Parametryzacja warunków przepływu wody w przepławkach biologicznych w celu automatyzacji procesu projektowania

Transkrypt

1 UR w Krakowie 29 III 2012 Parametryzacja warunków przepływu wody w przepławkach biologicznych w celu automatyzacji procesu projektowania Andrzej Strużyński Zespół badawczo-koncepcyjny: Wojciech Bartnik, Leszek Książek, Andrzej Strużyński, Jacek Florek, Maciej Wyrębek, Małgorzata Leja, Mateusz Strutyński

2 Plan prezentacji: - cel opracowania - przepławki bliskie naturze - określenie zakresu stosowalności przepławek - metodyka pomiarowo-badawcza - wyniki pomiarowe - opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki

3 Określenie zakresu stosowalności przepławek Rodzaj rzek: rzeki z dnem szorstkim - rodzaj i reżim rzeki, - gatunki ryb, różne siedliska - parametry hydromorfologiczne

4 Cel opracowania: Algorytm komputerowy umożliwiający weryfikację przyjętych przez projektanta parametrów hydraulicznych wybranego typu przepławki dla określonych gatunków ryb

5 Określenie zakresu stosowalności przepławek

6 Określenie zakresu stosowalności przepławek Fot: J. Florek możliwości pokonywania przeszkód przez ryby:? prędkość wody? pokonywana wysokość? odległość pomiędzy przeszkodami? spadek przepławki? napełnienie? szerokość? przepływ

7 Określenie zakresu stosowalności przepławek Gatunki ryb: łosoś śliz Fot: internet płoć gatunki żyjące w Rabie

8 Określenie zakresu stosowalności przepławek Gatunki ryb chronionych: głowacz białopłetwy Fot: internet minóg strumienowy gatunki żyjące w Rabie

9 Określenie zakresu stosowalności przepławek Wielkości fizyczne występujące w rzekach wpływające na typ i parametry przepławek: 1. dynamika przepływów: SNQ, przepływy nienaruszalne, przepływy procentowe, przepływy katastrofalne. Energia przepływającej wody, 2. charakterystyka morfologiczna: rodzaj podłoża, spadek, przekroje, podatność na erozję. Stabilność dna, 3. parametry fizykochemiczne wody. Parametry budowli piętrzącej. Powyższe parametry wpływają na skład gatunkowy rzek, Obecność grup gatunków ryb wpływa na dobór przepławki

10 Określenie zakresu stosowalności przepławek Parametry przepławek dla ryb: stworzenie warunków migracji ryb o różnej wydajności energetycznej - ryby małe E < 100 W/m2 - karpiowate - łososiowate E > 200 W/m2 czas jaki ryba spędza w przepławce ilość przeszkód, które w przepławce musi pokonać poszukiwanie przepławki w której występują warunki przepływu wspólne dla istniejących w rzece gatunków. W przypadku zachowania odpowiednich parametrów energetycznych przepławka musi być atrakcyjna dla ryb.

11 Przepławki bliskie naturze

12 Przepławki bliskie naturze Wybrane typy przepławek: - przepławki dwufunkcyjne, - przepławki szczelinowe, - przepławki ryglowe, - przepławki w formie bystrza o zwiększonej szorstkości, - j.w. z progami z ziaren ponadwymiarowych. Metodyka badawcza: - pomiary laboratoryjne określenie skali modelu - modelowanie 2D kalibracja i ekstrapolacja warunków pracy przepławki

13 Przepławki bliskie naturze Przepławki dwufunkcyjne Bariery wykonane z elementów elastycznych wiklinopodobnych woda przepływa przez te elementy może przelewać się przez ich koronę Fot: M. Wyrębek Ryc.: A. Strużyński

14 Przepławki bliskie naturze Przepławki dwufunkcyjne - woda przelewa się w przeważającej części przez przelewy, - przegrody działają jak progi zmniejszając średnią prędkość przepływu w przepławce, - poziom wody przepływającej przez przepławkę jest zbliżony do wysokości przegród, - pewna część wody z przepływa przez przegrody elastyczne wygaszając zawirowania wody w basenach, - naprzemianległe ułożenie przegród sprzyja powstawaniu zawirowań w powstałych basenach, - turbulencje przepływającej wody uzależnione są m.in. od rozmiarów basenów, - rozkład prędkości wody przelewającej się przez szczotki w ich strefie jest liniowy;

15 Przepławki bliskie naturze Przepławki ryglowe Ryc.: A. Strużyński Przegrody wykonane z betonu lub ziaren ponadwymiarowych woda przepływa przez szczeliny jedna, skrajna szczelina jest wyraźnie szersza od pozostałych Fot: M. Wyrębek

16 Przepławki bliskie naturze Przepławki ryglowe - wiele parametrów hydraulicznych zbliżonych jest do występujących w przepławkach dwufunkcyjnych, - woda przelewa się w znacznej części przez przesmyk główny którego rozmiary są atrakcyjne dla ryb, - pozostałe przesmyki pełnią funkcję wygaszania ruchu wirowego wody w basenach - rozkłady prędkości w przesmykach i basenach są w znacznej części kształtowane przez opory dna Fot: M. Wyrębek

17 Przepławki bliskie naturze Przepławki w formie bystrza o zwiększonej szorstkości piony pomiarowe 0.09, 0.16, 0.23, 0.30 [m] Fot: L. Książek

18 Przepławki bliskie naturze Przepławki w formie bystrza o zwiększonej szorstkości - brak basenów, - brak obszarów spoczywania ryb, - zwiększona szorstkość dna, - konieczność wykonania przepławki ze spadem zbliżonym do rzecznego, - duża długość przepławki, - profil i pulsacje prędkości kształtowane przez warunki przepływu nad dnem szorstkim. rozkład logarytmiczny Fot: L. Książek

19 Przepławki bliskie naturze Przepławki w formie bystrza o zwiększonej szorstkości z progami z ziaren ponadwymiarowych Przekroje pomiarowe: 4.04 pomiędzy progami 4.55 poniżej progu Fot: L. Książek

20 Przepławki bliskie naturze Przepławki w formie bystrza o zwiększonej szorstkości z progami z ziaren ponadwymiarowych - przepławka odzwierciedla naturalny układ rzeczny zbystrzeń i plos, - ryby mają możliwość odpoczynku w basenach - typowe obliczenia przepławki, podobne do obliczeń wykonywanych dla obliczeń hydraulicznych koryt szorstkich z progami, - w przeważającej części przepławki wykształca się logarytmiczny profil prędkości Fot: L. Książek

21 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne

22 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne Ryc.: L. Książek Spadki w korycie uchylnym: , , Przepływy , , m3s-1. rumowisko wleczone monofrakcyjne m, Pomiary prędkości wody i odległości od dna: SONTEK micro-adv. Częstotliwość: 20Hz. czas trwania pomiaru 60 s.

23 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne Określenie skali podobieństwa kryterium Froude'a skala sił ciężkości = skala sił bezwładności gdy g' = g i ρ' = ρ Obliczenie współczynnika skali prędkości:

24 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne Pomiary prędkości chwilowych: - pomiary składowych x, y, z - uzupełniające pomiary przy zwierciadle wody za pomocą mikromłynka hydrometrycznego - pomiary odległości sondy od dna - pomiary napełnienia i spadku Obliczenia: - prędkość średnia w punktach i pionach pomiarowych - profile prędkości - profile intensywności turbulencji - profile składowej turbulentnej naprężeń poziomych - obliczenia energii jednostkowej w przepławce

25 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne zrzut z ekranu pomiaru prędkości ADV Ryc.: A. Strużyński Zastosowano technikę weryfikacji wyników Phase space threshold despiking [Goring, Nikora 2002 ]

26 Przyjęta metodyka pomiary laboratoryjne Parametryzacja wielkości charakterystycznych dla poszczególnych typów przepławek Pomiary: - pomiary składowych x, y, z - uzupełniające pomiary przy zwierciadle wody za pomocą mikromłynka hydrometrycznego - pomiary odległości sondy od dna - pomiary napełnienia i spadku Obliczenia: - prędkość średnia w punktach i pionach pomiarowych - profile prędkości - profile intensywności turbulencji - profile składowej turbulentnej naprężeń poziomych - obliczenia energii jednostkowej w przepławce

27 Przyjęta metodyka symulacje CCHE2D poszerzenie zakresu obliczeniowego poprzez zastosowanie techniki modelowania komputerowego

28 Przyjęta metodyka symulacje CCHE2D poszerzenie zakresu obliczeniowego poprzez zastosowanie techniki modelowania komputerowego

29 Wyniki pomiarowe

30 Wyniki pomiarowe przepławka dwufunkcyjna - szczotkowa v 1,5, h/ H [ - ] 0.8 f(x) =0.558x R² = v 2, v/ vśr [ - ] h/ H [ - ] 1 f(x) =0.585x R² = v/ vśr [ - ] liniowy rozkład prędkości

31 Wyniki pomiarowe przepławka ryglowa basen 1 f(x) =1.447x R² = f(x) =0.87x R² = rygiel f(x) =4.816x R² = f(x) =3.132x R² = v/ vśr [-] 0.5 h/ H [ - ] h/ H [ - ] f(x) =0.2x R² =0.881 f(x) =0.244x R² = v/ vśr [ - ]

32 Wyniki pomiarowe przepławka w formie bystrza

33 Wyniki pomiarowe przepławka w formie bystrza z progami w basenach rozkład logarytmiczny poniżej progu rozkład zakłócony

34 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki

35 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki pomiary laboratoryjne przeliczenie prędkości do wartości rzeczywistych - kalibracja modelu - określenie możliwych granic ekstrapolacji prędkości rzeczywiste w przepławkach symulacje komputerowe rozkłady prędkości pogrupowane w skali względnej (określenie zależności funkcyjnych) ciągi współczynników regresji w funkcji: 1. przepływu, 2. spadku, 3. napełnienia 4. parametrów przesłonięcia światła przepławki

36 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki! określenie miejsc w których poszczególne grupy gatunków ryb nie będą w stanie pokonać przepławki

37 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki

38 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki

39 Opracowanie schematu obliczeniowego doboru przepławki interfejs użytkownika

40 Dziękuję za uwagę

41