Wykład 8 i 9

Proces kształtowania koryt rzecznych
Proces kształtowania i przeobrażania koryt rzecznych zależy od wzajemnych relacji między:
• reżimem przepływu wody
• i transportem rumowiska
Proces ten opisał Lane za pomocą związku przyczynowo – skutkowego (nie jest to równanie), który wyraża stan
równowagi dynamicznej:
Qb · J ~ Qr · d50
gdzie:
Qb – natężenie przepływu przy stanie wody brzegowej
J – spadek hydrauliczny (spadek zw. wody)
Qr – natężenie transportu rumowiska
d50 – średnica przeciętna materiału korytowego
Rzeka dąży do zachowania stanu równowagi dynamicznej – jeżeli następuje zmiana któregokolwiek z czynników
wywołuje to zmianę pozostałych tak, aby rzeka uzyskała nowy stan równowagi.
Zmiany mogą być wywołane czynnikami:
•
naturalnymi – długookresowymi zmianami klimatycznymi i geologicznymi
•
antropogenicznymi:
•
współczesne zmiany klimatyczne (np. efekt „cieplarniany” – wzrost przepływów)
•
zmiany użytkowania i zagospodarowana zlewni:
o zmniejszenie retencji - wzrost Qb (zmniejszenie powierzchni lasów, mokradeł, wzrost
powierzchni uszczelnionych – zabudowa, drogi)
o zwiększenie dopływu rumowiska ze zlewni – wzrost Qr (wzrost powierzchni gruntów ornych
i terenów zurbanizowanych)
o (regulacja techniczna, obwałowania, budowle hydrotechniczne (zbiorniki retencyjne) →
zmienia się Qb, Qr, J, d50;
o eksploatacja rumowiska (kruszywo dla budownictwa) → zmniejsza się Qr.
Wpływ poszczególnych czynników
Wpływ poszczególnych czynników:
– Wzrost przepływu brzegowego Qb spowoduje wzrost ilości transportowanego rumowiska w wyniku erozji
+
+
+
+
koryta: Qb → B , h , λ , J
–
–
-
- koryto zwiększy swoja szerokość i głębokość,
- wzrośnie długość meandrów,
- zmniejszy się spadek.
Wzrost ilości transportowanego rumowiska Qr spowoduje zwiększenie przekroju poprzecznego koryta i
+
+
+
przepływu brzegowego: Q r+ → B , h , J , λ , S
- koryto zwiększy swoja szerokość i zmaleje głębokość,
- wzrośnie spadek (prędkość),
- wzrośnie długość meandrów, ale zmniejszy się krętość rzeki.
Zmniejszenie przepływu brzegowego spowoduje zmniejszenie ilości transportowanego rumowiska – nastąpi
−
-
-
-
akumulacja w korycie rumowiska wleczonego: Qb → B , h , λ , J
+
–
- koryto zmniejszy swoja szerokość i głębokość,
- zmaleje długość meandrów,
- wzrośnie spadek.
Zmniejszenie ilości transportowanego rumowiska spowoduje zmniejszenie przepustowości koryta – zmaleje
–
przepływ brzegowy: Qr → B , h , λ , J , S
- koryto zmniejszy swoja szerokość, ale wzrośnie głębokość,
- zmaleje spadek (prędkość),
- zmaleje długość meandrów, ale wzrośnie krętość rzeki.
Wzrost przepływu brzegowego i ilości transportowanego rumowiska :
−
-
+
-
-
+
Qb+ , Q r+ → B+, h ±, λ+, J ± , S –
–
- koryto zwiększy swoja szerokość, głębokość będzie podobna,
- wzrośnie długość pętli meandrów, ale zmniejszy się krętość rzeki,
- spadek nie zmieni się.
Zmniejszenie przepływu brzegowego i wzrost ilości transportowanego rumowiska:
Qb− , Q r+ → B ±, h -, λ±, J+ , S –- koryto zachowa swoja szerokość, ale zmaleje głębokość,
- wzrośnie spadek (prędkość),
- długość meandrów podobna, ale zmniejszy się krętość rzeki.
Koryto rzeczne może ulec przeobrażeniu również w wyniku źle wykonanej regulacji technicznej. W przeszłości nie
zawsze zdawano sobie sprawę z możliwych konsekwencji związanych z przebudową koryta, gdy wpływ regulacji
zwykle ujawniał po wielu latach.
– Przykładowo, w wyniku zmiany układu poziomego nastąpiło skrócenie odcinka rzeki, co spowoduje wzrost
spadku:Lproj < Lrz Jproj > JnWzrośnie wówczas wartość iloczynu Qb J , a więc musi wzrosnąć Qr koryto
będzie erodowane przekrój poprzeczny powiększy się (erozja brzegowa), może zwiększyć się głębokość
koryta (erozja wgłębna dna)
– Wpływ obwałowania rzeki – wzrośnie przepływ brzegowy Qb w korycie wód wielkich (w przekroju
następuje erozja koryta międzywala)Wzrośnie wówczas wartość iloczynu Qb J, a więc musi wzrosnąć Qr
zwykle erodowane jest koryto główne, tj. koryto wód średnich i niskich; erozja może również wystąpić w
międzywalu.
Stabilność rzek
Wskaźniki stabilności rzek
Wskaźniki stabilności pozwalają w najprostszy sposób ocenić podatność odcinków rzeki na przeobrażenia koryta w wyniku:
- erozji brzegowej i wgłębnej dna,
- akumulacji rumowiska.
• Jednostkowa moc strumienia:
ps =
ρ ⋅ g ⋅ Qb ⋅ J
Bd
gdzie:
ps – jednostkowa moc strumienia, (W·m-2),
ρ – gęstość właściwa wody, (kg·m-3),
g – przyspieszenie ziemskie, (m·s-2),
Qb – natężenie przepływu brzegowego (m3·s-2),
J – spadek dna koryta, (-),
Bd – szerokość dna koryta, (m).
Ze względu na wartość ps podział rzek jest następujący:
- rzeki o małej mocy strumienia gdy ps ≤ 35 W·m-2 – duża stabilność koryta
- rzeki o dużej mocy strumienia gdy ps > 35 W·m-2 – mała stabilność koryta
•
Wskaźnik Łochtina:
ηŁ =
•
d
J
Wskaźnik Makkaveeva:
ηM =
d
B ⋅ J ⋅ 1000
w których:
d – średnica osadów tworzących dno koryta, (mm),
J – spadek dna koryta, (%),
B – szerokość koryta, (m).
Klasyfikacja koryt rzecznych
Wskaźnik stabilności
Stopień
stabilności koryta
Koryto niestabilne
Koryto o małej stabilności
Koryto dość stabilne
Koryto stabilne
Koryto absolutnie stabilne
ηŁ
ηM
<2
2–5
5 – 10
10 – 50
> 50
<6
6 – 15
15 – 20
20 – 100
> 100
Bilans transportu rumowiska
Jest to najlepszy sposób oceny stabilności – zwłaszcza w przypadku sprawdzania skutków projektowanej zmiany koryta
(regulacji lub renaturyzacji) albo zabudowy rzeki (budowli wodnych).
Warunkiem stabilności jest niezmienność natężenia transportu rumowiska na rozpatrywanym odcinku rzeki:
∆Qr
=0
∆x
co oznacza, że ilość rumowiska dopływającego do przekroju początkowego QrP (w m3/s) jest równa ilości rumowiska
odpływającego przez przekrój końcowy QrK.
x
Przekrój „K”- QrK
Przekrój „P” - QrP
Jeżeli QrP ≠ QrK mamy dwa przypadki:
• gdy QrP > QrK – na odcinku występuje akumulacja rumowiska
• gdy QrP < QrK – na odcinku występuje erozja koryta
Należy pamiętać, że całkowite natężenie transportu rumowiska Qr [m3·s-1 lub kg·s-1] jest sumą
Qr = Qru + Qrw
Qru – natężenie transportu rumowiska unoszonego
Qrw – natężenie transportu rumowiska wleczonego
W ocenie stabilności rzek wyróżnia się:
• Równowagę statyczną
• Równowagę dynamiczną
Równowaga statyczna występuje wtedy gdy:
• występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (sedymentacja) rumowiska unoszonego,
• nie występuje ruch rumowiska wleczonego,
• stąd cechy morfologiczne koryta nie ulegają zmianie
Warunkiem stabilności statycznej jest:
∆Qr ∆Qru
=
=0
∆x
∆x
Równowaga dynamiczna występuje wtedy gdy:
• występuje ruch rumowiska unoszonego
• występuje ruch rumowiska wleczonego (najczęściej okresowo)
• występują zarówno procesy erozji jak i akumulacji rumowiska wleczonego
• stąd występują okresowe zmiany cech morfologicznych:
o układu poziomego rzeki,
o układu pionowego rzeki,
o przekrojów poprzecznych,
ale podstawowe parametry koryta:
o szerokość,
o średnia głębokość,
o spadek podłużny,
w długim okresie czasu (kilku- , kilkunastu lat) nie ulegają zmianie.
Warunkiem stabilności dynamicznej jest:
∆Qr ∆ (Qru + Qrw )
=
=0
∆x
∆x
Qr zmienia się zależnie od natężenia przepływu Q
Qr
Qr = f(Q)
Q
Natężenie transportu rumowiska wleczonego i unoszonego określa się na podstawie:
• pomiarów terenowych
lub
• wzorów empirycznych
Następnie oblicza się wielkość transportu rumowiska w ciągu roku w obu przekrojach – GrP i GrK (m3 rok-1).
W ten sposób uwzględnia się zmienność natężeń przepływu w ciągu roku i zmienność ruchu rumowiska.
Porównanie wielkości GrP oraz GrK pozwala ocenić stabilność odcinka rzeki.
Jest to metoda najlepsza, uwzględniająca bezpośrednio wszystkie czynniki wpływające na stabilność rzeki tj.:
• reżim hydrologiczny rzeki
• hydrauliczne warunki przepływu
• zmienność ruchu rumowiska
Metoda jest najlepsza, ale w praktyce dość trudne jest określenie zależności Qr = f(Q) dla przekrojów obliczeniowych
ponieważ:
•
ruch rumowiska, zwłaszcza wleczonego, charakteryzuje się dużą zmiennością nawet w warunkach przepływu
ustalonego – wynika to z przemieszczania się form dennych o zmiennych kształtach i wymiarach;
•
materiał denny charakteryzuje się zróżnicowanym uziarnieniem pod względem wielkości ziaren i udziałem
poszczególnych frakcji;
•
konieczności wykonania pomiarów wleczenia i zmącenia w pełnym zakresie zmienności przepływów – od
minimalnych do maksymalnych;
•
w przypadku korzystania ze wzorów empirycznych – dopasowanie odpowiedniej formuły do danych warunków
hydraulicznych i uziarnienia rumowiska.
Metody pośrednie (uproszczone)
Z względu na trudności w sporządzaniu bilansu ruchu rumowiska, w ocenie stabilności stosuje się również metody pośrednie
(uproszczone) polegające na porównaniu:
• V – prędkości przepływu
lub
• τ – naprężeń stycznych
z odpowiednimi wartościami charakteryzującymi warunki stabilności.
Ocena stabilności według kryterium prędkości – polega na porównaniu prędkości przepływu z prędkościami
charakteryzującymi warunki początku ruch rumowiska oraz intensywność tego ruchu.
1.
Ruch rumowiska unoszonego charakteryzuje:
Vn – prędkość niezamulająca – jest to minimalna średnia prędkość przepływu, przy której cząstki rumowiska unoszonego
są zawieszone w toni wodnej i nie opadają na dno koryta.
2.
Ruch rumowiska wleczonego charakteryzują:
Vgr – prędkość graniczna (nazywana również zrywającą lub krytyczną) – przy której pojedyncze ziarna materiału dennego
zaczynają się toczyć (przesuwać) po dnie – jest to prędkość początkowa wleczenia;
Vd – prędkość dopuszczalna (nierozmywająca) – przy której występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego;
Vm – prędkość rozmywająca (masowego ruchu rumowiska wleczonego) – prędkość intensywnego wleczenia, powoduje
erozję koryta.
Wielkość prędkości Vn, Vgr, Vd i Vm zależą od:
• wielkości cząstek rumowiska – charakteryzowanych przez średnicę dm (miarodajną) lub średnią – d50
• głębokości wody h
• temperatury wody T (lepkości wody)
Prędkości Vn, Vgr, Vd i Vm określa się z:
• bezpośrednich pomiarów
• wykresów
• tabel
• ze wzorów empirycznych
Równowaga statyczna występuje wtedy gdy:
• występuje ruch rumowiska unoszonego - nie występuje akumulacja (sedymentacja) rumowiska unoszonego
• nie występuje ruch rumowiska wleczonego
∆Qr ∆Qru
=
=0
∆x
∆x
Stąd warunek stabilności statycznej według kryterium prędkości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący:
Vn < V < Vgr
gdzie:
V – jest rzeczywistą prędkością przepływu wody w korycie
Równowaga dynamiczna występuje wtedy gdy:
• występuje ruch rumowiska unoszonego
• występuje ruch rumowiska wleczonego
∆Qr ∆ (Qru + Qrw )
=
=0
∆x
∆x
Stąd warunek stabilności dynamicznej według kryterium prędkości charakterystycznych ruchu rumowiska jest następujący:
Vgr < V ≤ Vd
Warunek ten oznacza, że:
• występuje ruch rumowiska unoszonego (brak sedymentacji)
• występuje umiarkowany ruch rumowiska wleczonego (nie powstaje erozja koryta)
Ocena stabilności według kryterium naprężeń stycznych – polega na porównaniu naprężenia stycznego na dnie z
wartościami naprężeń stycznych zapewniających stabilność koryta.
Naprężenie styczne τ – jest to jednostkowa siła oddziaływania strumienia na dno koryta (tzw. siła poruszająca), równa sile
tarcia na jednostkowej powierzchni dna (Pa = N·m-2).
W ruchu jednostajnym średnie naprężenie styczne jest równe:
•
w przekroju - τ = ρw g R J
•
w pionie - τ = ρw g h J
gdzie:
ρw – gęstość wody (kg·m-3)
g – przyspieszenie ziemskie (m·s-2)
R – promień hydrauliczny (h – głębokość wody) (m)
J – spadek hydrauliczny (spadek zw. wody) (-)
1.
Warunek stabilności statycznej dna:
τ < τgr
τgr – naprężenie graniczne (krytyczne) – naprężenie po przekroczeniu którego rozpoczyna się ruch ziaren materiału
dennego (rumowisko wleczone)
τgr = f(d, T, ρw, ρr)
ρr – gęstość materiału dennego
2.
Warunek stabilności dynamicznej dna:
Τgr < τ < τd
τd – naprężenie dopuszczalne – naprężenie przy którym ruch rumowiska wleczonego jest umiarkowany – nie powstaje
erozja koryta
τd = f(d materiału dennego, ilości rum. unoszonego)
Wartość τgr i τd określa się według:
• bezpośrednich pomiarów
• wykresów (lub tabel):
τgr – na podstawie wykresu Shields’a (lub innych autorów badań)
τd – według Lane’a
• wzorów empirycznych
Zamiast porównywania naprężeń stycznych często porównuje się spadki zwierciadła wody:
Jeżeli przyjmiemy τ = τgr to ze wzoru τ = ρw g R J
J gr =
τ gr
ρ w gR
lub
(τ = ρw g h J) mamy wzór na spadek krytyczny:
J gr =
τ gr
ρ w gh
Jeżeli przyjmiemy τ = τd mamy wzór na spadek dopuszczalny:
Jd =
1.
2.
τd
ρ w gR
Warunek stabilności statycznej dna:
J < Jgr
Warunek stabilności dynamicznej dna:
Jgr < J < Jd
lub
Jd =
τd
ρ w gh