 maksymalny opad dobowy o prawdopodobieństwie pojawiania się 1%, A powierzchnia zlewni, λ p kwantyl rozkładu zmiennej lp dla zadanego prawdopodobieństwa, w zależności od regionu, δ j współczynnik redukcji jeziornej Hydromorfologiczna charakterystyka koryta cieków 1000 ( L l) Φ r = 1/3 1/ 4 1/ 4 m I A ( H ) L+l długość cieku wraz z suchą doliną do działu wodnego, m miara szorstkości koryta cieku, I rl uśredniony spadek cieku obliczyć należy według wzoru: rl I rl = 0,6. I r [ ] I r spadek cieku obliczony wg poniższego wzoru: I r = L l ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 11 W g W W g wzniesienie działu wodnego w punkcie przecięcia się z osią suchej doliny, [m npm] W d wzniesienie przekroju obliczeniowego, [m npm] d 1

12 Czas spływu po stokach ts Czas spływu określono z zależności od hydromorfologicznej charakterystyki stoków: 1/ 2 (1000 l s ) Φ s = 1/ 4 1/ 2 m I ( H ) l s - średnia długość stoków obliczona wg wzoru: s s 1 l s = gęstość sieci rzecznej obliczona jest jako iloraz sumy długości Σ (L+l) wszystkich cieków wraz z ich suchymi dolinami i powierzchni A zlewni: m s - współczynnik szorstkości stoków ( L l) = A I s - średni spadek stoków obliczony według wzoru: h k I s = A h - różnica wysokości dwóch sąsiednich warstwic, [m] k - suma długości warstwic w zlewni, [km] A - powierzchnia zlewni,[km 2 ] Obliczenie przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia w oparciu o kwantyle zmiennej Prawdopodobieństwo kwantyli % Makroregion Karpaty Wyżyny Region 2a 2b 3a 3b 3c ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 12

13 6.6. Wyniki obliczeń przepływów maksymalnych o określonym prawdopodobieństwie przewyższenia za pomocą formuły Punzeta (wyżynna i górska), metody opadowej, materiałów od Inwestora Kod obiektu Nazwa cieku Klasa wału Prawdopodobieństwo dla klasy wału Woda miarodajna Powierzchnia zlewni VI.1.DRWINA_DŁ.P Drwina Długa III VI.2.DRWINA_DŁ.L Drwina Długa III VI.3.SERAFA.P Serafa III VI.4.SERAFA.L Serafa III Metoda obliczenia PRAWDOPODOBIEŃSTWO PRZEWYŻSZENIA Woda PUNZET-FORMUŁA WYŻYNNA FORMUŁA OPADOWA kontrolna % % km % 0.30% 0.50% 1% 2% 3% 0.10% 0.30% 0.50% 1% 2% 3% Formuła opadowa Formuła opadowa Punzet wyżynna Punzet wyżynna ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 13

14 7. Model hydrauliczny Obliczenia hydrauliczne w Studium ochrony przed powodzią województwa małopolskiego wykonane zostały za pomocą programu komputerowego HEC-RAS, opierającego się na wzorach empirycznych jednowymiarowego modelu ruchu ustalonego. Program ten bazuje na wzorze Chezy: C - współczynnik prędkości R h - promień hydrauliczny, U - obwód zwilżony, V = C * R h 1/2 * S f 1/2 S f - spadek tarcia, który po wyrażeniu współczynnika prędkości wzorem Manninga: C = (l/n)* R h 1/6 przyjmuje postać znaną jako wzór Manninga-Chezy'ego: V = (l/n) * R h 2/3 * S f 1/2 V - średnia prędkość wody, R h - promień hydrauliczny, U - obwód zwilżony, n - współczynnik szorstkości Manninga. n = n 0 = ( n 1 + n 2 + n 3 + n 4 ) * n 5 n 0 - współczynnik szorstkości materiału koryta, n 1 - n 4 - poprawki do wartości n0 wynikające ze złożonego charakteru przekroju i topografii koryta oraz roślinności, n 5 - stopień meandrowania rzeki. Budowa modelu hydraulicznego polegała na opracowaniu schematu sieci rzecznej, wprowadzeniu przekrojów poprzecznych, wprowadzeniu budowli, ustaleniu parametrów hydrodynamicznych, przyjęciu parametrów wyjściowych, wykonaniu wstępnych symulacji dla zadanych przepływów, kalibracji modelu, wykonaniu ostatecznych obliczeń Model HEC-RAS W związku z brakiem obliczeń w studium dla Serafy i Drwiny stworzony został model tych cieków w programie HEC-RAS z uwzględnieniem wpływu rzeki Wisły. Schemat sieci rzecznej oraz profile pokazane zostały na poniższych rysunkach. Wyniki obliczeń zestawiono w tabeli w punkcie nr 7.2 ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 14

15 Rysunek nr 5. Schemat sieci rzecznej w programie HECRAS Rysunek nr 6. Profile podłużne dla Drwiny i Serafy 202 Serafa Serafa-ponizej Serafa Serafa Drwina Drwina Legend Poziom wody Q0.5% Poziom wody Q2% Dno koryta Lewobrzezny teren Prawobrzezny teren 200 Left Levee Right Levee 198 Elevation (m) Main Channel Distance (m) ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 15

16 7.2. Zestawienie obliczeń dla Drwiny i Serafy River Reach River Sta Profile Q Total Min Ch El W.S. Elev Flow Area Top Width Froude # Chl (m3/s) (m) (m) (m2) (m) Drwina Drwina 80 Q0.5% Drwina Drwina 80 Q2% Drwina Drwina 1400 Q0.5% Drwina Drwina 1400 Q2% Drwina Drwina 1800 Q0.5% Drwina Drwina 1800 Q2% Drwina Drwina 2200 Q0.5% Drwina Drwina 2200 Q2% Drwina Drwina 3440 Q0.5% Drwina Drwina 3440 Q2% Serafa Serafa-ponizej 770 Q0.5% Serafa Serafa-ponizej 770 Q2% Serafa Serafa-ponizej 1310 Q0.5% Serafa Serafa-ponizej 1310 Q2% Serafa Serafa-ponizej 1750 Q0.5% Serafa Serafa-ponizej 1750 Q2% Serafa Serafa 2020 Q0.5% Serafa Serafa 2020 Q2% Serafa Serafa 2640 Q0.5% Serafa Serafa 2640 Q2% Serafa Serafa 3030 Q0.5% Serafa Serafa 3030 Q2% Serafa Serafa 3560 Q0.5% Serafa Serafa 3560 Q2% ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 16

17 8. Wnioski Dla rzędnych wód ze studium oraz obliczonych w programie HEC-RAS zestawiono odpowiadające im rzędne istniejących wałów. Na tej podstawie oceniono wysokości wałów. Wyniki analizy zestawiono w poniższej tabeli. Nazwa odcinka Nazwa cieku Kilometraż cieku Kilometr wału rzędna zw. rzędna zw. wody wody Klasa wału kontrolnej miarodajnej 0.5% 2.0% rzędna istniejącej korony wałów wymagana rzędna korony wałów różnica rzędnej wymaganej a istniejącej korony wałów [km] [km] [m n.p.m.] [m n.p.m.] [m n.p.m.] [m n.p.m.] [m] VI.1.DRWINA_DŁ.P VI.2.DRWINA_DŁ.L VI.3.SERAFA.P VI.4.SERAFA.L Drwina Długa Serafa III za niska korona wału za niska korona wału za niska korona wału Uwagi za niska korona wału ATEiRI mkm PERFEKT sp. z o.o. str. 17