efektywność modeli hydrodynamicznych w ocenie

efektywność modeli hydrodynamicznych w ocenie

PAWEŁ HACHAJ, LESZEK LEWICKI, ELŻBIETA NACHLIK, TOMASZ SIUTA
Politechnika Krakowska
Wydział Inżynierii Środowiska
Instytut Inżynierii i Gospodarki Wodnej
Efektywność modeli hydrodynamicznych
w ocenie dynamiki zbiornika zaporowego
Przedmiotem publikacji jest wieloaspektowe, ale zintegrowane podejście do
modelowania dynamiki zbiornika zaporowego; celem jest aplikacja i wykorzystanie
złożonego – hydrodynamicznego modelu
akwenu w budowie scenariuszy zarządzania wielozadaniowym zbiornikiem retencyjnym z uwzględnieniem wymagań środowiskowych. Podejście uwzględnia złożoną
strukturę czaszy zbiornika oraz zróżnicowaną dokładność odwzorowania w czasie
i przestrzeni parametrów dynamicznych
akwenu, dostosowanych do realnych warunków akwenu. Miarą efektywności modelu jest możliwość jego wykorzystania
w ocenie i prognozie procesów transportu oraz wymiany masy na potrzeby oceny
alokacji osadów i zanieczyszczeń, a także
w sterowaniu falą powodziową do ochrony
terenów niżej położonych. Obszarem aplikacji modelu jest zbiornik wodny Goczałkowice na Małej Wiśle.
S
ystem zarządzania zbiornikiem
musi gwarantować:
□ realizację podstawowych aktualnych funkcji zbiornika,
□ spełnienie wymagań środowiskowych w zakresie ochrony potencjału
ekologicznego akwenu,
□ zapewnienie skutecznego sterowania odpływem i funkcjonowaniem
ujęć wody w warunkach nadzwyczajnych zagrożeń naturalnych i antropogenicznych.
To wieloaspektowe podejście do zarządzania – z uwzględnieniem wszystkich funkcji zbiornika – wymaga, aby
system zarządzania zbiornikiem zaporowym był wspomagany modelem funkcjonalnym zbiornika, w którym istotną
rolę odgrywa model hydrodynamiczny.
Model hydrodynamiczny zbiornika
jest narzędziem numerycznym, umożliwiającym symulację pracy akwenu
w odniesieniu do dynamiki jego wód,
przy uwzględnieniu zasilania od strony
rzeki, poboru wody, a także sterowania
odpływem ze zbiornika.
Rys. 1. Odwzorowanie struktury przepływu zbiornika na tle jego układu topograficznego;
kolorem czerwonym oznaczono przegłębienia (w tym związane z dawnym korytem Wisły),
zaś ciemnoniebieskim wypłycenia, na których w strefie cofkowej zbiornika pokazano zachowaną formę dawnych obwałowań
jące na obrazowanie i prognozowanie
warunków hydrologicznych i klimatycznych. Są to następujące modele:
□ Model podstawowy, o najwyższej
dokładności odwzorowania dynamiki
zbiornika, dwuwymiarowy w planie (2D)
z rodziny SMS (Surface Water Modelling System). Uwzględnia informacje
o geometrii akwenu, jego warunkach
dynamicznych, rozproszone zasilanie
zbiornika oraz oddziaływania wiatrów.
Model ten jest dostosowany do wolno-
■ Model hydrodynamiczny zbiornika Goczałkowice
Model hydrodynamiczny zbiornika
goczałkowickiego obejmuje trzy cząstkowe modele numeryczne pozwala-
286
Rys. 2. Symulacja przejścia fali powodziowej z maja 2010 r. przez zbiornik Goczałkowice
Gospodarka Wodna nr 8/2014
zmiennych przepływów w różnych strefach głębokości.
Na rys. 1 przedstawiono strukturę
przepływu w zbiorniku Goczałkowice
na tle jego topografii dla średnich warunków zasilania, przy zerowej prędkości wiatru oraz przy przeciętnym poborze wody z ujęcia.
□ Model uzupełniający, dwuwymiarowy w planie (2D), Hydro AS 2D, który
nie uwzględnia oddziaływania wiatru,
ale odwzorowuje i prognozuje szybkozmienne, wysokie przepływy nieustalone, w warunkach wezbrań powodziowych. Dodatkowo – na potrzeby
analizy i oceny transportu rumowiska
na podstawie dennych naprężeń ścinających oraz w konsekwencji depozycji przestrzennej materiału dennego
– współpracuje on z modelem dwuwymiarowym CCHE2D.
□ Model do wspomagania sterowania odpływem na potrzeby zarządzania
zbiornikiem w warunkach powodziowych
– MIKE11. Jest to jednowymiarowy (1D)
model kontroli oraz sterowania retencją
powodziową zbiornika wodnego.
Zakres i sposób wykorzystania składowych modelu hydrodynamicznego
do tych celów został dostosowany do
rodzaju i zakresu informacji. Podstawowe informacje obejmują:
□ wartości dopływu, poboru wody
i odpływu ze zbiornika,
□ wartość piętrzenia wody w zbiorniku – w pewnym zakresie może ona
być niezależna od dopływu i odpływu,
□ warunki klimatyczne, reprezentowane przez temperaturę powietrza
oraz kierunek i prędkość wiatru,
□ źródła dopływu i rodzaj zanieczyszczeń,
□ charakterystykę granulometryczną materiału osadowego w zbiorniku.
Ten podstawowy zakres informacji i danych uzupełniają dane prognostyczne, takie jak:
□ prognoza dopływu wezbrań,
□ prognoza zmian w zaopatrzeniu
w wodę,
□ prognoza zmian warunków zasilania związana ze zmianami klimatycznymi,
□ inne, które będą formułowane,
a są istotne dla gospodarowania wodą
w zbiorniku Goczałkowice.
Rys. 3. Przykład torów transportu i zasięgu zanieczyszczeń stałych w zbiorniku po 5 godzinach od ich zrzutu z części cofkowej akwenu, w warunkach bezwietrznych
Rys. 4. Rozkład koncentracji rumowiska unoszonego, przy przepływie chwilowym 7 m3/s,
po przejściu hipotetycznej fali powodziowej o kulminacji odpowiadającej Q1%
■ Funkcjonalność
modelu hydrodynamicznego w ocenie dynamiki
zbiornika
Podstawą funkcjonalności modelu
hydrodynamicznego jest zakres rodzajowy odwzorowania parametrów dynamicznych, uzyskiwany przy wykorzystaniu jego składowych, na potrzeby:
□ Sterowania odpływem ze zbiornika w warunkach normalnych i nadzwyczajnych (zagrożenie powodzią lub niedoborem wody). Na rys. 2 przedstawiono odwzorowanie, przy użyciu modelu
Gospodarka Wodna nr 8/2014
Rys. 5. Przebieg nurtu głównego w warunkach bezwietrznych w zależności od wartości zasilania: od 7 m3/s (ciemny zielony) do 120 m3/s (pomarańczowy)
287
Zestawienie liczbowych efektów sterowania falą powodziową przez zbiornik Goczałkowice
Fala
Qmax
[m3/s]
Objętość fali V
[mln m3]
Qmax
zreduk.
[m3/s]
Stopień redukcji
[%]/[m3/s]
Czas odtworzenia [doby]
NPP = 255,5 m n.p.m.
Fale historyczne
1972
627
86,6
300
52/324
min. 10
1997
436
97,2
204
53/232
min. 10
2010
515
107,1
200
61/315
2
Fala hipotetyczna o kulminacji Q1% – oryginalna i o objętości wyższej o 50%
dla NPP = 255,5 m n.p.m. (obecny)
Q1%
921
140,3
645
30/276
6,5
Q1%
921
210,4
753
18/168
6,5
Fala hipotetyczna o kulminacji Q1% – oryginalna i o objętości wyższej o 50%
dla NPP = 254, 5 m n.p.m. (możliwy)
Q1%
921
140,3
460
50/461
3,5
Q1%
921
210,4
460
50/461
5
1D zbiornika Goczałkowice w środowisku MIKE11, symulacji przejścia fali powodziowej z maja 2010 r.
□ Oceny dynamiki samego akwenu
pod kątem ochrony ujęcia wody przed
zanieczyszczeniem; jest ona uzależniona od dynamiki zbiornika w zróżnicowanych warunkach jego zasilania,
z uwzględnieniem przestrzenno-czasowej struktury transportu zanieczyszczeń,
którą można symulować liniami prądu
i śledzeniem torów cząstek wody dla
ustalenia dróg napływu i czasu dopływu
zanieczyszczeń do ujęcia wody (rys. 3).
□ Oceny depozycji materiału unoszonego i dennego w obrębie akwenu, zwłaszcza w okresie przejściowym
– pomiędzy średnimi stanami quasiustalonymi oraz wezbraniami i odwrotnie (rys. 4).
■ Efektywność
modelu w ocenie
dynamiki zbiornika
Aby model był efektywnie wykorzystany w zarządzaniu akwenem na bazie oceny jego dynamiki w dłuższym
horyzoncie czasowym, powinien zostać
użyty do opracowania scenariuszy dynamicznych pracy zbiornika zarówno
w obecnych, jak i prognozowanych warunkach jego zasilania. Pełny scenariusz
modelowy pracy zbiornika obejmuje:
□ Stan zbiornika – opisany zbiorem
zmiennych i parametrami dotyczącymi
dynamiki pracy zbiornika. Zmienne to: topografia czaszy zbiornika, lokalizacja źródeł zasilania i odprowadzania wód, układ
zwierciadła wody oraz pole prędkości
przepływu i/lub pole jednostkowego natężenia przepływu. Parametry stanu obejmują zaś: wielkość zasilania zbiornika,
pobór wody i zrzut wody, poziom piętrzenia oraz kierunek i prędkość wiatru.
□ Funkcje stanu – które opisują
wzajemne wpływy i relacje parametrów
stanu zbiornika oraz jego charakterystyk i wartości parametrów dynamicznych, wraz z charakterystyką staty-
288
styczną tych zachowań, przy zróżnicowanym zasilaniu i parametrach klimatycznych.
□ Zdarzenia, przejście, sekwencja
stanów – to warunki, wielkości progowe oraz prawdopodobieństwo przejścia
ze stanu do stanu, z określeniem konsekwencji zmian.
Zbudowano trzy rodzaje scenariuszy
dynamicznych, które wykorzystują podane wyżej elementy do ich budowy.
Pierwszy pakiet scenariuszy oparto na symulacjach dynamiki zbiornika
w ujęciu dwuwymiarowym w planie, przy
wykorzystaniu wpływu warunków klimatycznych na strukturę dynamiki zbiornika
w zróżnicowanych warunkach jego zasilania. W efekcie otrzymano obszerny
zbiór danych przestrzenno-czasowych,
których generalizacja umożliwiła sformułowanie pakietów scenariuszy „zarządczych”. Opisują one syntetycznie
dynamikę zbiornika w warunkach zmiany zasilania i piętrzenia wody oraz zmian
parametrów klimatycznych, w zakresie:
– przestrzennej struktury głównej linii
i towarzyszących nurtów bocznych,
– struktury basenów dynamicznych
zbiornika,
– stref aktywnych oraz zastoisk i wypłyceń.
Typowym przykładem takiego scenariusza pakietowego jest ten pokazany na rys. 5 – przebieg głównego nurtu
zbiornika, w warunkach bezwietrznych,
w zakresie zasilania odpowiadającego
przepływom niskim, średnim i średnio
wysokim.
Drugi pakiet scenariuszy w ujęciu
dwuwymiarowym odpowiada warunkom, lokalizacji i zakresowi transportu rumowiska oraz depozycji materiału
dennego i osadowego z unosin.
Trzeci pakiet scenariuszy dotyczy
analiz i ocen w zakresie efektywności
sterowania odpływem powodziowym,
z uwzględnieniem prognozowanych
wezbrań o określonym prawdopodobieństwie wystąpienia oraz prognozowanych i zalecanych warunków pracy zbiornika w okresie powodzi, w tym
ukierunkowanych na kształtowanie wielkości stałej i sezonowej retencji powodziowej. W tabeli pokazano przykładowe efekty budowy scenariuszy w tym
zakresie, związane z analizą wpływu
wysokości normalnego piętrzenia NPP
na efektywność sterowania powodzią.
Jak widać, obniżenie – nawet sezonowe – normalnego poziomu piętrzenia
NPP o 1 m, daje zdecydowanie lepszy
i bardziej niezawodny efekt w redukcji
hipotetycznej fali powodziowej, której
kulminacja odpowiada Q1%. Dotyczy
to całego zakresu wezbrań i historycznych, i powodziowych, ale fala stuletnia jest poziomem odniesienia oceny
funkcjonalności dla wezbrań katastrofalnych. Niezawodność efektu redukcji
dotyczy bezwzględnej wartości tej redukcji (m3/s), która trwa wiele godzin,
a nie jest chwilowa (jak w warunkach
NPP = 255,5 m n.p.m.), ale także dodatkowo w sytuacji nieprzewidywanej
często drugiej kulminacji, która wymaga zwiększonej rezerwy powodziowej
dla wyższej objętości dopływu (na przykład w 2010 r.) oraz szybkiego przygotowania tej rezerwy przez odtworzenie
jej (patrz ostatnia kolumna tab. – czas
odtworzenia NPP). Warto także podkreślić, że sterowanie powodzią w 2010 r.
odbyło się już po wprowadzeniu nowej
instrukcji tego sterowania i znacznie
przewyższyło efektywnością poprzednie (1972, 1997).
LITERATURA
1. A. BOJARSKI, Z. GRĘPLOWSKA, E. NACHLIK (red.): Zbiornik Goczałkowice. Analiza
przyczynowo-skutkowa DPSIR procesów i zjawisk istotnych z punktu widzenia zarządzania
zbiornikiem zaporowym, monografia nr 420,
Politechnika Krakowska, 2012.
2. P.S. HACHAJ: „The River Memory” effect: an
attempt to understand and model it”; in Experimental and computational Solutions of Hydraulic Problems; GeoPlanet: Earth and Planetary Sciences; Springer-Verlag Berlin Heidelberg
2013.
Prace zrealizowano w ramach projektu Zintegrowany system wspomagający zarządzaniem i ochroną zbiornika zaporowego
sfinansowanego ze środków Europejskiego Funduszu Rozwoju Regionalnego
w ramach Programu Operacyjnego Innowacyjna Gospodarka na podstawie umowy POIG 01.01.02-24-078/09
Gospodarka Wodna nr 8/2014