Ruch rumowiska rzecznego

Transkrypt

1 Ruch rumowiska rzecznego Woda płynąca w korytach rzecznych transportuje materiał stały tzw. rumowisko rzeczne, które ze względu na mechanizm transportu dzielimy na rumowisko unoszone i wleczone. Rumowisko unoszone składa się z drobnych cząstki mineralnych (głównie pylastych i ilastych) rozproszonych w całym przekroju poprzecznym rzeki, transportowanych bez kontaktu z dnem; Rumowisko wleczone składa się z grubszych ziaren, które poruszają się w stałym lub okresowym kontakcie z dnem cieku są to ziarna przesuwane i toczone po powierzchni dna oraz poruszające się skokowo. Wyróżnia się również: Rumowisko zawieszone tworzą je cząstki organiczne; Rumowisko rozpuszczone są to związki chemiczne rozpuszczone w wodzie. Ruch rumowiska unoszonego Na odcinkach cieków swobodnie płynących rumowisko unoszone jest transportowane w toni wodnej praktycznie w każdych warunkach przepływu. Opadanie cząstek unoszonych (sedymentacja) występuje zwykle na spiętrzonych odcinkach rzek (w zbiornikach wodnych, powyżej jazów), gdzie następuje znaczne zmniejszenie prędkości przepływu wody. Sedymentacja unosin może również występować w miejscach zastoiskowych - w korycie np. w zatokach, a na terenach zalewowych, tam gdzie prędkość przepływu jest mała ze względu gęsty porost roślinny. Ruch rumowiska wleczonego Rumowisko wleczone porusza się zwykle okresowo, zwłaszcza gdy jest to gruby materiał żwirowy lub kamienisty. Pojedyncze ziarno rumowiska zacznie poruszać się, gdy tzw. siła poruszająca, wywołana ciśnieniem dynamicznym strugi wody działającym na ziarno leżące na dnie, będzie większa od sił utrzymujących to ziarno w spoczynku, tj. siły ciężkości zmniejszonej o siłę wyporu oraz siły tarcia spoczynkowego. Warunek graniczny ruchu ziarna rumowiska można zapisać następująco: θ = θ gr gdzie: θ - bezwymiarowe naprężenie styczne, które wyraża hydrodynamiczne oddziaływanie strumienia na ziarno leżące na dnie, z uwzględnieniem siły ciężkości i wyporu, θ gr - graniczne bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie, nazywane parametrem Shieldsa. Bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie: θ 2 = u ( s 1)gd u - prędkość dynamiczna [m/s], ρ r s = względna gęstość właściwa rumowiska [-], gdzie: ρ r,ρ w - odpowiednio gęstość właściwa rumowiska ρ w i wody [kg/m 3 ], g przyspieszenie ziemskie [m/s 2 ], d średnica ziarna rumowiska [m]. τ o Ponieważ prędkość dynamiczna jest równa: u = gdzie τ o - naprężenie styczne na dnie [Pa], ρ w bezwymiarowe naprężenie styczne na dnie można wyrazić następująco: 2 u τ o θ = = ( s 1) gd ( ρr ρw )gd Naprężenie styczne na dnie w pionie o głębokości h jest równe: τ o = ρ w ghj gdzie J spadek hydrauliczny (spadek zw. wody). Naprężenie styczne można również określać dla strefy dna (na szerokości dna) lub dla całego obwodu zwilżonego: τ o = ρ w gr d J - średnie naprężenie styczne na dnie; R d promień hydrauliczny dla strefy dna o ρ w grj τ = - średnie naprężenie styczne w przekroju poprzecznym; R promień hydrauliczny dla całego przekroju poprzecznego koryta Graniczne bezwymiarowe naprężenie styczne θ gr Wartość θ gr zależy od: - wymiarów, kształtu i wzajemnego ułożenia ziaren, - warunków hydraulicznych strumienia przy dnie. Wartość θ gr można określić jedynie w sposób doświadczalny w laboratorium hydraulicznym, rzadziej w badaniach terenowych.

2 Warunki hydrauliczne w strefie dna można wyrazić przez liczbę Reynoldsa dla ziaren rumowiska: = du Re gdzie: - kinematyczny współczynnik lepkości wody, [m 2 /s] Na podstawie wyników badań poszukuje się zależności θ gr= f (Re ) lub innych określających warunki graniczne ruchu ziaren materiału dennego. 1,00 θ gr Ruch ziaren 0,10 Brak ruch ziaren 0,01 V d Re = A (d50 = 0,20 mm) B (d50 = 0,26 mm) C (d50 = 0,38 mm) D (d50 = 0,41 mm) E (d50 = 1,2 mm) F (d50 = 1,7 mm) G (d50 = 0,70 mm) Pilotti, Menduni (2001) Metoda Wu i in. (2000) Krzywa Shieldsa Porównanie przebiegu krzywej Shieldsa, określonej dla ziaren materiału jednorodnego (o jednakowych średnicach ziaren), z wynikami badań warunków granicznych dla rumowiska o zróżnicowanym uziarnieniu. D = d 50 ( s 1) 2 g bezwymiarowy parametr ziarna Bonnefille a 100 D Brak ruchu ziaren 10 Ruch ziaren 1 V 1 10 d Re 50 = 100 Równanie (3.122) Równanie (3.123) A (d50 = 0,20 mm) B (d50 = 0,26 mm) C (d50 = 0,38 mm) D (d50 = 0,41 mm) E (d50 = 1,2 mm) F (d50 = 1,7 mm) G (d50 = 0,70 mm) Porównanie przebiegu zależności Bonnefille a z wynikami badań warunków granicznych dla rumowiska o zróżnicowanym uziarnieniu.

3 Prędkości graniczne Warunki graniczne można również wyrazić za pomocą prędkości granicznej V gr, tj. prędkości przepływu wody po przekroczeniu której rozpoczyna się ruch rumowiska wleczonego (prędkość ta jest również nazywana zrywającą). Prędkość V gr jest różnie definiowana: najczęściej jest to prędkość średnia w pionie lub w strefie oddziaływania strumienia na dno koryta taką prędkość pokazano na wykresie zamieszczonym poniżej, gdzie V gr = f (Re ). W literaturze można znaleźć wiele innych postaci zależności empirycznych na V gr, określonych podobnie jak naprężenia graniczne, tj najczęściej na podstawie badań laboratoryjnych. 1,0 V gr [m*s -1 ] 0,1 ' 1 10 Vk s 100 Re = A (d50 = 0,20 mm) B (d50 = 0,26 mm) C (d50 = 0,38 mm) D (d50 = 0,41 mm) E (d50 = 1,2 mm) F (d50 = 1,7 mm) G (d50 = 0,7 mm) Zależność = f (Re ) dla piasków o różnej średnicy d 50 (wg badań w Lab. Hydraulicznym SGGW). V gr Formy denne Powstają w korytach z dnem piaszczystym, tj. gdy średnice ziaren d wynoszą: 0,05 < d < 2 mm. Według klasyfikacji Simonsa i in. (podanej w poniższej tabeli), formy denne występujące w dolnym obszarze przepływu dzielimy na: zmarszczki, zmarszczki na fałdach i fałdy. W strefie przejściowej następuje rozmywanie form dennych, natomiast w górnym obszarze przepływu, po fazie dna płaskiego z ruchem rumowiska wleczonego, na dnie powstają tzw. antyfałdy albo fale stojące. Reżim przepływu Klasyfikacja form dennych według Simonsa i in. (1965). Koncentracja Rodzaj wleczenia 1) transportu [ppm] rumowiska Formy denne Typ szorstkości Zmarszczki Nieciągły Dominuje szorstkość Dolny Zmarszczki na fałdach form dennych Fałdy Przejściowy Rozmywanie fałd Zmienny Górny Płaskie dno Ciągły Dominuje szorstkość Antyfałdy Ponad 2000 ziarnista 1) ppm skrót od angielskiego określenia parts per milion, które wyraża koncentrację rumowiska wleczonego w płynącej wodzie, określonej w jednostkach wagowych jako ilość miligramów (gramów) rumowiska na 10 6 miligramów (gramów) płynącej korytem wody.

4 Warunki powstawania form dennych w tzw. dolnym obszarze przepływu według Yalina a) h α h f l f b) h h f l f Schemat kształtu profilu podłużnego form dennych: a) zmarszczki i fałdy, b) antyfałdy (powstają w warunkach przepływu rwącego, gdy liczba Froude a Fr > 1). Metody pomiaru intensywności wleczenia W praktyce hydrometrycznej najczęściej stosowanym przyrządem do pomiaru intensywności transportu rumowiska wleczonego są łapaczki urządzenia o różnej konstrukcji i wielkości, które składają się ze zbiornika do gromadzenia rumowiska, steru umożliwiającego ustawienie się łapaczki równolegle do kierunku przepływu oraz układu linek do opuszczania i podnoszenia łapaczki z jednoczesnym otwieraniem i zamykaniem wlotu do zbiornika. Schematyczny przekrój podłużny łapaczki do pomiaru natężenia wleczenia Konstrukcja łapaczki powoduje powstawanie zaburzeń w przebiegu strug wody przy dnie, w wyniku czego, część rumowiska wleczonego omija otwór wlotowy do zbiornika łapaczki. Z tego względu konieczne jest

5 wykonanie odpowiednich pomiarów tarujących, na podstawie których określa się współczynnik sprawności η łapaczki. Według badań Skibińskiego na współczynnik sprawności łapaczki ma również wpływ przeciętna średnica ziaren d 50. Zestawienie głównych wymiarów i wartości współczynników sprawności łapaczek typu PIHM do pomiaru intensywności transportu rumowiska wleczonego (Skibiński 1974). Wymiary skrzyni łapaczki [m] Współczynnik Typ łapaczki Długość Szerokość Wysokość otworu Średnica d 50 [mm] sprawności η [-] wlotowego PIHM-A 1,20 0,40 0,20 0,25 0,50 0,40 3,0 0,28 PIHM-B 0,60 0,20 0,10 0,30 0,70 0,65 PIHM-C 0,36 0,12 0,06 0,25 0,50 0,52 3,0 0,36 Do obliczenia wartości jednostkowych intensywności (natężeń) wleczenia, określonych na podstawie pomiaru łapaczkowego, służy następujący wzór: q r Vrum = η b t o gdzie: q r jednostkowa intensywność wleczenia [cm 3 s -1 m -1 ], V rum objętość rumowiska zgromadzonego w łapaczce [cm 3 ], η współczynnik sprawności łapaczki [-], b o szerokość otworu wlotowego łapaczki [m], t czas trwania pomiaru [s]. W praktyce, do dalszego opracowania wyników pomiarów wartości q r w [cm 3 s -1 m -1 ] przelicza się na [m 3 s -1 m -1 ]. Można również zważyć próbkę zatrzymaną w łapaczce i natężenie wleczenia q r wyrazić w jednostkach wagowych - w [g s -1 m -1 ] lub w [kg s -1 m -1 ]. W warunkach laboratoryjnych do pomiaru natężenia wleczenia stosuje się najczęściej tzw. łapacze rumowiska zbiorniki umieszczone pod dnem koryta pomiarowego, do których wpada cały materiał wleczony, stąd przyjmuje się, że współczynnik sprawności łapacza η = 1. Łapacz rumowiska wyposażony jest w układ do ciągłego pomiaru ciężaru rumowiska gromadzącego się w zbiorniku, co pozwala na określenie przyrostów ciężaru Grum w kolejnych krokach czasowych t i określenie chwilowych natężeń wleczenia ze wzoru: Grum qr = [g s -1 m -1 ] lub [kg s -1 m -1 ] bo t w którym szerokość łapacza b o jest równa szerokości dna koryta laboratoryjnego. Bardzo rzadko łapacze rumowiska są stosowane w badaniach terenowych, ponieważ muszą to być wówczas umieszczone pod dnem rzeki urządzenia stacjonarne, odpowiednio wytrzymałe na zmienne warunki przepływu, w tym w okresie wezbrań powodziowych. Również pomiar ciężaru rumowiska i rejestracji wyników oraz usuwania rumowiska z łapacza wymaga zastosowania specjalistycznej aparatury. Tego typu łapacz rumowiska jest wykorzystywany w badaniach prowadzonych w korycie rzeki Zagożdżonki na terenie zlewni badawczej Kat. Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW. Poniżej przedstawiono schemat łapacza wykorzystywanego w badaniach własnych oraz przykładowe wyniki pomiarów. Schemat łapacza rumowiska wleczonego zainstalowanego w korycie rzeki Zagożdżonki: 1-zbiornik osłonowy, 2-rama nośna, 3-zbiornik na rumowisko, 4-pokrywa zbiornika (otwór wlotowy zabezpieczony siatką), 5- rumowisko wleczone, 6-czujniki ciężaru, 7-podłoga drewniana, 8-palisada drewniana.

6 Hydrogram jednostkowych natężeń przepływu, q d (1), oraz natężeń wleczenia, q r (2), w okresie od godz. 16:00 do godz. 03:00. Hydrogram jednostkowych natężeń przepływu, q d (1), oraz natężeń wleczenia, q r (2), w okresie wystąpienia dwóch wezbrań ( : :00). Transport rumowiska wleczonego ma zmienne natężenie nawet w ustalonych warunkach przepływu. Wynika to przede wszystkim z charakteru tego ruchu, który przy większych naprężeniach stycznych na dnie (prędkościach) odbywa się w postaci przemieszczających się form dennych zmiennych pod względem wymiarów i kształtów. Zwłaszcza duża zmienność natężeń wleczenia występuje w czasie wezbrań przed wystąpieniem kulminacji fali przepływu występują większe intensywności wleczenia niż w fazie opadania fali wezbraniowej (jest to tzw. zjawisko histerezy). Na obu powyższych hydrogramach widać wyraźnie, że kulminacja fali wleczenia (maksimum q r ) występuje wcześniej niż kulminacja fali przepływu (maksimum q d jednostkowe natężenie przepływu wody w strefie oddziaływania strumienia na dno).

7 Zależności empiryczne do określania natężenia wleczenia Na intensywność transportu rumowiska wleczonego ma zasadniczy wpływ charakterystyka materiału dennego i zdolność transportowa cieku, której jednak nie da się w chwili obecnej wyrazić zależnością opartą na teoretycznych podstawach opisu tak złożonego zjawiska jakim jest ruch dwufazowy wody i materiału stałego. Z tego względu wszelkie zależności mają charakter empiryczny i łączą natężenie ruchu rumowiska z parametrami charakteryzującymi cechy tego rumowiska oraz właściwości cieczy, przepływu i koryta cieku. Formuły empiryczne można podzielić na cztery grupy, w zależności od podstawowego parametru hydraulicznego od którego uzależnia się intensywności ruchu rumowiska, tj: - prędkości przepływu wody: m ( υ υ ) 1 qr gr (zakres wartości m 1 = 3 5) - naprężenia stycznego na dnie: m ( τ τ ) 2 qr o gr (rząd wielkości m 2 = 1,5) - energii strumienia (siły prądu): q r τ o υ - prędkości przemieszczania się form dennych: q υ r f Zależności empiryczne zaliczane do poszczególnych grup wzorów mogą mieć różną postać szczegółową i uwzględniać szereg dodatkowych parametrów charakteryzujących rumowisko (średnica d 50, ρ r, nierównomierność uziarnienia) i warunki przepływu (głębokość wody, promień hydrauliczny itp.). W literaturze można znaleźć dziesiątki różnych wzorów empirycznych. Zastosowanie określonego wzoru w praktyce inżynierskiej wymaga sprawdzenia, czy w danych warunkach hydraulicznych i dla danego rumowiska można stosować daną formułę. Zwykle wykonuje się obliczenia kilkoma wzorami, odpowiednimi dla rozpatrywanych warunków przepływu i transportu rumowiska wleczonego.