Zagadnienia: Wykład 2

Transkrypt

1 Wykład 2 Zagadnienia: Klasyfikacja wezbrań i powodzi Charakterystyka wezbrań i powodzi Parametry fal wezbraniowych Wpływ zagospodarowania zlewni na wielkość wezbrań

2 Klasyfikacja wezbrań i powodzi Ze względu na genezę wezbrania dzielimy na: Opadowe wywołane deszczami: rozlewnymi frontalnymi nawalnymi ( oberwanie chmury ) Roztopowe wywołane gwałtownym tajaniem śniegu Zimowe zatorowe: lodowe śryżowe Sztormowe wywołane wiatrem wiejący od morza i powodującym podniesienie się poziomu wody w ujściowych odcinkach rzek

3 Klasyfikacja wezbrań i powodzi Regiony dominacji określonego typu wezbrań Płock, kwiecień 2011

4 Charakterystyka wezbrań i powodzi Okresy występowania różnych typów powodzi w Polsce Typ powo -dzi Miesiące XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X O n O f O r Okres możliwego pojawiania się powodzi Okres najczęstszego pojawiania się powodzi

5 Charakterystyka wezbrań i powodzi Okresy występowania różnych typów powodzi w Polsce Typ powo -dzi R Miesiące XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X S z Z ś Z z Okres możliwego pojawiania się powodzi Okres najczęstszego pojawiania się powodzi

6 Klasyfikacja wezbrań i powodzi Ilość i rozkład przestrzenny wezbrań opadowych w latach

7 Klasyfikacja wezbrań i powodzi Ilość i rozkład przestrzenny wezbrań roztopowych i zatorowych w latach

8 Klasyfikacja wezbrań i powodzi Q [m 3 /s] Wezbranie wielkie Q 50% Q 5% Q 20% (SQ + Q 50% )/2 SQ Wezbranie zwyczajne Czas Klasyfikacja wezbrań na podstawie Q max wg IMGW Q 20% Q 20%

9 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Wezbrania i powodzie opadowe Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: powierzchni obszaru objętego opadami, intensywności opadów, stanu uwilgotnienia zlewni. Rozkład opadów 9/10 lipca 2001 r. w rejonie Gdańska Opad średni na obszarze 68 mm tj. ok. 11 % opadu średniego rocznego (600 mm)

10 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Krzywe redukcyjne sumy opadu punktowego dla oszacowania opadu obszarowego o różnym czasie trwania deszczu Przykład: Wysokość opadu punktowego (na stacji opadowej) P 1h = 40 mm Wysokość opadu w zlewni o pow. 500 km2 P 1h = 0,65 40 = 26 mm 65 %

11 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Największe odpływy jednostkowe obserwowane w Polsce w małych zlewniach (A < 100 km 2 ) po opadach katastrofalnych

12 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Wezbrania i powodzie opadowe Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: powierzchni obszaru objętego opadami, intensywności opadów, stanu uwilgotnienia zlewni wykres poniżej P - opad [mm]

13 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Mapy rozkładu opadów maksymalnych Maksymalne sumy opadów o prawdopodobieństwie wystąpienia 1 % i czasie trwania 60 minut

14 Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych Wyznaczanie wysokości opadów wg wzorów empirycznych Regiony maksymalnych opadów w czasie: a) 5 30 minut, b) 1 12 godzin, c) godziny P max =1,42 t 0,33 + (R,t)(-ln p) 0,584 t czas trwania opadu [min], (R,t) parametr zależny od regionu (R) i czasu opadu (t), p prawdopodobieństwo opadu (dla 1 % p = 0,01).

15 Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych Wezbrania i powodzie zimowe Charakteryzują się punktowym występowaniem i na ogół niewielkim zasięgiem. Mogą występować zarówno na rzekach górskich jak i nizinnych z tym, że najczęściej występują na dużych rzekach nizinnych. Warunki sprzyjające zatorom: duża krętość rzeki; morfologia koryta występowanie odsypisk, wysp, bocznych odgałęzień koryta; przekroje mostowe, górne odcinki zbiorników zaporowych.

16 Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych Widok koryta Wisły w rejonie Kępy Polskiej Wod. Kępa Polska km 606

17 Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych

18 Parametry fal wezbraniowych Schemat fali wezbraniowej Hietogram opadu a) czas P [mm] b) Hydrogram przepływu Q [m 3. s -1 ] Q max Fala wywołana odpływem gruntowym czas 1 początek zasilania rzeki wodami z odpływu powierzchniowego 2 kulminacja wezbrania maksymalne natężenie przepływu 3 koniec okresu zasilania rzeki z odpływu powierzchniowego 4 koniec okresu zasilania z odpływu bezpośredniego, początek zasilania rzeki wyłącznie z odpływu gruntowego.

19 Parametry fal wezbraniowych P [mm] a) czas b) Q [m 3. s -1 ] Q max Q dop Q doz Q dop podstawa fali powodziowej SSQ podstawa fali wezbraniowej czas Schemat fali wezbrania opadowego: a) hietogram, b) hydrogram przepływu: 1-2 czas wznoszenia fali t s, 2 kulminacja wezbrania Q max przepływ kulminacyjny, 2-3 czas opadania fali t o

20 Parametry fal wezbraniowych P [mm] a) czas b) Q [m 3. s -1 ] V a Q max V b V a objętość fali powodziowej Q dop Q doz V = V a + V b całkowita objętość fali wezbraniowej czas Q dop podstawa fali powodziowej SSQ podstawa fali wezbraniowej Schemat podziału objętości fali wezbrania

21 Parametry fal wezbraniowych Czasy wznoszenia fal wezbraniowych t s (Wartości szacunkowe wg Ciepielowskiego 2001) Rodzaj zlewni Górskie bardzo małe Wyżynne średniej wielkości Nizinne: - małe - średnie - duże Nizinne o dużej retencyjności (pojezierne, zabagnione, o dużej lesistości) Pow. zlewni [km 2 ] t s [h] fali opadowej t s [h] fali roztopowej lub roztopowoopadowej do ok ok

22 Parametry fal wezbraniowych Kształty fal wezbraniowych Przykładowe roczne hydrogramy wezbrań: a) rzeka nizinna, b) rzeka wyżynna

23 Parametry fal wezbraniowych Kształty fal wezbraniowych Wpływ kształtu zlewni: a) zlewnia wydłużona b) zlewnia koncentryczna Wpływ kierunku przemieszczania się opadów: A od ujścia w górę rzeki B od źródeł do ujścia

24 Parametry fal wezbraniowych Kształty złożonych fal wezbraniowych Fale złożone opadowe powstają w wyniku: wystąpienia intensywnych opadów w odstępach czasu nałożenia się dwóch lub kilku fal uformowanych w cieku głównym i w jej dopływach

25 Wpływ zagospodarowania zlewni Retencja zlewni - pod tym pojęciem rozumiemy zdolność do gromadzenia i przetrzymywania wody opadowej (roztopowej) w środowisku biotycznym i abiotycznym zlewni rzecznych. Całkowitą retencję zlewni R c można wyrazić następującym wzorem: R c R i R pn R w R i - retencja szaty roślinnej (zwana intercepcją), R pn - retencja powierzchni nieprzepuszczalnych, R w - retencja stojących wód otwartych, R rz - retencja w korytach rzek i cieków, R d - retencja na obszarach depresyjnych, R gl - retencja glebowa, R gr - retencja gruntowa, R bo - retencja na obszarach bezodpływowych. R rz R d R gl R gr R bo

26 Wpływ zagospodarowania zlewni Zmiana zagospodarowania zlewni powoduje zmiany jej retencyjności. W szczególności zmiany te są zauważalne w zlewniach zurbanizowanych, tj. w zlewniach w których udział powierzchni zabudowy jest > 5 %. Całkowita retencja w zlewni zurbanizowanej zmniejsza się: R c R c R i R pn R w R rz R d R gl R gr R bo Najważniejsze elementy retencji ulegające zmniejszeniu: R i mniejszy udział powierzchni pokrytych roślinnością R pn większy udział powierzchni nieprzepuszczalnych (drogi, place, dachy budynków) na których woda zatrzymuje się, ale z których szybciej paruje, a także szybciej odpływa do sieci kanalizacji deszczowej R gl mniejsza powierzchnia gleb R gr mniejszy odpływ wody do gruntu Pozostałe elementy retencji również mogą ulegać zmniejszeniu (np. w wyniku likwidacji małych zbiorników wodnych, mokradeł, zagłębień terenu)

27 Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych Przykład małej zlewni w Niemczech obserwacje wodowskazowe od połowy XIX wieku. Analizowano zmian parametrów fal (przy takiej samej wysokości opadu) w 3 okresach: A stan naturalny druga połowa XIX w.: długość rzeki 28 km parametry fali: Q max = 5,3 m 3 /s V = 0,54 mln m 3

28 Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych B początek XX w.: długość rzeki 24 km parametry fali: Q max = 7,3 m 3 /s V = 0,62 mln m 3

29 Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych C koniec XX w.: długość rzeki 20 km parametry fali: Q max = 9,5 m 3 /s V = 0,69 mln m 3 Zmiany w okresie ponad 100 lat: Q max z 5,3 m 3 /s do 9,5 m 3 /s wzrost o ok. 80 % V - z 0,54 do 0,69 mln m 3 wzrost o ok. 28 %

30 Wpływ zagospodarowania zlewni Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego Wpływ gęstości pokrycia roślinnego na wielkość odpływu powierzchniowego (Noble 1965 za Gregory, Walling 1987) Opad P = 65 mm/h Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy 30

31 Wpływ zagospodarowania zlewni Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego Wielkość odpływu powierzchniowego w ciągu roku (Ryszkowski i Kędziora 1987) Rodzaj użytku Odpływ powierzchniowy [mm] Las iglasty 64 Łąka 88 Pole uprawne 102 Pole w ugorze 230 Teren zabudowy wiejskiej 256 Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy wzrost retencji w zlewni R wzrost zasobów wodnych zlewni 31

32 Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ urbanizacji zlewni na elementy bilansu wodnego E ewapotranspiracja, O pow - odpływ powierzchniowy I p - infiltracja płytka, I g - infiltracja głęboka

33 Wpływ zagospodarowania zlewni Zmiany parametrów bilansu wodnego niewielkiej zlewni na obszarze Moskwy w wyniku jej przekształcenia ze zlewni rolniczej na zurbanizowaną (Wg Lvovich i Chernogaeva 1977, za Gregory, Walling 1987) Ewapotranspiracja Opad Ewapotranspiracja Opad Odpływ powierzchniowy Odpływ powierzchniowy Odpływ podziemny Odpływ podziemny Wzrost odpływu powierzchniowego zmniejszenie się retencji i zasobów wodnych zlewni wzrost zagrożenia powodziowego! 33

34 Wpływ zagospodarowania zlewni Zróżnicowanie odpływu jednostkowego q (dm 3 s-1 km-2 ) w czasie T (h) dla typowej fali wezbraniowej wywołanej opadem ulewnym w zlewniach o różnym użytkowaniu - rzeki Sufraganiec i Silnica

35 Wpływ zagospodarowania zlewni Wielkość odpływu jednostkowego q (dm 3 s -1 km -2 ) ze zlewni cząstkowych rzek Sufraganiec i Silnica o zróżnicowanym zagospodarowaniu: zlewnia leśna zlewnia rolnicza zlewnia zurbanizowana Udział pow. utwardzonych Gęstość pow.dróg utwardzonych Gęstość sieci kanalizacji deszcz.

36 Wpływ zagospodarowania zlewni Natężenie przepływu Q (m 3 *s -1 ) 6 5 Q max przepływ kulminacyjny 4 Q max 3 2 Q max Czas (h) a) b) c) Wpływ zagospodarowania zlewni na kształt i wysokość fali wezbraniowej: a) zlewnia zurbanizowana (o małej retencyjności), b) zlewnia użytkowana rolniczo c) zlewnia z dużym udziałem lasów (o dużej retencyjności). 36

37 Wpływ zagospodarowania zlewni Natężenie przepływu Q (m 3 *s -1 ) 6 5 Q max przepływ kulminacyjny 4 Q max 3 2 Q max Czas (h) a) b) c) W wyniku zmian zagospodarowania i zmniejszania się retencyjności zlewni: wzrasta wielkość przepływu kulminacyjnego Q max fali wezbraniowej wywołanej opadem (roztopami), zwiększa się objętość wody odpływającej w czasie wezbrania, zmniejsza się czas między początkiem opadu a kulminacją fali (następuje przyspieszenie odpływu ze zlewni). 37

38 Wpływ zagospodarowania zlewni Wielkość przepływu kulminacyjnego Q max (m 3. s -1 ) w czasie wezbrania opadowego można obliczyć z następującego wzoru: Qmax 16,67 I A gdzie: φ współczynnik odpływu ze zlewni, (-), I natężenie deszczu, (mm. min -1 ), A powierzchnia zlewni, (km 2 ), 16,67 współczynnik przeliczeniowy wynikający z przyjętych jednostek I i A. Wartość współczynnika odpływu φ zależy od: rodzaju powierzchni (pokrycia terenu) średniego nachylenia zlewni J z [ ] wyrażonego wzorem: W J z A W [m] - deniwelacja różnica ekstremalnych wysokości (rzędnych) punktów terenowych w zlewni - W = W max W min 38 A - powierzchnia zlewni [km 2 ]

39 Wpływ zagospodarowania zlewni Współczynniki odpływu φ wód deszczowych dla różnych powierzchni i średnich spadków zlewni Rodzaj powierzchni Współczynnik odpływu φ (-) dla powierzchni o średnim spadku terenu J z (%) < 0,5 1,0 2,5 5,0 7,5 10,0 Lasy 0,01 0,02 0,04 0,06 0,10 0,15 Grunty orne, pola uprawne 0,05 0,08 0,10 0,15 0,20 0,25 Łąki, pastwiska, parki, ogrody 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30 Łąki z siecią rowów 0,20 0,22 0,25 0,30 0,40 0,45 Zabudowa willowa, wiejska 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60 Tereny miejskie z luźną zabudową 0,40 0,42 0,45 0,50 0,55 0,60 Dzielnice śródmiejskie o luźnej zabudowie 0,60 0,62 0,65 0,70 0,76 0,80 Dzielnice śródmiejskie o zabudowie zwartej 0,70 0,75 0,85 0,90 0,95 0,98 Dzielnice staromiejskie o zwartej zabudowie 0,80 0,82 0,85 0,90 0,96 1,00 Aleje spacerowe, drogi żwirowe 0,20 0,22 0,25 0,30 0,35 0,40 Drogi tłuczniowe 0,25 0,28 0,33 0,42 0,52 0,60 Drogi z kostki Bauma, bruki zwykłe 0,50 0,52 0,55 0,62 0,65 0,70 Bruki szczelne 0,70 0,72 0,75 0,80 0,85 0,90 Drogi bitumiczne 0,80 0,82 0,85 0,90 0,92 0,95 Dachy kryte blachą lub papą 0,85 0,90 0,96 0,98 0,99 1,00 39

40 Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ zmian udziału powierzchni zabudowy w zlewni na kształt fali wezbraniowej W zlewniach zurbanizowanych: Wzrasta wielkość odpływu jednostkowego, Ulega skróceniu czas dopływu wód opadowych do cieku odbiornika (spływ powierzchniowy po gładkich powierzchniach nieprzepuszczalnych wspomagany przez system kanalizacji deszczowej)

41 Wpływ zagospodarowania zlewni Przebieg wezbrań w zurbanizowanej zlewni rzeki Białej w Białymstoku, na tle zmienności opadów zarejestrowanych w miesiącu czerwcu 2009 roku

42 Stan wody H [cm] Wpływ zagospodarowania zlewni Hydrogram stanów wody Potok Służewiecki w Warszawie (zlewnia zabudowana w ok. 60 % - Osiedla: Natolin, Ursynów, Służew, część Wilanowa, lotnisko Okęcie) Potok Służewiecki / ul. Rosoła - lipiec Stan wody Pomiar o godz. 7: Data

43 Wpływ zagospodarowania zlewni Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi? Aktualne zalecane w projektowaniu częstotliwości występowania deszczu obliczeniowego i kontrolnego (PN-EN 752-4:2001) Rodzaj zabudowy Częstotliwość deszczu obliczeniowego 1 wystąpienie na c lat Częstotliwość przepełnienia 1 wystąpienie na c lat Osiedla wiejskie 1 10 Osiedla mieszkaniowe 2 20 Zabudowa śródmiejska, tereny handlowe, przemysłowe: z uwzględnieniem zjawiska wylania bez uwzględnienia zjawiska wylania Metro / przejście podziemne 10 50

44 Wpływ zagospodarowania zlewni Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi? Stare zalecane częstotliwości deszczu obliczeniowego według Błaszczyka (1965) stosowane w wielu istniejących sieciach Rodzaj kanału Częstotliwość deszczu obliczeniowego 1 wystąpienie na c lat Kanały boczne w płaskim terenie 1 Kolektory, kanały boczne przy większych spadkach terenu Kolektory w głównych ulicach, kanały boczne przy dużych spadkach terenu Kanały w szczególnie niekorzystnych warunkach (np. gęsta zabudowa) Kanały otwarte na terenie miast

45 Wpływ zagospodarowania zlewni Częstotliwość deszczu obliczeniowego w projektowaniu odwodnienia dróg Autostrada (A), Ekspresowa (S) Klasa drogi Główna ruchu przyspieszonego (GP) Częstotliwość deszczu obliczeniowego 1 wystąpienie na c lat 10 5 Wnioski: Główna (G), Zbiorcza (Z) Lokalna (L), Dojazdowa (D) 1. Kanalizacja deszczowa nie zapewnia skutecznej ochrony w przypadku opadów ekstremalnych o małym prawdopodobieństwie wystąpienia; 2. Kanalizacja deszczowa przyśpiesza odpływ wzrasta ryzyko powodzi. 2 1