OKI KRAKÓW. Załącznik F. Model hydrologiczny opad odpływ R Z G W REGIONALNY ZARZĄD GOSPODARKI WODNEJ W KRAKOWIE WOJEWÓDZTWO PODKARPACKIE

Transkrypt

1 REGIONALNY ZARZĄD GOSPODARKI WODNEJ W KRAKOWIE R Z G W WOJEWÓDZTWO PODKARPACKIE UNIA EUROPEJSKA EUROPEJSKI FUNDUSZ Załącznik F Model hydrologiczny opad odpływ

2 1. Określenie hietogramu hipotetycznego [1] Hietogram hipotetyczny oprócz informacji o wysokości, czasie trwania i okresie powtarzalności zawiera najbardziej prawdopodobny rozkład rzędnych wysokości opadu w czasie. W celu opracowania hietogramów opadów należy posłużyć się metodą opisaną przez Kupczyk i Suligowskiego, wykorzystując równania przedstawione w tabeli 1. Tab. 1. Wysokość opadu h w funkcji czasu trwania dla >10.5. Czas trwania deszczu > Zakres stosowalności formuły [%] Postać funkcji h = h = h = czas trwania opadu [% czasu całkowitego] h wysokość opadu, [% sumy całkowitej] 2. Obliczenie opadu efektywnego metodą SCS [2] Spośród szeregu metod wyznaczania opadu efektywnego jedną z częściej stosowanych i wyróżniających się dużą szczegółowością sposobu doboru parametru metody jest metoda SCS, w której opad efektywny uzależniony jest od rodzaju gleb, struktury użytkowania ziemi, charakteru pokrywy roślinnej oraz stanu uwilgotnienia zlewni przed wystąpieniem badanego opadu. Dla potrzeb metody CN-SCS gleby należy podzielić na cztery grupy w zależności od możliwości powstawania odpływu powierzchniowego. Do poszczególnych grup zalicza się: A. Gleby o małej możliwości powstania odpływu powierzchniowego. Charakteryzują się dobrą przepuszczalnością, dużymi współczynnikami filtracji (k>7.6 mm/h). Do grupy tej zalicza się głębokie piaski, piaski z niewielką domieszką gliny, żwiry, głębokie lessy. B. Gleby o przepuszczalności powyżej średniej, średni współczynnik filtracji (3.8<k 7.6 mm/h). Należą tu: gleby piaszczyste średnio głębokie, płytkie lessy oraz iły piaszczyste. 2

3 C. Gleby o przepuszczalności poniżej średniej (1.3<k 3.8 mm/h). Należą tu: gleby uwarstwione, posiadające wkładki słabo przepuszczalne oraz iły gliniaste, płytkie iły piaszczyste, gleby o niskiej zawartości części organicznych, gliny o dużej zawartości części ilastych. D. Gleby o dużej możliwości powstawania odpływu powierzchniowego. Przepuszczalność gleby bardzo mała i bardzo mała wartość współczynnika filtracji (k<1.3 mm/h). Do grupy tej należą gleby gliniaste, gliny pylaste, gliny zasolone, gleby uwarstwione z warstewkami nieprzepuszczalnymi. W pierwszym etapie należy określić rodzaj gleb występujących na obszarze zlewni. Identyfikacji rodzaju gleb przeprowadzić należy w oparciu o mapę glebowo rolniczą w skali referencyjnej 1: opracowaną w Instytucie Uprawy, Nawożenia i Gleboznawstwa w Puławach. Bazując na typach gleb zawartych w przedmiotowej mapie dokonać należy ich agregacji, a następnie przypisać je do jednej z 4 grup wymaganych przez metodę CN SCS. Po określeniu grupy glebowej należy opracować klasy zagospodarowania terenu w oparciu o bazę danych CORINE LAND COVER (wykonanej na bazie danych wektorowych w skali 1: ). Mapę glebowo-rolniczą oraz bazę danych CORINE LAND COVER należy pozyskać we własnym zakresie. W dalszej kolejności na podstawie grupy glebowej oraz klasy zagospodarowania terenu należy wyznaczyć parametr CN. Parametr ten przyjmuje wartości od 0 do 100, przy czym CN=100 oznacza stan pełnego uwilgotnienia zlewni, a zatem opad efektywny jest równy w takim przypadku opadowi całkowitemu. W przypadku zlewni zróżnicowanej pod względem rodzaju gleb i użytkowania parametr dla całej zlewni jest średnią ważoną, którą należy obliczyć według wzoru: = 1 (1) całkowite pole powierzchni zlewni, [km 2 ] pole powierzchni obszaru jednorodnego pod względem współczynnika CN, [km 2 ] - wartość współczynnika dla obszarów jednorodnych, [ ] - liczba obszarów jednorodnych 3

4 Dla określenia wartości parametru CN w zależności od charakteru pokrycia powierzchni zlewni, grupy gleb oraz II stopnia uwilgotnienia posłużyć się należy tabelą zamieszczoną poniżej. Tab. 2. Wartości parametru CN dla II stopnia uwilgotnienia Rodzaj pokrycia Tereny otwarte: trawniki, parki, pola golfowe, cmentarze, itp. Tereny nieprzepuszczalne: utwardzone parkingi, dachy, jezdnie Ulice i drogi Tereny handlowe i przemysłowe Tereny zamieszkałe przy przeciętnej powierzchni działki: Opis -warunki hydrologiczne Złe war. hydrol. (trawa pokrywa do 50 % powierzchni) Wartości CN dla grup glebowych A B C D Średnie (pokrycie 50-75%) Dobre (pokrycie > 75%) nieprzepuszczalne z poboczami i rowami otwartymi żwirowe gruntowe ok. 85% pow. nieprzepuszczalnej ok. 72% pow. nieprzepuszczalnej < 500 m 2, lub 65% pow. nieprzepuszczalnej m 2, 38% m 2, 30 % m % m 2, 20% zagrody Ugór Rośliny okopowe warunki przeciętne Rośliny zbożowe warunki przeciętne Rośliny motylkowe warunki przeciętne Pastwiska warunki przeciętne Łąki warunki przeciętne Lasy gęste średniogęste rzadkie

5 Dla III stopnia uwilgotnienia gruntu wartość parametru CN należy skorygować w oparciu o zamieszczoną poniżej tablicę. Tab. 3. Wartości parametru CN dla różnego stopnia uwilgotnienia gruntu CN dla II PWW CN CN dla II PWW CN I PWW III PWW I PWW III PWW Można również skorzystać z poniższej formuły: ( ) = 23 CN(II) ( ) ( ) parametr CN odpowiadający II stopniu uwilgotnienia gruntu ( ) parametr CN odpowiadający III stopniu uwilgotnienia gruntu (2) 5

6 W kolejnym etapie należy wyznaczyć potencjalną retencję zlewni : =25, potencjalna retencja zlewni, [mm] parametr określony w oparciu o tablice, [ ] (3) Według założeń metody SCS wezbranie zaczyna się wówczas, gdy wysokość opadu przekroczy wysokość warstwy wody zatrzymanej w procesach intercepcji, retencji powierzchniowej i infiltracji przed rozpoczęciem odpływu powierzchniowego. Część opadu, biorąca udział w tych procesach określana jest terminem strat początkowych. Straty te wyliczyć należy z następującej zależności: = (4) starty początkowe, [mm] współczynnik zależny od wartości parametru CN, co przedstawia poniższa tabela potencjalna retencja zlewni, [mm] Tab. 4. Wartości współczynnika do obliczenia strat początkowych [3] < < Skumulowany opad efektywny Pe(t) w dowolnej chwili, wyliczyć należy ze wzoru: ( ) = ( ( ) ) ( ) + ( ) skumulowany opad efektywny, [mm] ( ) skumulowany opad całkowity, [mm] (5) 6

7 starty początkowe, [mm] potencjalna retencja zlewni, [mm] Jeżeli starty początkowe są większe lub równe opadowi całkowitemu ( ) wówczas opad efektywny równy jest zeru, co równoznaczne jest z brakiem odpływu bezpośredniego. Aby określić natężenie opadu efektywnego wzór: w kolejnych krokach czasowych należy zastosować ( ) = ( ) ( 1) natężenie opadu efektywnego, [mm/godz] przyjęty krok czasowy, [godz.] ( ) skumulowany opad efektywny, [mm] kolejne przedziały czasowe 3. Model SCS UH Do potrzeb modelowania odpływu wezbraniowego należy posłużyć się oprogramowaniem HEC HSM opracowanym przez Ośrodek Inżynierii Hydrologicznej Korpusu Inżynieryjnego Armii Stanów Zjednoczonych Ameryki. Spośród wielu dostępnych w modelu HEC HMS metod obliczeń opadu efektywnego należy wybrać metodę SCS ze względu na najmniejszą liczbę wymaganych danych wejściowych. Do transformacji opadu w odpływ należy wybrać model SCS UH, który pozwala na określenie wartości przepływu kulminacyjnego, całkowitą objętość odpływu, kształt hydrogramu i jego przebieg w czasie. Metoda SCS należy do grupy metody fali jednostkowej. Wysokość przepływu kulminacyjnego wyliczana jest z formuły: = = 2 + (6) (7) A powierzchnia zlewni [km 2 ] (8) 7

8 t czas wznoszenia się fali kulminacyjnej, [godz.] c parametr (c=2,08) T czas opóźnienia, [godz.] czas trwania opadu efektywnego, [godz.] Rys. 1. Parametry hydrogramu trójkątnego w metodzie SCS UH Dla określenia czasu opóźnienia należy posłużyć się formułą SCS: ( 3,28 10 ) = 1900 czas opóźnienia, [godz.] długość zlewni, [km] spadek zlewni, [%] CN parametr CN, [-] 3281 przelicznik, (1 metr = feet). (9) 8

9 4. Literatura 1. Kupczyk E., Suligowski R., Statystyczny opis struktury opadów atmosferycznych jako elementu wejścia do modeli hydrologicznych. [w:] Predykcja opadów i wezbrań o zadanym czasie powtarzalności, red. Soczyńska U., Warszawa Ciepielowski A., Dąbkowski Sz., Metody obliczeń przepływów maksymalnych w małych zlewniach rzecznych, Oficyna Wydawnicza Projprzem EKO, Bydgoszcz Ozga Zielińska M., Brzeziński J., Hydrologia stosowana, Wydawnictwo Naukowe PWN, Warszawa