1
Obszar Oddziaływania Kanał Zaborowski Dokumentacja końcowa z symulacyjnych obliczeń hydraulicznych LIFE12 NAT/PL/000084 Wetlands conservation and restoration in Puszcza Kampinoska Natura 2000 site 2
Spis treści: 1. Metodyka przeprowadzonych symulacyjnych obliczeń hydraulicznych przy użyciu programu Hec-Ras v. 5.0.0... 4 2. Opracowanie i wprowadzenie do modeli parametrów hydraulicznych koryt i terenów zalewowych, istniejących i projektowanych budowli hydrotechnicznych... 9 3. Zakodowanie i wprowadzenie do modeli parametrów fizycznogeograficznych charakteryzujących zdolność infiltracyjną gruntów i parowanie terenowe... 13 4. Określenie wpływu zaplanowanych działań technicznych w rejonie przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego (działanie 3b) na kształtowanie się poziomów lustra wody powyżej projektowanego przepustu w zależności od przyjętych parametrów urządzeń technicznych... 16 5. Ocena skuteczności przedsięwzięcia polegającego na podwyższeniu korony drogi w okolicy łąk Zaborowskich i modernizacji istniejącego pod nią przepustu w odniesieniu do aspektu zwiększania retencji wody na gruntach przyległych w zróżnicowanych warunkach hydrologicznych... 19 3
1. Metodyka przeprowadzonych symulacyjnych obliczeń hydraulicznych przy użyciu programu Hec-Ras v. 5.0.0 4
Wprowadzenie do programu Hec-Ras v. 5.0.0 Model hydrodynamiczny Hec-Ras (ang. Hydrologic Engineering Center River Analysis System) został opracowany przez pracowników Centrum Inżynierii Hydrologicznej należącego do korpusu inżynierów armii Stanów Zjednoczonych. W środowisku programistów zajmujących się zagadnieniami hydrologii i hydrauliki koryt otwartych, najbardziej rozpowszechnioną wersją programu była do niedawna wersja 4.1.0. udostępniona w styczniu 2010 r. Przeprowadzone badania symulacyjne zostały wykonane na dwóch wersjach testowych beta nowej odsłony programu Hec-Ras v. 5.0.0. Pierwsza z tych wersji ukazała się w dniu 01.10.2014 r., natomiast druga 21.08.2015 r. Druga z tych wersji pod kontem funkcjonalności i stabilności obliczeń odpowiadała już wersji stabilnej udostępnionej przez HEC w dniu 04.03.2016 r. Program Hec-Ras w wersji v. 5.0.0 zbudowany jest obecnie z czterech składników: a) obliczenia zwierciadła wody dla przepływów ustalonych (stacjonarnych), b) symulacje przepływów nieustalonych (niestacjonarnych), c) transport rumowiska, d) analiza jakości wody. Moduł przepływów ustalonych wykorzystywany jest do obliczeń położenia zwierciadła wody dla wolnozmiennych ustalonych przepływów. Model obliczeniowy może składać się zarówno z pojedynczych odcinków rzeki, jak i całego systemu o drzewiastej budowie lub sieci rzecznej. Obliczenia położenia zwierciadła wody odbywać się mogą przy założeniu różnych reżimów przepływu: spokojnego, rwącego oraz mieszanego. W obliczeniach uwzględniony jest wpływ rozmaitych przeszkód dla przepływu, takich jak mosty, przepusty, budowle piętrzące i inne obiekty na terenach zalewowych. Moduł dla przepływów ustalonych zaprojektowany został z myślą o studiach dotyczących terenów zalewowych i określaniu zasięgu wód powodziowych. Jest doskonałym narzędziem do oceny regulacji koryta, zmiany położenia korony wałów czy wpływu zabudowy terenów zalewowych na kształtowanie się zwierciadła wody. Moduł przepływów nieustalonych wykorzystywany do przeprowadzania jednowymiarowych, dwuwymiarowych oraz kombinowanych jedno- i dwuwymiarowych symulacji przejścia fal wezbraniowych przez pełną sieć kanałów otwartych, terenów zalewowych o zróżnicowanym ukształtowaniu i użytkowaniu powierzchni. Obliczenia odbywać się mogą przy założeniu różnych reżimów przepływu: spokojnego, rwącego oraz mieszanego. Wszystkie 5
elementy terenowe zmieniające warunki przepływu wody uwzględnione w module przepływów ustalonych są również włączone w moduł przepływów nieustalonych. Do szczególnie przydatnych funkcji modułu przepływów nieustalonych należą m.in.: szeroki wachlarz możliwości w odzwierciedlaniu struktury hydraulicznej budowli piętrzących, analiza pęknięcia zapory wodnej, analiza pęknięcia korpusu wału i przelania się wody przez koronę wału przeciwpowodziowego, wykorzystanie przepompowni i systemu rur ciśnieniowych, zautomatyzowane funkcje kalibracji. Cel przeprowadzonych symulacyjnych obliczeń hydraulicznych W przypadku obszaru oddziaływania Kanał Zaborowski, celem przeprowadzonych symulacji było określenie zmian w kształtowaniu się poziomów lustra wody powyżej przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego, jakie zajdą na skutek wykonania działania technicznego (3b) zaplanowanego w ramach projektu Kampinoskie Bagna LIFE12NAT/PL/000084, w zróżnicowanych warunkach hydrologicznych. Dane wejściowe do modelowania Wśród danych wejściowych potrzebnych do modelowania w programie Hec-Ras v. 5.0.0 do najważniejszych należały: 1) Rzędne terenu dla koryta cieku i terenów zalewowych, 2) Wymiary i charakterystyka istniejących i projektowanych budowli hydrotechnicznych, 3) Współczynniki szorstkości Manninga n. Metodyka odwzorowywania rzeczywistego ukształtowania i użytkowania obszaru oddziaływania w programie Hec-Ras v. 5.0.0. Do odwzorowania ukształtowania terenu w sąsiedztwie przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego, zostały wykorzystane dane wysokościowe z mapy w skali 1:200 pt. Lokalizacja przekroju w miejscu obiektu nr 3b wykonanej przez firmę RWK Inżynierowie 6
w ramach operatu geodezyjnego dla obszaru Kanał Zaborowski. Na podstawie ww. mapy odwzorowany został odcinek Kanału Debelskiego Południowego o długości około 30 m powyżej i poniżej projektowanego przekopu, bazujący na 7 przekrojach poprzecznych. Wszystkie przekroje poprzeczne zostały scharakteryzowane poprzez współczynniki szorstkości Manninga n wyznaczone na podstawie wyników pomiarów hydrometrycznych przeprowadzonych poniżej jazu Roztoka na Kanale Zaborowskim w marcu 2015 roku przez pracowników SGGW w Warszawie. Na podstawie danych pomiarowych pochodzących z wyjazdów terenowych pracowników firmy RWK Inżynierowie, zostało wprowadzone do modelu geometryczne odwzorowanie istniejącej / projektowanej budowli piętrzącej przepustu o średnicy 0,6 m (istniejący o 2 rurach φ = 600 mm, projektowany o 1 rurze φ = 600 mm) wraz ze współczynnikami szorstkości zgodnymi z danymi literaturowymi. Odwzorowana została również droga przejazdowa, pod którą przebiega przepust, w zależności od wariantu obliczeń w stanie aktualnym lub po przeprowadzeniu modernizacji. Zamodelowany fragment obszaru oddziaływania pozwolił na przeprowadzenie szeregu symulacji przy wykorzystaniu modułu przepływów ustalonych. Charakterystyka hydrologiczna obszaru oddziaływania a) Natężenia przepływu wykorzystane w badaniach symulacyjnych W przypadku obszaru oddziaływania Kanał Zaborowski, obliczenia symulacyjne bazowały na teoretycznych wielkościach natężenia przepływu, uzależnionych od hydraulicznej charakterystyki istniejącej / projektowanej budowli. W obliczeniach wykorzystano szereg wzrastających natężeń przepływu ograniczonych warunkiem nie przelania się wody przez drogę, pod którą przebiega przepust. W obliczeniach symulacyjnych wykorzystany został moduł przepływów ustalonych, umożliwiający wyznaczenie krzywych natężenia przepływu wody powyżej przepustu dla stanu aktualnego i po wykonaniu działań technicznych. b) Zdolności infiltracyjne gruntów i parowanie terenowe Przestrzenny rozkład zasilania (siatki infiltracji) obszaru oddziaływania Kanał Zaborowski opracowany został na podstawie pracy: Gruszczyński T., Krogulec E., Numeryczny model pola 7
filtracji w rejonie Kampinoskiego Parku Narodowego (część 3), Projekt badawczy PL0268 finansowany z Norweskiego Mechanizmu Finansowego, 2009. Zgodnie z zawartymi w powyższym opracowaniu danymi, obszar będący obiektem symulacyjnych badań charakteryzuje się występowaniem ujemnej infiltracji, co oznacza, że tereny lewo- i prawobrzeżne Kanału Zaborowskiego, Kanałów Debelskiego Południowego i Północnego są zasilane z zasobów wód podziemnych. Stopień zasilania jest jednak na tyle niski, że z punktu widzenia bilansu wodnego zlewni nie odgrywa on na tyle istotnej roli by konieczne było uwzględnienie go w przeprowadzonych badaniach symulacyjnych. Przeprowadzone warianty obliczeniowe Na obszarze Kanał Zaborowski w okolicach przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego przeprowadzono symulacje przejścia 87 przepływów o natężeniu od 0,005 m 3 /s do 0,435 m 3 /s dla stanu aktualnego, oraz 84 przepływów o natężeniu od 0,005 m 3 /s do 0,420 m 3 /s dla stanu po wykonaniu działań technicznych (po modernizacji przepustu i wyrównaniu drogi, pod którą przebiega przepust). 8
2. Opracowanie i wprowadzenie do modeli parametrów hydraulicznych koryt i terenów zalewowych, istniejących i projektowanych budowli hydrotechnicznych 9
Rysunek 1. Geometria koryta Kanału Debelskiego Południowego w okolicy przepustu na km 4+500 obszar oddziaływania Kanał Zaborowski. 10
Rysunek 2. Przepust (stan aktualny) na Kanale Debelskim Południowym na km 4+500 budowla hydrotechniczna na obszarze oddziaływania Kanał Zaborowski. 11
Rysunek 3. Przepust (projektowany) na Kanale Debelskim Południowym na km 4+500 budowla hydrotechniczna na obszarze oddziaływania Kanał Zaborowski. 12
3. Zakodowanie i wprowadzenie do modeli parametrów fizycznogeograficznych charakteryzujących zdolność infiltracyjną gruntów i parowanie terenowe 13
Rysunek 4. Zbiorowiska roślinne obszar oddziaływania Kanał Zaborowski, opracowanie własne na podstawie: Kopeć D., Uproszczona mapa roślinności pasów bagiennych Kampinoskiego Parku Narodowego oraz obszarów wskazanych do poprawienia stosunków wodnych i ograniczeń wynikających z rozwoju roślinności, Projekt badawczy PL0268 finansowany z Norweskiego Mechanizmu Finansowego, 2009. 14
Rysunek 5. Przestrzenny rozkład zasilania (siatki infiltracji) obszaru oddziaływania Kanał Zaborowski, opracowanie własne na podstawie: Gruszczyński T., Krogulec E., Numeryczny model pola filtracji w rejonie Kampinoskiego Parku Narodowego (część 3), Projekt badawczy PL0268 finansowany z Norweskiego Mechanizmu Finansowego, 2009. 15
4. Określenie wpływu zaplanowanych działań technicznych w rejonie przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego (działanie 3b) na kształtowanie się poziomów lustra wody powyżej projektowanego przepustu w zależności od przyjętych parametrów urządzeń technicznych 16
Rysunek 6. Krzywe natężenia przepływu w stanowisku górnym przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego. 17
Rysunek 7. Różnice [m] pomiędzy rzędnymi zwierciadeł wody po wykonaniu działań technicznych i w stanie aktualnym w stanowisku górnym przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego. 18
5. Ocena skuteczności przedsięwzięcia polegającego na podwyższeniu korony drogi w okolicy łąk Zaborowskich i modernizacji istniejącego pod nią przepustu w odniesieniu do aspektu zwiększania retencji wody na gruntach przyległych w zróżnicowanych warunkach hydrologicznych 19
Przeprowadzone hydrauliczne badania symulacyjne wykazały, iż wykonanie modernizacji przepustu na km 4+500 Kanału Debelskiego Południowego wraz z modernizacją drogi, pod którą biegnie przepust, zmieni warunki hydrauliczne przepływu wody na rozpatrywanym obszarze. Wykonane obliczenia wykazały, iż zwierciadło wody w stanowisku górnym przepustu, dla analogicznych natężeń przepływów, będzie się kształtowało wyżej po wykonaniu działań technicznych, niż ma to miejsce w stanie aktualnym. Przy najwyższym rozpatrywanym natężeniu przepływu równym Q = 0,420 m 3 /s lustro wody ukształtuje się na rzędnej o blisko 12 cm wyższej niż w chwili obecnej. Z punktu widzenia poprawy warunków wilgotnościowych w glebach na danym obszarze, wykonanie działania technicznego 3b przyniesie spodziewany skutek. Nastąpi spowolnienie odpływu wód w dolince południowego odgałęzienia Kanału Debelskiego oraz zmniejszenie drenażu mokradeł, a co za tym idzie nastąpi poprawa uwilgotnienia łąk wilgotnych i szuwarów oraz regenerujących się olsów i grądów (siedlisko przyrodnicze 9170) w rejonie Zaborowskich Łąk. 20