Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 (1) 2018,

Acta Sci. Pol. Formatio Circumiectus 17 (1) 2018, 151 161 ENVIRONMENTAL PROCESSES www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ ISSN 1644-0765 DOI: http://dx.doi.org/10.15576/asp.fc/2018.17.1.151 ORIGINAL PAPER Accepted: 1.03.2018 OCENA EFEKTYWNOŚCI PRZECIWPOWODZIOWEJ KOMPLEKSU ZBIORNIKÓW WODNYCH W ZESŁAWICACH NA RZECE DŁUBNI Leszek Lewicki 1, Grzegorz Pyrczak 2 1 Katedra Hydrauliki i Hydrologii, Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej, Politechnika Krakowska, ul. Warszawska 24, 31-155 Kraków 2 Cermet-Bud Sp. z o.o., Przedsiębiorstwo Inżynierskie, ul. S. Otwinowskiego 4, 31-432 Kraków ABSTRAKT Kompleks zbiorników Zesławice na rzece Dłubni zlokalizowany jest na terenie miasta Krakowa w pobliżu obszarów zabudowanych, co z jednej strony ogranicza dostępną pojemność rezerwy powodziowej, z drugiej zaś, narzuca wysoki poziom ochrony tych obszarów. Doświadczenia powodzi z roku 2010 potwierdziły, że poziom ten nie jest wystarczający. Głównym celem niniejszej pracy jest ocena efektywności przeciwpowodziowej kompleksu Zesławice poprzez oszacowanie poziomu maksymalnego wezbrania, które może być efektywnie redukowane. Obliczenia numeryczne przeprowadzono na komputerowym modelu 1-D rzeki Dłubni zbudowanym w oparciu o program MIKE 11 firmy DHI. Ze względu na złożony układ topograficzny kompleksu poszczególne zbiorniki odwzorowano jako odrębne obiekty 1-D, zdefiniowano połączenia hydrauliczne między nimi i zamodelowano reguły sterowania odpływem. Ponadto, dokonano oceny przepustowości koryta Dłubni poniżej Zesławic oraz sformułowano ogólne wytyczne dla zwiększenia poziomu ochrony przeciwpowodziowej w obszarze oddziaływania zbiorników. Słowa kluczowe: mały zbiornik retencyjny, retencja sterowana, ochrona przed powodzią, modelowanie 1-D WSTĘP W przypadku zbiorników wodnych o sterowanym reżimie odpływu funkcja ochrony przeciwpowodziowej jest na ogół jedną z wielu i zwykle nie jest funkcją dominującą. Dostępna pojemność rezerwy powodziowej jest ograniczona przez uwarunkowania wynikające pozostałych zadań zbiornika. Stanowi to istotny problem w szczególności w przypadku zbiorników małych zlokalizowanych w obszarach zabudowanych na terenach miast, gdzie, z jednej strony, obecność zabudowy poniżej zbiornika narzuca wysoki poziom ochrony, zaś z drugiej, zabudowa powyżej zbiornika ogranicza dostępną rezerwę powodziową a tym samym efektywność przeciwpowodziową zbiornika. Ponadto zabudowa zlewni poprzez uszczelnienie jej powierzchni i redukcję naturalnej retencji skutkuje także wzrostem i przyśpieszeniem kulminacji oraz zwiększeniem objętości fal wezbraniowych dopływających do zbiornika. Przedmiotem analiz niniejszej pracy jest niewielki, miejski zbiornik retencyjny o sterowanym odpływie w Zesławicach na rzece Dłubni. Zbiornik zlokalizowany jest w pobliżu obszarów zabudowanych co ogranicza zarówno możliwości sterowania odpływem powodziowym, jak i dostępną pojemność powodziową jego czaszy, która ponadto charakteryzuje się złożonym układem przestrzennym i tworzy ją w istocie kompleks zbiorników o znacznym zasięgu oddziaływania wstecznego [Michalec i in. 2016]. Głównym celem niniejszej pracy jest ocena poziomu efektywności przeciwpowodziowej małego e-mail: leszek.lewicki@iigw.pk.edu.pl Copyright by Wydawnictwo Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie, Kraków 2018

sterowanego zbiornika retencyjnego na przykładzie zbiornika w Zesławicach na rzece Dłubni. Doświadczenia i analizy powodzi z roku 2010 [Michalec 2012] wskazują, że poziom ten nie jest wystarczający lipcu 2010 roku doszło do zalania ogródków działkowych usytuowanych w dolinie rzeki Dłubni poniżej zbiornika. Celem dodatkowym utylitarnym jest próba odwzorowania złożonej geometrii czaszy zbiornika jako połączonych ze sobą obiektów 1-D zaimplementowanych w modelu 1-D przepływu nieustalonego rzeki. OPIS ZBIORNIKA ZESŁAWICE Ryc. 1. Lokalizacja zbiornika Zesławice na tle obszaru Krakowa Fig. 1. Localization of the Zesławice reservoir against the background of the Cracow area Zbiornik Zesławice zlokalizowany jest w km: 8+740 rzeki Dłubni w pobliżu obszarów zabudowanych na terenie miasta Krakowa (ryc. 1) i charakteryzuje się złożonym układem przestrzennym pojemności stanowi go w istocie kompleks dwóch równoległych zbiorników Zesławice I (Z-I) i Zesławice II Z-II (ryc. 2). Zbiornik Zesławice I budowany był w latach 1964 1966 i oddany do użytku w październiku 1966 roku z przeznaczeniem do celów zaopatrzenia w wodę przemysłową ówczesnej Huty im. Lenina, zaopatrzenia w wodę pitną miasta Krakowa oraz ochrony przeciwpowodziowej miasta [Pociask-Karteczka 1994]. Ze względu na intensywne zamulanie czaszy zbiornika Zesławice I [Tarnawski i Słowik-Opoka 2002] w latach 80. XX wieku wybudowano zbiornik Zesławice II. Obecna funkcja zbiornika to retencjonowanie wody celem wyrównania przepływu poniżej zapory i ochrony przeciwpowodziowej. Ryc. 2. Przestrzenne rozmieszczenie elementów zbiornika Fig. 2. Spatial arrangement of the reservoir elements 152 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

W dniach 18 19 lipca 2010 roku doszło do zalania ogródków działkowych usytuowanych w dolinie rzeki Dłubni poniżej zbiornika Zesławice (w rejonie ulicy Zesławickiej oraz Ptaszyckiego i Wańkowicza). Według instrukcji gospodarowania wodą, która obowiązywała podczas wezbrania w roku 2010 [Krakowski Związek Spółek Wodnych 2003], sterowanie powodziowe odpływem ze zbiornika mogło odbywać się według jednego z dwóch wariantów: Wariant I (WI) polega na odprowadzaniu stałego odpływu nieszkodliwego w wysokości 70 m 3 s 1, piętrząc zbiornik do wysokości maksymalnego napiętrzenia awaryjnego MaxPP(aw.) = 218,00 m n.p.m., co prowadzi do zalania terenów prywatnych i zabudowań w cofce zbiornika. Wariant II (WII) polega na utrzymaniu zwierciadła wody w zbiorniku na poziomie maksymalnego poziomu piętrzenia MaxPP = 216,50 m n.p.m. odprowadzając cały dopływ do zbiornika aż do osiągnięcia wartości przepustowości jazu przy tym poziomie. Dalszy wzrost dopływu do zbiornika powoduje przekroczenie MaxPP. Przyjęcie tego wariantu prowadzi do wystąpienia wody z brzegów koryta Dłubni na odcinku poniżej zapory i zalanie terenów przyległych. Przeprowadzona przez RZGW w Krakowie kontrola wykazała [Urząd Miasta Krakowa 2010], że gospodarka wodna podczas wezbrania prowadzona była według wariantu II, zgodnie z instrukcją gospodarowania wodą na zbiorniku. Stwierdzono również, że [Urząd Miasta Krakowa 2010]: zastosowanie w fazie B alternatywnego wariantu I postępowania polegającego na osiągnięciu w zbiorniku maksymalnego nadpiętrzenia (218,00 m n.p.m.) nie mogło zostać wdrożone, gdyż na rzece Dłubni powyżej zbiornika powstawałaby wtedy olbrzymia cofka, powodująca zwiększenie powierzchni zalewu do 75 ha, skutkująca zalaniem budynków mieszkalnych gmin Zielonki i Michałowice wraz z linią kolejową relacji Kraków Warszawa. Powyższe stwierdzenie wskazuje na ograniczoną efektywność przeciwpowodziową zbiornika Zesławice, której główną przyczyną jest niewystarczająca pojemność jego czaszy. Michalec i Tarnawski [2012] wskazują ponadto na ograniczoną przepustowość koryta Dłubni poniżej zbiornika. Zbiornik Zesławice powstał przez spiętrzenie wód Dłubni czołową zaporą ziemną, klasy IV o koronie na rzędnej 219,20 m n.p.m. i szerokości 11. Rzędna dna wynosi 211,50 m n.p.m. a wysokość piętrzenia przy NPP 4,5 m. Ponadto elementy zbiornika stanowią: zapora boczna prawa w postaci grobli ziemnej o rzędnej korony 216,50 m n.p.m. oraz zapora boczna pomiędzy Z-I i Z-II w postaci grobli ziemnej o rzędnej korony 216,50 m n.p.m. wyposażona w dwa przepusty i przelewy dla umożliwienia przepływu wody między zbiornikami. Charakterystyczne poziomy piętrzenia zbiornika i odpowiadające im pojemności zestawiono w tabeli 1. Tabela 1. Podstawowe parametry zbiornika Zesławice Table 1. Basic parameters of the Zesławice reservoir Poziom piętrzenia Rzędna m n.p.m. Pojemność mln m 3 NPP 215,00 0,42 MaxPP 216,50 0,73 MaxPP(aw.) 218,00 1,36 Należy zwrócić uwagę, że struktura tej czaszy charakteryzuje się złożonym układem przestrzennym tj. oprócz wspomnianych już zbiorników Z-I i Z-II tworzą się, już przy osiągnięciu rzędnej 216,50 m n.p.m. (MaxPP), dwa dodatkowe obszary zalewowe tj.: Z-III obszar zalewowy po prawej stronie grobli ziemnej zbiornika Zesławice I. Z-IV rozległy obszar zalewowy powyżej zbiornika głównego przed nasypem kolejowym, tworzący wraz ze zbiornikiem głównym układ kaskadowy. Układ przestrzenny wszystkich pojemności przedstawiono na ryc. 2. Główne urządzenie zrzutowe ze zbiornika stanowi jaz trzyprzęsłowy wyposażony w zamknięcia w postaci zasuw płaskich. Szerokość przęsła środkowego wynosi 2,8 m, zaś przęseł skrajnych 3,4 m. Ponadto zbiornik wyposażony jest w przepławkę dla ryb oraz spust ze zbiornika Zesławice II w postaci dwóch przewodów o średnicy Φ0,8m i długości 58,5 m. PRZYJĘTA METODA I ZAKRES OCENY Głównym celem niniejszego artykułu jest ocena efektywności przeciwpowodziowej kompleksu zbiorników wodnych w Zesławicach na rzece Dłubni. Dla realizacji postawionego celu przyjęto następujący zakres prac: www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ 153

Zastosowanie modelu 1-D zbiornika sterowanego w modelu 1-D przepływu nieustalonego rzeki Dłubni, Ocena przepustowości koryta na odcinku rzeki Dłubni poniżej zbiornika, Ocena efektywności redukcji wezbrania Q 1% przez zbiornik, Ocena poziomu efektywności przeciwpowodziowej zbiornika Zesławice oszacowanie poziomu wezbrania efektywnie redukowanego przez zbiornik, W ramach podsumowania sformułowano ogólne wytyczne dla zwiększenia poziomu ochrony przeciwpowodziowej w obszarze oddziaływania zbiornika Zesławice. Oceny dokonano w oparciu o obliczenia numeryczne przeprowadzone na modelu komputerowym rzeki Dłubni zbudowanym w oparciu o program MIKE 11 firmy DHI. Program MIKE 11 pozwala na obliczenia jednowymiarowego (1-D), nieustalonego przepływu w korytach otwartych z wykorzystaniem układu równań Saint-Venanta, tj. równań: ciągłości (1) i zachowania pędu (2), w postaciach przedstawionych poniżej [DHI Denmark]: Q + A x t = q (1) Q + ga h t + gq Q x C AR = 0 (3) 2 Stosowanie powyższych równań dozwolone jest przy założeniu jednorodności i nieściśliwości wody oraz niewielkich spadków dna [DHI Denmark]. Ze względu na złożoną geometrię przekrojów (terasy zalewowe) w obliczeniach zastosowano promień hydrauliczny liczony w oparciu o powierzchnię efektywną (Effective Area Hydraulic Radius) i względne współczynniki oporów (Relative Resistance). W modelu rzeki Dłubni uwzględniono obiekty zabudowy inżynierskiej koryta takie jak mosty, przepusty, oraz potencjalne obszary zalewowe. Czasze zbiorników Zesławice I i Zesławice II oraz dodatkowe obszary zalewowe odwzorowano jako osobne obiekty 1-D za pomocą przekrojów poprzecznych i zdefiniowano odpowiednie połączenia hydrauliczne między nimi w postaci przelewów i przepustów. Schemat odwzorowania czaszy zbiornika w programie MIKE 11 przedstawiono na ryc. 3. Instrukcję sterowania odpływem ze zbiornika Zesławice odwzorowano w modelu dla obu wariantów sterowania tj. WI i WII. Idea sterowania odpływem ze zbiornika w programie MIKE 11 oparta jest na założeniu, że instrukcja gospodarki wodnej zbiornika 2 + Q α Q A + ga h t x x + gq Q C AR = 0 (2) 2 gdzie: Q natężenie przepływu, A powierzchnia przepływu, q dopływ boczny, h rzędna zwierciadła wody, R promień hydrauliczny, C współczynnik Chezy, α współczynnik Coriolisa, t czas, g przyśpieszenie ziemskie. Równanie zachowania pędu (2) stosowane jest przy założeniu ruchu spokojnego w korycie w przypadku ruchu rwącego stosowane jest równanie w postaci zredukowanej (3): Ryc. 3. Schematyzacja czaszy zbiornika Zesławice Fig. 3. Schematization of the Zesławice reservoir 154 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

jest pewnym algorytmem i jako taka daje się zapisać w postaci szeregu instrukcji warunkowych: IF (warunek) THEN(kod wykonywany warunkowo) ELSE (kod wykonywany alternatywnie) Ciąg takich instrukcji można przedstawić graficznie w formie drzewa logicznego (Ryc. 4). Idea ta realizowana jest w programie MIKE 11 poprzez obiekty sterujące (Control Structures) dodatek do modułu hydrodynamicznego (HD). Szczegółowy opis idei i zasad modelowania reguł sterowania w programie MIKE 11 autor zawarł w swym artykule Lewicki [2004]. Jako górne i boczne warunki brzegowe zastosowano fale hipotetyczne zbudowane w oparciu o model opad-odpływ w Instytucie Inżynierii i Gospodarki Wodnej PK. Uwzględniono dopływy boczne skupione z: Gołyszanki, Minóżki oraz Baranówki oraz dopływy boczne rozłożone ze zlewni różnicowych. Jako dolny warunek brzegowy wykorzystano stan na rzece Wiśle odpowiadający przepływowo Q 1%. Schemat modelu rzeki Dłubni z rozmieszczeniem warunków brzegowych przedstawiono na ryc. 5 zaś wartości przepływów kulminacyjnych dla wybranych prawdopodobieństw fal hipotetycznych zestawiono w tabeli 2. Odcinek Dłubni pozostający w zasięgu spiętrzenia od stanów na Wiśle nie był brany pod uwagę w dalszych analizach ze względu na niewielki wpływ przepływów w Dłubni na stany na tym odcinku. Ryc. 4. Schemat struktury drzewa logicznego reprezentującego działanie obiektu sterującego Fig. 4. Schematic structure of logical tree representing control structure operation Do odwzorowania geometrii obszaru przepływu wykorzystano geodezyjne przekroje pomiarowe z roku 2013. Z uwagi na brak wystarczających danych dla przeprowadzenia kalibracji i weryfikacji modelu dokonano eksperckiej oceny warunków przepływu Ryc. 5. Schemat warunków brzegowych modelu rzeki Dłubni Fig. 5. Scheme of boundary conditions of the Dłubnia river model www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ 155

Tabela 2. Wartości przepływów kulminacyjnych dla wybranych prawdopodobieństw hipotetycznych fal wezbraniowych. Table 2. Magnitudes of the culmination flows for chosen probabilities of hypothetical flood waves. Warunek brzegowy Zlewnia p% 1 5 10 WB1 Od źródeł do km: 52+526 3,86 2,95 2,41 WB2 od km: 52+526 do Gołyszanki 50,85 36,00 28,74 WB3 Gołyszanka 12,55 9,30 7,48 WB4 od Gołyszanki do Minóżki 20,64 15,60 12,76 WB5 Minóżka 33,46 22,00 17,10 WB6 od Minóżki do wiaduktu PKP 54,18 38,30 29,55 WB7 od wiaduktu PKP do Baranówki 2,72 2,25 1,93 WB8 Baranówka 37,77 28,00 22,73 WB9 Od Baranówki do ujścia 19,68 14,50 11,62 wody w całym zakresie przepływów. Wartości współczynników szorstkości w przekrojach określono na podstawie informacji o rodzaju pokrycia terenu w poszczególnych punktach pomiarowych, zawartej w dokumentacji geodezyjnej. Na tak przygotowanym modelu dokonano oceny przepustowości koryta na odcinku poniżej zbiornika Zesławice oraz przeanalizowano wpływ dysponowanego zrzutu ze zbiornika na tereny zlokalizowane wzdłuż tego odcinka. Następnie przeprowadzono symulacje pracy zbiornika dla wezbrania Q 1%, co odpowiada kulminacji fali dopływającej do zbiornika na poziomie około 130 m 3 s 1. Symulacje przeprowadzono dla dwóch wariantów sterowania odpowiadających wariantom WI i WII według instrukcji gospodarowania wodą z roku 2003. Dla oceny efektywności przeciwpowodziowej zbiornika dokonano identyfikacji poziomu największego wezbrania, które może być efektywnie redukowane przez zbiornik w taki sposób aby nie występowały zagrożenia poniżej zbiornika jak i powyżej. WYNIKI OBLICZEŃ MODELOWYCH Ocena przepustowości koryta Analiza przepustowości koryta rzeki Dłubni na odcinku poniżej zbiornika (Tabela 3.) wykazała znaczne zróżnicowanie na długości przepływów dopuszczalnych, (przy dopuszczeniu zalania terenów niezagospodarowanych) które na ogół przekraczają 65 m 3 s 1 co jest zbliżone do wartości przepływu dozwolonego określonego w instrukcji sterowania zbiornikiem i odpowiadającego wartości 70 m 3 s 1. Jedynie na odcinku pomiędzy ulicą Morcinka a lewym dopływem Baranówką przepływ mieszczący się w korycie jest niższy i wynosi 30 40 m 3 s 1 a jego przekroczenie prowadzi do zalania pobliskich ogródków działkowych co miało miejsce podczas przejścia wezbrania w roku 2010. Na potrzeby dalszych analiz przyjęto odpływ dozwolony ze zbiornika na poziomie 70 m 3 s 1 zakładając, ze możliwe jest zapewnienie takiej przepustowości koryta stosunkowo niewielkim nakładem. Należy jednak zaznaczyć, że dopływ wód z cieku Baranówka (Q 1% = 35 m 3 s 1 ) może znacząco wpłynąć na wzrost przepływów w korycie Dłubni co oznacza, że dla zachowania przepływu dozwolonego poniżej ujścia Baranówki efektywnie dysponowany zrzut ze zbiornika powinien być mniejszy w przypadku możliwości nałożenia się fal. Odcinek ujściowy rzeki Dłubni pozostający w zasięgu oddziaływania wysokich stanów na Wiśle nie był szczegółowo analizowany ze względu na obecność wałów cofkowych znacznie podnoszących przepustowość koryta wielkiej wody Dłubni. 156 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

Tabela 3. Przepustowości koryta rzeki Dłubni poniżej zbiornika Zesławice. Table 3. Conveyances of the Dłubnia river bed downstream of the Zesławice reservoir. Sekcja Odcinek rzeki Dłubni Q 1% (WI) Q koryt. Uwagi od do m 3 s 1 I 8+740 oś zapory zb. Zesławice 8+705 ul. Morcinka 122 122 II 8+705 ul. Morcinka 8+470 lewy dopływ Baranówka 122 30 40 zalane ogródki działkowe III 8+470 lewy dopływ Baranówka 7+970 nasyp kolejowy 133 85 133 zalane nieużytki IV 7+970 nasyp kolejowy 7+040 ul. Okulickiego 133 90 zalane nieużytki V 7+040 ul. Okulickiego 5+360 ul. Kocmyrzowska 133 65 133 zalane ogródki działkowe VI 5+360 ul. Kocmyrzowska 3+780 al. Solidarności 133 100 133 zalane nieużytki VII 3+780 al. Solidarności 2+340 ul. Ptaszyckiego (DK 79) 133 26 133 zalane nieużytki VIII 2+340 ul. Ptaszyckiego (DK 79) 0+000 ujście do Wisły 133 > 133 cofka od Wisły Ocena poziomu redukcji fali Q 1% Wyniki transformacji wezbrania Q 1% przedstawiono na ryc. 6. Analiza wyniku uzyskanego dla wariantu WI sterowania odpływem pozwala stwierdzić, że ze względu na ukształtowanie terenu w obszarze czaszy zbiornika, podwyższenie poziomu dopuszczalnego piętrzenia z MaxPP = 216,5 m n.p.m. do MaxPP(aw.) = 218,00 m n.p.m. znacząco wpłynęło na powiększenie pojemności całkowitej rezerwy powodziowej, zwiększając ją blisko dwukrotnie (z 0,73 mln m 3 do 1,36 mln m 3 ). Jednak, jak wykazały wyniki symulacji, okazało się to niewystarczające do utrzymania odpływu dozwolonego i został on znacznie przekroczony. W swej kulminacji odpływ wyniósł 122 m 3 s 1. W przypadku zastosowania wariantu sterowania WII odpływ kulminacyjny wyniósł 125 m 3 s 1. Poziom redukcji kulminacji fali dopływającej do zbiornika dla obu wariantów okazał się zatem niewielki i wyniósł 96 97%. W obu przypadkach założony dopuszczalny poziom piętrzenia nie został przekroczony, jednak nadpiętrzenie wody do rzędnej MaxP- P(aw.) = 218,00 m n.p.m. wywiera negatywny wpływ na tereny zlokalizowane powyżej zbiornika, powodując rozległe rozlewiska. W tej sytuacji uznać należy, że korzystniejsze byłoby zastosowanie wariantu sterowania WII. Dla zachowania odpływu dozwolonego na poziomie Q doz = 70 m 3 s 1 oraz maksymalnego poziomu piętrzenia 216,5 m n.p.m. niedobór pojemności rezerwy powodziowej dla fali Q 1% został oszacowany na około 1,6 mln m 3 zaś dla poziomu 218,00 m n.p.m. na 0,9 mln m 3 co oznacza, że dostępna w obecnych warunkach pojemność zbiornika jest niewystarczająca dla zapewnienia odpowiedniej ochrony przed powodzią. Ocena poziomu wezbrania efektywnie redukowanego przez zbiornik Następnie, metodą kolejnych prób zidentyfikowano poziom największego wezbrania, które zostałoby efektywnie zredukowane przez zbiornik tzn. w taki sposób aby nie wystąpiły zagrożenia podtopieniami www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ 157

Ryc. 6. Wyniki symulacji przejścia fali wezbraniowej Q 1% przez zbiornik Zesławice: a) wg wariantu WI, b) wg wariantu WII. Fig. 6. The results of Q 1% flood wave routing through the Zesławice reservoir according to: a) variant WI, b) variant WII ani poniżej, ani powyżej zbiornika. Oznacza to, że przy przejściu takiego wezbrania nie powinien zostać przekroczony zrzut dozwolony oraz normalny poziom piętrzenia (NPP). Jako wezbranie najbliższe spełnienia powyższych kryteriów uznano wezbranie Q 5%. Wyniki transformacji wezbrania Q 5%, co odpowiada fali dopływającej do zbiornika o kulminacji 89 m 3 s 1 przedstawiono na ryc. 7. W wariancie sterowania WI odpływ ze zbiornika został utrzymany na poziomie odpływu dozwolonego tylko przy niewielkim i krótkotrwałym przekroczeniu założonego MaxPP (maksymalnie o 4 cm w ciągu około 7 godzin). Natomiast w przypadku wariantu WII założony poziom piętrzenia zostaje utrzymany jednak również przy krótkotrwałym i niewielkim przekroczeniu odpływu dozwolonego o maksymalnie 6 m 3 s 1 w ciągu około 6 godzin. 158 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

Ryc. 7. Wyniki symulacji przejścia fali wezbraniowej Q 5% przez zbiornik Zesławice: a) wg wariantu WI, b) wg wariantu WII Fig. 7. The results of Q 5% flood wave routing through the Zesławice reservoir according to: a) variant WI, b) variant WII PODSUMOWANIE I WNIOSKI Kompleks zbiorników wodnych w Zesławicach na rzece Dłubni charakteryzuje się niewielką pojemnością całkowitą i zlokalizowany jest w pobliżu terenów zabudowanych, co stanowi istotne czynniki ograniczające jego efektywność w ochronie przed powodzią miasta Krakowa. Wyniki przeprowadzonych symulacji wraz ze wstępną oceną efektywności przeciwpowodziowej kompleksu zbiorników wodnych w Zesławicach pozwalają na sformułowanie następujących wniosków: Poziom efektywności przeciwpowodziowej zbiorników należy uznać za niewystarczający, Obszar oddziaływania zbiornika obejmuje tereny położone poniżej obrębie miasta Krakowa jak również, ze względu na zwoją złożoną strukturę przestrzenną, na tereny zlokalizowane bezpośrednio powyżej w miejscowości Raciborowice, Zbiornik nie zapewnia należytej ochrony przed www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ 159

powodzią o prawdopodobieństwie p = 1% terenów w obrębie miasta Krakowa jak również może powodować zagrożenie terenów powyżej zbiornika przy dopuszczeniu spiętrzenia do poziomu MaxP- P(aw.), Możliwa jest efektywna redukcja jedynie wezbrań nie przekraczających poziomu Q 5%. Dla zwiększenia poziomu ochrony przeciwpowodziowej w obszarze oddziaływania zbiornika sformułowano ogólne wytyczne i uwagi w odniesieniu do następujących grup działań: Zwiększenia dostępnej wielkości rezerwy powodziowej, Podniesienia odpływu dozwolonego ze zbiornika, Zmniejszenia prawdopodobieństwa wystąpienia wysokich wezbrań. Możliwość zwiększenia wielkości dostępnej rezerwy powodziowej jest ograniczona ze względów bezpieczeństwa zapory do rzędnej maksymalnego awaryjnego poziomu piętrzenia (MaxPP(aw.) = 218,00 m n.p.m.) i jak wykazały symulacje numeryczne w odniesieniu do wezbrania Q 1% nie podnosi znacząco poziomu redukcji fali a dodatkowo powoduje zagrożenie podtopieniami w cofce zbiornika. Dlatego podniesienie maksymalnego poziomu piętrzenia w zbiorniku wymagałoby jednocześnie podjęcia działań ochronnych w tym obszarze lub zmiany sposobu jego użytkowania. Dodatkową objętość rezerwy powodziowej mogło by przynieść obniżenie NPP oraz odmulenie czaszy zbiornika jednak uzyskane pojemności byłyby niewielkie w stosunku do potrzeb. Odpływ dozwolony ze zbiornika przy którym nastąpiłaby całkowita redukcja fali Q 1% oszacowano na około 90 m 3 s 1 przy piętrzeniu do rzędnej MaxP- P(aw.). Wartość ta przekracza przepustowość koryta Dłubni w wielu przekrojach poniżej zbiornika dlatego takiemu zwiększeniu odpływu dozwolonego powinny towarzyszyć działania ochronne terenów zagrożonych (np. wały i/lub murki przeciwpowodziowe) i zwiększające przepustowość koryta. Jednocześnie, ze względu na spiętrzenie zbiornika do MaxPP(aw.) konieczne byłyby działania ochronne terenów w cofce. Zmniejszenie prawdopodobieństw wystąpienia wysokich wezbrań wymagałoby zmiany reżimu odpływu i warunków retencji w zlewni zbiornika a co za tym idzie działań podejmowanych na poziomie zlewni. Działania takie powinny być ukierunkowane na zmniejszenie wielkości wezbrań o określonym prawdopodobieństwie i mogłyby obejmować m.in. zmiany zagospodarowania zlewni a w szczególności poszukiwanie możliwości zwiększenia retencji np. w postaci suchych zbiorników powodziowych. Z uwagi na ograniczone możliwości zwiększania pojemności analizowanego kompleksu zbiorników, jego złożoną strukturę i zakres oddziaływań na tereny przyległe oraz wymagany wysoki poziom ochrony przed powodzią terenów zurbanizowanych wydaje się, że najbardziej efektywnym podejściem dla obniżenia zagrożenia powodziowego w obszarze jego oddziaływania jest podejście kompleksowe tj. angażujące kilka rodzajów działań jednocześnie i obejmujących zarówno sam zbiornik jak i koryto rzeki wraz z terenami przyległymi a także zlewnię zbiornika. Takie kompleksowe podejście wymaga efektywnego narzędzia pozwalającego na uwzględnienie wszystkich istotnych czynników warunkujących zarówno funkcjonowanie samego zbiornika jak i jego oddziaływanie na warunki przepływu w korycie rzeki. Wybór narzędzia komputerowego MIKE 11 i zastosowanie modelu 1-D zbiornika sterowanego w modelu 1-D rzeki pozwala stwierdzić, że przyjęta metodyka oceny efektywności umożliwia: Odwzorowanie złożonej geometrii czaszy zbiornika oraz oddziaływań pomiędzy jego elementami, Odwzorowanie reguł sterowania zbiornikiem, Ocenę przepustowości koryta poniżej zbiornika, Ocenę oddziaływania zbiornika na warunki odpływu poniżej i powyżej zbiornika. PIŚMIENNICTWO DHI Denmark (2009). MIKE 11. A Modelling System for Rivers and Channels. Krakowski Związek Spółek Wodnych (2003). Instrukcja gospodarowania wodą, utrzymania i eksploatacji zbiornika. Maszynopis. Lewicki, L. (2004). Modelowanie reguł sterowania zbiornikiem Dobczyce w narzędziu komputerowym MIKE 11. Czas. Techn., 1-Ś, 107 125, Michalec, B. (2012). Wpływ zbiorników wodnych w Zesławicach na rzece Dłubni na redukcję fali wezbraniowej w lipcu 2010 roku. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 11(3), 29 36. Michalec, B., Tarnawski, M. (2012). Ocena przepustowości Jazu w Bieńczycach na rzece Dłubni. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich, 2/IV/2012, 65 76. 160 www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/

Michalec, B., Wałęga, A., Cupak, A., Michalec, A., Połoska-Wróblel, A. (2016). Wyznaczenie krzywej natężenia przepływu w przekroju cofki zbiorników wodnych w Zesławicach. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus, 15(1), 113 124. Pociask-Karteczka, J. (1994). Przemiany stosunków wodnych na obszarze Krakowa. Zesz. Nauk. UJ, 1144, Prace Geograficzne, 96. Tarnawski, M., Słowik-Opoka, E. (2002). Rozkład materiału dennego w zbiorniku w Zesławicach. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, 393, Inżynieria Środowiska, 23, 259 266. Urząd Miasta Krakowa (2010). Raport po powodzi z maja i czerwca 2010, https://www.bip.krakow.pl/plik.php?zid= 75904&wer=0&new=t&mode=shw (dostęp: 6.06.2017). EVALUATE THE FLOOD PROTECTION EFFECTIVENESS OF THE ZESŁAWICE RESERVOIRS COMPLEX ON THE DŁUBNIA RIVER ABSTRACT The complex of reservoirs in Zesławice on the Dłubnia river is located in the area of the Krakow agglomeration, near a built-up areas, which on the one hand, reduces the available capacity for flood wave storage and, on the other hand, imposes a high level of protection of these areas. The experience of the flood in 2010 confirmed that this level is not sufficient. The main objective of this study is to evaluate the flood protection effectiveness of the Zesławice reservoirs complex by estimating the maximum flood level, which can be effectively reduced. Numerical calculations were performed on a 1-D computer model of the Dłubnia river built using the MIKE 11 (by DHI) software. Due to the complexity of topographical arrangement of the Zesławice reservoirs, each storage volume was modeled as a separate 1-D object. The hydraulic connections between them were defined and the rules controlling the outflow were modeled. In addition, the evaluation of the Dłubnia river-bed capacity downstream the Zesławice was performed and a general guidelines how to increase the level of flood protection in the impact area of the reservoirs were formulated. Key words: small storage reservoir, controlled storage, flood protection, 1-D modeling www.formatiocircumiectus.actapol.net/pl/ 161