podczas Smith

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,
v' -chwilowa pulsacja prędkości
Parametry charakteryzujące ruch turbulentny:
N
1
Intensywność turbulencji [m∙ s-1 ] TI 
(vi  v)2

N i1
Energia kinetyczna turbulencji
[m2∙
s-2
]
'2
'2
'2
TKE  0,5(v x  v y  v z )
gdzie vx’, vy’, vz’- 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
TKE
TKE
odch.stand
Max
.
[cm2∙s-2]
[cm2∙s-2]
Siedlisko
Ilość
pomiaró
w
TKE
Średnia
[cm2∙s-2]
TKE
Mediana
[cm2∙s-2]
TKE
Min
[cm2∙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 cm2∙ s-2 w plosie i 50-60 cm2∙ 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.