Wpływ urbanizacji obszarów wiejskich na wezbrania opadowe i

Wpływ urbanizacji obszarów wiejskich na wezbrania opadowe i

Wpływ urbanizacji obszarów rolniczych na
wezbrania opadowe i jego prognozowanie
przy zastosowaniu modelu symulacyjnego
opracowanego w ITP
mgr inŜ. Katarzyna KręŜałek
dr inŜ. Tomasz Szymczak
Zakład Zasobów Wodnych
Falenty, 1 grudnia 2010 r.
Kontakt: [email protected]
[email protected]
Plan prezentacji
Wprowadzenie
Urbanizacja a uszczelnienie powierzchni terenu
Urbanizacja a obieg wody
Urbanizacja a tereny rolnicze
Model UrbanITP
Obiekt badawczy ITP
Wyniki obliczeń i wnioski
Podsumowanie
Wprowadzenie
Urbanizacja –proces koncentracji ludności
w punktach przestrzeni geograficznej, głównie
na obszarach miejskich. WiąŜe się ze zmianami
społeczno-kulturowymi, demograficznymi,
ekonomicznymi i przestrzennymi.
Spośród wielu płaszczyzn na których odbywa się
urbanizacja, nas interesuje:
architektoniczno-przestrzenny rozwój miast,
a takŜe jakim stopniu urbanizacja zlewni rolniczych
intensyfikuje występowanie ekstremalnych zjawisk
hydrologicznych?
Urbanizacja a uszczelnienie
powierzchni terenu
Rozmieszczenie i gęstość nieprzepuszczalnych powierzchni na Ziemi.
Gęstość przedstawiono w czterech zakresach skali szarości. [Grid 1 km2]
Źródło: C. D. Elvidge, B.T. Tuttle, P. C. Sutton, K. E. Baugh, A. T. Howard, C. Milesi, B. L. Bhaduri
and R. Nemani Global Distribution and Density of Constructed Impervious Surfaces, 2007
Urbanizacja a uszczelnienie
powierzchni terenu
Zabudowana, nieprzepuszczalna powierzchnia [m2] przypadająca
na osobę w krajach na całym świecie.
Źródło: C. D. Elvidge, B.T. Tuttle, P. C. Sutton, K. E. Baugh, A. T. Howard, C. Milesi, B. L. Bhaduri
and R. Nemani Global Distribution and Density of Constructed Impervious Surfaces, 2007
Urbanizacja a uszczelnienie
powierzchni terenu
Udział [%] zlewni posiadających 1-10% powierzchni nieprzepuszczalnej
w poszczególnych częściach świata (bez Australii)
Źródło: C. D. Elvidge, B.T. Tuttle, P. C. Sutton, K. E. Baugh, A. T. Howard, C. Milesi, B. L. Bhaduri
and R. Nemani Global Distribution and Density of Constructed Impervious Surfaces, 2007
Urbanizacja a obieg wody
Źródło: Geiger W., Dreiseitl H.: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, 1999
Urbanizacja a obieg wody
Urbanizacja a obieg wody
Źródło: http://www.lberi.jp
Urbanizacja a obieg wody
Źródło: Geiger W., Dreiseitl H.: Nowe sposoby odprowadzania wód deszczowych. Poradnik, 1999
Urbanizacja a tereny rolnicze
Źródło: United Nations, World Urbanization Prospects: The 2005 Revision (2006);
and C. Haub, 2007 World Population Data Sheet.
Urbanizacja a tereny rolnicze
Źródło: Google Earth, osiedla mieszkaniowe w gminie Raszyn i w gminie Lesznowola
Urbanizacja a tereny rolnicze
Postępująca urbanizacja zlewni rolniczych powoduje:
przez co zwiększa się:
wzrost wielkości spływu powierzchniowego
przy jednoczesnym zmniejszeniu infiltracji,
częstotliwość występowania
i intensywność ekstremalnych zjawisk hydrologicznych
w stopniu zaleŜnym od:
sposobu pokrycia terenu,
procentowego udziału
oraz lokalizacji powierzchni uszczelnionych na terenie
zlewni.
Model UrbanITP
Strefy zasilania podpowierzchniowego
Rozszerzające się obszary czynne
Sezonowe zmiany
stref saturacji
Poziom wody grunt.
T2
T0
T1
Zasilanie wodami
gruntowymi
Model UrbanITP
WyróŜniono trzy kategorie obszarów zurbanizowanych:
A – tereny nieuszczelnione
B1 – tereny uszczelnione i skanalizowane połoŜone w strefie obszaru czynnego
zlewni – Ocz,
B2 – terenyuszczelnione i skanalizowane połoŜone poza granicami strefy obszaru
czynnego zlewni – Onc
C – tereny uszczelnione nieskanalizowane połoŜone wewnątrz strefy Ocz
C
Onc – obszar
nieczynny
zlewni
B2
B1
A
Ocz – obszar
czynny zlewni
P - opad
P - opad
PB2 = αB2P
Model UrbanITP
Podział opadu całkowitego:
PB1 = αB1 P
PC = αC P
PA = (1- αB1 - αC) P
PB1
PA
Podział opadu na powierzchni
przepuszczalnej:
HA = (Z1/B)1,5
Inf = PA - HA
PC
HC = ψCPC
HB1 = ψB1PB1
Inf
HC
Opisano procesy:
HA+HC
HB2 = ψB2PB2
HB2
Spływ po powierzchni terenu
Zbiornik liniowy
+
1
Spływ powierzchniowy z róŜnych
rodzajów powierzchni.
Odpływ podpowierzchniowy
Transformację w korycie rzecznym.
R0
Zbiornik wody glebowej
Z3
H*pp – zasilanie spływu podpowierzchniow
K3
HA
Z1
+
HB1
K
Kaskada zbiorników
liniowych.
Przepływ w ośrodku
porowatym i kanalikach
glebowych.
Hpow - spływ powierzchniowy
…
.
.
Uwzględniono:
…
K2
HKAN = HB1+HB2
Splyw kanalizacją deszczową
Z2
+
Hpp - spływ podpowierzchniowy
Hb - spływ bezpośredni
Rozdzielenie spływu z górnej i dolnej części zlewni.
Hbg = Hbd = 1/2 Hb
Hbg
Hbd
Zbiornik liniowy dolny
K4 = K5
Zbiornik liniowy górny
Htr1
Z4
+
K4
K5
K2
Z5
Straty opadu na obszarach
uszczelnionych poprzez
wprowadzenie do obliczeń
współczynników spływu Ψ
Prawdopodobieństwo
przewyŜszenia opadu p[%]
Udział powierzchni uszczelnionych
w powierzchni zlewni [%]
Lokalizację względem obszarów
czynnych.
Transformacja przepływu w korycie rzecznym
Hbtr2
xd
Współczynnik
przeliczeniowy
jednostek
Q’b
xa
Współczynnik
zasilania
bezpośredniego
a = Acz/Azl
Qb
Obiekt badawczy ITP
Procentowy udział rodzajów uŜytkowania
terenu zlewni rzeki Mławki
Ukształtowanie terenu i sieć
rzeczna zlewni Mławki do profilu VI
Procentowy udział gleb na terenie zlewni rzeki Mławki
Wyniki obliczeń i wnioski
Charakterystyka przyjętych wariantów obliczeniowych i wyniki obliczeń
symulacyjnych
Wariant
Prawdeństwo
wystąpienia
opadup [%]
Rodzaj i
lokalizacja
obszarów
uszczelnionych
W1
W2
1
Równomiernie
B1, B2, C
W3
W4
W5
10
Równomiernie
B1, B2, C
W6
W7
W8
20
W9
* C max =
Q max_ u
Q max_ nat
Równomiernie
B1, B2, C
Udział
Powierzchni
uszczelnionych [%]
Współczynnik
przyrostu
przepływu
kulminacyjnego
* Cmax
Skrócenie czasu
wznoszenia fali
wezbraniowej
∆t = t_u - t_nat
[h]
5
1,09
-9
10
1,47
-14
20
2,39
-15
5
1,59
-10
10
2,38
-11
20
4,06
-12
5
2,01
-2
10
3,08
-2
20
5,33
-3
Wyniki obliczeń i wnioski
Wpływ równomiernego uszczelnienia terenu zlewni do 5, 10 i 20% jej
całkowitej powierzchni na hydrogram wezbrania wywołanego deszczem
nawalnym o prawdopodobieństwie wystąpienia p=1%
0
16
14
10
12
20
30
P,m m
Q m 3/s
10
8
40
6
50
4
60
2
70
0
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
czas, godz
Opad P01%
natur P01%
uD5%
uD10%
uD20%
Wyniki obliczeń i wnioski
Wpływ równomiernego uszczelnienia terenu zlewni do 5, 10 i 20% jej
całkowitej powierzchni na hydrogram wezbrania wywołanego deszczem
rozlewnym o prawdopodobieństwie wystąpienia p=10%
8
0
7
6
10
4
20
3
2
30
1
0
40
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
czas, godz.
Pr10%
QnatPr10%
Qurb5%
Qurb10%
Qurb20%
P, m m
Q, m 3 /s
5
Wyniki obliczeń i wnioski
7
0
6
10
5
20
4
30
3
40
2
50
1
60
0
70
1
3
5
7
9 11 13 15 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41 43 45 47 49 51 53 55 57 59 61 63 65 67 69 71
czas, godz.
Pn10%
QnatPn10%
QuBcz10%
QuC10%
QuBnc10%
QuBczBncC10%
P, m m
Q , m 3 /s
Wpływ uszczelnienia 10% powierzchni zlewni na hydrogram wezbrania wywołanego
deszczem nawalnym o prawdopodobieństwie wystąpienia p=10%, z uwzględnieniem
rodzaju obszaru szczelnego (B1, B2, C) i jego lokalizacji względem strefy czynnej zlewni
Wyniki obliczeń i wnioski
Wpływ uszczelnienia terenu zlewni do 5, 10 i 20% jej całkowitej
powierzchni na przyrost kulminacji przepływu
Prz yro st p rz ep lyw u ku lm in acy jn e g o C m ax=Q m ax_u /Q m a x_n at
600%
500%
400%
300%
200%
100%
0%
5
10
20
% uszczelnienia pow ierzchni
Pn01D
Pn10D
Pn20D
Pr10D
Wyniki obliczeń i wnioski
Zwiększony udział terenów uszczelnionych wpływa na
znaczące skrócenie czasu przyboru fali wezbraniowej, oraz
znaczący wzrost wartości przepływu maksymalnego –
zarówno w przypadku wystąpienia deszczy nawalnych
jak i rozlewnych
Wskazuje to na wyraźny wzrost zagroŜenia powodziowego
w zlewniach, gdzie udział obszarów zurbanizowanych
przekracza 5% ogólnej powierzchni zlewni, zwłaszcza
skanalizowanych i usytuowanych w znacznym oddaleniu od
dolin rzecznych (poza zasięgiem obszarów czynnych)
Szczególnie na tych obszarach naleŜy dąŜyć do
ograniczania spływów powierzchniowych oraz zatrzymania
wód opadowych na miejscu
Podsumowanie
Urbanizacja ma wpływ na kształtowanie się ekstremalnych
zjawisk hydrologicznych.
Zmienia się reakcja zlewni na opad i parametry fali odpływu
WaŜne jest ustalenie jak sposób urbanizowania terenów
wpływa na obieg wody na danym obszarze i uŜycie w tym
celu modelowania.
Przyjmowanie róŜnych wariantów pokrycia terenu
i procentowego udziału oraz lokalizacji powierzchni
uszczelnionych na terenie zlewni na etapie badań
symulacyjnych pozwoli na przewidywanie warunków
hydrologicznych terenów rolniczych po zurbanizowaniu.
Wiedza ta moŜe być przydatna przy tworzeniu miejscowych
planów zagospodarowania przestrzennego i przy
prognozowaniu moŜliwości wystąpienia ryzyka
powodziowego.
Dziękuję za uwagę!!!