Proces deformacji koryta potoku górskiego

Transkrypt

1 Wojciech Bartnik, Jacek Florek, Leszek Książek, Andrzej Strużyński Katedra Inżynierii Wodnej, Akademia Rolnicza w Krakowie Proces deformacji koryta potoku górskiego Stawy hodowlane pstrąga wymagają ujęć zlokalizowanych w potokach górskich. Stabilizacja dna takich cieków wymagana jest dla zapewnienia dostaw świeżej wody w każdych warunkach przepływu. W artykule przedstawiono proces zmian parametrów równowagi dna potoku Krzczonowskiego po przejściu fali powodziowej. Wykonano pomiary profili poprzecznych, profilu podłużnego oraz krzywych przesiewu. Przebieg fali powodziowej odtworzony został na podstawie danych meteorologicznych, geodezyjnych i obserwacji koryta wykonanych po przejściu fali. Obliczone parametry hydrauliczne ukazują istnienie naprężeń kilkukrotnie przekraczających naprężenia graniczne, co spowodowało zerwanie obrukowania istniejącego uprzednio w przekrojach pomiarowych. Po przejściu fali powodziowej nastąpiło zmiana położenia dna jak również uszkodzenie brzegów i transport rumowiska wleczonego. Spowodowało to zmianę wartości średnicy miarodajnej w przekrojach pomiarowych. Zastosowanie programu komputerowego ARMOUR umożliwiło wykonanie obliczeń krzywej przesiewu i naprężeń granicznych dla parametrów historycznych oraz prognozy obrukowania dna. Brak stabilności dna występujący w badanym odcinku potoku skłania do zastosowania regulacji przy pomocy zapory przeciwrumowiskowej (zapora kaszycowo-kamienna). 1. Odcinek badawczy Odcinek badawczy zlokalizowano w Tokarni na potoku Krzczonowskim, powyżej ujścia Bogdanówki od przekroju 6+67 do przekroju 6+82 zamykającego zlewnię cząstkową o powierzchni 20,96 km 2. Wykonane pomiary obejmowały lata Dane charakteryzujące badaną część zlewni: gęstość sieci rzecznej ( D ), 1,19 [km km -2 ] wskaźnik zalesienia ( λ ), 37 [ % ] spadek dna potoku w górnym biegu (kocioł zbiorczy) ( I ), 0,05 [ - ] 1

2 spadek dna potoku w dolnym biegu ( I ), 0,01 [ - ] Zlewnia potoku Krzczonowskiego położona jest w zachodniej części Karpat Zewnętrznych w grupie Beskidu Makowskiego. Zbudowana jest głównie z piaskowców i łupków. Partie górne zlewni wykazują objawy charakterystyczne dla tarasowania, świadczącego o okresach erozji i akumulacji. Na stokach zalegają pokrywy wietrzeniowe, soliflukcyjne i osuwiskowe o miąższości do kilku metrów, a na dnach dolin osady fluwialne. Źródła Potoku Krzczonowskiego znajdują się na stokach góry Groń. Powierzchnia zlewni potoku Krzczonowskiego wynosi 92,3 km 2. Ryc. 1. Zlewnia potoku Krzczonowskiego do przekroju pomiarowego 6+82 km Fig. 1. Krzczonowski stream basin up to cross-section 6+82 km Potok Krzczonowski płynie w dolinie z wciętym i zadrzewionym korytem w swoim górnym biegu; w dolnej części koryto jest płytkie i miejscami szerokie. Na odcinku ujściowym brzegi koryta umocnione są narzutem kamiennym, w środkowej części zastosowano korekcję stopniami. W górnej części umocnienia brzegów w przeważającej części są podmyte i grozi im dalsze uszkodzenie. W wyniku restrukturyzacji rolnictwa wiele powierzchni ornych przekształciło się bądź zostało zamienione na pastwiska i łąki. W ostatnich latach powierzchnie zboczy uzyskały naturalną ochronę erozyjną, co spowodowało zmniejszenie ilości transportowanego materiału unoszonego. Stan równowagi w korycie cieku przeszedł w stan nadwyżki sił 2

3 transportujących, a strumienie i potoki zaczęły się wcinać w podłoże. Na takich odcinkach erozja koryta wzmaga się w górnym biegu cieku. Dno w dolnym odcinku pokrywają łachy usypane ze żwirów i otoczaków łatwo uruchamianych przy wyższych stanach wody. Dopływy tworzą głębokie i wąskie wąwozy. 2. Pomiary Badania terenowe prowadzone na badanym odcinku obejmowały pomiary geodezyjne przekrojów poprzecznych, profili podłużnych oraz uziarnienia dna przed i po przejściu fali powodziowej Fala powodziowa Do odtworzenia przebiegu fali powodziowej wykorzystano obserwacje z posterunku opadowego Lubień i Bogdanówka (tab. 1). Tabela 1. Dobowe sumy opadów atmosferycznych Table1. Total daily rainfall Data / Date Suma dobowa / Total daily rainfall [mm] Bogdanówka Lubień ,6 18,7 39,8 66,4 R 11,3 26,8 59,6 14,2 17,9 16,9 25,5 R 3,9 13,0 38,9 R - burza, podkreślenie - maksymalny opad dobowy w miesiącu Opóźnienie fali powodziowej wobec kulminacji opadów do przekroju badawczego obliczone za pomocą metody Tatsugami 1 godzinę i 9 minut, a jeśli zastosowano metodę Rohwera 52 minuty [Lambor 1971]. Infiltrację początkową na danym terenie określono na 1,2 mm/minutę. Po upływie jednej godziny opadu wartość infiltracji malała do wartości 0,05 mm/minutę. Przepływ w przekrojach pomiarowych został skorygowany na podstawie pomiarów terenowych. Zmianę przepływu w czasie przedstawia rycina 2. W tabeli 2 zamieszczono dane dotyczące maksymalnych przepływów wód o określonym prawdopodobieństwie wystąpienia obliczone wzorem Karpackim [Punzet i Trylska- 3

4 Siekańska, 1992] dla zlewni potoku do przekroju 6+82 km. Kulminacja fali powodziowej dla wezbrania w dniach od 26 do 29 lipca 2000 charakteryzowała się maksymalnym przepływem 39,2 m 3 s -1 o prawdopodobieństwie wystąpienia zawierającym się w przedziale 5 10%. Po przejściu wezbrania nastąpiły znaczne zmiany w układzie podłużnym cieku w obrębie koryta. Tabela 2. Przepływy o określonym prawdopodobieństwie (P) wystąpienia w przekroju 6+82 Table 2. Water discharge probability at cross-section 6+82 P [%] 0,1 0,2 0, Q [m 3 /s] 108,3 97,3 82,6 71,3 59,8 53,0 48,1 44,3 32,4 20,6 16,9 9,9 8 3,2 Ryc. 2. Przebieg fali powodziowej w przekroju 6+82 km potok Krzczonowski Fig. 2. Time variation of flood in cross-section 6+82 km Krzczonowski stream 2.2. Przekroje poprzeczne, profil podłużny Na rycinie 3 przedstawiono profile podłużne dna cieku w nurcie przed i po przejściu fali powodziowej. Na badanym odcinku wystąpiła erozja wgłębna. Przy mało odpornym podłożu nastąpiło obniżenie dna w granicach 0,3 0,4 m. Przepływ fali o kulminacji 39 m 3 s -1 spowodował obniżenie koryta cieku (ryc.3), a na kilku odcinkach, szczególnie na 4

5 łukach, nastąpiła erozja brzegowa (ryc.4). Na znacznym odcinku profilu podłużnego cieku zostało odsłonięte podłoże uwidaczniając skałę macierzystą. Ryc. 3. Zmiany badanej części profilu podłużnego przed i po przejściu fali powodziowej Fig. 3. Bad elevation change before and after flood Ryc. 4. Fragment podciętego brzegu na badanym odcinku potoku Krzczonowskiego Fig. 4. Stream bad damage found on treated part of Krzczonowski stream 2.3. Skład granulometryczny rumowiska wleczonego 5

6 Skład granulometryczny rumowiska wleczonego zmierzono metodą tradycyjną. Zmianę uziarnienia w przekroju 6+73 w lipcu 2000r. przedstawiono na rycinie 5. Stwierdzono nieznaczne wymycie drobnych frakcji w dnie koryta i zwiększenie średnicy miarodajnej (tab. 3) z wartości 0,048 m na początku lipca do 0,087 m na końcu tego miesiąca. Tabela 3. Średnica miarodajna (d m ) w okresie badawczym w przekrojach pomiarowych Table3. Changes of mean diameter (d m ) during observation period at pointed cross-sections Data / Date Średnica miarodajna / Mean diameter [m] Przekrój / Cross-section Przekrój / Cross-section , , , , , ,087 Ryc. 5. Przebieg zmian uziarnienia dennego w lipcu 2000 r. Fig. 5. Bad load sieve curve change in June Naprężenia graniczne Podczas obliczenia naprężeń granicznych wymagane jest uwzględnienie rozfrakcjonowania materiału wleczonego przy określeniu stabilności dna. Przejście fali 6

7 powodziowej powoduje zmianę wartości naprężeń granicznych poszczególnych frakcji, co można obliczyć według wzoru; τ = f g ρ d (1) gr i s i gdzie: f i bezwymiarowe naprężenia styczne, d i średnica i-tej frakcji. Naprężenia graniczne obliczone zostały za pomocą programu ARMOUR (wersja 1.13) powstałego w Katedrze Inżynierii Wodnej. Uwzględnia on probabilistyczną naturę ruchu i efekt klinowania ziaren tworzących materiał wielofrakcyjny. Program ARMOUR oparty jest na stabelaryzowanym zapisie funkcji Gesslera zaproponowanym przez Komurę w postaci równań [Bartnik i Strużyński,1999]: arctan (1,7x) τ gr q ( di ) = + 0,5 0 < < 2,15 1 x 1, τ 6 ( ) = 1 11 ( + 0,5) + τ gr q di < 2,15 x > 1, 15 x τ 0 0 (2) (3) gdzie: x = (τ gr /τ ο ) 1. Naprężenia bezwymiarowe f m w programie ARMOUR zostały wyznaczone jako funkcja odchylenia standardowego krzywej przesiewu [Bartnik 1992]: d d i m 0,6 f m(1) = 0,039 δ 0,26 (4) d d i m > 0,6 f m(2) = 0,028 δ 0,26 (5) gdzie : δ odchylenie standardowe krzywej przesiewu. Analiza wyników pomiarów początku ruchu rumowiska w materiale wielofrakcyjnym wykazała, że charakteryzował się on zmienną wartością naprężeń granicznych poszczególnych frakcji. Zjawisko to jest spowodowane klinowaniem drobnego ziarna oraz łatwiejszym wchodzeniem do transportu większych kamieni. Obrukowanie powoduje zwiększenie odporności dna na działanie strumienia i opóźnienie masowego transportu rumowiska. Po jego zerwaniu w ruch wprawiona zostaje warstwa o znacznej miąższości. Wartości naprężeń granicznych (τ gr ) początku ruchu badanego rumowiska wleczonego 7

8 wynosiły N m -2 w zależności od odchylenia standardowego krzywej przesiewu (δ ) (ryc. 6). Po przekroczeniu tego zakresu wartości naprężeń granicznych następuje masowy transport wszystkich frakcji rumowiska. Wartości maksymalne naprężeń ścinających panujących w czasie fali powodziowej wynosiły 303 N m -2 i kilkakrotnie przekroczyły wartości naprężeń granicznych. Warunki sprzyjające obrukowaniu dna wystąpiły do głębokości w korycie wynoszącej 0,55 m, co odpowiadało przepływowi Q 50%. Ryc. 6. Przebieg naprężeń granicznych (τ gr ) i odchylenia standardowego (δ) w zależności od czasowego przebiegu naprężeń stycznych (τ 0 ) oraz napełnienia (h). Fig. 6. Critical stresses (τ gr ), sieve curve standard deviation (δ) change with time-dependent variables sheer stresses (τ 0 ) and flow depth (h). 4. Prognoza obrukowania dna Przejście fali powodziowej doprowadziło do zerwania obrukowania dna. Brak ochronnego działania opancerzenia spowodował transport materiału dennego, co z kolei doprowadziło do znacznego obniżenia się dna na badanym odcinku koryta potoku. 8

9 Zerwanie obrukowania jest procesem gwałtownym, natomiast proces jego tworzenia wymaga długotrwałego działania strumienia wody. Warunki hydrauliczne w prezentowanym okresie nie sprzyjały tworzeniu się obrukowania, ponieważ opady w zlewni wywołały silne oraz krótkotrwałe wezbrania uniemożliwiające wykształcenie się stabilnej pokrywy dna (rycina 2). Uziarnienie wymieszane po przejściu wezbrania jest porównywalne z krzywą końcową uzyskaną za pomocą programu ARMOUR. Krzywa ta jest charakterystyczna dla rumowiska wymieszanego, ponieważ w tym okresie następuje transport materiału dennego i wymieszanie rumowiska. Na rycinie 7 przedstawiono wyniki symulacji komputerowej zmian krzywej przesiewu dna dla jednego z reprezentatywnych przekrojów pomiarowych. Uzyskano dużą zgodność pomierzonej i obliczonej końcowej krzywej przesiewu. Jej kształt przy napełnieniu (h) wynoszącym 0,93 m wskazuje na większy stopień wysortowania rumowiska niż przy napełnieniu 1,53 m (oznaczonej jako krzywa końcowa), co świadczy o tym, że warunki przepływu sprzyjające procesowi obrukowania trwają zbyt krótko i na badanym odcinku dno ulega ciągłej degradacji. Odchylenie standardowe (δ ) krzywej przesiewu osiągnęło wartość 2,6 i było większe od wartości granicznej (1,3) wyznaczonej Ryc. 7. Symulacja komputerowa obrukowania dna potok Krzczonowski Fig. 7. Armouring leyer computer simulation process Krzczonowski stream 9

10 przez Komurę, dla której dno cieku osiąga stan obrukowania. Ponadto przy zastosowaniu programu ARMOUR wykonano symulację warunków, przy których mogłoby wystąpić obukowanie dna. Długotrwale występujące średnie i niskie przepływy powodują wykształcenie krzywej przesiewu charakteryzującej się wartością δ = 1,41 (ryc. 7). 5. Zadania regulacji potoku Krzczonowskiego Krzywa końcowa opisana parametrem δ = 1,41 (ryc. 7) jest korzystna dla zachowania stabilności koryta. W związku z dużymi sumami opadów występującymi ostatnimi laty w porze ciepłej następują w badanej zlewni procesy degradacji koryta potoku. Zachowanie warunków równowagi dna przy powtarzających się przepływach o napełnieniu h > 55 cm możliwe jest poprzez zabudowę techniczną potoku Krzczonowskiego. Zadaniem regulacji cieku jest również zaprojektowanie odpowiedniego przekroju koryta, umożliwiającego przeprowadzenie przepływów wysokich. Zabudowa techniczna potoku, której zadaniem jest zatrzymywanie tylko części rumowiska, pozwala na uniknięcie masowego transportu materiału dennego. Małe przepływy powinny przechodzić przez budowlę bez zaburzenia naturalnego stanu potoku. Obecnie odchodzi się od koncepcji zapór, których głównym celem jest zatrzymanie rumowiska wleczonego na rzecz koncepcji budowania obiektów kontrolujących przebieg jego transportu. Spośród budowli poprzecznych rozwiązaniem najkorzystniejszym mogącym spełnić wymienione kryteria wydaje się być przegroda kaszycowo-kamienna [Wołoszyn i in. 1994]. Ze względu na materiały użyte do jej wykonania oraz konstrukcję doskonale nadaje się ona do zabudowy technicznej bliskiej naturze. Tego typu budowle mogą być stosowane jako środek do stworzenia warunków dna stabilnego i zapewniający ciągłą dostawę wody do stawów hodowlanych pstrąga. 6. Wnioski Na podstawie prognozy zmian w dnie potoku po przejściu fali powodziowej obliczono naprężenia graniczne, których wartość wynosiła od N m -2, natomiast wartość maksymalnych naprężeń ścinających panujących w czasie fali powodziowej wynosiła 302 N m -2 i kilkukrotnie przekroczyły naprężenia graniczne. Warunki hydrauliczne nie sprzyjały tworzeniu się warstwy obrukowania, ponieważ opady w zlewni wywołały intensywne wezbrania uniemożliwiające wykształcenie stabilnej pokrywy dna. 10

11 Parametry przekroju cieku powinny być określone z założeniem osiągnięcia równowagi hydrodynamicznej koryta. Określony został przepływ, który będzie tworzył obrukowanie dna. Przepływ Q 50% nie spowoduje całkowitego zerwania obrukowania, a jedynie wypłukanie drobnych frakcji rumowiska dennego, przez co nastąpi zwiększenie średnicy miarodajnej rumowiska. Ze względu na przekroczenie naprężeń granicznych (erozja dna i brzegów) celowe jest zaprojektowanie w profilu podłużnym cieku przegród kaszycowo-kamienych. Przegrody te mają zdolność zatrzymywania rumowiska wleczonego w czasie przepływu fali powodziowej i przepuszczania wód niskich, przez co stabilizują dno koryta i chronią wytworzone opancerzenie dna, a przez to umożliwia prawidłowe funkcjonowanie ujęć wody dla stawów hodowlanych. Literatura Bartnik W Hydraulika potoków i rzek górskich z dnem ruchomym. Początek ruchu rumowiska wleczonego. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, ser. Rozpr. Hab., Bartnik W Równowaga hydrodynamiczna w warunkach powstawania obrukowania dna cieku. Zesz. Nauk. AR w Krakowie. ser. Inżynieria Środowiska,17, Bartnik W. Strużyński A. 1999, Determining hydrodynamic balance in mountain stream floods. 3rd International Symposium on Ecohydraulics. Materiały Konferencyjne wydane na CD-ROM, Lambor J Hydrologia inżynierska. Arkady. Warszawa Punzet J. 1992, Trylska-Siekańska D., Podstawy opiniodawcze działalności oddziału IMGW w Krakowie w zakresie hydrologii stosowanej, Wiadomości IMGW, t. XV, zeszyt 3, Wołoszyn J. Czamara Wł. Eliasiewicz R. Krężel R Regulacja rzek i potoków górskich. Wydawnictwo Akademii Rolniczej. Wrocław

12 Wojciech Bartnik, Jacek Florek, Leszek Książek, Andrzej Strużyński An example of deformation process of bed in mountain stream Summary Fish ponds are reinforced by water from a mountain stream. Water intakes work properly under all conditions if stream by is stable. The paper presents changes of the bed level in Krzczonowski stream after the pass of floods on July During an observation period cross-section, longitudal profile and sieve curve were measured. Additionaly, basing on rainfall, geografical data and local observations the flood distribution was modeled. The values obtained show that critical shear stresses were exceeded what caused remove of armored layer, which protect bed against erosion. Bedload transport was noticed also lower bed elevation and banks damage appeared. Due to intensive bedload transport characteristic diameter of bed material increased. Using PC software ARMOUR shear stresses and sieve curve change were calculated. Agreement between measured and calculated final sieve curve appear well. Additionally prediction of hydraulic conditions conducive to form armored layer were made. Streambed in observed area come out being not stable. Due to decrease water slope fortification by dam made of wood and stone in treated basin is recommended. Departament of Water Engineering Agriculture University of Cracow Adres / Address: Katedra Inżynierii Wodnej Akademia Rolnicza w Krakowie al. Mickiewicza 24/28, , Kraków tel rmbartni@cyf-kr.edu.pl 12