Kształtowanie odpływu wód powodziowych przez zbiorniki retencyjne Zbiorniki retencyjne powstają poprzez przegrodzenie doliny rzeki zaporą, która piętrzy jej wody w sposób trwały (zbiorniki o stałym piętrzeniu) lub okresowy (zbiorniki suche). Rodzaje retencji zbiornikowej Generalnie zbiorniki dzielą na: Małe zbiorniki Stosowane są one w ochronie przeciwpoŝarowej i w rolnictwie (nawodnienia gruntów ornych, hodowla bydła, ryb i drobiu wodnego). Wykorzystywane są równieŝ dla rekreacji i sportów wodnych. Zbiorniki średniej wielkości Są one połoŝone poniŝej, zamykają małe zlewnie. Odgrywają znaczącą rolę w zakresie ochrony od powodzi i melioracji rolnych. Sieć tych zbiorników stanowi właściwą bazę ochrony przeciwpowodziowej. Zbiorniki te słuŝą przede wszystkim do zaopatrzenia ludności w wodę oraz do zasilania przemysłu i produkcji energii elektrycznej. DuŜe zbiorniki Są one stosowane dla zasilania dróg wodnych i w hydroenergetyce. Jako zbiorniki przeciwpowodziowe mają wpływ na ochronę dolin rzecznych, zwłaszcza w dolnych ich partiach, podlegających powodziom wywołanym roztopami i długotrwałymi deszczami. Ze względu na funkcję, zbiorniki moŝna podzielić na: zbiorniki powodziowe - zatrzymywanie wszystkich przepływów powodziowych wyŝszych od przepływu nieszkodliwego, a następnie wypuszczanie nagromadzonej wody równieŝ w dopuszczalnej ilości. zbiorniki powodziowo-ŝeglugowe - zatrzymują wody powodziowe i oddają zmagazynowaną wodę w okresach, gdy stan w rzece opada poniŝej najmniejszej głębokości tranzytowej. zbiorniki Ŝeglugowe - zatrzymują nie tylko wody powodziowe, lecz równieŝ mniejsze, tak by zapewnić ruch statków w ciągu całego okresu Ŝeglugowego. zbiorniki energetyczne szczytowe - gromadzą wodę na wiosnę i w lecie, by oddać ją w jesieni i w zimie z uwagi na większe zapotrzebowanie energii. zbiorniki energetyczne wyrównawcze - mają za zadanie dobowe wyrównanie nierównomiernego odpływu z siłowni szczytowych. zbiorniki wyrównawcze - wyrównują przepływy w dłuŝszym okresie czasu, przy czym dąŝy się do jednostajnego odpływu ze zbiornika przez cały rok suche zbiorniki powodziowe - łagodzą i opóźniają falę powodziową. zbiorniki komunalno-przemysłowe - zaopatrzenie sieci wodociągowej. zbiorniki przemysłowe - magazynują wodę do procesu produkcji. zbiorniki rolnicze - zaopatrują rolnictwo w wodę w okresie wegetacyjnym. Z punktu widzenia gospodarki wodnej waŝna jest moŝliwość swobodnego dysponowania zgromadzonymi zasobami wody. Retencja sterowana: UmoŜliwia ona kontrolę obiegu wody. Reprezentują ją zbiorniki sztuczne o stałym piętrzeniu, wyposaŝone w odpowiednie urządzenia regulacyjne. W ograniczonym zakresie sterować moŝna równieŝ podwyŝszoną retencją zbiorników naturalnych.
Retencja niesterowana: Pozwala jedynie na nieregularne, krótkookresowe wyrównanie odpływu. Częściowo wyrównuje odpływ zmniejszając pojemność, a tym samym koszt niŝej połoŝonych zbiorników. Ułatwia bezpośrednie wykorzystanie opadów przez roślinność, wskutek czego zmniejsza się ilość wody dyspozycyjnej w ciekach, ale teŝ zwiększa się produkcja rolna, maleje prawdopodobieństwo odpływów powodziowych i maleje pojemność i koszt zbiorników sztucznych. Retencja sterowana realizowana głównie przez duŝe zbiorniki retencyjne, ma charakter regionalny. Zbiorniki te są na ogół wielofunkcyjne i ich funkcja przeciwpowodziowa nie jest dominująca. Dotyczy to zwłaszcza naszego kraju. Niemniej jednak, ten właśnie typ retencji powodziowej jest skuteczny w redukcji największych wezbrań. Podział zbiorników według liczby spełnianych zadań Zbiorniki jednozadaniowe są to zbiorniki suche i małe o stałym piętrzeniu, budowane dla jednego celu. Zbiorniki wielozadaniowe budowane dla kilku celów jednocześnie, np. jeden zbiornik, działając jako przeciwpowodziowy, moŝe jednocześnie zasilać drogi wodne i rolnictwo, a zarazem być eksploatowany energetycznie. Pojemność całkowita zbiornika jest dzielona na części i obejmuje (Depczyński W., Szamowski A., 1999): pojemność uŝytkową objętość wody zretencjonowanej w celu jej wykorzystania w ramach ustalonych zadań gospodarczych, np. zaopatrzenia w wodę, pojemność powodziową pojemność zbiornika przeznaczona na przechwytywanie szczytów fal powodziowych, pojemność martwą objętość nieuŝyteczna z punktu widzenia gospodarowania wodą, ale zwiększającą korzystnie wysokość spadu elektrowni wodnych poprzez odpowiadającą jej wysokość piętrzenia, Wyodrębnia się ponadto: pojemność rezerwy awaryjnej cześć objętości martwej, moŝliwa do wykorzystania w warunkach awaryjnych do zaopatrzenia w wodę, np. w okresie suszy, pojemność forsowaną dodatkowa objętość powodziowa, moŝliwa do wykorzystania w okresach przejścia szczytów wielkich fal powodziowych, w zbiornikach w których przewidziano tzw. dopuszczalne nadpiętrzenie, pojemność całkowitą forsowaną suma pojemności całkowitej i forsowanej (nazywana teŝ niekiedy pojemnością maksymalną). Z powyŝszym podziałem, a takŝe z pracą urządzeń odprowadzających wodę do dolnego stanowiska, wiąŝą się następujące, charakterystyczne poziomy piętrzenia: najniŝszy absolutnie minimalny poziom piętrzenia (abs. Min PP) jest to najczęściej poziom spustów dennych; minimalny poziom piętrzenia (Min PP) jest granicą pomiędzy pojemnością martwą a pojemnością uŝytkową; normalny poziom piętrzenia (NPP) poziom odgraniczający pojemność uŝytkową od pojemności powodziowej; jest to maksymalny poziom eksploatacyjny przy gospodarowaniu zmagazynowaną wodą;
maksymalny poziom piętrzenia (Max PP) najwyŝsze połoŝenie zwierciadła wody w okresie uŝytkowania; jest to górne ograniczenie pojemności powodziowej. Woda osiąga ten poziom podczas przechwytywania fali powodziowej. Na podstawie tego poziomu ustala się np. wzniesienia górnych krawędzi zamknięć na przelewach; nadzwyczajny poziom piętrzenia (Nad PP) poziom określający dopuszczalne nadpiętrzenie, które moŝe zaistnieć przy przejściu szczytów wielkich fal powodziowych. Gospodarowanie rezerwą przeciwpowodziową W przypadku zbiorników sterowanych, realizacja funkcji ochrony przeciwpowodziowej zaleŝy zasadniczo od sposobu gospodarowania wodą w czasie wezbrania za pomocą zamknięć, w które powinny być wyposaŝone urządzenia zrzutowe takiego zbiornika. Dysponowanie zrzutów w czasie wezbrania odbywa się na podstawie planu gospodarki wodnej i odpowiednich instrukcji gospodarki pojemnością (rezerwą) powodziową zbiornika zawartych w instrukcji gospodarki wodnej zbiornika retencyjnego. Według (Lambor 1962), instrukcja gospodarki wodnej zbiornika retencyjnego powinna spełnić następujące wymagania: Przewidzieć i ustalić organizację sieci obserwacyjno-sygnalizacyjnej, celem dostarczenia elementów potrzebnych do prognozy, Podać wskazówki odnośnie obsługi sieci obserwacyjnej oraz ustalić środki łączności dla szybkiego przekazywania wiadomości o stanie aktualnym, Podać metody prognozy, przedstawione w sposób jasny i umoŝliwiający postawienie prognozy na podstawie otrzymanych elementów w jak najkrótszym czasie, Ustalić generalne zasady gospodarowania wodą w warunkach normalnych jak równieŝ w warunkach nadzwyczajnych, jak np. w czasie przejścia fali powodziowej. Podobnie w czasie długotrwałych niskich stanów wody oraz w okresie specjalnych wymagań odnośnie zapotrzebowania wody, Ustalić zasady współpracy z innymi zbiornikami, Przewidzieć ściśle tryb postępowania i wytyczne przy pierwszym napełnieniu zbiornika (rozruch zbiornika), Ustalić metody prognozy na okres budowy oraz przewidzieć zabezpieczenie przed wielką wodą w tym okresie. (Lambor 1962 Wytyczne i wskazówki dla opracowywania...) WyróŜnia trzy rodzaje instrukcji zaleŝnie od tego jakiemu celowi mają one słuŝyć: Instrukcja ochrony przeciwpowodziowej w czasie budowy, Instrukcja gospodarowania wodą w okresie rozruchu zbiornika, Instrukcja gospodarki wodnej w czasie eksploatacji zbiornika. KaŜda z wymienionych trzech instrukcji będzie się składać z czterech części: Część I: Charakterystyka i parametry obiektu, Część II: Instrukcja obserwacji i sygnalizacji, Część III: Instrukcja prognozy dopływu wody, Część IV: Instrukcja gospodarowania wodą. o gospodarka normalna, o postępowanie przeciwpowodziowe, o gospodarka poniŝej NPP.
Zbiornikowa retencja powodziowa a dorzeczu górnej Wisły Zainteresowanie retencją zbiornikową dorzeczu górnej Wisły sięga początków ubiegłego wieku. Opracowywane wówczas projekty (Pomianowski, Baecker, Narutowicz) dotyczyły zbiorników przeznaczonych głównie do ochrony przeciwpowodziowej lecz przewidywano takŝe wykorzystanie ich do wyrównywania odpływu i produkcji energii. Były to zatem projekty zbiorników wielozadaniowych. Pierwszym zbiornikiem w dorzeczu górnej Wisły był budowany w latach 1919 1936 zbiornik w Porąbce na Sole. Latem 1935 roku rozpoczęto budowę zbiornika w RoŜnowie a wiosną 1936 zapory w Czchowie na Dunajcu. Kolejne zbiorniki powstały w latach powojennych. Obecnie w dorzeczu górnej Wisły funkcjonuje 20 duŝych zbiorników wodnych (bez uwzględnienia Diećkowic i Bogorii jako zbiorników zlokalizowanych w wyrobiskach). Trwa realizacja kolejnego w Świnnej Porębie na Skawie. Większość z tych obiektów jest wielozadaniowa i pełni róŝne funkcje. Ochrona przeciwpowodziowa jest istotną funkcją na 13 obiektach, jednak na Ŝadnym ze zbiorników nie jest dominująca i pozostaje w konflikcie z innymi zadaniami. Funkcja przeciwpowodziowa wymaga bowiem utrzymywania częściowo pustego zbiornika w oczekiwaniu na przyjęcie spodziewanej fali powodziowej, co w istotny sposób zmniejsza gwarancję zaopatrzenia w wodę i ilość produkowanej energii elektrycznej. Tabela 1. Efekty działania zbiorników retencyjnych dorzecza górnej Wisły w czasie powodzi w roku 1997 i 2001 Dopływ Odpływ Redukcja Redukcja kulminacyjny kulminacyjny kulminacji kulminacji Zbiornik [m 3 /s] [m 3 /s] [m 3 /s] [%] 1997 2001 1997 2001 1997 2001 1997 2001 Wisła Czarne 45-11 - 34-75 - Goczałkowice 436 169 270 60 166 109 38 64,5 Przeczyce 63-39 - 24-38 - Kozłowa Góra 24-5 - 19-79 - Tresna- Porąbka 1290 640 750 335 540 305 42 47,7 Dobczyce 884 484 300 250 584 234 66 48,3 Czorsztyn- Sromowce 1400 849 586 476 814 373 58 43,9 RoŜnów- Czchów 2703 1650 2000 1500 703 150 26 9,1 Chańcza 65,6 419?? 19,4 114,5 46,2 304,5 70 72,5 Klimkówka 54,7 87 49 70 5,7 17 10 19,5 Solina- Myczkowce 736-295 - 441-60 - Besko 103 94,3 94 52,5 9 41,8 9 44,3 - dopływ nie przekroczył odpływu nieszkodliwego W dorzeczu górnej Wisły nie rozwinął się system niesterowanych suchych zbiorników przeciwpowodziowych.
Modelowanie retencji zbiornikowej Prawidłowe odwzorowanie działania systemu rzecznego w modelu hydraulicznym wymaga uwzględnienia tych obiektów, które znacząco wpływają na proces transformacji fali wezbraniowej w korycie. Zbiorniki retencyjne naleŝą do obiektów, które najsilniej oddziaływają na ten proces szczególnie zbiorniki o sterowanym odpływie. Zbiornik retencyjny jest elementem systemu rzecznego, który w znaczący sposób wpływa na przebieg transformacji fali powodziowej. Wejście do zbiornika stanowi hydrogram dopływu Q dop (t). Efektem działania jest hydrogram odpływu Q odp (t) Wyjście ze zbiornika jest jednocześnie wejściem do systemu rzecznego znajdującego się bezpośrednio poniŝej zbiornika (rys. 2.1.). Q dop(t) Q odp(t) V(h) Rys. 2.1. Zbiornik retencyjny jako element systemu rzecznego Fala wezbraniowa przy przejściu przez zbiornik ulega transformacji. Celem modelowania jest wyznaczenie hydrogramu fali wypływającej ze zbiornika Q odp (t). retencja zbiornika Q Qdop Qodp t Rys. 2.4. Transformacja fali wezbraniwej przez zbiornik retencyjny.