INTENSYWNOŚĆ TURBULENCJI W RÓŻNYCH JEDNOSTKACH MORFOLOGICZNYCH NA PRZYKŁADZIE RZEKI SKAWY BM 4327 MGR INŻ. AGNIESZKA HAWRYŁO KATEDRA INŻYNIERII WODNEJ I GEOTECHNIKI
PLAN Wprowadzenie Metodyka Wyniki Dyskusja Wnioski Literatura
WPROWADZENIE Utrzymanie dobrego stanu ekologicznego cieków wodnych wiąże się z występowaniem zróżnicowanych form morfologicznych koryta, które są charakterystyczne dla danego typu rzeki w stanie naturalnym. Wielkość turbulencji wpływa na procesy życiowe ryb: zużycie energii podczas poruszania [Enders i in. 2003], siedlisko, które wybierają [Smith i Brannon 2005]], czy też sprawność zdobywania pokarmu przez drapieżniki [Enders i in. 2011]. Wysoka turbulencja przepływu powoduje u ryb utratę równowagi nawet przy niskich wartościach przepływu [Cardinale i in. 2002]. Dotychczasowe badania wskazują na zasadność podejmowania prac nad charakterystyką ruchu turbulentnego w siedliskach. Harvey i Clifford [2009] uważają, że pulsacje prędkości mają bezpośredni wpływ na życie i zachowanie organizmów wodnych a parametry opisujące ruch turbulentny mogą być uzupełnieniem dotychczas istniejących klasyfikacji.
METODYKA Trzy podstawowe jednostki morfologicznesiedliska: ploso (przegłębienia, o spokojnym przepływie wody) nurt (jednostka przejściowa pomiędzy bystrzem i plosem) bystrze (wypłycenie-forma morfologiczna o małym napełnieniu, gdzie płynąca woda osiąga dosyć dużą prędkość)
METODYKA Zastosowanie McroADV pozoliło na uzyskanie pomiarów trzech składowych prędkości chwilowych vx, vy i vz wykonanych z częstotliwością 20 Hz. Każdą jednostkę scharakteryzowano przez 8 reprezentatywnych pionów hydrometrycznych, każdy pion zawierał pomiary na 10 wysokościach trwające 1 min. Siedliska zostały zatem scharakteryzowane przez 80 punktów każde.
METODYKA Teoria ruchu turbulentnego v ' v v v - prędkość uśredniona w czasie, -chwilowa pulsacja prędkości ' v Parametry charakteryzujące ruch turbulentny: Intensywność turbulencji [m s -1 ] TI 1 N N i 1 ( v i v) 2 Energia kinetyczna turbulencji [m 2 s -2 ] TKE 0,5( v ' 2 x v y ' 2 v z ' 2 ) gdzie v x, v y, v z - składowe prędkości chwilowej
WYNIKI Wykres wartości składowych prędkości uśrednionych w czasie dla bystrza, nurtu i plosa Analiza statystyczna wykazała, że rozkłady wartości prędkości w tym samym kierunku nie różnią się istotnie we wszystkich przypadkach pomiędzy siedliskami.
WYNIKI Wykres intensywności turbulencji TI w trzech kierunkach dla bystrza nurtu i plosa Stwierdzono istotność różnic w rozkładach składowych w tym samym kierunku pomiędzy siedliskami.
WYNIKI Wartości energii kinetycznej turbulencji TKE Siedlisko Ilość pomiaró w TKE Średnia [cm 2 s -2 ] TKE Mediana [cm 2 s -2 ] TKE Min [cm 2 s -2 ] TKE Max [cm 2 s -2 ] TKE odch.stand. [cm 2 s -2 ] Ploso 82 40,3 7,6 1,2 2093,3 238,8 Nurt 81 104,8 80,2 0,0 1234,3 150,3 Bystrze 81 421,4 278,3 1,2 6975,5 834,4 Analiza statystyczna wykazała, że poszczególne jednostki morfologiczne różnią się istotnie pod względem parametru TKE
DYSKUSJA Wg badań Smith a i Brannon a [2007] prędkość uśredniona w czasie nie pokazuje różnic w wielkości uziarnienia dla poszczególnych siedlisk. Różnice natomiast występują w intensywności turbulencji, TKE okazało się mniej przydatne w tej ocenie, ponieważ wg tego parametru nie wykryto różnic. Badania przez nich przeprowadzone miały miejsce w małych ciekach na kilku siedliskach tego samego typy i wartości TKE miała wartość od 12-35 cm 2 s -2 w plosie i 50-60 cm 2 s -2 na bystrzu. Wartości intensywności turbulencji TI w plosie pokrywają się z wynikami Harvey i Clifford [2009] na rzece Oakley Hall (ciek o szerokości kilku metrów). Z ich badań wynika jednak, że wartości TI są podobne na bystrzu i plosie. Stwierdzili oni również, że plosa są jednostkami bardzo zróżnicowanymi pod względem morfologii i występuje w nich duże zróżnicowanie w wielkości turbulencji.
WNIOSKI Badania parametrów ruchu turbulentnego w siedliskach rzeki górskiej wykazały, że trzy podstawowe jednostki morfologiczne jak bystrze ploso i nurt dają się precyzyjniej scharakteryzować parametrami turbulencji niż uśrednionymi w czasie wartościami prędkości. Zarówno intensywność turbulencji jak i energia kinetyczna turbulencji różniły się istotnie w poszczególnych siedliskach. W niniejszej pracy szczegółowo zbadano trzy rozpatrywane siedliska, jednak istnieje potrzeba przeprowadzenia badań nad większą ilością siedlisk danego typu dla bardziej uniwersalnego opisu występowania zjawiska turbulencji w rzece górskiej oraz wyznaczenie stref głębokości do odrębnej analizy.
LITERATURA Wybrane pozycje CARDINALE B., PALMER M., SWAN C., The influence of substrate heterogeneity on biofilm metabolism in a stream ecosystem, Ecology, 2002, No. 83(2), 412 422. ENDERS E., BOISCLAIR D., ROY A.,.The effect of turbulence on the cost of swimming for juvenile Atlantic salmon (Salmo salar), Canadian Journal of Fisheries and Aquatic Sciences, 2003, 1160, 1149 1160 ENDERS E., ROY M., OVIDO M., HALLOT E., Habitat Choice by Atlantic Salmon Parr in Relation to Turbulence at a Reach Scale, North American Journal of Fisheries Management, 2011, 37 41. HARVEY G., CLIFFORD N., Microscale hydrodynamics and coherent flow structures in rivers: implications for the characterization of physical habitat, River Research and Applications, 2009, Vol. 18, 160 180. SMITH D., BRANNON E., Influence of cover on mean column hydraulic characteristics in small pool riffle morphology streams, River Research and Applications, 2007, Vol.23, 125 139.