Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 11 (4) 2012, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie

Podobne dokumenty
Schematy blokowe dla projektowania warunków stabilności biologicznej w przepławkach

Ocena warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach z dnem o dużej szorstkości Wojciech Bartnik

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

WARUNKI HYDRAULICZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWKACH BLISKICH NATURZE

Przykłady modelowania numerycznego warunków hydraulicznych przepływu wody w przepławkach ryglowych i dwufunkcyjnych

ANALYSIS OF HYDRODYNAMIC BED STABILITY CONDITIONS IN ROCK FISHWAYS

Pomiary podstawowych charakterystyk pulsacji prędkości strumienia w korycie o dużej szorstkości

mgr inż. Małgorzata Leja BM 4329 Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytet Rolniczy Hugona Kołłątaja w Krakowie Kraków,

XX Ogólnopolska Szkoła Hydrauliki Kraków - Ustroń września 2000 r. MAKROWIRY W KORYCIE O ZŁOŻONYM PRZEKROJU POPRZECZNYM

Katedra Inżynierii Wodnej i Rekultywacji Środowiska SGGW Department of Hydraulic Engineering and Environmental Recultivation WULS

Obliczenie objętości przepływu na podstawie wyników punktowych pomiarów prędkości

Rozkłady prędkości przepływu wody w korytach z roślinnością wodną Distributions of water velocities in open-channels with aquatic vegetation

MODELOWANIE FIZYCZNE I NUMERYCZNE PRZEPŁYWU WODY W PRZEPŁAWCE BIOLOGICZNEJ. Leszek Książek, Andrzej Strużyński, Małgorzata Leja, Ewelina Pilch **

Przepływ rzeczny jako miara odpływu ze zlewni

Pomiar siły parcie na powierzchnie płaską

INTENSYWNOŚĆ TURBULENCJI W RÓŻNYCH JEDNOSTKACH MORFOLOGICZNYCH NA PRZYKŁADZIE RZEKI SKAWY

ANALIZA WARUNKÓW HYDRAULICZNYCH ODCINKA ODRY W REJONIE BIELINKA

"Działania przygotowawcze do częściowego odtworzenia żwirowych siedlisk dla litofilnych gatunków ryb na odcinku Wisłoki od jazu w Mokrzcu do

PROFIL PRĘDKOŚCI W RURZE PROSTOLINIOWEJ

OPORY RUCHU w ruchu turbulentnym

CZASOWA I PRZESTRZENNA MAKROSKALA TURBULENCJI STRUMIENIA W DWUDZIELNYM TRAPEZOWYM KORYCIE Z DRZEWAMI NA TERENACH ZALEWOWYCH

Renaturyzacja rzek i ich dolin. Wykład 1, 2. - Cechy hydromorfologiczne rzek naturalnych i przekształconych.

Nauka Przyroda Technologie

DYSSYPACJA ENERGII W UKŁADZIE LINIOWYM NA PRZYKŁADZIE PRZEPŁAWKI RYGLOWEJ NA RZECE TUSZYMCE

Zadanie 1. Zadanie 2.

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Laboratorium. Hydrostatyczne Układy Napędowe

Pomiary transportu rumowiska wleczonego

INŻYNIERIA RZECZNA Konspekt wykładu

Transport i sedymentacja cząstek stałych

DYSTRYBUCJA NAPEŁNIEŃ I PRĘDKOŚCI ŚREDNICH NA WBRANYCH ODCINKACH RZEKI MSZANKI

" Stan zaawansowania prac w zakresie częściowego odtworzenia żwirowych siedlisk dla litofilnych gatunków ryb na odcinku Wisłoki od jazu w Mokrzcu do

KIK/37 TARLISKA GÓRNEJ RABY UTRZYMANIE RZEK GÓRSKICH

WOJSKOWA AKADEMIA TECHNICZNA Wydział Mechaniczny Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu LABORATORIUM TERMODYNAMIKI TECHNICZNEJ

. Cel ćwiczenia Celem ćwiczenia jest porównanie na drodze obserwacji wizualnej przepływu laminarnego i turbulentnego, oraz wyznaczenie krytycznej licz

LABORATORIUM POMIARY W AKUSTYCE. ĆWICZENIE NR 4 Pomiar współczynników pochłaniania i odbicia dźwięku oraz impedancji akustycznej metodą fali stojącej

Monitoring i ocena efektywności funkcjonowania przepławki dla ryb powstałej po przebudowie jazu piętrzącego na rzece San w km

ZRÓŻNICOWANIE PARAMETRÓW HYDRODYNAMICZNYCH CIEKU W MIEJSCU ZDEPONOWANIA GRUBEGO RUMOSZU DRZEWNEGO

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Statyka płynów - zadania

ZAKŁAD POJAZDÓW SAMOCHODOWYCH I SILNIKÓW SPALINOWYCH ZPSiSS WYDZIAŁ BUDOWY MASZYN I LOTNICTWA

Modelowanie zjawisk erozyjnych w zakolu rzeki Nidy

ROZKŁAD PRĘDKOŚCI ORAZ NAPRĘŻEŃ STYCZNYCH W KOMORACH PRZEPŁAWKI TYPU WIELKOKOMOROWEGO

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

Płyny newtonowskie (1.1.1) RYS. 1.1

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

LABORATORIUM Z PROEKOLOGICZNYCH ŹRÓDEŁ ENERGII ODNAWIALNEJ

Automatyka i pomiary wielkości fizykochemicznych. Instrukcja do ćwiczenia III. Pomiar natężenia przepływu za pomocą sondy poboru ciśnienia

FLOWCHART FOR THE DESIGN OF BIOLOGICAL STABILITY CONDITIONS IN FISH LADDERS

EKSPERYMENTALNE OKREŚLENIE MIEJSCOWYCH STRAT CIŚNIENIA W PRZEPŁYWOMIERZACH KOLANOWYCH 1. WPROWADZENIE

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2014/2015

POMIAR NATĘŻENIA PRZEPŁYWU

Siatka spiętrzająca opis czujnika do pomiaru natężenia przepływu gazów. 1. Zasada działania. 2. Budowa siatki spiętrzającej.

WYKORZYSTANIE RÓWNANIA ACKERSA-WHITE`A DO OBLICZANIA TRANSPORTU RUMOWISKA WLECZONEGO

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Przepływ Natężeniem przepływu Metody jednoparametrowe Metody wieloparametrowe

Politechnika Krakowska im. Tadeusza Kościuszki. Karta przedmiotu. obowiązuje studentów rozpoczynających studia w roku akademickim 2016/2017

Sprawozdanie. z ćwiczeń laboratoryjnych z przedmiotu: Współczesne Materiały Inżynierskie. Temat ćwiczenia

Doświadczenia w eksploatacji gazomierzy ultradźwiękowych

INSTRUKCJA LABORATORYJNA NR 4-EW ELEKTROWNIA WIATROWA

prędkości przy przepływie przez kanał

J. Szantyr Wykład nr 27 Przepływy w kanałach otwartych I

MECHANIKA PŁYNÓW LABORATORIUM

Badania charakterystyki sprawności cieplnej kolektorów słonecznych płaskich o zmniejszonej średnicy kanałów roboczych

Acta 12 (2) 2012.indd :41:15. Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 12 (2) 2013,

Jan A. Szantyr tel

Nauka Przyroda Technologie

Badania modelowe przelewu mierniczego

Zmiany intensywności procesów korytotwórczych w rzekach górskich pod wpływem ich regulacji na przykładzie wybranych odcinków Porębianki

ĆWICZENIE 15 WYZNACZANIE (K IC )

PRZESTRZENNY ROZKŁAD PRĘDKOŚCI PRZEPŁYWÓW W UJŚCIOWYM ODCINKU RZEKI ANALIZA WYNIKÓW POMIARÓW

ŁAPACZ RUMOWISKA DENNEGO W KORYTACH RZECZNYCH RBT (RIVER BEDLOAD TRAP) autor dr Waldemar Kociuba

Temat: POMIAR SIŁ SKRAWANIA

Regulacja dwupołożeniowa (dwustawna)

SEMINARIUM DANE HYDROLOGICZNE DO PROJEKTOWANIA UJĘĆ WÓD POWIERZCHNIOWYCH

WYBÓR PUNKTÓW POMIAROWYCH

Założenia zadań projektu

Politechnika Białostocka INSTRUKCJA DO ĆWICZEŃ LABORATORYJNYCH

Zastosowania Równania Bernoullego - zadania

Określenie dynamiki transportu rumowiska wleczonego w rzece Białce przy zastosowaniu programu HEC-RAS

POLITECHNIKA ŚWIĘTOKRZYSKA w Kielcach WYDZIAŁ MECHATRONIKI I BUDOWY MASZYN KATEDRA URZĄDZEŃ MECHATRONICZNYCH LABORATORIUM FIZYKI INSTRUKCJA

2. Przykłady budowli wraz z komentarzem

Ruch rumowiska rzecznego

Ćw. 4. BADANIE I OCENA WPŁYWU ODDZIAŁYWANIA WYBRANYCH CZYNNIKÓW NA ROZKŁAD CIŚNIEŃ W ŁOśYSKU HYDRODYNAMICZNYMM

Nazwisko i imię: Zespół: Data: Ćwiczenie nr 11: Moduł Younga

Laboratorium techniki laserowej Ćwiczenie 2. Badanie profilu wiązki laserowej

Metody weryfikacji danych hydrologicznych W Państwowej Służbie Hydrologiczno- Meteorologicznej

POLITECHNIKA LUBELSKA

Wojskowa Akademia Techniczna Katedra Pojazdów Mechanicznych i Transportu

LABORATORIUM PODSTAW BUDOWY URZĄDZEŃ DLA PROCESÓW MECHANICZNYCH

WERYFIKACJA KRZYWEJ NATĘŻENIA PRZEPŁYWU W PRZEKROJU WODOWSKAZOWYM IMGW NA RZECE DŁUBNI

Nieustalony wypływ cieczy ze zbiornika przewodami o różnej średnicy i długości

LABORATORIUM MECHANIKI PŁYNÓW

NAPRĘŻENIA ŚCISKAJĄCE PRZY 10% ODKSZTAŁCENIU WZGLĘDNYM PRÓBEK NORMOWYCH POBRANYCH Z PŁYT EPS O RÓŻNEJ GRUBOŚCI

Wprowadzenie. Zbigniew POPEK, Leszek HEJDUK, Piotr HŁADKI

Obciążenia, warunki środowiskowe. Modele, pomiary. Tomasz Marcinkowski

Nauka Przyroda Technologie

Analiza niestabilności powstających w trakcie procesu wytłaczania

Transkrypt:

Acta 11 (4) 2012.indd 5 2013-02-28 16:25:05 Acta Sci. Pol., Formatio Circumiectus 11 (4) 2012, 5 16 BADANIA WARUNKÓW RÓWNOWAGI HYDRODYNAMICZNEJ W PRZEPŁAWKACH DWUFUNKCYJNYCH BEDLOAD EQUALIBRIUM MEASUREMENTS ALONG CANOE-FISHWAYS Wojciech Bartnik, Leszek Książek, Maciej Wyrębek, Mateusz Strutyński ** Uniwersytet Rolniczy w Krakowie Streszczenie. Przepławka dwufunkcyjna jest nowym rozwiązaniem przepławki dla ryb. Dodatkową zaletą takiego rozwiązania jest możliwość przetransportowania przez nią kajaków bez ryzyka ich zniszczenia. W przepławce tego typu w celu zwiększenie oporów przepływu w pole prędkości wprowadza się elementy z tworzywa sztucznego przypominające roślinność. Występuje tutaj podział profilu prędkości na dwie części: strefę zmniejszonych prędkości na wysokości szczotek i strefę zwiększonych prędkości ponad szczotkami. W przepławce z podwójnym dnem współczynnik dyssypacji energii jest wysoki, ponieważ duża ilość pojedynczych elementów z tworzywa sztucznego powoduje tworzenie się dużej ilości mikrowirów, gdzie zostaje wytracona prędkość płynącej wody. Abstract. The Canoe-fishway is a rather new concept of fishways. A lot of thin and elastic elements were used to built it it works like vegetation. The big advantage of this type of construction is that it may be used by kayaks and canoes to pass an obstruction in the river without danger of destroy it. The velocity profile is divide for two part: lower velocity on the brushes level and higher velocity above the brushes. Energy dissipation within this type of fishways is very effective. The large number of bristles produce many small vortex which initiate energy consumption by the velocity of water. Słowa kluczowe: przepławka dwufunkcyjna, dno stabilne, naprężenia w dnie, rozkład prędkości Key words: rock fishway, river bed stability, bottom shear stresses, velocity profile Adres do korespondencji Corresponding authors: prof. dr. hab. inż. Wojciech Bartnik, dr hab. inż. Leszek Książek, mgr inż. Maciej Wyrębek, dr. inż. Mateusz Strutyński, Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Kraków, e-mail: m.wyrebek@gmail.com, rmksiaze@cyf-kr.edu.pl. Podziękowania: Badania zrealizowano w ramach Projektu Rozwojowego Nr N R14 0041 06/2009 Narodowego Centrum Badań i Rozwoju.

Acta 11 (4) 2012.indd 6 2013-02-28 16:25:06 6 W. Bartnik, L. Książek, M. Wyrębek, M. Strutyński WSTĘP W przepławce dwufunkcyjnej w celu zwiększenia oporów przepływów w pole prędkości wprowadza się elementy z tworzywa sztucznego przypominające roślinność. Przepławki tego typu są szeroko stosowane w Niemczech, Austrii i Szwajcarii [Hassinger i Kraetz 2002]. W literaturze mogą one występować pod różnymi nazwami: przepławka z podwójnym dnem lub przepławka dwufunkcyjna (canoe fishway). Obie te nazwy wskazują na podwójną funkcję tej przepławki pierwsza polega na umożliwianiu rybom wędrówki w górę rzeki, druga pozwala przeprowadzać przez przepławkę sprzęt wodny bez ryzyka jego zniszczenia. Pierwsze dno jest to dno żwirowe dla ryb i innych organizmów wodnych, drugie zaś to elastyczne dno z tworzywa sztucznego dla sprzętu wodnego (łodzie, kajaki). Warunki hydrauliczne przepływu w przepławce dwufunkcyjnej są odmienne od tych, które występują w najczęściej stosowanych przepławkach typu komorowego (chodzi o przepławki komorowe, szczelinowe, ryglowe oraz step-pool fishways). W przepławkach komorowych ryba przepływa w górę, pokonując sekwencje przegród zaopatrzonych w otwory lub szczeliny, gdzie panują większe prędkości wody. Następnie napotyka na strefę, gdzie prędkość wody jest dużo mniejsza czyli basen. Prędkość w szczelinie nie powinna przekraczać krytycznych prędkości przepływu dla poszczególnych gatunków ryb. Podczas projektowania przepławek, przyjmuje się następujące prędkości graniczne: ryby łososiowate 2,0 m s 1, ryby karpiowate 1,5 m s 1, pozostałe gatunki 1,0 m s 1 [Wiśniewolski 2008, Mokwa 2010, Bartnik i in. 2011]. W basenie prędkość powinna być odpowiednio mniejsza, taka aby ryba mogła tam odpocząć przed pokonaniem następnej przegrody. Z reguły przyjmuje się prędkość wody w basenie wynoszącą ok. v basen = 0,5 m s 1. W przepławkach dwufunkcyjnych brak jest komór, w związku z czym warunki przepływu są bardziej jednorodne ze względu na rozproszenie energii na długości. W przepławce tego typu współczynnik dyssypacji energii jest wysoki, ponieważ duża liczba pojedynczych elementów z tworzywa sztucznego powoduje tworzenie się dużej ilości mikrowirów, w których zostaje wytracona prędkość płynącej wody [Hassinger i Kraetz 2002]. W przepławce komorowej (ryglowej) przy opływie większych elementów można wyróżnić następujące etapy: przepływ przez szczelinę (rygiel), zmniejszenie przekroju poprzecznego, zwiększenie prędkości, wpłynięcie wody do basenu, zwiększenie przekroju poprzecznego, zmniejszenie prędkości, tworzenie się większych wirów i w końcu dyssypacja energii w mikrowirach. Proces dyssypacji energii w przepławce szczotkowej jest bardziej wydajny, ponieważ od razu dochodzi do formowania się mikrowirów. Celem pracy było określenie wpływu elastycznych elementów z tworzywa sztucznego na hydrauliczne warunki przepływu wody oraz określenie warunków stabilność dna przepławki. POMIARY LABORATORYJNE Pomiary przeprowadzono w Laboratorium Hydrotechnicznym Wydziału Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytetu Rolniczego w Krakowie. Długość koryta hydraulicznego wynosi 12 m, z czego 8 m jest przeszklone. Wymiary przekroju poprzecznego: wys. 0,6 m szer. 0,485 m. Spadek można regulować skokowo w zakresie od 25,6 do 84,7. Układ zasilający koryta w wodę działa w obiegu zamkniętym [Książek 2000]. Schemat działania koryta hydraulicznego przedstawiono na rys. 1. Acta Sci. Pol.

Acta 11 (4) 2012.indd 7 2013-02-28 16:25:07 Badanie warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach dwufunkcyjnych 7 Rys. 1. Schemat koryta hydraulicznego [Książek 2000] Fig. 1. Schema of laboratory flume [Książek 2000] Rys. 2. Kanał migracji ryb na modelu przepławki dwufunkcyjnej Fig. 2. Channel used for migration by fishes in fish ladder model Formatio Circumiectus 11 (4) 2012

Acta 11 (4) 2012.indd 8 2013-02-28 16:25:07 8 W. Bartnik, L. Książek, M. Wyrębek, M. Strutyński Model przepławki dwufunkcyjnej obejmował 5-metrowy odcinek koryta. Pojedyncze elastyczne elementy z tworzywa sztucznego zostały zebrane w skupiska o wymiarach 0,08 0,30 m, następnie ułożone naprzemiennie po lewej i prawej stronie koryta hydraulicznego. Spowodowało to wydłużenie utworzonego w ten sposób kanału służącego migracji ryb (rys. 2). Odcinek badawczy składał się z 20 takich elementów. Pomiary przeprowadzono dla trzech średnic rumowiska: d 1 = 0,01 0,02 m, d 2 = 0,02 0,04 m, d 3 = 0,04 0,06 m. Prędkość wody została zmierzona przy użyciu akustycznego prędkościomierza dopplerowskiego oraz mikromłynka. Przepływ odczytano z wodomierza. SONDA ADV Akustyczny prędkościomierz dopplerowski ADV (Acoustic Doppler Velocimeter) to jednopunktowy miernik, który dokonuje dokładnego pomiaru trzech składowych prędkości wody zarówno dla bardzo dużego, jak i skrajnie małego przepływu. Pomiar odbywa się w strefie komórki pomiarowej zlokalizowanej odległości 0,05 m od czoła sondy. Sonda składa się z umieszczonego centralnie pojedynczego nadajnika oraz odbiorników rozlokowanych na ramionach bocznych. Nadajnik generuje wiązkę fali akustycznej, natomiast wysokoczułe odbiorniki odbierają sygnały powstające na skutek odbicia tej fali od znajdujących się w wodzie cząsteczek (np. zawiesiny, pęcherzyków powietrza). Rozdzielczość uzyskiwanych wyników +0,0001 m s 1. Uzyskane wyniki składowych prędkości poddane zostają procedurze sprawdzającej [Goring i Nikora 2002, Książek i in. 2011]. MIKROMŁYNEK Mikromłynek jest urządzeniem mechanicznym. Na urządzenie składają się 2 mikromłynki o średnicy śmigiełka 0,008 m, sonda i rejestrator. Jeden mikromłynek służy do pomiaru prędkości w granicach 0 1,5 m s 1, drugi 0 3,0 m s 1. Urządzenie rejestrujące generuje sygnał o określonej częstotliwości, który jest modyfikowany pojemnościowo przez przechodzenie łopatek młynka obok czujnika. W Katedrze Inżynierii Wodnej i Geotechniki Uniwersytetu Rolniczego urządzenie zostało zmodyfikowane sygnał jest przekazywany poprzez złącze RS32 do komputera PC. Rozdzielczość uzyskiwanych wyników +0,0001 m s 1. METODYKA Pomiar składowych prędkości v x, v y oraz v z przeprowadzono w 11 pionach. Każdy pion hydrometryczny składał się z ok. 10 pomiarów. W strefie przydennej pomiaru prędkości dokonano za pomocą sondy ADV. Pomiar mikromłynkiem był wykonywany w strefie powyżej szczotek, gdzie dominującym kierunkiem przepływu wody był kierunek zgodny ze spadkiem koryta. Pomiary wykonano przy przepływie Q = 0,039 m 3 s 1 i spadku dna I = 0,0083 dla trzech różnych frakcji rumowiska na dnie koryta: d 1 = 0,01 0,02 m; d śr = 0,015 m, d 2 = 0,02 0,04 m; d śr = 0,030 m, d 3 = 0,04 0,06 m; d śr = 0,050 m. Acta Sci. Pol.

Acta 11 (4) 2012.indd 9 2013-02-28 16:25:09 Badanie warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach dwufunkcyjnych 9 Dla każdego wariantu pomiarowego wykonano serię pomiarów prędkości przepływu wody w pionach, które podzielono na grupy, opierając się na warunkach hydraulicznych przepływu i rozmieszczeniu w przepławce (rys. 3): pion 1, 5 i 9 obok szczotek, pion 2 i 6 przed szczotkami, pion 3 i 7 pomiędzy szczotkami, pion 4 i 8 za szczotkami, pion 11 i 12 wewnątrz i nad szczotkami. Dodatkowo wykonano pomiar na odcinku koryta bez szczotek pion v A. Pomiar zwierciadła wody przeprowadzono na badanym odcinku w pięciu przekrojach (I V). Na podstawie pomiaru trzech składowych prędkości narysowano wektory prędkości długość wektora odpowiada jego wartości. Posłużyło to do wykreślenia profili prędkości, na podstawie których obliczono średnie prędkości przepływu wody (tab. 1). W celu zbadania wpływu szczotek na warunki przepływu profile prędkości podzielono na dwie części: od dna do górnej krawędzi szczotek, oraz powyżej szczotek (rys. 4). Intensywność turbulencji obliczono ze wzoru [Jeżowiecka-Kabsch i Szewczyk 2001, Lewandowski 2006]: it = gdzie: it intensywność turbulencji, u x '2 pulsacja prędkości w kierunku x, Rys. 3. Schemat modelu przepławki dwufunkcyjnej z zaznaczonymi pionami pomiarowymi Fig. 3. Distribution of velocity measurement points in fish ladder model 1 ( ux + uy + uz ) ' 2 ' 2 ' 2 3 u (1) Formatio Circumiectus 11 (4) 2012

Acta 11 (4) 2012.indd 10 2013-02-28 16:25:13 10 W. Bartnik, L. Książek, M. Wyrębek, M. Strutyński u y '2 pulsacja prędkości w kierunku y, u z '2 pulsacja prędkości w kierunku z, u prędkość uśredniona w czasie. Rys. 4. Schemat profili prędkości: a) przepławka dwufunkcyjna, b) koryto bez szczotek Fig. 4. Shape of velocity profile: a) canoe-fishway, b) flume without brushes Naprężenia graniczne obliczono z zależności [Bartnik 1992]: τgy = fm dm Δ γs, N m 2 (2) gdzie: f m naprężenia styczne = 0,035, d m średnica miarodajna rumowiska, m. Δγ s różnica ciężaru objętościowego rumowiska i wody, N m 3, Prędkość dynamiczną obliczono ze wzoru: s v* = (3) 575, gdzie: s nachylenie prostej zgodne z wzorem: v = s (log y) + b, w którym: v prędkość wody, m s 1, y względne napełnienie, b wartość stała. Wzór (3) jest możliwy do zastosowania, gdy profil prędkości w skali półlogarytmicznej przybiera postać zbliżoną do prostej [Gordon i in. 2004]. Pozwala to na obliczenie naprężeń ścinających: gdzie: ρ gęstość cieczy, kg m 3. 2 2 τ= ρ v *, N m (4) Acta Sci. Pol.

Badanie warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach dwufunkcyjnyc1 WYNIKI Rys. 5 przedstawia wyniki pomiarów prędkości sondą ADV. Pomiary trzech składowych prędkości pozwoliło na określenie wartości i kierunku przepływu wody. Rys. 5. Wizualizacja rezultatów pomiaru prędkości przy Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083, d 2 : a) widok trójwymiarowy b) widok z góry, c) widok z boku Fig. 5. Visualization of velocity measurement przy Q = 0,039 m 3 s 1, I = 16,7, d 2 : a) 3D view b) top view, c) side view Tabela 1. Średnie prędkości wody powyżej szczotek ( ) i na wysokości szczotek ( ) przy Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083, dla rumowiska o średnicach d 1, d 2 i d 3 Table 1. Mean velocity of water above brushes ( ) and on the brashes level ( ), Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083 for bedload material d 1, d 2 and d 3 Pion Point Prędkość średnia Mean velocity, v śr, m s 1 d 1 d 2 d 3 1 0,52 0,21 0,54 0,20 0,52 0,23 2 0,59 0,20 0,62 0,21 0,58 0,16 3 0,79 0,09 0,78 0,10 0,80 0,17 4 0,72 0,09 0,62 0,08 0,75 0,19 5 0,68 0,16 0,65 0,16 0,71 0,24 6 0,71 0,22 0,64 0,15 0,66 0,15 7 0,79 0,17 0,78 0,18 0,80 0,16 8 0,63 0,12 0,63 0,16 0,62 0,11 9 0,61 0,16 0,58 0,16 0,63 0,19 11 0,74 0,01 0,68 0,07 0,76 0,07 12 0,54 0,03 0,56 0,05 0,48 0,02 Formatio Circumiectus 11 (4) 2012 Acta 11 (4) 2012.indd 11 2013-02-28 16:25:14

Acta 11 (4) 2012.indd 12 2013-02-28 16:25:16 12 W. Bartnik, L. Książek, M. Wyrębek, M. Strutyński Rys. 6. Profil prędkości przy Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083: v A koryto bez szczotek, v B przepławka dwufunkcyjna, pomiary do wysokości h 1 (v Bh1 ) i ponad szczotkami (v Bh2 ) Fig. 6. Velocity profile for Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083: v A flume without brushes, v B canoe-fishway, measurements up to top of brashes (v Bh1 ) and over top of brushes (v Bh2 ) Głębokość względna Relative depth, /, 0,7 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0,1 0 0 2 = 0,99 2 = 0,76 0,5 1 1,5 2 2,5 3 3,5 Intensywność turbulencji Turbulence, Rys 7. Intensywność turbulencji dla przepływu Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083: v A koryto bez szczotek, v przepławka dwufunkcyjna, pomiar do wysokości h (v B 1 B ) i ponad szczotkami (v Bh2 ) Fig. 7. Turbulence for Q = 0,039 m 3 s 1, I = 0,0083: v A flume without brushes, v B canoe-fishway, up to top of brashes (v Bh1 ) and over top of brushes (v Bh2 ) 2 1 Acta Sci. Pol.

Acta 11 (4) 2012.indd 13 2013-02-28 16:25:17 Badanie warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach dwufunkcyjnyc3 Tab. 1 przedstawia średnie prędkości wody dla średnicy rumowiska d 1 = 0,015 m, d = 0,030 m i d 2 = 0,05 m. Największe różnice pomiędzy prędkością wody na wysokości 3 szczotek i ponad szczotkami zaobserwowano w pionach hydrometrycznych znajdujących się bezpośrednio poniżej szczotek (piony 3, 4, 7, 8). Stwierdzono brak wpływu średnicy rumowiska na prędkości wody w strefie przydennej. Porównanie pomiarów laboratoryjnych dla przepławki dwufunkcyjnej i koryta bez szczotek przedstawiono na rys. 6 i 7. Rys. 6 przedstawia pomiar prędkości dla 9 pionów znajdujących się w kanale przepławki v B i jednego dla koryta hydraulicznego bez szczotek v A. Obecność szczotek przyczyniła się do zmniejszenia prędkości wody przy dnie do wysokości, natomiast zwiększenia prędkości ponad szczotkami. Obecność szczotek wpłynęła na zwiększenie intensywności turbulencji (rys. 7). Naprężenia graniczne obliczone ze wzoru 2 wynoszą: rumowisko d = 0,01 0,02 m; d = 0,015 m τ 1 = 8,66 N m 2 śr gr rumowisko d = 0,02 0,04 m; d = 0,030 m τ 2 = 17,33 N m 2 śr gr rumowisko d 3 = 0,04 0,06 m; d śr = 0,050 m τ gr = 28,88 N m 2 Rys. 8 przedstawia profil prędkości w skali półlogarytmicznej dla pionów znajdujących się przed szczotką 2 i 6. W pionach tych występują zróżnicowane warunki hydrauliczne przepływu wody na wysokości pierwszego dna służącego migracji ryb i drugiego służącego spławianiu sprzętu wodnego. Tab. 2 przedstawia wyniki obliczeń prędkości dynamicznej (wzór 3) i naprężeń ścinających (wzór 4). Dla pionów zlokalizowanych za szczotkami (piony 3, 4, 7 oraz 8), do wysokości górnej krawędzi szczotek nie jest logarytmiczny rozkład prędkości, o czym świadczy wartość współczynnika determinacji mniejsza od 0,62. W tych pionach naprężeń ścinających nie można liczyć metodą opartą na logarytmicznym rozkładzie prędkości. Rys. 8. Profil prędkości w skali półlogarytmicznej dla pionów 2 i 6 Fig. 8. Velocity distribution point 2 and 6; X-axis is logarythmic scale Formatio Circumiectus 11 (4) 2012

Acta 11 (4) 2012.indd 14 2013-02-28 16:25:17 14 W. Bartnik, L. Książek, M. Wyrębek, M. Strutyński W pionach hydrometrycznyc, 2, 5, 6 oraz 9 wartości naprężeń w strefie przydennej wynoszą ok. 4,5 N m 2. Stwierdzono, że dno przepławki dwufunkcyjnej przy przepływie Q = 0,039 m 3 s 1 i spadku dna I = 0,0083 jest stabilne, ponieważ wartości naprężeń granicznych nie zostały przekroczone, tj. τ < τ gr. Obecność elastycznych elementów różnicujących warunki przepływu powoduje redukcję naprężeń stycznych o rząd wielkości w stosunku do naprężeń powyżej ich górnej krawędzi (tab. 2). Tabela 2. Wyniki obliczeń prędkości dynamicznej i naprężeń ścinających Table 2. Calculated shear velocities and shear stresses Pion hydrometryczny Measuring point 1, 5 i 9 2 i 6 3 i 7 4 i 8 R 2 S u * τ N m 3 0,74 1,39 0,24 58,5 0,77 0,37 0,06 4,2 0,90 1,61 0,28 78,6 0,79 0,40 0,07 4,8 0,83 1,34 0,23 54,0 0,61 0,71 2,03 0,35 124,8 0,24 WNIOSKI Na podstawie przeprowadzonych pomiarów stwierdzono, że obecność elastycznych elementów wywiera decydujący wpływ na hydrauliczne warunki ruchu wody panujące w przepławce. Obecność elastycznych elementów z tworzywa sztucznego dzieli strumień wody na dwie części, powodując zmniejszenie prędkości wody w warstwie przydennej sięgającej ich górnej krawędzi oraz zwiększenie prędkości przepływu wody ponad nimi. Elementy z tworzywa sztucznego zaburzają logarytmiczny rozkład profilu prędkości w warstwie przydennej w pionach zlokalizowanych bezpośrednio za nimi (piony 3, 4 oraz 7, 8). W pionach tych nie ma możliwości obliczenia naprężeń stycznych metodą opartą na logarytmicznym rozkłade prędkości, Rumowisko o średnicach w przedziale 0,01 0,06 m nie ma wpływu na rozkłady prędkości wody w strefie przydennej. Naprężenia stycznie na dnie osiągały wartości ok. 4 N m 3. W strefie rozdziału dwóch strug, na wysokości drugiego dna (powierzchnia szczotek) naprężenia styczne są o rząd wielkości większe niż na dnie. Wykorzystanie elementów z tworzywa sztucznego w przepławkach dwufunkcyjnych obniża prędkości przy dnie, zapewnia spełnienie warunków równowagi hydrodynamicznej (τ < τ gr ) oraz umożliwia bezpieczny transport sprzętu wodnego bez ryzyka jego zniszczenia. Acta Sci. Pol.

Acta 11 (4) 2012.indd 15 2013-02-28 16:25:17 Badanie warunków równowagi hydrodynamicznej w przepławkach dwufunkcyjnyc5 PIŚMIENNICTWO Bartnik W., 1992. Hydraulika potoków z dnem ruchomym. Początek ruchu rumowiska. Zesz. Nauk. AR w Krakowie, Rozpr. hab. 171, 61 67. Bartnik W., Epler P., Jelonek M., Klaczak A., Książek L., Mikołajczyk T., Nowak M., Popek W., Sławińska A., Sobieszczyk P., Szczerbik P., Wyrębek M., 2011. Gospodarka rybacka w aspekcie udrażniania cieków dorzecza Małej i Górnej Wisły. Red. P. Epler, L. Książek. Zesz. Nauk. Infrastruktura i Ekologia Terenów Wiejskich. PAN, Oddz. w Krakowie, Komis. Tech. Inf. Wsi, Monografia 13, s. 230. Gordon N.D., McMahon T.A., Finlayson B.L., Gippel C.J. Nathan R.J., 2004. Stream Hydrology. An Introduction for Ecologists. John Wiley& Sons, Ltd Hoboken. Goring D.G., Nikora V.I., 2002. Despiking Acoustic Doppler Velocimeter Data. J. Hydr. Engin. 128(1), 117 126. Hassinger R., Kraetz D. 2002, The Canoe-Fishway A Combination of Fish Migratory Facility and Canoe Passage in the same Channel. URL: ftp://ftp.cs.kun.nl/pub/twm/ academic%20year%202007%202008/oerm%202007%20course%20documents/ 2%20Exursion%20Velt%20andVecht/Canoefishway.pdf (1.03.2012). Książek L., 2000, Proces deformacji dna koryta potoku górskiego i jego związek z siłą wleczenia pojedynczych ziaren rumowiska. Praca doktorska. Maszynopis. UR Kraków. Książek L., Bartnik W., Rumian J., Zagórowski P., 2011. Turbulent water flow over rough bed. Cz. I. IOP Publishing. J. Phys.: Conf. Ser. 318 022012, http://iopscience.iop.org/1742-6596/318/2/022012/pdf/1742-6596_318_2_022012.pdf. Jeżowiecka-Kabsch K., Szewczyk H., 2001, Mechanika płynów. Oficyna Wyd. Politechniki Wrocławskiej Wrocław. Lewandowski J.B., 2006, Mechanika płynów. Wyd. UP Poznań. Mokwa M., 2010. Obliczenia hydrauliczne przepławek dla ryb, Acta Sci. Pol., ser. Formatio Circum. 9(2), 43 58. Wiśniewolski W., 2008, Migracje ryb przyczyny, zagrożenia możliwości ochrony. [W:] Ochrona ichtiofauny w rzekach z zabudową hydrotechniczną. Monografia. Red. M. Mokwa, W. Wiśniewolski. Dolnośląskie Wyd. Edukacyjne Wrocław, 9 19. Zaakceptowano do druku Accepted for print: 12.12.2012 Formatio Circumiectus 11 (4) 2012