international scientific conference

Transkript

Faculty of Civil Engineering
Brno University of Technology
Building Fairs Brno
XII. MEZINÁRODNÍ VċDECKÁ KONFERENCE
XIIth INTERNATIONAL SCIENTIFIC
CONFERENCE
u pĜíležitosti
110. výroþí založení FAST VUT v BrnČ
a
XIV. výroþí založení Stavebních veletrhĤ Brno
on the Occasion of the
110th Anniversary of the Founding of the Faculty of Civil Engineering
of Brno University of Technology
and the
th
XIV Anniversary of Building Fairs Brno
sekce 3 / section 3
VODNÍ STAVBY, VODNÍ HOSPODÁěSTVÍ
A EKOLOGICKÉ INŽENÝRSTVÍ
WATER STRUCTURES, WATER MANAGEMENT
AND ENVIRONMENTAL ENGINEERING
SBORNÍK PěÍSPċVKģ
PROCEEDINGS
20. - 22. duben 2009
April 20 - 22, 2009
Brno, Czech Republic
XII. MEZINÁRODNÍ VċDECKÁ KONFERENCE
XIIth INTERNATIONAL SCIENTIFIC CONFERENCE
sekce 3 / section 3
Vodní stavby, vodní hospodáĜství
a ekologické inženýrství
Water Structures, Water Management
and Environmental Engineering
Scientific Committee
Chairman:
Prof. Petr ŠtČpánek (Czech)
Members:
Prof. Francesko Carvalho de Aruda (Brazil)
Prof. Ulrich Diederichs (Germany)
Prof. Lin Shaopei (China)
Prof. Jacek ĝliwiĔski (Poland)
Prof. ZdenČk Bittnar (Czech)
Doc. Miroslav Bajer (Czech)
Doc. JiĜí Hirš (Czech)
Doc. Jan Kudrna (Czech)
Doc. Miloslav Novotný (Czech)
Doc. Alena Tichá (Czech)
Doc. Kamila Weiglová (Czech)
Ing. Jana Ostrá (Czech)
Prof. José L. Barroso de Aguiar (Portugal)
Prof. Josef Eberhardsteiner (Austria)
Prof. Alojz Kopáþik (Slovakia)
Prof. Humberto Varum (Portugal)
Doc. Alois Materna (Czech)¨
Prof. Rostislav Drochytka (Czech)
Prof. ZdenČk Chobola (Czech)
Prof. Drahomír Novák (Czech)
Prof. Jan Šulc (Czech)
Doc. Josef Weigel (Czech)
Ing. Rudolf Böhm (Czech)
Section chairman:
Prof. Jan Šulc
Section members:
Prof. Miloš Starý
Ing. Ladislav Tuhovþák
Ing. Jana PaĜílková
Doc. Jan Jandora
Edited by Jan Jandora and Luboš Pazdera
Date: April 20 - 22, 2009
© Brno University of Technology, 2009
ISBN 978-80-7204-629-4
Location: Brno, Czech Republic
12th International Scientific Conference, April 20-22, 2009 Brno, Czech Republic
-3-
List of Articles
COMPARISON OF EFFICIENCY OF VARIOUS PAXs IN WATER TREATMENT
PROCESS
Mohamed Asheesh, Amel Salihagic, Eija Laine ..................................................... 9
TESTING OF VARIOUS TECHNIQUES FOR THE OPTIMIZATION OF WATER
DISTRIBUTION NETWORKS
ZbynČk Bajtek, Milan ýistý ................................................................................... 13
HODNOTENIE KVALITY VODY V POTOKU SMOLNIK OVPLYVNENEJ STARÝMI
BANSKÝMI ZÁġAŽAMI
EVALUATION OF WATER QUALITY IN SMOLNIK CREEK INFLUENCED
BY OLD MINE LOADS
Magdaléna Bálintová, Natália Junáková, Eva Singovszká ................................... 17
VPLYV TUNELOVEJ TRASY V BRATISLAVE NA REŽIM PODZEMNÝCH VÔD
IMPACT
OF
UNDERGROUND
RAILWAY
LINE
IN
BRATISLAVA
ON THE GROUNDWATER REGIME
Dana Baroková, Andrej Šoltész............................................................................ 21
THE PHYSICAL RESEARCH OF THE INTAKE STRUCTURE OF THE DOBROHOŠġ
SMALL HYDROPOWE PLANT
Roman Cabadaj, Marián Ozábal, Ján Rumann .................................................... 25
HOW TO MEASURE THE UNSATURATED HYDRAULIC PROPERTIES OF ROCKS?
M.C. Caputo, F. De Benedictis, M. Vurro.............................................................. 29
THE FLOOD PROTECTION SOLUTION OF ADAMOVSKÉ KOCHANOVCE VILLAGE
Katarína Cipovová ................................................................................................ 33
COMBINATION
OF
STOCHASTIC
AND
DETERMINISTIC
METHODS
IN THE OPTIMIZATION OF THE PRESSURIZED WATER NETWORK SYSTEMS
Milan ýistý, ZbynČk Bajtek ................................................................................... 37
PROCEDURE FOR FISH PASS DESIGN
Lea ýubanová ...................................................................................................... 41
SCENÁRE EXTRÉMNEHO ODTOKU Z TOPENIA SNEHU PRE NÁVRHY
PROTIPOVODĕOVEJ OCHRANY
EXTEREME RUNOFF SCENARIOS FROM SNOWMELTING FOR PROPOSALS
OF FLOOD PROTECTION
Michal Danko, Kamila Hlavþová, Silvia Kohnová, Ján Szolgay ............................ 45
THE POSSIBLE WAYS OF REDUCTION OF SULPHATE CONCENTRATION
INCREASE IN GROUNDWATER
Libuše Ćurćová .................................................................................................... 49
-4-
VYUŽITÍ GABIONģ K OPEVNċNÍ ABRAZÍ POŠKOZENÝCH BěEHģ NA ÚDOLNÍ
NÁDRŽI BRNO
APPLICATION OF GABIONS ON SLOPES DAMAGED BY ABRASION ON THE BRNO
DAM
Lucie Foltýnová, Pavel Široký ............................................................................... 53
STOCHASTIC PREDICTION OF THE WATER SEEPAGE OF THE WATER
CONSTRUCTION
Ján Hakáþ ............................................................................................................. 57
VYHODNOCENÍ PěÍMÉHO MċěENÍ ZTRÁTY PģDY V RÁMCI VEGETAýNÍHO
OBDOBÍ
EVALUATION OF VALUE METERING SOIL LOSS WITHIN THE VEGETATIVE
SEASON IN SITU
Veronika Hošková, Miroslav Dumbrovský, Jana Uhrová, František Pavlík ........... 61
SLEDOVÁNÍ A POROVNÁNÍ KVALITY SEDIMENTģ V MALÝCH PěÍMċSTSKÝCH
TOCÍCH
MONITORING AND EVALUATION OF SEDIMENTS QUALITY IN SMALL SUBURBAN
BROOKS
Karel Hrich, Jitka Malá, Marcela Lagová............................................................... 65
BIOTECHNICKÁ OPATěENÍ DOPLĕUJÍCÍ ODVODNċNÍ ÚýELOVÝCH KOMUNIKACÍ
BIOTECHNICAL MEASURES IMPROVE DRAINAGE OBJECTS OF TERTIARY ROADS
Petr HrĤza, Alice Kozumplíková, Hana Špiþáková................................................ 69
VENTING – SANAýNÍ METODA V PRAXI
SOIL VAPOR EXTRACTION – PRACTICAL APPROACH
David Chaloupka, Lubomír KĜíž, Zdena Wittlingerová .......................................... 73
FUZZY MODEL PRO OPERATIVNÍ PěEDPOVċĆ ODTOKU VODY Z POVODÍ
PO PěÍVALOVÉ SRÁŽCE
FUZZY MODEL FOR PREDICTION OF RUN-OFF FROM RIVER BASIN IN THE CASE
OF FLASH FLOOD
Petr Janál, Miloš Starý .......................................................................................... 77
MODELOVÁNÍ PROUDċNÍ NA HRÁZOVÝCH PěELIVECH
MODELLING LATERAL WEIRS ON LEVEES
Jan Jandora, Ladislav DvoĜák............................................................................... 81
VYHODNOCENÍ TERÉNNÍHO MċěENÍ INFILTRACE VÝTOPOU V K. Ú. HORNÍ
MEZIěÍýKO
THE EVALUATION OF TERRAIN MEASUREMENTS OF INFILTRATION-OUTFLOW
AT K.Ú. HORNÍ MEZIěÍýKO
Ivana Kameníþková .............................................................................................. 85
NON-USUAL
NUMERICAL
METHODS
OF
GROUNDWATER
POLLUTION
TRANSPORT MODELLING
Karel KováĜík ........................................................................................................ 89
-5-
SHRNUTÍ VÝSLEDKģ EVAPOTRANSPIRACE MALÝCH UMċLÝCH MOKěADģ
ZA 4 ROKY MċěENÍ
THE EVAPOTRANSPIRATION RESULTS SUMARY ON LITTLE CONSTRUCTED
WETLANDS DURING FOUR-YEAR OBSERVATION
Michal Kriška ........................................................................................................ 93
BEZVÝKOPOVÉ TECHNOLOGIE (VLOŽKOVÁNÍ A PROTLAK) NA STAVBċ
KANALIZACE V KARVINÉ Z CC-GRP MATERIÁLU
TRENCHLESS TECHNOLOGIES (RELINING AND JACKING) IN CONSTRUCTION
OF SEWERAGE LINES IN KARVINÁ WITH CC-GRP MATERIAL
Jaroslav Kunc ....................................................................................................... 97
TERRAIN MEASUREMENTS AND CALIBRATION OF HYDRO DYNAMICAL MODEL
OF GROUPS OF CHANNEL HYDRO POWER PLANTS ON THE VÁH CASCADE
Radomil KvČton, Peter Dušiþka, Ján Rumann, Peter Šulek ............................... 101
3D MODELOVANIE RÝCHLOSTNÉHO POďA V BLÍZKOSTI MALEJ VODNEJ
ELEKTRÁRNE DOBROHOŠġ
3D MODELLING OF VELOCITY FIELD NEAR SMALL WATER ELECTRIC POWER
PLANT DOBROHOST
Radomil KvČton, František Hulík, Roman Cabadaj, Ján Rumann ...................... 105
STUDIE VYBRANÝCH INDIKÁTORģ V MALÝCH VODNÍCH TOCÍCH
THE STUDY OF SELECTED INDICATORS IN SMALL WATERCOURSES
Marcela Lagová, Jitka Malá, Karel Hrich ............................................................ 109
PÉýE O REVITALIZAýNÍ VODNÍ SYSTÉMY V NIVċ ěEKY DYJE V SOUVISLOSTI
S AKTIVITOU BOBRA EVROPSKÉHO (CASTOR FIBER)
MANAGING WATER LEVELS IN THE RIVER DYJE FLOOD PLAIN ECOSYSTEM
IN CONTEXT WITH BEAVER (CASTOR FIBER) ACTIVITY
Vladimír Lázniþka, Barbora Sobotková............................................................... 113
ASSESSMENT OF THE BIOINDICATION PARAMETERS FOR MODELING
THE AQUATIC AREA OF THE VÁH RIVER FOR THE IFIM METHODOLOGY USING
THE DIGITAL VIDEO-RECORDING
Viliam Macura, Andrej Škrinár, Monika Jalþovíková, Marcela Škrovinová.......... 117
VLIV NEJISTOT ýLENģ REÁLNÉ PRģTOKOVÉ ěADY PRģMċRNÝCH MċSÍýNÍCH
PRģTOKģ PěI GENEROVÁNÍ UMċLÝCH PRģTOKOVÝCH ěAD
UNCERTAINTY IMPACT FOR LINKS OF REAL DISCHARGE SERIES MOON
AVERAGE DISCHARGES FOR GENERATING OF ARTIFICIAL DISCHARGES SERIES
Daniel Marton, Miloš Starý.................................................................................. 121
ROUGHNESS OF MOBILE BED AT HIGH SHEAR STRESS: APPLICATIONS
FOR ENCLOSED PIPES AND OPEN CHANNELS
Václav Matoušek ................................................................................................ 125
HYDROMORFOLOGICKÝ MONITORING DROBNÝCH VODNÍCH TOKģ
HYDROMORFOLOGICAL MONITORING OF SMALL WATER COURSES
Božena Michelþíková, Helena Králová ............................................................... 129
-6-
VZTAH SOUýINITELE POVRCHOVÉHO ODTOKU KE ZDROJOVÉ PLOŠE
RELATION BETWEEN SURFACE RUN-OFF COEFFICIENT TO SOURCE FLAT
Rudolf Milerski .................................................................................................... 133
GROUNDWATER MODELING FOR AQUIFER PROTECTION PURPOSES
Cinzia Miracapillo, Wilhelm Fries, Andreas Märki ............................................... 137
VLIV TEPLOTY MċěENÉHO MÉDIA NA POýET OTÁýEK U KLASICKÉ
HYDROMETRICKÉ VRTULE
INFLUENCE
TEMPERATURE
MEASURED
ONTO
MEDIUM
ON
SPEED
OFF CLASSICAL HYDROMETRIC PROPELLER
àukasz Niemiec, Miloš Starý ............................................................................... 141
METÓDA STANOVENIA POTENCIÁLNYCH POVODĕOVÝCH ŠKÔD
METHOD OF DETERMINE THE POTENTIAL FLOOD DAMAGES
Viliam Olbricht, Miloslav Šlezingr ........................................................................ 145
EIS MONITORING METHOD SHOWS IN EUREKA PROGRAMME COMPETITIVE
ADVANTAGE
Jana PaĜílková, JiĜí Pavlík, Jaroslav Veselý, ZbynČk Zachoval........................... 149
POZNATKY Z EXPERIMENTÁLNÍHO VÝZKUMU BEZPEýNOSTNÍCH PěELIVģ
OCHRANNÝCH HRÁZÍ
THE FINDINGS FROM EXPERIMENTAL RESEARCH OF DIKE‘S SPILWAYS
Jana PaĜílková, Pavel Pána, Jaromír ěíha, ZbynČk Zachoval ............................ 153
ZMċNY DIGITÁLNÍHO MODELU TERÉNU A ANALÝZ NA NċM PROVEDENÝCH,
OVLIVNċNÉ ZMċNOU VELIKOSTI GRIDOVÉ BUĕKY
MODIFICATIONS OF ANALYSES OF DIGITAL MODEL OF ELEVATION WITH GRID
CELLS SIZE CHANGE
František Pavlík, Veronika Hošková, Jana Uhrová ............................................. 157
HEAD LOSS DUE TO TRANSITION OF PRESSURE FLOW TO OPEN CHANNEL FLOW
Tomáš Picek ....................................................................................................... 161
MODELLING OF A SUPERCRITICAL FLOW OVER BED SILLS IN AN OPEN
CHANNEL
Jaromír PĜíhoda, Jan Šulc, Pavel Zubík, Milan SedláĜ ........................................ 165
VZNIK PRIVILEGOVANÉ PRģSAKOVÉ CESTY - KONCEPCE A MODELOVÁNÍ
PIPING IN SOILS - CONCEPTS AND MODELLING
Jaromír ěíha, JiĜí Srna ........................................................................................ 169
MODELOVÁNÍ JAKOSTI VODY V IVANOVICKÉM POTOKU
MODELLING OF WATER QUALITY IN THE IVANOVICKÝ STREAM
JiĜí Sázel ............................................................................................................. 173
PLÁNOVÁNÍ V OBLASTI VOD
PLANNING IN THE FIELD OF WATER
Marie Siroginová ................................................................................................. 177
-7-
VPLYV ZMENY MANAŽMENTU V LOKALITE ABROD NA HLADINU PODZEMNEJ
VODY
IMPACT OF MANAGEMENT CHANGE ON GROUNDWATER LEVEL IN ABROD AREA
Jana Skalová, Justína Vitková, Branislav Jaroš ................................................. 181
UŽITÍ METOD UMċLÉ INTELIGENCE V APLIKOVANÉ HYDROLOGII
USE OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE METHODS IN APPLIED HYDROLOGY
Miloš Starý.......................................................................................................... 185
BIOTECHNICKÉ ZPģSOBY STABILIZACE BěEHģ ÚDOLNÍ NÁDRŽE BRNO
BIOTECHNICAL STABILIZATION OF BANK OF BRNO RESERVOIR
Miloslav Šlezingr................................................................................................. 189
MEZE PODOBNOSTI PěEPADU PěES PěELIV SE ZAOBLENOU KORUNOU
LIMITS OF ROUND CRESTED WEIR MODELLING
Jan Šulc, Robert ŠafáĜ, Daniel Picka.................................................................. 193
THE EFFECT OF NEW TENDENCIES IN THE PLANNING AND THE MARKET
WITH ELECTRICAL ENERGY ON THE OPERATION OF THE HYDROPOWER PLANTS
IN THE ELECRIC SUPPLY SYSYTEM OF SLOVAKIA
Peter Šulek ......................................................................................................... 197
RISK ANALYSIS OF URBAN WATER SUPPLY SYSTEMS
Ladislav Tuhovþák, Jan Ruþka, Tomáš Kuþera.................................................. 201
MÍRA EROZNÍHO OHROŽENÍ V ZÁVISLOSTI NA R-FAKTORU
THE MEASUREMENT OF EROSIVE RISK TO PLOTS DEPENDING ON R-FACTOR
Jana Uhrová, Veronika Hošková, František Pavlík............................................. 205
PROJEKT ESF ROZŠÍěIL MOŽNOSTI LABORATORNÍ VÝUKY VE VŠECH FORMÁCH
STUDIA
ESF PROJECT EXTENDED POSSIBILITIES OF LABORATORY EDUCATION
IN ALL FORMS OF STUDY
Jaroslav Veselý, Jana PaĜílková, ZbynČk Zachoval............................................ 209
VYUŽITÍ RECYKLÁTģ PRO VÝROBU VLÁKNOBETONU A JEJICH UPLATNċNÍ
V ZEMNÍCH KONSTRUKCÍCH
THE USE OF RECYCLED AGGRAGATES FOR PRODUCTION OF FIBRE CONCRETE
AND THEIR APPLICATION IN EARTH STRUCTURES
Vladimíra Vytlaþilová, Jan Vodiþka, Hana Hanzlová, Jaroslav Výborný ............. 213
INOVACE ýERPACÍ STANICE LABORATOěE ÚSTAVU VODNÍCH STAVEB FAKULTY
STAVEBNÍ VUT V BRNċ
INNOVATION OF PUMPING STATION IN THE LABORATORY OF INSTITUTE
OF WATER STRUCTURES, FACULTY OF CIVIL ENGINEERING, BRNO UNIVERSITY
OF TECHNOLOGY
Michal Žoužela, Markéta Šnelerová ................................................................... 217
-8-
-9-
COMPARISON OF EFFICIENCY OF VARIOUS PAXs
IN WATER TREATMENT PROCESS
Mohamed Asheesh*, Amel Salihagic**, Eija Laine***
Several water works in Finland are producing drinking water according
to the requirements of EU directives. The most relevant chemicals used for flotation
and sedimentation during the water treatment process are coagulants. Oulu University
of Applied Sciences has compared the efficiency of various PAXs coagulants first through
a jar test and later on in continuous steady flow conditions. The goal was to test these
coagulants in similar conditions as those in water treatment plants. Optimization of pH,
dosing of coagulants and rapid mixing time was studied using jar tests. Based on the jar
test results, a model was developed and applied in the pilot plant. To evaluate
the efficiency of various PAXs, residual turbidity and aluminum were used as the main
parameters along with residual UV absorbance at 254 nm, iron and manganese.
Introduction
Coagulants are widely used for removing particles and natural organic matter (NOM) in water
treatment process [1]. The aims of this work were to compare effectiveness of various
polyaluminum chloride (PAX) coagulants. One of them is commercial coagulant (PAX-18)
and the others are novel coagulants (PAX-a, PAX-b and PAX-c). PAX-a contain Si-additive,
PAX-b and PAX-c contain organic additive in order to enhance the coagulation.
Optimization of the parameters effecting the coagulation by using jar tests
To determine optimal conditions for coagulation treatment, a series of jar tests was carried out.
A programmable jar testing apparatus (Kemira Kemi Flocculator) was used as follows: addition
of coagulant to 1 l water samples followed by 30 s rapid mixing at 400 rpm, 10 min flocculation at
30 rpm and 120 min settling. The test water was a typical Finnish low alkalinity humic river water.
To determine the optimal coagulation pH, jar tests were conducted using constant coagulant
dose (50 ppm of PAX-18) with varied pH of coagulation. Sulfuric acid was used to adjust pH
of raw water [2]. Optimal coagulation pH for PAX-18 regarding residual turbidity
and UV absorbance at 254 nm (UVA) was in the range 6,0-6,2 (Fig. 1), residual Al, Fe and Mn.
also were considered.
Fig. 1 Optimisation of coagulation pH by monitoring residual turbidity and UVA
* Mohamed Asheesh, Oulu University of Applied Sciences, School of Engineering,Civil Eng. Department,
[email protected]
**
Amel Salihagic, Water Supply and Sanitation Company Sarajevo, [email protected]
***
Eija Laine, Kemira Oyj, [email protected]
- 10 -
To identify the optimal coagulant dose, coagulant concentrations were varied while the optimal
pH value was kept constant. Optimal dose of PAX-18 regarding residual turbidity and UVA was
about 50 ppm (Fig. 2), residual Al, Fe and Mn. also were considered.
Fig. 2 Optimisation of coagulant dosage by monitoring residual turbidity and UVA
Comparison of efficiency of various PAX coagulants by jar tests
Optimal conditions found for commercial coagulant PAX-18 were applied in the jar tests using
three different novel coagulants (PAX-a, PAX-b and PAX-c) in order to find out the optimal dosage
for these coagulants and to compare their efficiency. Raw water was taken from the Oulu River near
the intake place used for the Oulu distribution system by the local water supply company.
The quality parameters of raw water used in the jar tests varied as follows: pH = 9,5-9,6,
alkalinity = 141 - 212 mg/l CaCO3, UVA = 0,259 - 0,325, and turbidity = 3,4 - 3,5 NTU except
for test with PAX-c where turbidity was 11,2 NTU.
To evaluate the efficiency of different PAXs as coagulants in water treatment process, residual
turbidity and aluminum are used as main parameters [3] along with residual UVA, Fe and Mn.
PAX-a, PAX-b and PAX-c showed similar residual turbidity (Fig. 3) and appeared to be better
coagulants than PAX-18. Regarding the residual UVA, PAX-18 and PAX-b were more efficient
than PAX-a and PAX-c especially at low dosages. PAX-a and PAX-b gave the lowest residual
aluminum, and also PAX-c was better than PAX-18 as shown in Fig. 4.
Fig. 3 Comparison of various PAXs coagulants at different dosing in terms of the residual
turbidity (left) and residual UV absorbance at (UVA) (right)
Fig. 4 Comparison of various PAXs coagulants in terms of residual Al at different coagulant
dose
- 11 -
Comparison of floc settling rates by jar tests
In order to compare settling rate for PAXs cougalants, samples for turbidity mesurement were
taken at specified time intervals after stirring had ceased. Influence of the dose on the settling rate
for PAX-18 (Fig. 5) is less explicit than for other tested PAXs (Fig. 6). For the dosage of 50 ppm,
the settling rates for PAX-a, PAX-b and PAX-c were similar and higher than for PAX-18 (Fig. 7).
Fig. 5 Settling rate for different doses
of PAX-18
Fig. 6 Settling rate for different doses
of PAX-a (similar profile also
for PAX-b and PAX-c)
Fig. 7 Settling rate for various PAXs at dose of 50 ppm
Pilot plant tests results
During the pilot plant experiment with PAX-18 as coagulant, pH value in slow mixing unit was
in range 6,1 ± 0,15. The characteristics of raw water were as follows: UVA = 0,444 1/cm,
turbidity = 13 NTU, alkalinity = 68 mg/l CaCO3 and pH = 7,9. For the dose of 50 ppm PAX-18,
after two hours of settling in the pilot plant, residual turbidity was 9 NTU and UVA was
0,250 1/cm. Floc was observed in the water collector unit after the sedimentation and flotation
units. This might have been caused by insufficient detention time in the sedimentation unit
(2 hours) or flotation unit (2 hours) [4]. To increase the detention time, the flow after the slow
mixing was split to two parallel lines (sedimentation and flotation). The dosage of coagulants was
also increased from 50 to 60 ppm, and pH in slow mixing was in the range 6,2 ± 0,1. After these
modification, residual turbidity and UVA were significantly lower (Figs. 8 and 9).
Fig. 8 Residual turbidity and UVA after sedimentation using various PAXs at dose of 60 ppm
- 12 -
Fig. 9 Residual turbidity and UVA after flotation using various PAXs at dose of 60 ppm
Conclusions
The results showed that the optimal conditions (eg. pH and dose) for the coagulant obtained
in jar tests were useful as a starting point for determining new optimal conditions for steady flow
in the pilot plant. For different coagulants a new settling or flotation technologies might need
to be developed to improve their efficiency. Floc strength needs to be taken into account when
developing coagulants so that the floc would withstand also the turbulent flow through the
treatment plant. Detention time, type of flow and the floc transport are essential parameters that
should be considered and controlled during the research process time.
In the pilot, the trend of the results was similar as in the jar tests. The result of the research
showed that the mentioned coagulants are efficient and they could be applied to treat different types
of raw water. To improve their efficiency water treatmetn plants optimization might need
to be done. The tested new coagulants PAX-a and PAX-b gave clearly better sedimentation
and lower residual Al in jar test comparing to the commercial one PAX-18.
Acknowledgements
Financial support from the Finnish Funding Agency for Technology and Innovation (TEKES)
is acknowledged, we wish to thank Land and Water Technology Foundation (maa- ja
vesitekniikan tuki) for their financial support, also we would like to thank Oulu regional
water supply and water works departments for their supports and advices. Great thanks
to Water Supply and Sanitation Company Sarajevo B&H.
References
[1] LETTERMAN, R.D., Water Quality And Treatment. American Water Works Association,
Fifth Edition. McGraw-Hill, Inc. 1999
[2] BELL-AJY, K., ABBASZADEGAN, M., IBRAHIM, E., VERGES, D., LeCHEVALLIER, M.,
Conventional and optimized coagulation for NOM removal. American Water Works
Association. Jurnal, Oct 2000, 92, 10
[3] ASHEESH, M., PELTOKANGAS, J., Water Treatment, Oulu University of Applied Sciences,
OAMK, 2006-8 Teaching Materials
[4] KAJ JANSSON. Flotation. Kemira Chemical S.A, LUT, 2003
[5] HAMMER, M., HAMMER, M.J. Jr., Water Technology and Wastewater Technology, Fifth
Edition. ISBN 0-13-097325-42004
- 13 -
TESTING OF VARIOUS TECHNIQUES
FOR THE OPTIMIZATION OF WATER
DISTRIBUTION NETWORKS
ZbynČk Bajtek*, Milan ýistý**
The optimization of water distribution systems is a complex problem which involves
determining the commercial diameter for each pipe in the network while satisfying
the water demand and pressure at each node. Although many researchers have reported
algorithms for minimizing the network cost applying a large variety of techniques, such
as linear programming, non-linear programming, global optimization methods and metaheuristic approaches, a totally satisfactory and efficient method is not available yet.
The aim of this paper is to evaluate the performance of heuristic methods and compare
them with deterministic technique. These methods and techniques were validated
and compared by applying them to a branched benchmark network. In this article
we focused on comparison of three different algorithmic techniques. First linear
programming (LP) and two different meta-heuristic algorithms which are: genetic
algorithm (GA) and particle swarm optimization (PSO).
Introduction
Deterministic optimization techniques can guarantee global optima in simple and ideal models
(e.g., branched water distribution networks), and in this case it is an absolutely reliable method.
The choice for a discrete diameter design was made for the present work, and also a split-pipe
design (more than one diameter can be proposed on a section - section is pipe connection between
two nodes), when a different formulation of the linear programming method is used. This form
of problem formulation was used in this case for equivalent comparison heuristic algorithm
with deterministic. The main idea is that linear programming offer global optimum, and the metaheuristic method will be used for branched (it doesn’t matter if meta-heuristic is used for branched
or looped network). So the acquired results could be extrapolated on looped networks.
Methods
Linear Programming
When in order to resolve the optimal design of pipeline networks linear programming is used,
we have two options. First is the split pipe design and second a discrete diameter design. In the split
pipe diameter design are unknown the lengths of the individual pipeline diameters on the section.
For second cases binary unknown variable are used to indicate if concrete diameter is selected
on section or not. After finding the optimal solution it will take value 1 if the diameter is selected
and value 0 if diameter is not selected on section. The second type of equations - constraints
represents the request that the total pressure losses in a hydraulic path between a pump station
and every critical node should be equal to or less than the known value. Given the minimization
requirement for the investment costs the objective function sums up the products of the individual
pipeline prices and their required lengths.
*
**
ZbynČk Bajtek, Dept. of Land and Water Resources Management, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava,
[email protected]
Milan ýistý, Dept. of Land and Water Resources Management, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava,
[email protected]
- 14 -
Genetic Algorithm
As first of meta-heuristic methods was applied genetic algorithm. It is a search procedure
inspired by the mechanics of natural genetics and natural selection. Good introduction to the subject
is given by Goldberg (1989). In the case of the water distribution system optimization
a optimization problem can be stated as follows: minimize the cost of the network components
subject to the satisfactory performance of the water distribution system. If we reduce the problem
to designing only new pipes, the chromosome can be an integer string of numbers (genes)
representing the possible diameters in each section.
Particle Swarm Optimization
Particle swarm optimization (PSO) is a meta-heuristic method inspired by flocking behaviour
of animals and insect swarms. Kennedy and Eberhart proposed the original PSO in 1995 and since
then it has steadily gained popularity, thanks to its features of robustness and rapid convergence.
In PSO individual solution in a population are treated as particle flying through the search space,
each associated with a current velocity and memory of its previous best position, knowledge
of the global best position and in some cases, a local best position within some neighbourhood defined either in terms of distance in decision/objective space or by some neighbourhood topology.
Particles are initialized with a random velocity at a random starting position.
Results
The performance of these models was evaluated by an application for the optimization
of a new benchmark model of branched water distribution network.
Tab. 1 Basic network parameters (module 1) and cost data for pipe diameters
Pipes (ID number)
1
2,3,4,5,6,7,8
12,14,17,21,22,24,28,29,
30,34,36,40,41,43,47,48,49
10,11,13,15,16,18,19,20,23,25,25,27,
31,32,33,35,37,38,39,42,44,45,46,50,51
Nodes (ID number)
13,14,15,16,17,18,19,20,21,22,23,24,25,26,
27,28,29,30,31,32,33,34,35,36,37,38,39,40,
41,42,43,44,45,46,47,48,49,50,51,52
Pipes
(length[m])
Diameter
Cost
[mm]
[Units/m]
1000
350
300
250
Demand [l/s]
5
100
150
200
250
300
355
465
595
745
1095
350
400
500
600
1415
1705
1995
2285
It consists up to four modules where each module has 50 pipes, 51 nodes (Fig. 1). It is fed
by gravity from a single fixed head source and is designed to satisfy demands (Tab. 1) and required
pressures 30 [m] for all nodes by maximum velocity of 3 [m/s]. For this problem nine sizes
of commercial pipe diameter are available (Tab. 1) and the Darcy-Waisbach coefficient is fixed
at 0.4 for all the pipes.
- 15 -
55 m
1
2
2
19
3
18
18
32
17
16
31
30
29
28
27
24
25
23
20
21
21
22
22
25
6
7
38
23
26
26
27
37
36
36
35
38
51
51
52
48
34
34
8
35
45
8
39
9
47
47
46
43
44
39
40
40
41
9
50
48
33
7
37
49
24
6
33
50
16
5
28
15
15
4
5
20
32
49
14
4
31
29
14
3
17
19
30
13
43
44
42
41
42
45
10
46
10
11
11
12
12
13
Fig. 1 One Module Scheme
Fig. 2 Variation best achieved results from the solution obtained by LP discrete diameter design
- 16 -
For both heuristic algorithms we have incorporate the same principle of choosing the pipe
diameter like it is used by linear programming. What means that for each pipe we chose four
diameters following the principle of maximal allowed velocity which give us the minimal diameter.
This allowed us to satisfy the maximal velocity condition without using any penalty function
and also set similar condition for the search space size for both deterministic and heuristic
algorithms. All three algorithms were incorporate in a Visual Basic Program interface
and connected with Epanet hydraulic solver to check the hydraulic characteristic of the network.
When the results from LP are taken as the reference (optimal) discrete diameter design for all four
sizes of the network then, the optimal solution are: 10 626 750 for one module, 19 706 500 for two
modules, 32 651 250 for three modules and 48 127 500 in the case the network consist from four
modules.
Discussion
Although the heuristic methods offer a very good result from many points of view, it has also
disadvantages. The most important disadvantage is that it cannot guarantee the generation
of a global or near global optimal solution, particularly for large-scale systems.
For these reasons the authors of this paper has focused on testing this heuristic algorithms
on linear graduating problem. For comparison we have used the linear programming with a discrete
diameter design which has found a global optimum solution for all tested size of the network. It was
investigated that the GA method gives results slightly more precise then PSO method. For both
methods we can see the graduating offset of results with increasing size used models. This could
be viewed in the Fig. 2 when the best achieved result by PSO has graduating offspring from
the optimal solution obtain by LP from 2.26 % for one module network throw 7.16 %
(two modules), 8.71 %(three modules) up to 10.75 % when the network consist from four modules.
Acknowledgement
This study was supported by the Scientific Grant Agency of the Ministry of Education
of the Slovak Republic and the Slovak Academy of Sciences, Grants No. 1/0496/08, 1/0585/08
and by the Slovak Research and Development Agency, Grant No. APVV-0443-07.
References
[1] ALPEROVITS, E., and SHAMIR U., Design of optimal water distribution systems. Water
Resource Research 13(6), 1977, 885-900
[2] BERKELAAR, M., EIKLAND, K., NOTEBAERT, P., LP solve 5.5.0.0 Users manual. 2005
[3] ýISTÝ, M., Optimalizaþné a simulaþné modely v závlahách súþasnosti,Edícia vedeckých prác
STU Svf Bratislava, p. 93, 2002
[4] GEEM, Z.W., KIM, J.-H. and Loganathan,G.V., Harmony search optimization: Application
to pipe network design.Int. J. Modell. Simulat. 22 2, pp. 125–133. 2002
[5] GOLDBERG, D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning,
New York, Addison-Wesley. 1989
[6] KENNEDY, J., EBERHART RC., Particle swarm optimization, proceedings of the 1995 IEEE
International Conference on Neural Networks, Piscataway (NJ)pp. 1942-1948. 1995
[7] ROSSMAN, L. A., Epanet Users Manual. U.S. Environmental Protection Agency. 2000
[8] SCHAAKE, J., LAI, D., Linear programming and dynamic programming application of water
distribution network design. Report 116, MIT Press, Cambridge, Mass, USA. 1969
- 17 -
HODNOTENIE KVALITY VODY V POTOKU SMOLNIK
OVPLYVNENEJ STARÝMI BANSKÝMI ZÁġAŽAMI
EVALUATION OF WATER QUALITY IN SMOLNIK
CREEK INFLUENCED BY OLD MINE LOADS
Magdaléna Bálintová*, Natália Junáková**, Eva Singovszká***
Acid mine drainage (AMD) is considered as serious environmental problems associated
with mining activity. AMD contents high metal concentrations that variable in dependence
on rainfall intensity (e.g. Fe 500-400 mg/l; Cu 3-1 mg/l; Zn 13-8 mg/l and
Al 110-70 mg/l))and low value of the pH (about 3-4). Such water is produced from
overflowed mine Smolník and contaminates surface water in the Smolnik creek.
The paper deals with study of surface water quality degradation in contact with AMD
outflowed from abandoned sulphide mine Smolník.
Úvod
Jedným z najväþších environmentálnych problémov, týkajúcich sa banskej a úpravníckej
þinnosti v celosvetovom meradle je vznik a úprava kyslých banských vôd (AMD). Ložiská
sulfidických minerálov predstavujú poþas Ģažby, najmä po uzatvorení baní, potenciálne „prírodné
bioreaktory“ produkujúce AMD, ktoré fungujú na princípe biogénnej katalýzy chemickej oxidácie
primárnych aj sekundárnych sulfidických minerálov. Vznik kyslých banských vôd interakciou
pyritu s vodou a/alebo kyslíkom je hlavným zdrojom zhoršenia kvality vôd v rudných a banských
regiónoch [1, 2].
Obdobie od roku 1989 bolo v Slovenskej republike charakteristické útlmom baníckeho
priemyslu. V roku 1990 došlo k definitívnemu zastaveniu a likvidácií bane a úpravne na medené
rudy v Smolníku. Koncom roka 1990 sa zaþalo postupné zatápanie bane. Od toho obdobia bolo
možné sledovaĢ prechodné zlepšenie kvality vody v potoku Smolník, od banského závodu
až po jeho sútok s riekou Hnilec. V tejto oblasti, v priebehu cca 3,5 roka bolo možné sledovaĢ
celkové oživenie toku aj jeho zarybnenie.
Tento stav sa však veĐmi rýchlo zmenil, keć sa objavili prvé priesaky banských vôd v júni
1994 v okolí šachty Pech a následne zaþalo dochádzaĢ k úhynu rýb v potoku Smolník. Po tri a pol
roþnej expozícii presakujúcich vôd so sulfidickým horninovým prostredím, boli tieto priesaky
veĐmi kyslé a silne mineralizované, s vysokým obsahom kovov, došlo k spontánnemu úhynu
všetkých živoþíchov žijúcich v potoku. Koncentrácie väþšiny zložiek vysoko prekroþili
a aj v dnešnej dobe prekraþujú povolené limity. Od roku 1994 sa kvalita vypúšĢaných banských vôd
zaþala postupne meniĢ k lepšiemu. Extrémne hodnoty parametrov rozpustných látok, síranov
a Ģažkých kovov zaþali postupne klesaĢ, nakoĐko sa postupne znížila doba zdržania vôd
v horninovom prostredí [3].
Kvalita kyslých banských vôd vytekajúcich z ložiska Smolník je aj naćalej veĐmi nepriaznivá,
jej pH sa pohybuje v rozmedzí 2-4 a AMD majú zvýšený obsah síranov, železa, medi a iných
Ģažkých kovov, priþom kvalita vody v potoku Smolník dlhodobo nespĎĖa limitné hodnoty kvality
povrchových vôd podĐa nariadenia vlády SR þ. 296/2005 Z.z., ktorým sa ustanovujú požiadavky
*
**
***
Magdaléna Bálintová, Ústav budov a prostredia, Stavebná fakulta, TU v Košiciach, [email protected]
Natália Junáková, Ústav budov a prostredia, Stavebná fakulta, TU v Košiciach, [email protected]
Eva Singovszká, Ústav budov a prostredia, Stavebná fakulta, TU v Košiciach, [email protected]
- 18 -
na kvalitu a kvalitatívne ciele povrchových vôd a limitné hodnoty ukazovateĐov zneþistenia
odpadových vôd a osobitných vôd [4].
Monitorovanie kvality povrchovej vody v potoku Smolník
Monitorovanie kvality povrchovej vody v potoku Smolník bolo zamerané na zistenie vplyvu
kyslej banskej vody, ktorá vyteká zo šachty Pech priamo do vodného toku, na kontamináciu
povrchovej vody. Pre zistenie podielu AMD na kontaminácií povrchovej vody boli vybrané
dve odberové miesta nad výtokom AMD (vzorka 1 a 2) a dve odberové miesta po zmiešaní AMD
s povrchovou vodou (vzorka 4 a 5). Súþasne bola hodnotená aj kvalita samotnej AMD (vzorka 3).
Miesta odberu vzoriek v potoku Smolník sú znázornené na obr. 1. Súþasne boli sledované vybrané
fyzikálne a chemické parametre vody in situ pomocou multifunkþného prístroja METTLER
TOLEDO. Chemická analýza odobratých vzoriek vody bola vykonaná v akreditovanom skúšobnom
laboratóriu Štátneho geologického ústavu Dionýza Štúra v Spišskej Novej Vsi.
Obsah sledovaných ukazovateĐov súvisí aj so zrážkovou þinnosĢou v sledovanej lokalite, ktorá
ovplyvĖuje prietoky v potoku. Obr. 2 znázorĖuje kolísanie priemerných mesaþných prietokov
v potoku Smolník v rokoch 2000 až 2006. Pretože z hĐadiska kontaminácie povrchovej vody
je najnepriaznivejšia situácia v þase najnižších prietokov, vzorky boli odoberané v mesiaci október
a jedna vzorka bola odobratá pri zvýšenom prietoku v mesiaci apríl. Prietoky v deĖ odberu vzoriek
sú uvedené v Tab. 1.
Obr. 1 Miesta odberu vzoriek v potoku Smolník
4,5
2000
4
2001
2002
3,5
2003
3 -1
prietok [m s ]
3
2004
2005
2,5
2006
2
1,5
1
0,5
0
0
1
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
mesiac
Obr. 2 Priemerne mesaþné prietoky v potoku Smolník v rokoch 2000-2006
- 19 -
Tab. 1 Prietoky v potoku Smolník v þase odberu vzoriek
Dátum odberu
Prietok [m3/s]
17.10.2006
0,356
15.10.2007
0,582
18.4.2008/A
1,961
28.10.2008/B
0,414
Výsledky a diskusia
Hodnoty sledovaných ukazovateĐov kvality odobratých vzoriek vôd (vzorky þ. 1, 2, 4 a 5)
ako aj banskej vody zo šachty Pech (vzorka þ. 3) zo záchytnej betónovej nádrže pod jej výtokom
(vzorka þ. 3) v roku 2006, 2007 a 2008 sú uvedené v Tab. 2. Získané výsledky boli hodnotené
podĐa Nariadenia vlády SR þ. 296/2005 Z.z. a výsledky, ktoré prekraþujú limitné hodnoty
sú zvýraznené tuþný písmom.
Tab. 2 Výsledky chemických analýz vzoriek vôd z potoka Smolník a AMD vytekajúcej zo šachty
Pech v rokoch 2006, 2007 a 2008
UkazovateĐ
Fe
Mn
Al
Cu
Zn As Cd
pH Na K Ca Mg
þ.
rok
mg/l
Pg/l
5,4 2,72 1,01 10,9 3,64 0,051 0,017 < 0,02
4
2
2 < 0,3
2006
6,0 2,96 1,32 9,51 3,48
0,07 0,014
0,05
<2
6
1 < 0,3
2007
1
5,45 3,0 0,98 9,1 3,31 0,061
0,01
0,12
2
5 < 1 < 0,3
2008/A
5,46 2,42 0,85 10,6 3,69
0,70 0,013 < 0,02
<2
3
1 < 0,3
2008/B
5,57
4,01
2,01
15,5
7,19
1,72
0,03
12
<
1
<2
0,302
134
2006
6,58
3,61
1,94
11,1
4,45
0,799
0,099
12
25
<
1
<
0,3
0,28
2007
2
5,18
3,02
1,29
11,3
6,03
0,288
0,18
14
82
<
1
0,4
3,0
2008/A
5,58
3,44
3,18
13,0
5,27
0,627
0,123
0,12
9
38
<
1
<
0,3
2008/B
3,88 5,12 3,42 176 344
463
36,5
107 3263 12600 18
15
2006
4,11 5,58 3,06 166 295
433
32,2
79,8 1379
8958 20
27
2007
3
4,01 5,61 3,25 170 264
291
22,5
53,9 1311
6750 50 14,9
2008/A
3,98 4,10 2,99 158 242
392
28,5
69,7 1642
7665 30 21,5
2008/B
4,98 4,78 2,15 31,9 33,2
1
<2
31,8
2,7
2,03
203
923
2006
5,76 3,94 2,05 18,3 13,0
14
0,3
10,8
0,96
0,61
187 < 1
2007
4
4,92 3,36 1,39 17,9 12,5
1
0,7
4,93 0,783
4,14
384
338
2008/A
5,50 3,30 1,05 23,2 17,6
0,13
1
1,5
16,8
1,32
50
383
2008/B
4,93 3,98 2,17
28 26,9
1
<2
17,8
2,22
2,46
207
757
2006
6,17 3,97 1,99 17,7 11,7
0,12
7
0,5
5,38 0,736
176 < 1
2007
5
5,34 3,09 1,17 11,5 6,18
14
68 < 1 < 0,3
2,52 0,301
0,32
2008/A
5,73 3,27 1,76 23,7 16,8
1,11
1,21 < 0,02
42
349 < 1 < 0,3
2008/B
6-8,5
- 200 100
2
0,3
0,2
20
100 30
5
Limit
Pb
<5
<5
<5
<5
<5
<5
<5
<5
71
56
59
56
<5
<5
<5
<5
<5
<5
<5
<5
20
Z tabuĐky 2 vyplýva, že AMD (vzorka þ. 3) prekraþuje všetky hodnotené ukazovatele
s výnimkou vápnika. Jej zriedením s povrchovou vodou v potoku Smolník dochádza k prekroþeniu
koncentrácie, Fe, Mn, Al, Cu, Zn bez ohĐadu na odberové miesto pod šachtou Pech. Zmiešaním
AMD s povrchovou vodou v Smolníku dochádza k zvýšeniu jej pH, þo sa následne môže prejaviĢ
zrážaním kovov. PodĐa literárnych údajov dochádza k zrážaniu železnatých iónov pri pH > 8,5.
V prítomnosti kyslíka sa železnaté ióny oxidujú na železité ióny a hydroxidy železa vytvárajú
oranžovo – žltú zrazeninu, ktorá sa zráža pri pH > 3,5. Zinok sa zráža pri pH 5,5-7,0. Hydroxid
- 20 -
hliníka sa obvykle vyzráža pri pH > 5,0 , ale opäĢ sa rozpúšĢa pri pH 9,0. Zrážanie mangánu závisí
od oxidaþného þísla katiónu, ale obvykle prebieha pri pH od 9,0 do 9,5, niekedy až pri pH 10,5
[5, 6]. K zrážaniu železa dochádza bezprostredne po zmiešaní kyslej banskej vody s povrchovou
vodou, þoho prejavom je aj oranžové sfarbenie sedimentov. Prudký pokles koncentrácie hliníka
a medi vo vzorkách 4 a 5 v porovnaní s oþakávanou koncentráciou po zmiešaní AMD s povrchovou
vodou súvisí aj nárastom pH, þo ovplyvnilo zrážanie týchto kovov vo forme hydroxidov. Tento jav
bol potvrdený aj hodnotením kvality sedimentov v sledovaných miestach a publikovaný v prácach
[7, 8].
Záver
Na základe údajov uvedených v Tab. 2 je možné konštatovaĢ, že kyslá banská voda vytekajúca
zo šachty Pech neustále nepriaznivo ovplyvĖuje kvalitu povrchovej vody v potoku Smolník
a spôsobuje prekroþenie limitných hodnôt niektorých jej sledovaných ukazovateĐov podĐa NV SR
þ. 296/2005 Z. z. Prechodné zníženie koncentrácie sledovaných kovov súvisí so zriećovaním
kyslých banských vôd povrchovými vodami. Tento stav môžeme hodnotiĢ len ako prechodné
zlepšenie kvality vody, pretože vyzrážané kovy sú transportované vodou vo forme sedimentov
a prechodné zníženie pH vody môže spôsobiĢ ich opätovné rozpustenie.
Monitorované údaje budú použité ako podklad pre vývoj remediaþných technológií, ktoré
by prispeli k zníženiu environmentálnych rizík v sledovanej lokalite.
Táto práca bola podporovaná Agentúrou na podporu výskumu a vývoja na základe Zmluvy
þ. APVV-51-027705 a riešená v rámci projektu VEGA þ. 1/0613/08.
Literatúra
[1] LUPTÁKOVÁ, A., KUŠNIEROVÁ, M., Bioremediation of Acid Mine Drainage by SRB.
In: Hydrometallurgy, Vol. 77. (2005), No. 1-2, pp. 97 – 102. 2005
[2] LUPTÁKOVÁ A., MAýINGOVÁ E., APIARIOVÁ K., The Selective Precipitation of Metals
by Bacterially Produced Hydrogen Sulphide. In: Acta Metallurgica Slovaca, Special issue
1/2008, ISSN 1335-1532, pp. 149-154.
[3] ŠPALDON, T., BREHUV, J., BOBRO, M., HANýUďÁK, J., ŠESTINOVÁ, O., Rozvoj
baníctva v Spišsko-gemerskom rudohorí. In: Acta Montanistica Slovaca. Roþ. 11 (2006),
mimoriadne þíslo 1, s. 375-379.
[4] ŠLEZINGR, M., ZELEĕÁKOVÁ, M., Súþasný stav v hodnotení kvality vody vo vodných
tokách. In: Lidé,stavby a pĜíroda 2008, ISBN 978-80-7204-600-3, FAST VUT BRNO, 2008,
s. 196-199.
[5] XINCHAO W., ROGER C., VIADERO, J., KAREN M., Recovery of Iron and Aluminum
from Acid Mine Drainage by Selective Precipitation. In: Environ. Eng. Sci., Vol. 22, (2005),
No. 6, pp. 745-755.
[6] MATLOCK, M.M., HOWERTON, B.S., ATWOOD, D.A., Chemical precipitation of heavy
metals from acid mine drainage. In: Water Res. Vol. 36, 2002, No. 19, p. 4757–4764.
[7] KOVALIKOVÁ, N., BÁLINTOVÁ, M., Influence of water erosion processes on the bottom
sediment quality. In: Chemické listy. Vol. 102 (s), (2008), p. 397-398. ISSN 0009-2770.
[8] KOVALIKOVÁ, N., BÁLINTOVÁ, M., Sediment quality in Smolník creek. In: SGEM 2008:
Modern Management of Mine Producing, Geology and Environmental Protection:
8th International Scientific Conference, Albena, Bulgaria : Proceeding. Sofia : SGEM, 2008.
p. 161-168.
- 21 -
VPLYV TUNELOVEJ TRASY V BRATISLAVE NA REŽIM
PODZEMNÝCH VÔD
IMPACT OF UNDERGROUND RAILWAY LINE
IN BRATISLAVA ON THE GROUNDWATER REGIME
Dana Baroková*, Andrej Šoltész**
In frame of improvement the transport infrastructure in Bratislava region the connection
between the airport and railway network is planned. One part of it should be built
in the underground tunnel along the Carpathian Mountains and it will affect
the groundwater flow regime. This was the reason for establishing a 2-D finite element
numerical model for evaluating the impact of the railway tunnel on the groundwater level
regime as well as for introduction of technical measures to neglect the impacts. Such
a model was elaborated and the results have shown the analysis, prognosis as well
as possibilities of control the groundwater regime in the aquifer affected by a railway
tunnel construction.
Úvod
V rámci zlepšenia dopravnej infraštruktúry mesta Bratislavy, ako súþasĢ železniþného koridoru
TEN-T, je plánované prepojenie letiska so železniþnou sieĢou v Bratislave v úseku železniþnej trate
Bratislava Predmestie - Bratislava Filiálka a následne so železniþnou stanicou Bratislava Petržalka.
Vedenie prepojenia železniþných staníc Bratislava Predmestie - zastávka Slovany - stanica Filiálka
je navrhované v koridore trasy jestvujúcej železniþnej trate, kde sa bude niveleta trate postupne
ponáraĢ pod jestvujúci terén. Táto þasĢ trasy železniþného prepojenia je navrhovaná v podzemnom
tuneli, ktorý sa má budovaĢ hĎbením zhora pod ochranou pažiacich a tesniacich stien. Od stanice
Filiálka sa plánuje už s tunelovým vedením (razením) trasy, ktorá bude prechádzaĢ pod korytom
Dunaja a na petržalskej strane bude opäĢ napojená na jestvujúcu železniþnú sieĢ v úrovni terénu.
VzhĐadom k tomu, že uvedený úsek výstavby trasy bude vedený prevažne v zvodnenej vrstve
horninového prostredia východne od svahov Malých Karpát, bolo potrebné zostaviĢ matematický
model prúdenia podzemných vôd, ktorý by þo najspoĐahlivejšie stanovil vplyv výstavby
projektovaného železniþného tunela na vývoj hladinového režimu podzemných vôd v danej
oblasti. Našou úlohou bolo riešiĢ þasĢ tunelovej trasy v úseku od železniþnej stanice Bratislava
Predmestie po železniþnú stanicu Bratislava Filiálka, ktorý sa má budovaĢ hĎbením zhora (Úsek þ. 1
- znázornený na obr. 1).
Návrh a zostavenie koncepþného modelu
Z geologického hĐadiska záujmové územie zaraćujeme do podunajskej panvy,
kde sa na geologickej stavbe sa podieĐajú horniny paleozoika, neogénu a kvartéru (Škvarka
a kol. 2007). Sedimenty neogénu nevystupujú na povrch, sú prekryté fluviálnymi sedimentami
kvartéru. Poþas pleistocénu postupným zarezávaním Dunaja do masívu Malých Karpát
a akumuláciou štrkopiesþitých sedimentov na neogénnu výplĖ kotliny sa vytvoril mohutný
*
**
Dana Baroková, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta STU v Bratislave, [email protected]
Andrej Šoltész, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta STU v Bratislave, [email protected]
- 22 -
náplavový kužeĐ dunajských fluviálnych štrkopiesþitých sedimentov. Hrúbka štrkopiesþitých
fluviálnych sedimentov v riešenom území sa pohybuje od 10 do 17 m.
Hladina podzemnej vody v záujmovom území sa pohybuje v rozmedzí 3 - 8 m p. t. v závislosti
od zrážok a stavu hladiny v Dunaji. Priemerný koeficient filtrácie zvodnených štrkopiesþitých
sedimentov sa pohybuje od 5. 10-4 do 1. 10-2 m/s a podĐa týchto hodnôt možno zvodnený horizont
hodnotiĢ ako horninové prostredie s relatívne vysokou priepustnosĢou.
Hodnotené územie je asi 60,2 km2. Pre ciele zostavenia numerického modelu prúdenia
podzemných vôd bol vytýþený okraj oblasti filtrácie tak, aby vystihoval hlavné rysy prirodzeného
prúdenia podzemných vôd v tejto oblasti. Okraj je zväþša vedený cez pozorovacie sondy SHMÚ,
kde sa zadávala Dirichletova okrajová podmienka - hladina podzemnej vody. Výnimkou je západná
a severozápadná þasĢ hranice, kde sa zadávala Neumanova okrajová podmienka – t.j. prítok
do oblasti podĐa (Malík, 2007).
Obr. 1 Situácia záujmového územia v Bratislave s vyznaþenými úsekmi železniþného
koridoru TEN-T (zdroj: Škvarka a kol., 2007)
Obr. 2 PozdĎžny rez prepojenia (zdroj: Dopravoprojekt Bratislava - upravené) predpokladaná
stavebná jama bude v km 0,4 - 2,33
Vedenie trasy
Umiestnenie vedenia budúcej trasy je zrejmé z obr. 1 a obr. 2. PodĐa projektu (Dopravoprojekt
Bratislava, 2007 in: Šoltész, Baroková, 2007), je koniec železniþnej stanice “Bratislava Predmestie” naprojektovaný v km 0,00. V tomto mieste konþí povrchový úsek vedenia trasy
a zaþína sa prechodový úsek trasy - hĎbeným spôsobom. Plne hĎbená dvojkoĐajná tunelová trasa
zaþína cca v km 0,40. V km 0,74 - 0,99 sa plánuje s vybudovaním „železniþnej zastávky Bratislava
- Slovany“, odkiaĐ pokraþuje dvojkoĐajný hĎbený úsek trate - “Tunel Jarošova“. Stavebná tesnená
- 23 -
jama podzemnej stanice „Bratislava Filiálka“ (4-6 nástupištných hrán) bude v km 1,93 - 2,33.
Od km 2,35 sa plánuje už s tunelovým vedením (razením) trasy, ktoré by už nemalo ovplyvniĢ
režim podzemných vôd kvartéru, nakoĐko podĐa projektu bude budovaná v neogéne.
Analýza súþasného stavu, tvorba modelu a výsledky simulácie
Režim HPV v tejto oblasti je vyrovnaný, nakoĐko rozdiely medzi priemernou a maximálnou
hodnotou HPV sú malé. HĎbka HPV pod terénom sa v okolí budúcej tesnenej steny stavebnej jamy
pohybuje v súþasnosti prevažne od 5 do 7 m. Efektívne zrážky boli stanovené ako rozdiel
zrážkových úhrnov a reálnej evapotranspirácie v území podĐa (Švasta, Malík, 2006). Zo SHMÚ
boli k dispozícii i vodné stavy na tokoch.
Na simuláciu prúdenia podzemných vôd sme použili simulaþný program TRIWACO (Royal
Haskoning, 2002). TRIWACO je programový systém na kvázi-trojdimezionálnu simuláciu
ustáleného aj neustáleného prúdenia podzemných vôd, založený na metóde koneþných
prvkov. Samotné matematické modelovanie metódou koneþných prvkov bolo vykonané najprv
za úþelom kalibrácie zostaveného modelu ako pre priemerné hodnoty hladinového režimu
podzemných vôd za roky 1993 – 2006, tak aj pre maximálny stav HPV v apríli 2006. Kalibrácia
modelu spoþívala v nastavení hydraulických a hydrogeologických parametrov. Týmito parametrami
boli hodnoty koeficientu filtrácie, drenážneho a infiltraþného odporu dna tokov a prítok zo svahov
Malých Karpát na západe a severozápade oblasti. Rozdiely nameraných a vypoþítaných hodnôt
HPV v blízkosti záujmovej oblasti sa pohbovali do 0,50 m. Na základe modelu bol urþený
generálny smer prúdenia podzemnej vody, ktorý je v súþasnosti smerom od Malých Karpát
na juhovýchod.
Prognóza vývoja hladiny podzemnej vody po realizácii stavebnej jamy
Po kalibrácii a verifikácii modelu sme pristúpili k tvorbe nového modelu pre simuláciu
tesnenej stavebnej jamy dĎžky asi 2 km a šírky 12 – 60 m. NakoĐko model TRIWACO rieši
prúdenie podzemnej vody medzizrnovým prostredím, stavebnú jamu sme navrhli ako oblasĢ
s veĐmi malou hodnotou koeficienta filtrácie - rádovo stotiny až tisíciny m/deĖ.
Sn
Sn
Obr. 3 Predpokladané zvýšenie HPV oproti
súþasnosti (m)
Obr. 4 Predpokladaný rozdiel HPV oproti
súþasnosti (m) za predpokladu
realizácie otvorov v stene
- 24 -
Pomocou modelu sme zistili, že hĎbka HPV sa v okolí budúcej stavebnej jamy zvýši. Vzdutie,
spôsobené výstavbou trate, bude západne od stavebnej jamy do 2,4 m. Nepatrné zníženie sa prejaví
východnej strane stavebnej jamy, a to do 0,6 m, o þom svedþí obr. 3.
Návrh opatrení na zníženie HPV
Návrh riešenia sa uskutoþnil pre dva varianty: 5 otvorov v stene stavebnej jamy vzdialených
po 180 m alebo 9 otvorov vzdialených 100 m. Zníženie 9 otvormi v porovnaní s 5 otvormi
nie je výrazné, ale vybudovanie väþšieho poþtu otvorov svedþí v prospech bezpeþnosti. Výsledky
modelovania preukázali, že týmto návrhom by sa podarilo znížiĢ hladinu o 1,3 - 1,6 m oproti stavu
s tesniacou stenou a zvýšenie hladiny podzemnej vody po realizácii týchto opatrení oproti
súþasnosti sa bude pohybovaĢ maximálne 0,4 m ojedinele 0,7 m (obr. 4). Hladina podzemnej vody
bude 5,7 – 6 m pod terénom, þo je podĐa nášho názoru akceptovateĐný stav.
Záver
Predkladaný príspevok popisuje modelové riešenie hladinového režimu podzemnej vody
v oblasti výstavby železniþného koridoru TEN-T v Bratislave a to v úseku železniþnej tunelovej
trate Bratislava Predmestie - Bratislava Filiálka, ktorá sa má budovaĢ hĎbeným
spôsobom. VzhĐadom k tomu, že trasa výstavby je vedená prevažne v zvodnenej vrstve
horninového prostredia pod Malými Karpatami, bol zostavený matematický model prúdenia
podzemných vôd, pomocou ktorého sme stanovili vplyv tejto výstavby na vývoj hladinového
režimu podzemných vôd v danej oblasti. Riešenie ukázalo, že po výstavbe tunela dôjde k zvýšeniu
HPV nad trasou železniþného koridoru o 1,5 - 2,0 m pre priemerný stav alebo pre maximálny
stav. Tento stav je riešiteĐný návrhom „otvorov“ v tesniacej stene, ktoré navrhujeme umiestniĢ
v miestach, kde je to realizovateĐné, resp. realizované modelom (obr. 4).
Poćakovanie
Príspevok bol spracovaný s podporou grantovej agentúry VEGA v rámci riešenia úlohy
þ. 1/420/07.
Literatura
[1] BURGER, F., Modelling and Numerical Simulation of Groundwater Flow in the Reparian
Alluvial Aquifer, Journal of Hydrology and Hydromechanics, Vol. 55, 2007, No. 3, UH SAV,
Bratislava, pp. 168–184. 2007
[2] Royal Haskoning, Triwaco a Simulation Package for Groundwater, Version 3. 0 internal
release RH, Royal Haskoning division Water, Rotterdam, Netherlands. 2002
[3] ŠKVARKA, J., KUPKA, Š., TAKÁýOVÁ, M., ŠIKULA, G., Štúdia prepojenia železniþného
koridoru TEN-T s letiskom a železniþnou sieĢou v Bratislave, Závereþná správa z orientaþného
inžiniersko-geologic kého prieskumu, EKOGEOS Zakladanie spol. s r.o., Bratislava, 129 s.
2007
[4] ŠOLTÉSZ, A., BAROKOVÁ, D., Modelové riešenie vplyvu trasy prepojenia železniþného
koridoru TEN-T na prúdenie a režim podzemných vôd v úseku žel. st. Bratislava Predmestie –
žel. st. Bratislava Filiálka, Závereþná správa pre „Štúdiu prepojenia železniþného koridoru
TEN-T s letiskom a železniþnou sieĢou v Bratislave“, KHTE SvF STU, Bratislava, 65s. 2007
[5] ŠVASTA, J., MALÍK, P., Priestorové rozloženie priemerných efektívnych zrážok na území
Slovenska. Podzemná voda XII. / 2006 þ. 1, Slovenská asociácia hydrogeológov,
ISSN 1335-1052, Bratislava, str. 12- 20. 2006
- 25 -
THE PHYSICAL RESEARCH OF THE INTAKE
STRUCTURE OF THE DOBROHOŠġ SMALL
HYDROPOWE PLANT
Roman Cabadaj*, Marián Ozábal**, Ján Rumann***
The DobrohošĢ water structure had been build as a part of the Gabþíkovo water structure
with the purpose of supplying old riverbed of the Danube River with water from diversion
channel of the Gabþíkovo hydropower plant. This structure provides a small hydropower
potential that can be utilized in small hydropower plant. This fact had been considered
at the construction of this structure – it includes intake structure and a part of a water
conduit of the planned small hydropower plant. According to actual project of this
hydropower plant is presently its construction prepared. To verify projected scheme
of water intake (intake structure, pressure conduit and surge chamber) a physical model
of it has been build in the hydraulic laboratory of the Department of Hydraulic
Engineering. The research on this model should have verified design parameters
of the intake structure.
The DobrohošĢ Small Hydropower Plant
The intake structure of the branch system of old Danube river is situated in the distance
of 1,8 km of the connecting dike of the reservoir. Its purpose is to donate the water to the left-bank
inundation area of the old Danube riverbed in the rkm 1840 - 1820. This structure is created
by three 12 meters wide weir fields, with 3.6 meters high flap gates, the intake is protected
by a floating barrage. The capacity of the whole weir structure is 234 m3/s. The discharges into
the branch system vary from 6 up to 150 m3/s, while the average discharge value is varying
from 15 to 40 m3/s. According to the suitable conditions at this site, the energetic utilization
of the hydro power potential has been planned since the construction of the whole structure.
Therefore an intake object of a small hydropower plant (SHPP) and a part of the water conduit
of the hydropower plant’s intake with 4 m wide and 3 m high rectangular cross-section.
The assumed capacity of the planned small hydro power plant was 40 m3/s [1].
Fig. 1 The DobrohošĢ intake structure
* Roman Cabadaj, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., [email protected]
**
Marián Ozábal, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
***
Ján Rumann, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
- 26 -
In 1998 a project of the DobrohošĢ small hydropower plant has been developed [2]. Based
on this project the Vodohospodárska výstavba company obtained a building permit
for the construction of the SHPP. This project assumes the utilization of the existing intake structure
of the power plant’s conduit and the existing conduit itself (both structures are assumed
to be reconstructed). The conduit is planned as a pressure conduit, while its orientation enables that
the engine room of the power plant is situated directly in the left bank of the channel below
the DobrohošĢ intake structure that supplies the Danube branch system with water. The conduit
leads to the surge chamber, in which the turbine intake is situated. The planned small hydropower
plant consists of one horizontal Kaplan turbine with diameter of the turbine runner of 1900 mm
and maximum discharge capacity of 25 m3/s and the gross head of 8.69 m. The hydropower plant
with these parameters has got the installed capacity of 1 800 kW and annual power generation
of 11 873 MWh.
Fig. 2 A scheme of the planned DobrohošĢ small hydropower plant
The objectives of the physical research
The objectives of the model research on the physical model of the DobrohošĢ small
hydropower plant’s intake can be formulated in the following points:
- verification of the suitability of the designed shape of the conduit intake,
- measuring and documenting the pressure conditions in the conduit during regular
operation and during sudden failure of the small hydropower plant,
- measuring and documenting the friction and local losses,
- verification of the suitability of the designed small hydropower plant inlet including
the surge chamber.
The description of the physical model
The physical model of the water intake from the diversion channel and the intake
of the planned DobrohošĢ SHPP has been designed based on the Froude criterion of model
similarity. The Reynolds number of the flow in the conduit is bigger than its limit value, thus
the flow is in the auto-modelling area and the roughness has been modelled according the roughness
coefficient model scale and so the keeping of the similarity for losses determination has been
achieved. The geometric scale (length scale) was set for Ml = 15 according to the space
and discharge conditions available in the hydraulic laboratory. This scale is sufficient for creating
flow conditions at the model that correspond with the real conditions and provides sufficiently
precise measurement of the hydraulic parameters with measuring devices, which have been used.
The physical model consists of following parts:
- 27 -
- a part of the diversion channel with length of about 200 m and bed width of 10.5 m
with discharge regulation and measurement at the Thomson triangular notch,
- a three field weir in the right bank of the channel made of metal plates with a possibility
of a discharge regulation and measurement at the Thomson triangular notch through
one field next to the conduit intake structure,
- a floating barrage in front of the weir and conduit intake made of plastic,
- an intake structure of the small hydropower plant’s conduit adjusted according
to the projected design,
- a conduit with total length of 236.5 m consisting of an original reconstructed part
with length of 156.4 m and a new part with length of 80.1 m, including two reducing
pieces and one arch piece with an angle of 90q made of Plexiglass,
- a surge chamber with effective ground area of 129.6 m2 at the end of the conduit,
including emergency spillway with a total crest length of 32.8 m and spillway outlet
flumes made of metal plates,
- a turbine intake, with a discharge measurement and regulation in the conduit
and a device for simulation of a sudden failure of the small hydropower plant.
According to the spatial conditions in the hydraulic laboratory, the directional arches
of the conduit have been replaced by a straight conduit with one arch piece with an angle of 90°.
This simplification of the real conditions has been considered for the determination of the hydraulic
losses in the conduit of the SHPP.
Fig. 3 A part of the model – the three field weir, the floating barrage and the conduit intake
The measurements on the physical model
The performed measurements on the physical model can be divided in two groups.
The first are steady state measurements and the second are the unsteady state measurements.
The measurements have been ordered into measurement series according to the required operational
conditions of the SHPP (Tab. 1). The measured hydraulic parameters were discharges, spot
velocities, water levels and pressures in the conduit.
The steady state has been defined by the water level in the diversion channel (in the range
from maximum down to minimum operational water level), the discharge in the diversion channel
of 33 l/s, discharge through the weir field next to the conduit intake of 0 l/s versus 28.69 l/s
(25 m3/s in reality) and the discharge through the hydropower plant of 28.69 l/s (25 m3/s in reality).
The velocity fields at the intake, water levels in the intake and the surge chamber and pressures
in the conduit were measured for the steady state. The deformations of the velocity fields due
to the floating barrage, the hydraulic losses in the conduit, the pressure conditions in the conduit
and the suitability of the conduit intake have been evaluated based on the measurement results.
The unsteady state should simulate a sudden failure of the DobrohošĢ SHPP during common
operation states. Therefore, the unsteady state is based on the steady state conditions. The sudden
failure of the hydropower plant has been simulated by cutting/off the discharge from the value
- 28 -
of 28.69 l/s (25 m3/s in reality) down to zero in the time of 3.35 seconds (13 seconds in reality).
The unsteady state measurements were aimed to record the water level development in the surge
chamber, verify the capacity and functionality of the emergency spillway and determine
the pressure increase in the conduit due to the hydraulic hammer.
Tab. 1 The summary of the realized measurement series
Series tag
1/SHPP/130.70
1/ SHPP /131.10
1/ SHPP /130.10
1/ SHPP +
weir/130.70
1/ SHPP +
weir/131,10
1/ SHPP +
weir/130.10
2/ SHPP /130.70
2/ SHPP /131.10
2/ SHPP +
weir/130.70
2/ SHPP +
weir/131.10
Operation state
Steady
Steady
Steady
Steady
Steady
Steady
Unsteady
Unsteady
Unsteady
Unsteady
Flow through
SHPP
SHPP
SHPP
SHPP and one weir
field
SHPP and one weir
field
SHPP and one weir
field
SHPP
SHPP
SHPP and one weir
field
SHPP and one weir
field
Water level in the
diversion channel
130.70 m a.s.l.
131.10 m a.s.l.
130.10 m a.s.l.
130.70 m a.s.l.
131.10 m a.s.l.
130.10 m a.s.l.
130.70 m a.s.l.
131.10 m a.s.l.
130.70 m a.s.l.
131.10 m a.s.l.
The conclusions of the research
Following conclusions of the research on the three-dimensional physical model of the intake
part of the DobrohošĢ SHPP can be deducted from the performed measurements:
- The conduit intake of the DobrohošĢ SHPP is not suitable for the planned operation
because, for the minimal operational water level in the diversion channel
(130.10 m a.s.l. in reality), the flow in the conduit intake turns from subcritical
to supercritical, which leads into a significant loss of pressure in the conduit
and a substantial increase of hydraulic losses and thus the loss of the required head.
These conditions are inadmissible for the small hydropower plant’s operation.
For the water levels in the diversion channel in the range from 131.10 to 130.70 m a.s.l.
is the conduit intake designed sufficiently, and the hydraulic losses and the pressure
conditions in the conduit are suitable for the operation of the SHPP.
- The floating barrage in the front of the weir and the conduit intake does not have
a substantial negative effect on the flow conditions.
- The surge chamber, which was tested by the sudden failure of the SHPP, has shown
itself as safely designed, with a sufficient capacity of the emergency spillway. The surge
chamber sufficiently protects the pressure conduit from the pressure increase caused
by the hydraulic hammer.
References
[1] Temporary operational manual of the Gabþíkovo – Nagymaros water structure system
in the territory of Slovakia, Actualization VIII.
[2] VODOTIKA, KEDROVIý, M., DobohošĢ SHPP, A Project, Nr. 0140, Bratislava, 1998
- 29 -
HOW TO MEASURE THE UNSATURATED HYDRAULIC
PROPERTIES OF ROCKS?
M.C. Caputo*, F. De Benedictis**, M. Vurro***
Knowledge of the water retention curve and of the unsaturated hydraulic conductivity are
needed to quantify the movement of water in the unsaturated zone. Many methods
to determine unsaturated hydraulic properties are available but they are not always
adaptable to both rocks and soils. This work presents a summary of a series of laboratory
experiments carried out to measure the hydraulic properties of porous rocks, using newly
developed methodologies and adapting methods originally used for soil. Attention is given
to the difficulties involved in using commercial devices, such as tensiometers and probes
to measure water content, designed to be used with soil. In addition, a variety of solutions
for overcoming some of these difficulties are explained. Modifications in the sample
preparation procedures to be used with various methods are presented. The overview
of the experimental tests carried out highlights both similarities and differences between
soils and rocks in relation to the measurement of hydraulic properties. Resolving these
difficulties is essential in order to treat unsaturated transport phenomena as an integral
process involving both soil and rock without artificial boundaries.
Introduction
The unsaturated zone is the portion of the subsurface above the ground water table. It consists
of soil and/or rock, with pores or fractures filled with air and water. Measurements
of the unsaturated zone are required to measure, predict, and understand the flow of water through
soil and rock for a number of purposes, including quantifying the hazard to groundwater from toxic
substances. Moreover the soil tests could also give usefull information for improving irrigation
management and agricultural practices. Although many unsaturated zone methods have been
developed for use in soils, they have rarely been applied to rocks. The problem lies
in the differences between soil and rock: soil is friable, compressible and can be trimmed and cored
with hand tools and easily sampled in the field; instead rock is incompressible, has a rigid matrix,
cannot be easily trimmed and cored in the laboratory, and is hard to sample in the field. These
differences cause certain practical problems in taking rock measurements, such as the sealing
in the retainer for saturated hydraulic conductivity measurements, the difficulty in making good
hydraulic contact with tensiometers and ceramic porous plates, the installation of instruments such
as TDR probes, and so on. Solutions to some of the above difficulties are described below [4].
In particular, three laboratory methods are briefly described, (suction table, Wind and Quasi-Steady
Centrifuge (QSC)), highlighting their advantages and disadvantages.
Material and method
For the laboratory tests samples of Calcarenite, a sedimentary rock of marine origin, were used.
Calcarenite is widely found in the Mediterranean basin and southern Italy, where it often constitutes
a thin vadose zone layer. Different lithotypes were tested, with varying proportions of lithoclasts,
bioclasts, matrix and cement, and, consequently, varying hydraulic properties. Lithotype A
is characterized by medium-fine grains with grain-stone type grain-sustained texture; lithotype B
is a biocalcarenite characterized by fine grains with a wackestone type mud-sustained texture;
and lithotype M is characterized by grains with a wackestone type mud-sustained texture.
*
M.C. Caputo, Water Research Institute, Dept. of Bari, National Research Council, [email protected]
- 30 -
Suction table method
The laboratory methodology developed for soils, based on the original Stakman method [5],
was tested to determine the water retention of Calcarenite [1]. The experimental apparatus allows
water retention characteristics from close to saturation to a minimum pressure head value
of -100 cm to be measured. The apparatus consists of a box filled with a layer of synthetic sand
in which there is a drainage system, hydraulically connected to a suction regulator, that allows
different values of matric potential to be applied, by mean of a sliding measuring stand. A supply
bottle filled with water is used to saturate the sand in the box (Fig. 1a).
In order to seal the side surface of the core samples, to give a 1-dimensional flow, different
materials were tested, including silicone, adhesive ribbon and resin. Among these the bi-component
epoxy resin worked best for our purpose, because it is initially fluid, allowing it to adapt
to the irregular surface of the rock sample but, at the same time, it soon reaches a high viscosity,
thus avoiding capillary intrusion into the sample. Furthermore, its volume does not change during
hardening, avoiding stress that could produce cracks in the rock cores. After hardening, the result
is a thin waterproof layer of epoxy resin that effectively seals the sample (Fig. 1c).
The core samples thus prepared were first saturated and then rested on the sandy layer (Fig. 1b)
with a known matrix potential value corresponding to that imposed by means of the suction
regulator. For each matric potential value imposed, the sample reached the steady state condition
when its weight was constant in time, i.e., when an equilibrium was reached between the water
in the samples and the free body of water contained in the suction control system. The volumetric
water content, T, was determined corresponding to each matric potential value, \, at steady state
conditions, in order to plot different points to obtain the water retention curve.
Fig. 1 a) Experimental apparatus; b) samples
resting on the sandy layer during the test;c) thin
layer of epoxy resin that sealed the sample.
b)
a)
Fig. 2 a) Experimental apparatus for Wind’s
test; b) sample drilled to insert
the tensiometers
Wind’s method
This method allows the simultaneous determination of water retention and hydraulic
conductivity functions [3][6]. The method is based on the assumptions that the porous medium
is homogeneous with respect to the properties being measured, that the water flow can be described
by Darcy’s law generalized to unsaturated media, that the soil water potential comprises only
the pressure and gravitational components, that the vapor and osmotic components are negligible,
that the sample is conceptually divided into compartments of similar dimensions, that a tensiometer
is placed in the center of each of these compartments, and that the water content varies linearly
in each compartment. Figure 2a shows the experimental apparatus used for testing the Calcarenite
with Wind’s method. The core sample, with tensiometers inserted at different depths, was placed
on a load cell and subjected to evaporation through the upper surface, at a constant temperature.
At the beginning of the test the sample was saturated. During the test, matric potential was
measured at each depth at specified time intervals and the sample was weighed to compute
its average water content. At the end of the test the sample was oven-dried at 105°C to determine
its dry weight in order to calculate the water content.
The matric potential values were then associated with the corresponding water content values,
initially using an assumed water retention curve; these estimated water content values were
compared with the measured average values and new retention curve parameters were estimated
- 31 -
where differences were noted between the measured and estimated values. The calculation was
iterated until a good estimate of the retention curve was obtained. The distributions of the measured
matric potential and of the estimated water contents were then used to calculate hydraulic
conductivity. The matric potential values at different depths were used to estimate the potential
gradients between adjacent tensiometers for each measurement time. The water contents were also
used to calculate the flow through each compartment. The ratio of flow rate to matric potential
gradient represents the hydraulic conductivity associated with the average water content
of the compartment between the two tensiometers for which these values were calculated.
The core samples used for the tests were sealed using the same material as described above
and pre-drilled at different depths from the bottom where subsequently the tensiometers were
inserted (Fig. 2b).
The QSC method [2]
This method is based on the steady-state centrifuge (SSC) method, in which steady flow
is established through a sample within a centrifuge, with water applied either by means
of a constant head or a metering pump. Since the major component of the driving force
is the centrifugal force (Fig. 3a), when the flow reaches a steady state and the matric potential
gradients are negligible, the hydraulic conductivity can be computed using the centrifugal form
of Darcy’s law:
§ d\
·
(1)
K (T ) ¨¨
U Z 2 r ¸¸
d
r
¹
©
where q is flux density, T is volumetric water content, \ is matric pressure, U is the density
of water, Z is angular speed, and r is the distance from the center of rotation.
Figure 3b shows the experimental apparatus designed for these tests. It fits into a 1-liter
centrifuge bucket. The apparatus includes a flow-controlling reservoir above the sample which
is filled with water at the start of each run. The reservoir bottom is made from a thin flexible
material, in this case a chromatographic membrane, which supports a cake of granular material,
such as diatomaceous earth, silica flour, and bentonite. Each granular material causes a different
flow rate in the sample allowing different points on the hydraulic conductivity curve to be obtained.
q
a)
b)
Fig. 3 a) Diagram showing the spin of the sample in the centrifuge bucket;
b) experimental apparatus which fits into a 1-L centrifuge bucket
The whole apparatus spins in a horizontal position in a bucket of the centrifuge rotor. The head
of the water, and hence the flow rate, declines during a run. If the change in head is modest,
the flow rate is taken to be quasi-steady, and the average flow rate during the run is used
to calculate hydraulic conductivity by means of the same formulas used for the steady-state
centrifuge method.
The QSC method somewhat relaxes the steadiness criterion. The flux is controlled by a head
that declines slightly during each of several centrifuge runs. The small changes in applied flux
during the experiment entail a slight increase in measurement uncertainty, but the relaxed criterion
affords advantages including simpler apparatus, larger sample capacity, and adaptability to various
machines and operating conditions.
- 32 -
Results and Conclusions
Figure 4 shows the experimental water retention curve, for lithotype M, obtained using
the experimental data measured with the three different methods: suction table method in the wet
range, Wind’s method in the middle range and QSC methods close to the dry range of the curve.
In fact, a water retention curve capable of describing the retention for a wider range of matric
potential can be obtained by using all of the experimental data. In particular, the Wind’s and suction
table methods, although designed for soil, also work well with rock. However, the drawback
with these methods is that they only allow measurements in a small range of the water retention
curve close to saturation. The Quasi-Steady Centrifuge method, instead, is the most promising one,
since it has the potential to allow the entire water retention curve to be explored while
simultaneously measuring hydraulic conductivity.
Figure 5 shows hydraulic conductivity values versus water content obtained by means
of the Wind’s and QSC methods. The agreement between the two methods is an important result
because hydraulic properties are difficult to measure and few methodologies currently exist. Minor
differences in the results may have been caused by differences between the samples, such as relative
amounts of matrix, fossils and cement. Generally the QSC method extends to lower values
of hydraulic conductivity and shows promise for further measurements on Calcarenites and possible
widespread application.
With respect to the Calcarenites, the hydraulic behavior of the rocks analyzed is very similar
near saturation, while it differs in unsaturated conditions, suggesting a need for further
measurements of unsaturated hydraulic properties. Accurate measurements of the unsaturated
hydraulic properties will indicate the expected range and degree of spatial variability of these
carbonatic rocks. This is important for a quantitative interpretation of the behavior of water within
the unsaturated zone in relation to contaminant transport and water supply.
Fig. 4 Experimental water retention curve
obtained using data measured with three
different methods
Fig. 5 Hydraulic conductivity vs. water
content for three lithotypes of Calcarenite
measured by QSC and Wind’s methods
Literature
[3] CAPUTO M.C., DE BENEDICTIS F. & VURRO M., Measurement of wet-range water
retention on porous rock. In. Proc. of European Geosciences Union 2005, Vienna, 2005, vol. 7
[4] CAPUTO M.C. & NIMMO J., Quasi-steady centrifuge method of unsaturated hydraulic
properties. Water Resouces Research, 2005, W11504, 41 (10) p. 1-5
[5] CAPUTO M.C., BASILE A., WALSH N. & VURRO M., Determinazione delle proprieta’
idrauliche di rocce carbonatiche non sature. IGEA, 20, 2005, p. 49-58
[6] CAPUTO M.C. & NIMMO J., Unsaturated Hydraulic Properties of Rocks: how to measure
them in the laboratory and in the field? In. Proc. of 2008 Joint Annual Meeting, USA, 2008
[7] STAKMAN, W.P., VALK, G.A., AND VAN DER HARST, G.G., Determination of soil
moisture retention curves, I, 3rd revised ed. Institue for Land and Water Management
Research, Wageningen, Netherlands, 1969
[8] WIND, G.P., Capillary conductivity data estimated by simple method. In P.E RIJTEMA and
H. WASSINK (eds), Water in the unsaturated zone. In Proc. of Wageningen Symp., Paris, 1968
- 33 -
THE FLOOD PROTECTION SOLUTION
OF ADAMOVSKÉ KOCHANOVCE VILLAGE
Katarína Cipovová*
The contribution contains reasons and the way of the flood protection solution
of Adamovské Kochanovce - beautiful village with rich history, many cultural monuments
and natural reserve. This village is often attacked by floods, which cause high economical,
cultural and social damages. After reconnaissance and an agreement with village
management the problem has been solved by building a polder above the village
for controlling part of Adamovský creek. The goal of the project is to design according
to hydrological data the dimension parameters of the polder, i.e. the height of the dam,
outlet structure capacity, spillway capacity, stilling basin and necessary river bed lining.
The attention is given to stability problems, as well.
Introduction
Floods are the natural part of the hydrologic cycle. In some countries man got up to exploit
overflowed water to his credit, in the other places he fights against it uselessly. Floods have many
negative effects. Primary effects mean physical damages (damaged structures, bridges, sewage
systems, buildings, cars...) and casualties (people and livestock die due to drowning or subsequent
epidemics and diseases). Secondary effects mean e.g. contamination of water, unhygienic
conditions, dying of non-tolerant species of flora. Tertiary effects mean long-term economic effects.
There are many ways of the flood protection - active or passive. But we can not generalize
their application, because each locality is different and there are many parameters entering the
design. On the bigger streams and rivers, the flood protection is realized by dikes and water
schemes. But on the small streams such solution is ecologically and economically impossible.
Therefore building „polders“ is very progressive solution nowadays. „Polder“ is an effective water
structure, which has no noisy effect in the nature and it can be even aesthetic part of the country.
As many villages located at the root of a mountain, Adamovské Kochanovce village has big
troubles with floods, too. This village lies under the Biele Karpaty Mts. Troubles occur especially
during the short summer storms with high intensity and in the spring, when snow is melting
and a rain comes. After an agreement with village management, I decided to solve the flood
protection of this village by building a „polder“ on the Adamovský Stream and regulation of a part
of this stream. Polder is a type of retention dam, which has to retain the flood wave and prevent
the odd amount of water from flowing out the river bed. Village will be protected against the static
impacts of the water (overflowing) as well as dynamic impacts (erosion, sediment transport,
damaging of the roads and bridges).
Input data for flood protection design
There are many input data for the flood protection design, especially:
- description of a place (city/town) (inhabitants, monuments, relics, nature reserves,
springs, wetlands, ...),
- site character (description of the catchment, land use, inclinations, length of the stream,
objects on the stream ...),
*
Katarína Cipovová, Dept. of Hydraulic Eng., Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
- 34 -
- map data (map lists number 35 12 24, 35 12 25, 35 14 04 and 35 14 05 from Geodetical
and Land Register Institute Bratislava in 1:10 000 scale were used for this project
(design)),
- hydrological data (rainfall, runoff and temperature data, in this project (design) these
data were used from the gauging station Trenþín. Design flood wave was calculated
from information about the catchment, land use, temperatures, rainfall and runoff.),
- geological, pedological and morphological data [1] (information about bedrock,
landslides, soil types and soil sorts ...),
- geodetical data (information about existed geodetical points, topographical survey
of the area),
- hydraulic data (roughness of the stream – Manning n, slope, capacity of the objects).
Design method
Maps had to be converted and adjusted according to our requirements. Then we had to choose
the profile of the planned polder – specific site, where this polder has to be built. Afterwards, design
flood wave had to be calculated – that means the retention volume of a polder, volume of water
which polder is able to retain.
Rating curve
Calculation of discharge (Fig. 1) is performed by Chézy´s formula ( 1 ) provided uniform flow
[5].
Q
C S R i0
(1)
Channel cross section is a trapezoid (Fig. 2) with bottom width bk = 1 m, bank slopes 1:2
(m = 2) and longitudinal slope i0 = 1,9 %. Hydraulic roughness is entered by Manning roughness
coefficient n = 0,033 (it means bank fortification is quarry stone).
6.00
5.00
H (m)
4.00
3.00
2.00
1.00
0.00
0.00
2.00
4.00
6.00
8.00
10.00
12.00
14.00
16.00
Q (m3/s)
Fig. 1 Rating curve
Fig. 2 River bed cross section
Channel capacity discharge under the polder
It is necessary to find a critical cross section (area with the lowest capacity) on the channel.
There are potentially three critical places under the designed polder. The culvert under the bridge
(Fig. 3), with capacity of 11,2 m3/s, the spillway of the anti-fire retention dam (Fig. 4) with capacity
of 11,96 m3/s and the pipe under the village (Fig. 5) with capacity of 4,48 m3/s. The lowest value
from mentioned above is 4,48 m3/s, therefore I designed the channel capacity discharge
- 35 -
QK = 4,0 m3/s for river bed under the polder. Then the maximum depth in the river bed is 0,63 m
(from the rating curve).
Fig. 3 Culvert under the bridge
Fig. 4 Anti-fire retention dam
Fig. 5 Pipe under the village
Outlet, spillway and stilling basin design
The spillway has trapezoidal shape, bottom width 2 m, height 1 m and bank slope 1:1.
We conceive, that Qo = QK (outflow matches the capacity of the channel under the polder), what
is the basic anticipation for designing of a retention dam. The width of the outlet is 1 m and height
0,66 m (from outlet equations) [3]. Flowing through the polder during the flood is characterized
by rating curve of the object complex (Fig. 1).
Transformation of a flood wave
Transformation of a flood wave means reduction of a culmination discharge – flattening
and extension of a flood wave peak (Fig. 6) [4]. Calculation of transformation was made graphically
by Klemeš method. Principle of the calculation is in equation ( 2 ).
(Q p Qo ) d t
S .d H
Fig. 6 Flood wave transformation
dV
(2)
- 36 -
Conclusion
Since 90´s of 20th century we notice increasing of total maximum daily precipitation. Analyses
of hydrological and meteorological situations prove that floods on such catchments are caused
by heavy rains with high intensity at upper part of a catchment.
Solution described in article reduces the culmination and protects the village against flood
events. This polder is designed to retain flood with 100-year frequency. Channel arrangements
under the polder construction keep the water from flowing out of the channel and prevent
the creation of scours. Quarry stone fortification of the channel river bed prevents backward erosion
and clogging the anti-fire retention dam, but it does not affect groundwater.
The polder is designed as a concrete structure, 5 m high, with an outlet structure in the bottom,
which is 1 m wide and 0,66 m high and has got a trapezoidal spillway, which is 2 m wide and 1 m
high. Unstable slopes are fortificated by gabions [2], [7]. The polder will be made of natural
materials; it will become an aesthetical part of the country. Total costs will be about 600 000 €
(18 mil. SK).
The next phase of this project consists of a detailed topographical and geological survey,
creating a DTM (digital terrain model), modeling of the flood situation in MIKE 11 and MIKE 21
software and drawing the flood maps. A flood map is a very good way, how to present the results
to village governments and the public. Such solutions are often supported by European Union
Funds.
During the planning, many problems can appear. Usually the biggest problem is purchasing
detailed input data. Small streams such as Adamovský Stream are not usually monitored, there are
no information about n-year discharges or rainfall intensities, there is no topographical survey
realized. It means that in the first phase of the project, we have to rely on uncertain sometimes even
estimated values, which come into calculations.
We are always supposed to be on a safe site, even if it means bigger volumes of materials used.
Because: “...if flood comes, there will always come a bigger one; that is the Extreme value theory
based on experiences… “ [6].
References
[1] Atlas krajín Slovenskej republiky, MŽP Bratislava, 2002, ISBN 80-88833-27-2.
[2] HULLA, J., TURýEK, P., Zakladanie stavieb, JAGA group, s. r. o., Bratislava, Slovakia,
2004, p. 62 -68, 119 – 122. ISBN 80-88905-99-0
[3] KAMENSKÝ, J., Hydraulický návrh výtokových objektov z poldrov. Závereþná správa,
Katedra Hydrotechniky SvF STU Bratislava, 2001
[4] LUKÁý, M., BEDNÁROVÁ, E., Nádrže a priehrady, navrhovanie a prevádzka,
STU Bratislava, 2001, p. 97 – 100. ISBN 80-227-1518-2
[5] MÄSIAR, E., KAMENSKÝ, J., Hydraulika II, Bratislava, Slovakia, 2001, str. 14 – 23, 44, 45,
138 – 158, 184 - 196. ISBN 80-227-1487-9
[6] Povodne pred, poþas, po ... , SHMÚ Bratislava, Slovakia, 2003
[7] STN 731001 Základová pôda pod plošnými základmi, 1987
- 37 -
COMBINATION OF STOCHASTIC AND DETERMINISTIC
METHODS IN THE OPTIMIZATION OF THE
PRESSURIZED WATER NETWORK SYSTEMS
Milan ýistý*, ZbynČk Bajtek**
The optimal design of looped hydraulic pipe networks belongs to the class of large
combinatorial optimization problems that are difficult to handle using conventional
operational research techniques. Many different heuristic algorithms have been developed
in the last two decades, but there is still some uncertainty about finding a generally
reliable method. This study will present a hybrid method, which combines the GA method
with a linear programming methodology. LP complement GA by being reliable
and efficient in finding a local optimum for a branch network derived from the original
loop network by GA. The method is intended for use in the design and rehabilitation
of drinking water systems and pressurized irrigation systems as well.
Introduction
The problems involved in the optimal design of this system are huge; they belong to a class
of problems known as NP-hard problems. For this reason, there were applied various algorithms
passing from artificial intelligence to the optimization domain. The researchers have focused
on stochastic or so-called heuristic optimization methods from the early 1990s. Simpson, et al.
(1994) were first researchers which applied genetic algorithms usually in conjunction with
an EPANET network solver. Other heuristic techniques have also been applied to the optimization
of a water distribution system, but significant differences from known global optimums are referred
even for simple benchmark networks while existing algorithms are applied. Reca et al (2008)
evaluated performance of several meta-heuristic techniques - genetic algorithms, simulated
annealing, tabu search, and iterated local search. Results, which he obtained for Hanoi network
(after ten different runs with five heuristic search techniques) varied 1,5 – 4,5 % from known global
optimum for this task, what is relatively a big deviation for such a small problem. Similar results
presented other researchers.
How near any solution from optimization computation in particular case could achieve global
optimum depends on the complexity of the problem. Generally the more complex problem is that
problem for which larger or more complicated search space must be explored. Reduction
of the search space is the main approach of this paper how to design method which has greater
potential to find results which are really close to a global optimum. A new hybrid GA-LP approach
using a genetic algorithm and linear programming is proposed in this study for determining
the least-cost design of a water distribution system. It is built on the advantages both deterministic
and heuristic methods.
Methodology
The proposed method is based on a combination of linear programming methodology
and a genetic algorithms approach. The main reason is that linear programming always finds global
optimum if it exists. But because LP is suitable only for solving branched networks, the GA method
*
**
Milan ýistý, Dept. of Land and Water Resources Management, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava,
[email protected]
ZbynČk Bajtek, Dept. of Land and Water Resources Management, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava,
[email protected]
- 38 -
is used for decomposing a complex looped network into a group of branched networks.
This branched networks are characterized by identical hydraulic behavior as a looped network
on the condition of having identical diameters on the corresponding sections of the networks.
Identical hydraulic behavior means that there are identical flows in the corresponding pipes
and identical pressures in the corresponding nodes in the original looped network and branched
networks investigated. The decomposition of a looped network means that every loop is before
optimization computation split in some demand node (or node in which branch is connected) which
is part of this loop. There is many possibilities to accomplish such decomposition in water
distribution network. Linear programming is than applied for optimizing every branch network
produced by GA from original looped network and GA is simultaneously applied for evolution
of the best splitting option.
The proposed algorithm in its basic form can be summarized as follows:
- Read input data (Epanet INP file, GA parameters etc.);
- Matrix of loops is determined;
- Matrix LSO containing loops splitting possibilities is determined;
- Initial population generation;
- While termination condition are not satisfied do:
- Decoding chromosomes by help of LSO (which mean creation of as many branch
networks as is chromosomes in population);
- Evaluation of the fitness of each individual in the population by LP;
- Select best-ranking (cheapest) individuals to reproduce;
- Breed new generation through crossover and/or mutation (genetic operations)
and give birth to offspring;
- Evaluate the individual fitnesses of the offspring;
- Replace worst ranked part of population with offspring;
- Best solution output.
Results
The performance of the developed GALP model for optimization of the least-cost design
of a water distribution network problem is evaluated by optimization of the Hanoi benchmark
network and the triple Hanoi water supply network. The first problem is taken from the literature.
The second problem is introduced by the author for the sake of evaluating the proposed method also
on a bigger problem than the known and thoroughly investigated benchmark models.
The water distribution trunk network in Hanoi, Vietnam, was first introduced by Fujiwara
and Khang (1990). The data necessary for the optimization can be found in their work
or in following WWW address: http://centres.exeter.ac.uk/cws/benchmarks/layout/37-hanoi-waterdistribution-network.
In the triple Hanoi water distribution network all the corresponding parameters for the nodes
and lines are the same as in the original Hanoi network on all three (single Hanoi) parts (Fig. 1).
Main idea of performed computations was to obtain comparison of GALP with GA
methodology which is incorporated as the heuristic part of GALP algorithm. GALP optimization
model was run with various GA parameters settings. Similar settings for GA were used. Because
GALP has for its combination of LP and GA little more computationally intensive iteration,
GA gets advantage of longer run (not 50 000 iterations but 500 000 iteration in contrary with GALP
in every optimization run). In addition to more iterations also 10 runs with every single combination
of the parameters setting was run by GA methodology and only best run was taken to evaluation.
This comparative system of testing GALP and GA is evaluated by histograms in Figs. 2 and 3.
There could be clearly seen, that errors of obtained solutions by GA (on X axis is price
of the particular solution minus global minimum in percents) with respect to global minimum have
higher order in comparison with GALP. GA results shows, that there was often excess in relation
- 39 -
to global optimum bigger than 10 %. Histogram of GALP results also show that its runs are always
very similar and with significantly smaller excess in relation to global optimum.
39
8
9
8
7
7
6
6
10
11
11
12
12
47
44
4
48
61
46
47
50
48
43 51
49
52
36
34
33
45
42
37
39
36
14
45
57
49
44
40
5
14
46
41
38
5
13
40
43
41
9
10
42
38
37
35
60
59
56
55
52
55
51
58
54
57
53
67
62
66
61
65
60
54
56
50
64
53
62
63
58
59
4
15
13
3
15
17
18
19
16
17 18
19
3
16
35
2
105 m
1
2
68
28
20
27
22
27
22
21
21
71
66
72
67
20
26
26
77
68
25
25
24
71
24
74
23
64
86
63
85
79
73 84
78
83
77
76
94
89
80
69
82
75
79
80
81
69
70
74
75
76
29
34
70
78
72
73
23
65
83
87
90
81
88
82
91
87
95
96
88
89
97
84
90
93
92
86
98
85
100
92
99
91
28
32
30
33
31
32
30
31
29
Fig. 1 Triple Hanoi network
9
9
8
Histogram of 36 GALP runs
7
6
5
4
4
4
4
3
3
3
2
2
1
1
1
1
1
0
1
0
0.38
0.32
0.3
0.28
0.26
0.24
0.2
0.22
0.18
0.16
0.14
0.1
0.12
0.08
0.06
0
0.36
0
0
1
0.34
Number of optimization runs in excess
cathegory [-]
10
Global optimum excess [%]
Fig. 2 GALP runs histogram of the triple Hanoi network with various settings
- 40 -
Number of the optimization runs in the
excess cathegory [-]
6
Histogram of the 36 GA runs
5
5
(which were selected as best runs from
360 totaly accomplished GA runs)
4
4
4
4
3
3
2
2
2
1
4
2
2
2
1
1
1
0
0
19
18
17
16
15
14
13
12
11
10
9
8
7
6
5
Global optimum excess [%]
Fig. 3 Histogram of the GA runs of the triple Hanoi network with various settings
Summary and Conclusions
Authors of this paper propose a method in which genetic algorithms (heuristic method)
are incorporated, but the final solution is produced by linear programming. This method
is described in the paper and tested on benchmark networks successfully. It was investigated
that the method gives results more trustworthy in the terms of closeness to a global minimum.
Up to some size of the water distribution network (which should be more precisely investigated
in future), there is no need for fine tuning of the parameters of the GA, and this means that these
results can be obtained earlier than if a heuristic method is used alone. This is because of the fact
that involving LP to an algorithm reduces search space for heuristics very dramatically on most
network configurations and although one iteration of proposed method is little more computational
intensive than in the case of using GA only, this reduction is finally more important
for the effectiveness of an algorithm.
This study was supported by the Scientific Grant Agency of the Ministry of Education
of the Slovak Republic and the Slovak Academy of Sciences, Grants No. 1/0496/08, 1/0585/08
and by the Slovak Research and Development Agency, Grant No. APVV-0443-07.
References
[1] ýISTÝ, M., Optimalizaþné a simulaþné modely v závlahách súþasnosti, Edícia vedeckých prác
STU Svf Bratislava. 2002
[2] GOLDBERG, D.E., Genetic Algorithms in Search, Optimization and Machine Learning, New
York, Addison-Wesley. 1989
[3] SCHAAKE, J., LAI, D., Linear programming and dynamic programming application of water
distribution network design. Report 116, MIT Press, Cambridge, Mass, USA. 1969
[4] SIMPSON A.R., DANDY G.C. AND MURPHY L.J., Genetic algorithms compared to other
techniques for pipe optimization. J Wat Resour Plan and Manage ASCE 120(4): 423-443. 1994
- 41 -
PROCEDURE FOR FISH PASS DESIGN
Lea ýubanová*
Abstract: Article is describing a procedure for fish pass design on water structures. It runs
through single steps, from the obtaining of the data to the hydraulic simulations
of the designed fish pass river bed. This procedure can be summarized in three parts –
the data, the design and the verification. The design procedure is iterative, it means that
the designed fish pass is modified after simulation until the required parameters
(especially the depth and the velocity) are achieved. Of course every water structure
is unique, so the design parameters are different and especially the realization conditions.
Therefore every fish pass design requires its own individual approach,
with the consideration of the recommendations which are involved in this procedure.
Introduction
Since the construction of the Váh cascade are the technical fish passes components
of our water structures. Although a systematic ichthyological research on these structures
is missing, the functionality has been questioned. Today, it is possible to say that in general there
is a trend of the building of the natural fish passes eventually the hybrid types, which are partly
designed as technical, but have elements of natural character. We do not have too many experiences
with such types of the fish passes, except for the biocorridor of the Žilina water structure, where
after 10 years of the operation an ichthyological research has been made. The results of this
research show some negatives in its design [4]. Some standards exist for the design of all hydraulic
structures. In our country, the fish passes do not have such a standard, therefore their hydraulic
design is difficult for the designers and mainly this design is not acceptable for the ichthyologists
during the environmental impact assessment.
Design procedure
The procedure for the fish pass design combines into one complex the technical knowledge,
hydraulic calculations and requirements for the occurring ichthyofauna. It describes the order
of the single steps of the design and simulation to achieve the optimal fish pass design, which
is hydraulically functional and also attractive for the migratory ichthyofauna. The paper mentions
the interconnection of the individual steps, which affect the next design procedure [2].
Data for the fish pass design
The data and its validity (recency, accuracy) are the most important for the beginning
of the preliminary design. From these data, the designer obtains relevant information and values
the fish pass design, which are necessary, because it is not possible to use standardized fish pass
schemes, but every design needs an individual approach. This idea results from the uniqueness
of every water structure, as well as from the type and zone of the stream and existed fish species.
The data can be divided into the three categories [2]:
- The water management data (they are based on the parameters of the designed water
structure):
- gradient (H) – it represents the difference between upstream and downstream operating
water level of the water structure. Many water structures are built for the utilization
of the hydropower potential and therefore they do not keep the water surfaces
* Lea ýubanová, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
- 42 -
on the constant level, but these levels are changing in the range between maximal
and minimal operational water level defined in the operational manual. Therefore
it is necessary to find all real combinations of the upstream and downstream water
levels (the possible gradient values).
- discharge in the fish pass (Q) – this parameter determines the operator of the water
structure and the hydropower plant according to the water structure’s character
and the recommended minimal biological discharges. It is recommended to supply
the fish pass with a discharge, which is approximately equal to 1 % – 6 % of the mean
discharge in the stream (Qa). The fish pass must be designed that it is functional
for at least 300 days per year [2].
- The geomorphological data – the terrain data, obtained by the survey and geodetic
measurements of the area of the planed water structure. Besides, it is appropriate to use
an available map data, which will serve especially for the design of the future course
of the fish pass. In this step it is necessary to know the area size, which will be used
for the planed fish pass realization. From the area of interest , the following data is needed
to be found out:
- regolith geology – based on its analysis it is possible to design a stable cross section,
especially due to the bank slope.
- topography of the original stream – the designer should make a detailed survey
of the stream and its vicinity, he should notice the stream’s routing, fish refuges,
boulder elements as well as the existing fish fauna. It is appropriate to determine
the cross sections by the geodetic measurements and to find out the discharge
and velocities in the stream for achieving the relevant results. The designer obtains
a review of the depths, longitudinal slope, water level differences on the sills, roughness
coefficients and arc radiuses.
- The ichthyological data – the fish pass serves for the migration of fish species in both
directions, so it has to respond to their needs and requirements. The designer needs
following data for the fish pass project from the ichthyologists:
- the stream zone, or the type of the fishing ground (trout, grayling, barbel, bream),
- the existing ichthyofauna species (trout, bullhead, grayling, dace, barbel, undermouth,
pike),
- the values of the minimal and maximal depth suitable for the existing ichthyofauna
(trout streams: y = 30 – 50 cm, other than trout streams: y = 50 – 80 cm [3]),
- the maximal acceptable water level difference or the jump height of the existing species
(trout streams: 'ymax = 20 cm, other than trout streams: 'ymax = 15 cm [3]),
- the maximal cross sectional velocity (vmax = 1,5 – 2 m/s for trout, dace, grayling, nase,
and common huchen, vmax = 1,2 – 1,5 m/s for gudgeon, stone loach, minnow [1]),
- the starting distance of the fish, because of the jumps ( the recommended minimal
length of pool is 2 – 5 m [2] depending on the fish region),
- the migration period (e.g. in the operation manual of the Váh cascade’s part Trenþianske Biskupice – Horná Streda is the supposed fish migration from 15.9.
to 30.6.),
- the fish abundance (abundance (pcs/ha), ichthyomass (kg/ha)).
On the basis of these information the designer can design the individual elements
and the details of the fish pass river bed to achieve the required water level regime. Of course,
for achieving the relevant results it is ideal to perform the ichthyological research a couple of years
on the original stream.
Fish pass design
The fish pass design contains the course design, or the fish pass placement, the cross section
design along the whole designed length and the design of the cross section barriers (sills, boulder
- 43 -
elements). The basis of the fish pass course design is the water level difference (gradient),
longitudinal river bed slope and area, on which is possible to build the fish pass. This area
also influences the course length of the designed fish pass. These three parameters
are interconnected, whereas the gradient passing is needed. The design begins upstream
with a continuous joining to the downstream and upstream water surface.
The course design begins from the maximal recommended longitudinal river bed slope, which
is given either by ichthyologists or there are some recommendations for the slope depending
on the fish region or the stream zone. But definitely the area around the water structure is limited.
It may happen that the achievement of the required slope values is impossible, neither by the fish
pass course prolongation by its enormous curving. In this case it is possible to reduce
a big longitudinal slope by the drop ditches, cross section structures or boulder elements.
The recommended shape of the cross section of the fish pass river bed is trapezoidal or dish-shaped,
because they provide a larger water surface then a rectangle cross section. The size of the cross
section, and also its width, is determined by the maximal design discharge rate, the expected
quantity of migratory fish fauna and the area, on which it is possible to build the fish pass. The most
efficient way is to combine both types to obtain an appropriate streamline routing along the whole
length of the fish pass. If we decide for a rectangle cross section, then it is necessary to involve also
barriers with slot(s) into the cross section. So a pool fish pass is created. The design of single stones
and boulder sills, which positively affect the depths and velocities in the fish pass, is the next step.
The boulder elements in the fish pass river bed have various functions, e.g. the depth increasing,
velocity influence. It is possible to use them locally, whereby they might be varying
with the sections without any elements. In such a way, enough refuge possibilities for the fish fauna
in the pools behind the boulder elements are created, the effect of the water surface stirring
is achieved. All these sections enable a continuous two-way fish migration.
Verification
The designed fish pass with all elements (slope changes, cross section sills with slots, boulders,
local extension, etc.) has to be modeled with mathematical software. This modeling verifies
the achievement of the required parameters, especially the depths and velocities thus to calculate
the water level and velocity regime of the fish pass for various discharges in the range of the fish
pass operational manual. The most appropriate tool for the modeling of such rugged river bed
is two-dimensional software, which allows the circumfluence of the barriers. However,
for the verification’s needs, a one-dimensional model is faster and more available.
Results
The summary of described knowledge and information leads to a logical system, which
is showed on the scheme of the fish pass design methodology on the water structures (Fig. 1).
The data create direct inputs for the design. After the first suggestion of such a fish pass,
the verification follows. If the boundary requirements (input data) are not fulfilled, it is necessary
to return back to the design module. A successful fish pass design is achieved by the keeping
of the order of the single methodology steps.
This work was supported by Slovak Research and Development Agency under the contract
No. APVV-20-003705.
References
[1] DRUGA, M., MUŽÍK, V., Príloha zámeru: Návrh obtokového rybovodu na MVE Šalková
na Hrone. Júl 2007
- 44 -
[2] HAŠKOVÁ, L., Riešenie hydraulických problémov biokoridorov na vodných stavbách
a metodika ich návrhu. Dizertaþná práca, Katedra hydrotechniky SvF STU v Bratislave, 2007
[3] JUST, T., ŠÁMAL, V. et al., Revitalizace vodního prostĜedí, Praha, 2003.
ISBN 80-86064-72-7
[4] KRAJý, T., CHLÁDECKÝ, B., BELEŠ, P., Monitoring ichtyofauny biokoridoru vodného
diela Žilina a overenie jeho funkþnosti v roku 2007. Slovenský rybársky zväz – Rada Žilina,
Február 2008
Fig. 1 The scheme of the fish pass design methodology
- 45 -
SCENÁRE EXTRÉMNEHO ODTOKU Z TOPENIA SNEHU
PRE NÁVRHY PROTIPOVODĕOVEJ OCHRANY
EXTEREME RUNOFF SCENARIOS FROM
SNOWMELTING FOR PROPOSALS OF FLOOD
PROTECTION
Michal Danko*, Kamila Hlavþová**, Silvia Kohnová***, Ján Szolgay****
The aim of the study was to estimate flood risk from snow melting processes in the Raþa
region. As a reference flood situation for spring floods the flood wave observed
in the Vajnory – Raþiansky potok in March 2006 was selected. The flood was caused
by combination of snow melting processes, relatively high precipitation and increasing
in air temperature. For modelling runoff from precipitation and snow melt a conceptual
rainfall-runoff model was used in a daily time step. Parameters of rainfall- runoff model
were calibrated on the data from the period 2005-2006. Efficiency of the model was
controlled by the Nash – Sutcliffe coefficient. Using the model with calibrated parameters,
different scenarios of extreme floods were simulated (combining high precipitation
and snow water equivalent with design values of 100 and 1000 years).
Úvod
Extrémne výkyvy poþasia v posledných rokoch veĐmi ovplyvĖujú vodný režim v povodiach.
Najväþšie odtoky vznikajú nielen pri letných búrkach, ale hlavne pri jarnom topení snehu. VeĐká
akumulácia snehu cez zimné obdobie môže pri prudkom oteplení na jar spôsobiĢ nemalé povodne.
Priam katastrofálne následky môže maĢ spolupôsobenie rýchleho nárastu teploty vzduchu
a nadmerné zrážky pri vysokej akumulácii snehu v tomto období. Typické akumulaþné obdobie
pre formovanie zásob snehu na našom území sú mesiace december až február. Cez tieto mesiace
sa vytvára prevažná zásoba vody v snehovej pokrývke. Z vodohospodárskeho hĐadiska sa vplyv
snehovej pokrývky prejavuje najmä na jar a topenie snehu spôsobuje, že z hĐadiska roþného
rozdelenia odtoku sa maximá v našich tokoch vyskytujú práve v jarnom období.
Modelovanie odtoku z jarného topenia snehu v povodí Raþianskeho potoka
Extrémna zrážkovo-odtoková udalosĢ na území Raþe na jar 2006 bola spôsobená veĐkou
akumuláciou snehovej pokrývky na povodí, rýchlym oteplením a pomerne výdatnými zrážkami
za krátky þasový úsek. V profile Vajnory – Raþiansky potok, ako aj na prítokoch do Raþianskeho
potoka vznikli extrémne niekoĐko dní trvajúce prietokové vlny, vyznaþujúce sa vysokými prietokmi
a najmä veĐmi vysokými objemami.
*
Michal Danko, Katedra vodného hospodárstva krajiny, SvF, STU v Bratislave, [email protected]
Kamila Hlavþová, Katedra vodného hospodárstva krajiny, SvF, STU v Bratislave, [email protected]
***
Silvia Kohnová, Katedra vodného hospodárstva krajiny, SvF, STU v Bratislave, [email protected]
****
Ján Szolgay, Katedra vodného hospodárstva krajiny, SvF, STU v Bratislave, [email protected]
**
- 46 -
Spracovanie vstupných údajov
VzhĐadom na to, že pre modelovanie odtoku bola použitá verzia Z-O modelu so sústredenými
parametrami, boli v ćalšom testované rôzne metódy na urþenie priemerných denných hodnôt
klimatických prvkov na povodie (metóda Thiessenových polygónov, metóda aritmetického
priemeru, metóda teplotného gradientu), ako aj rôzne kombinácie použitých klimatických staníc.
Priemerné denné úhrny zrážok na povodie sme urþili zo všetkých zrážkomerných staníc metódou
Thiessenových polygónov. Ćalšie vstupné údaje pre modelovanie odtoku predstavovali priemerné
denné hodnoty potenciálnej evapotranspirácie, ktoré boli vypoþítané metódou Blaney – Cridle
na základe priemernej dennej teploty vzduchu a indexu oslnenia. Index oslnenia vyjadruje
percentuálny podiel trvania slneþného svitu v danom dni k celkovému trvaniu slneþného svitu
za rok. Index oslnenia bol vypoþítaný modelom Solei na základe digitálneho modelu reliéfu
pre každú gridovú bunku (100 x 100 m). Denné hodnoty indexu oslnenia boli vypoþítané
ako priemerné hodnoty zo všetkých buniek povodia v aktuálnom dni.
Obr. 1 Rozloženie jednotlivých staníc na povodie s vytvorenými Thiessenovými polygónmi
Kalibrácia zrážkovo – odtokového modelu
Na modelovanie odtoku z jarného topenia snehu bol použitý hydrologický zrážkovo-odtokový
model s polo-rozþlenenými parametrami vyvinutý na Katedre vodného hospodárstva krajiny
(Kubeš, 2002; Kubeš a Hlavþová, 2002; Kubeš a Zvolenský, 2003; Kubeš, 2007). CieĐom
kalibrácie Z-O modelu je urþiĢ parametre modelu tak, aby bola dosiahnutá þo najlepšia zhoda medzi
meranými a simulovanými prietokmi v závereþnom profile povodia. Pri kalibrácii parametrov
modelu sme kalibrovali model na viacerých obdobiach, pri doladení parametrov sme sa sústredili
hlavne na krátke obdobie približne 30 dní poþas priebehu odtokovej vlny na jar 2006.
Ako objektivizaþná funkcia pre posúdenie zhody medzi meranými a simulovanými
priemernými dennými prietokmi bol použitý koeficient Nash – Sutcliffe v tvare:
t
t
Qobs
Qsim
¦
t 1
1
2
T
t
Qobs ¦t 1 Qobs
T
NS
2
(1)
Pretože pri kalibrácii modelu sme sa zamerali na þo najlepšiu simuláciu prietokov poþas
trvania extrémnej prietokovej vlny z jarného topenia snehu v roku 2006, na obr. 2 je znázornené
porovnanie meraných a simulovaných priemerných denných prietokov v profile Vajnory.
- 47 -
Tvorba scenárov extrémnych prietokových udalostí z topenia sa snehu
Pri simulácii extrémnych odtokových situácií z topenia snehu sme ako referenþnú uvažovali
prietokovú vlnu z topenia snehu na jar v roku 2006. Z meraných klimatických údajov pred a poþas
tejto udalosti vyplynulo, že uvedenú povodeĖ spôsobila kombinácia veĐkej snehovej zásoby snehu
na povodí, trojdĖových príþinných zrážok s celkovým úhrnom 34,1 mm a prudkým oteplením.
Simuláciou vodnej hodnoty snehu pre túto udalosĢ sa potvrdilo, že vodná hodnota snehu
na zaþiatku udalosti predstavovala hodnotu 161 mm, t.j. hodnotu s priemernou dobou opakovania
takmer 50 rokov.
Scenáre so zmenou vodnej hodnoty snehu a zrážkami
V ćalšom kroku sme kombinovali rôzne scenáre so vstupnými hodnotami vodnej hodnoty
snehu a niekoĐko-dĖových zrážok v rôznymi priemernými dobami opakovania N tak, aby sme
ich kombináciou dostali prietokové udalosti s priemernou dobou opakovania N = 100. Scenáre
pre 100 roþné udalosti sme vytvorili kombináciami: 2 roþná vodná hodnota snehu (vhs) a 50 roþná
1 až 3 dĖová zrážka; 5 roþná vhs a 20 roþná zrážka.
Tab. 1 Kombinácia N-roþných hodnôt vodnej hodnoty snehu
a úhrnov zrážok pre 3 dĖové zrážky
vlna vhs zrážky Vhs zrážky Qmax
V
N - roþnosĢ
mm
mm
m3/s
m3
100
2
50
40
79.1
3.025
1938058
100
5
20
70
67.7
3.104
2337098
1000 50
20
175
67.7
5.096
4343856
6
3
Q[m /s]
5
4
3
Qobs
2
Qsim
1
10.03.2006
13.03.2006
16.03.2006
19.03.2006
22.03.2006
25.03.2006
28.03.2006
31.03.2006
03.04.2006
06.04.2006
09.04.2006
12.04.2006
15.04.2006
18.04.2006
21.04.2006
24.04.2006
27.04.2006
30.04.2006
03.05.2006
06.05.2006
0
Dni
Obr. 2 Najvyššie prietoky a zároveĖ aj najväþší objem vlny pre 1000 roþný scenár (50 roþná vhs
a 20 roþná zrážka)
Odvodenie prietokových vĎn pre þiastkové povodia v povodí Raþianskeho potoka
Pre úþely protipovodĖovej ochrany Raþe bolo potrebné výsledné scenáre preniesĢ
do závereþných profilov prítokov Raþianskeho potoka, na ktorých nie sú k dispozícii merania
prietokov. Na obrázku 3 je 1000 roþný scenár prenesený na jednotlivé prítoky Raþianskeho potoka.
- 48 -
5
Qd - celkove zo scenaru
swe50_p20
4
Raciansky potok
3
Stupavska cesta
2
Bansky potok
1
Pieskovy potok
0
Na Pantoch
12.04.2006
10.04.2006
08.04.2006
06.04.2006
04.04.2006
02.04.2006
31.03.2006
29.03.2006
27.03.2006
25.03.2006
23.03.2006
21.03.2006
19.03.2006
3
Q [m /s]
6
Qd_opravena_vlna_povodna
Dni
Obr. 3 Denné prietoky pre 1000 roþný scenár s trojdĖovou zrážkou (50 roþná vhs a 20 roþná
zrážka)
Záver
Práca sa zaoberá posúdením ohrozenosti územia Raþe jarnými povodĖami z topenia snehu.
Koncepþným zrážkovo-odtokovým modelom so sústredenými parametrami v dennom kroku,
nakalibrovaným na extrémnu odtokovú vlnu z jarného topenia snehu, boli simulované rôzne scenáre
extrémneho odtoku, ktoré by mohli vzniknúĢ rôznymi kombináciami extrémnych zrážok
a predchádzajúcej zásoby snehu na povodí tak, aby simulované odtokové udalosti mali priemernú
dobu opakovania 100 a 1000 rokov. Výsledky môžu slúžiĢ pre dimenzovanie opatrení
pre protipovodĖovú ochranu (napr. dimenzovanie poldrov).
Ćakujeme agentúre APVV za podporu projektu LPP-0254-07 a taktiež agentúre VEGA
za podporu projektu 2/0096/08.
Literatúra
[1] KUBEŠ, R., Uplatnenie zrážkovo-odtokového modelu pri simulácii extrémnych zrážkovoodtokových situácií. In: 14. Konferencia mladých hydrológov. Práce a štúdie SHMÚ 66.
Bratislava: SHMÚ. 29-40. 2002
[2] KUBEŠ, R., HLAVýOVÁ, K., Simulácia extrémnej zrážkovo-odtokovej situácie na povodí
Hrona. In: X. medzinárodný posterový deĖ „Transport of Water, Chemicals and Energy
in the System Soil – Crop Canopy – Atmosphere“. Bratislava: ÚH SAV, GFÚ SAV. 9 s, CD,
ISBN 80-968480-9-7. 2002
[3] KUBEŠ, R., ZVOLENSKÝ, M., Flood Forecasting for the Upper Hron River Basin.
In: Zborník z XV. konferencie mladých hydrológov. Bratislava: SHMÚ, SMS SAV, SVH,
ZZVH. 12 s., CD, ISBN 80-88907-41-1. 2003
[4] KUBEŠ, R., Návrh koncepþného zrážkovo-odtokového modelu pre hydrologické predpovede.
Dizertaþná práca. SvF STU v Bratislave, Bratislava. 2007
- 49 -
THE POSSIBLE WAYS OF REDUCTION OF SULPHATE
CONCENTRATION INCREASE IN GROUNDWATER
Libuše Ćurćová*
The districts with specific hydrogeological structure and climatic conditions
at the Morava river watershed have in their territories important wellfields, at which
during the past decades sulphate concentration increase was verified at the level above
the limits of Drinking Water Norm ýSN 75 71 11. Concentration of sulphate decreased
in majority of studied wellfields under influence of the decrease of groundwater
exploitation and in another conditions by the efect of infiltration of water into
underground in neighbourhood of pumped wells. Possible optimum solution eliminating
sulphate concentration increase is an infiltration of suitable surface water. This needs
solution of all related probléme of pumping of surface water for infiltration: payment
for pumping of water from the surface stream, ensure clearness of water by pretreatment
and elimination of genesis of air layer at rock profile under infiltration basin.
General natural conditions and specific hydrogeological structure at the Morava river
watershed and factors of sulphate concentration increase
At important wellfields on territories of districts of Hodonín, Uherské HradištČ, KromČĜíž
and others at the Morava River watershed in previous decades the sulphate concentration increase
over the limit values of Drinking Water Norm ýSN 75 71 11 has ocurred and exceptionally has
been even now increased in some monitoring wells. This sulphate concentration decreased back
partly by the reduction of groundwater exploitation and partly by the effect of infiltration of surface
water. The assessment of the geological structure of districts with these wellfiellds has revealed that
the main sulphate source are minerals in rocks of Neogene or Paleogene bedrock or in vicinity
of structure. The results of verification of izotope composition of į 34S of sulphates from ground
and surface water has confirmed the conclusion that the source goes from geological environment.
The izotope composition of į 34S of sulphates of water (ground and surface) was evaluated from
water samples from wellfield KnČžpole and its vicinity settlement, from mineral crystal of gypsum
from the field from Ježov by Kyjov, from mineral water of springs from Spa Luhaþovice and from
wellfield Podluží by Moravská Nová Ves to assess their genetic relationships and different sources.
The decrease of water table is evident from the evaluation of trends of average annual
watertable level at monitoring wells of CHMI from the period of almost 70 years (1934 – 2001)
in southern Moravia conducted by Koukalová. The main cause of decrease of water table
is unsuitable ratio of total annual rainfall and evapotranspiration especially in southern Moravia.
This trend led at period of end of the 20th century with rainfall deficit to the very minimum
watertable levels at 1983 y. and 1993 y. was following. The second important factor of sulphate
concentration increase is the factor climatic in combination with antropogenic, as for the 80th
the extreme exploitation of water was typical in many wellfields. Share of sulphur bacteria was
verified as their activity in territory rich in organic matter is there expected (Acidithiobacillus
thiooxidans and Acidihtiobacillus ferrooxidans) as well as presence of desulfatation bacteria
reducing sulphates (Desulfovibrio sp.). From the above listed follows that microbiological activities
represent the third factor of genesis of sulphates.
*
Libuše Ćurćová, Katedra geologie, PĜírodovČdecká
[email protected], [email protected]
fakulta,
Univerzita
Palackého
v
Olomouci,
- 50 -
Higher sulphate concentration consequence - genesis of sediments and precipitates
Research of water quality at monitoring wells by wellfield Podluží revealed that increased
sulphate concentration has caused sediment and precipitate genesis at the bottom of wells in layers
achieving thickness 2,0 - 4,0 m after 20 years (monitoring wells from 1989) of reaction of water
with higher sulphate concentration with the Neogene clay bedrock. The clay bedrock important
component is montmorillonit (containing Al3+) and another clay minerals, whose layer structure
enables them to absorb water into space among layers and so volume is extremely enlarged.
Another reactions are undergoing between water with sulphates and also rich in organic matters
and well cases materials – iron, plastic. There is also strong influence of warm climate
in the southern Moravia on processes (Podluží wellfield) and share of bacteria in the process
of destruction of organic matter from meadow woods, which are producing a lot of organic acids
helping intesification of decay of clay minerals of rocks and forming special metal precipitates
in sediments with Al-colloids, Fe-precipitates and sulphan. Similar sediments and precipitates
can be expected at wells used for drinking water exploitation as it was verified by TV camera
during wells reconstruction in another wellfields at remoted areas of the Czech Republic. Extraction
of sediments from wells and mechanical and chemical cleaning of well cases is necessary as had
been verified at Podluží. There is also very necessary control of regeneration works conducted
of supplying companies by water works own experts as application of strong acids into wells not
only can destroy the rest old well cases but destroy iron pipes for water and change pH in saturation
zone of rock profil for a longtime period and groundwater chemistry is then so aggressive that
all equipment has to be changed.
Fig. 1 GIS map with layout of sulphate concentation at ground and surface water
at wellfield Podluží anf its vicinity in 2004 y.
Elimination ways of sulphate concentration – cleaning of well cases and infiltration
As prevention of water level decrease of groundwater and related following sulphate
concentration increase, there were conducted in previous decades of the 20th century infiltration
experiments with the Morava river surface water pumped into so called cassetes, which were
shallow rectangular oblong ponds by pumped wells in meadow woods of wellfield KnČžpole,
to the north from district town Uherské HradištČ. These infiltration experiments were realized
and evaluated during the 70th by Profesor Václav Hálek and hydrogeologist Josef Malý. The other
- 51 -
form of infiltration is the use of an old reconstructed canals (of Lichensteins and canals with net
of natural streams from the Great Moravia period) in meadow woods with water from power plant
Hodonín, as it had been proved at wellfield Podluží. The today experts should be invited to pay
attention and to solve 3 related topics:
- from the area of legistature – to make it possible to reduce the payment for water
pumped from the Morava river for infiltration in case of wellfields threatened
by increasing of sulphate concentration risk,
- conduction and monitoring of continuous verification of water quality pumped from
the Morava river for infiltration and development of safe system of pretreatment,
- research of infiltration process into canals and cassets (infiltration ponds) and their
results from point of view of prevention from forming of negative features in rock
profile as colmatation, clogging and air layer development as a block of water
penetrating to saturation zone. Even wellfields without threaten of sulphate
concentration increase should work on elimination of long time deficit of rainfall from
the second half of the 20th century.
Annual total rainfall (mm)
Exploited water (l/s)
Concentration sulphate (mg/l)
KnČžpole – Wellfield IA – changes of sulphate concentration at
1961-1981 in relationship to annual total rainfall and exploited
water volume
Linear trend of total annual rainfall y = 554,04 - 2,7635x
Linear trend of sulphate concentration SO4 y = 16,204x - 2,7411
700
600
500
400
rainfall mm
SO4 mg/l
300
Q well IA
200
100
0
Years 1961-19811
2
3
4
5
6
7
8
9
10
11
12
13
14
15
16
17
18
19
20
Fig. 2 Sulphate concentration consequent increase at groundwater of wellffield IA
KnČžpole during years 1961-1981 and regression lines of linear trends
of sulphate concentration increase and the decrease of total annual rainfall
(data from meteorological station Staré MČsto u Uherského HradištČ)
- 52 -
C o n c e n tra tio n o f S O 4 a n d C a a t 1 9 6 0 - 1 9 9 8 a t c o lle tin g w e ll S B IA
400
mg/l
350
300
SO4
250
Ca
200
150
100
50
97
94
92
60
/1
0
62
/0
9
63
/0
8
64
/0
8
67
/0
3
68
/0
6
69
/0
8
71
/0
7
73
/1
0
76
/0
4
78
/1
0
80
/0
5
84
/0
7
87
/1
0
0
Fig. 3 Sulphate concentration increase and nonparallel Ca2+ concentration changes wellffield KnČžpole
400
350
300
250
200
150
100
50
0
SO4
97
94
92
/1
0
/0
7
87
/0
5
84
/1
0
80
/0
4
78
/1
0
76
/0
7
73
/0
8
71
/0
6
69
/0
3
68
/0
8
67
/0
8
64
63
62
60
/0
9
Mg
/1
0
mg/l
Colleting well SBIA at 1960-1998 - concentratio of SO4, Mg
Fig. 4 Sulphate concentration increase and nonparallel Mg2+ concentration changes wellffield KnČžpole
References
[1] HÁLEK V., KnČžpole IV. – hydrogeologický prĤzkum, pĜíl. k závČreþné zprávČ
hydrogeologického prĤzkumu. Geotest Brno 1979
[2] ĆURĆOVÁ, L., Causes of sulphate concentration increase in groundwater. In Proc. of XI.
Konference Hydrogeochémia 2007 Bratislava, Nové trendy v hydrogeochémi. Bratislava:
Faculty of Nat. Sc., Komenský Univ. Bratislava, Univ. Šlanski Katovice, VŠB Ostrava
[3] SOUKALOVÁ, E., Režim podzemní vody v oblasti dolního a stĜedního toku Ĝeky Moravy.
In Sb. 5.Kon. Hydrologické dny 18-21.9.2000 PlzeĖ. ýHMÚ. Praha: VÚT TGM 2000
[4] ĆURĆOVÁ, L., Role of sulphur metabolising species Acidithiobacilli – their characteristics,
presence and its consequences in location at the Morava river watershed, Proceed.
of the 8th International conf. Environment and Mineral Processing, 24.-26.6.2004, Ostrava,
p. 494-498, VŠB-TUO, Ostrava 2004
- 53 -
VYUŽITÍ GABIONģ K OPEVNċNÍ ABRAZÍ
POŠKOZENÝCH BěEHģ NA ÚDOLNÍ NÁDRŽI BRNO
APPLICATION OF GABIONS ON SLOPES DAMAGED
BY ABRASION ON THE BRNO DAM
Lucie Foltýnová*, Pavel Široký**
The main effect on the formation and development of the shore abrasion have water
surface waves and other aspect appearing during interaction between water and reservoir
shores – especially a long-term regime of the reservoir, water levels (minimum, maximum,
average), influence of shipping, quantity of vegetation etc. Not only the Brno dam,
but also other reservoirs in the Czech republic and abroad are endangered by the shore
abrasion. The Osada area on the left bank used as a recreational place is heavily
damaged part of the Brno dam. Abrasion cliffs are up to five metres high.
We can conclude from long-term observation and measurement of this place that
recession of cliffs is progressing very rapidly. There is a discussion on the best way
to prevent shore abrasion in the recent time. Gabions and geotextile was chosen
from several possibilities as best and environmental friendly. Nowadays preparative
works for installation are proceeding.
Vlnová abraze
BĜehy vodních nádrží jsou bČhem provozu vystaveny specifickému geomorfologickému jevu,
a sice zmČnČ tvaru bĜehĤ – procesu pĜetváĜení. K velmi intenzivním zmČnám krajiny dochází
zejména v oblasti styku vodní hladiny a pevné hmoty pobĜeží, kde v dĤsledku þinnosti vln dochází
k ústupu bĜehové þáry. Úþinek pohybu rozsáhlých vodních ploch na bĜehy se nazývá vlnová abraze,
nČkdy je možné se setkat s termínem limnická eroze pobĜeží.
Vlnová abraze bĜehĤ je proces mechanického obrušování, rozrušování a ohlazování povrchu
hornin úþinkem vlnČní spojený s transportem a ukládáním uvolnČného materiálu, k nČmuž dochází
za urþitých podmínek a za spolupĤsobení množství faktorĤ a pĜírodních þinitelĤ.
Velikost, tvar a intenzita pĜetváĜení bĜehĤ zpĤsobených abrazí závisí pĜedevším na:
- pokryvných útvarech bĜehĤ (geologické a pedologické pomČry, fyzikálnČ mechanické
vlastnosti),
- geomorfologických pomČrech (sklony bĜehĤ).
Vznik vlnové abraze je podmínČn pĤsobením následujících þinitelĤ:
- vlnČní eolického pĤvodu (zpĤsobené vČtrem),
- vlnČní zpĤsobené pohybem plavidel,
- kolísání hladiny v nádrži,
- úþinky mrazu a tání,
- vliv ledové pokrývky a pohybu ledových ker,
- vliv prĤsaku vody pĤdním horizontem a povrchové vodní eroze,
- antropogenní vlivy.
*
**
Lucie Foltýnová, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Pavel Široký, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 54 -
PĜetváĜením bĜehĤ abrazní þinností vln jsou poznamenány zátopové oblasti velké vČtšiny
našich vodních nádrží. Tento þlánek je zamČĜen na údolní nádrž Brno, která je znaþnČ zasažena
bĜehovou abrazí a na které už Ĝadu let probíhá výzkum v rámci posouzení stavu abrazí poškozených
bĜehĤ a návrh jejich stabilizace.
Drátokamenné koše - gabiony
Gabiony jsou drátokamenné prvky ve tvaru krychle nebo kvádru vyrobené z drátČné sítČ
se šestiúhelníkovými oky. Jsou vyplnČné pĜírodním kamenem a skládají se ze dna, boþních stČn,
víka a pĜepážek.
Pro výplĖ gabionĤ mohou být použity pouze pevné úlomky hornin nebo valouny, které
nepodléhají povČtrnostním vlivĤm, neobsahují vodou rozpustné soli a nejsou kĜehké. PĜednost mají
horniny s vyšší mČrnou hmotností a nízkou pórovitostí. Vhodným materiálem pro výplĖ je þediþ,
žula, tvrdý vápenec, pískovec. Frakce materiálu tvoĜící výplĖ musí být vČtší, než prĤmČr ok pletiva,
ale maximálnČ 2,5krát vČtší. Je možno použít 10 až 15 % kamene menší frakce, þímž se výraznČ
sníží mezerovitost. RozmČrnČjší kameny jsou pĜijatelné za pĜedpokladu, že jejich celkový objem
nepĜekroþí 5 % objemu buĖky.
Výhody gabionĤ:
- stabilita, staticky spolupĤsobení s terénem, technická variabilita, bez dilataþních spár,
možnost dodateþného napojení bez pracovních spár, schopnost dotvarování, mČlké
zakládání,
- pĜírodní vzhled, vhodné do CHKO, NP,
- recyklovatelnost (možnost odstranČní a zpČtného využití materiálĤ),
- vynikající zvukový útlum,
- krátká doba realizace (okamžitá statická funkce),
- stávají se pĜirozenou souþástí terénu (možnost ozelenit, nechat prorĤst koĜenovým
systémem),
- suchá montáž – možno provádČt i v zimních podmínkách,
- nenarušují pĜírodní vodní režim (absorbují energii vody, propouští vodu).
Zájmové oblasti
Na údolní nádrži Brno je nejvíce postiženým územím rekreaþnČ hojnČ využívaná oblast Osada,
která se nachází na levém bĜehu nádrže. Zaþátek posuzované oblasti je ohraniþen pĜístavním
mĤstkem, který v letním období slouží jako nástupištČ pro místní lodní dopravu. Konec úseku
je u zátoky, která se nachází pĜímo pod místní restaurací Princezna. Materiál bĜehĤ je tvoĜen
zahlinČnými štČrkopísky, svrchní vrstva je pak tvoĜena sprašovými hlínami o promČnné mocnosti
od 0,3 – 2,0 metrĤ. Vrstva lesní pĤdy je hluboká asi 0,3 m. PobĜeží je tvoĜeno soustavou antiklinál
a synklinál, tedy soustavou nevelkých sníženin vytvoĜených dlouhodobou erozí. Celá oblast je silnČ
zasažena abrazí. NejvČtší nebezpeþí pĜedstavují bĜehové pĜevisy, které drží jen díky dokonale
prorostlému koĜenovému systému dĜevin. Výška abrazních srubĤ se na celém úseku pohybuje
v rozmezí od 2 – 5,5 metrĤ.
Druhou oblastí, na které bude provádČna stabilizace je oblast Rokle. Tato oblast leží na pravém
bĜehu údolní nádrže Brno mezi pĜístavištČm lodní dopravy Rokle a U kotvy. Upravovaný úsek
je dlouhý asi 1200 metrĤ. Oproti OsadČ se zde vyskytují nižší abrazní sruby a bĜehy jsou ménČ
poškozené. Místy se ale i zde vyskytují sruby výšky 2 – 3 metrĤ. Materiál bĜehu je tvoĜen
rozrušeným skalním podkladem, místy sprašovým horizontem krytým vrstvou 0,2 – 0,4 m lesní
pĤdou.
- 55 -
Obr. 1 Abrazní srub v oblasti Osada
Obr. 2 Abraze v oblasti Rokle
Stabilizace abrazních srubĤ
Pro zajištČní bezpeþnosti pĜíbĜežního území a stability bĜehĤ údolní nádrže Brno je dĤležitý
návrh vhodného bĜehového opevnČní. Za nejvhodnČjší ochranu bĜehĤ pĜed vznikem a rozvojem
bĜehové abraze lze považovat biotechnické zpĤsoby opevnČní. Tyto zpĤsoby jsou založeny
na vhodné kombinaci tuhých, neživých prvkĤ (kámen, dĜevo…) s podzemními a nadzemními
þástmi živých rostlin.
V posuzovaných oblastech, tedy v oblasti Osada a Rokle, jsou navrženy, jako nejvhodnČjší
stabilizaþní prvek, drátokamenné koše neboli gabiony. Bude použito obdélníkových košĤ
vyrobených z žíhaného pozinkovaného drátu s šestiúhelníkovými oky. Okraje košĤ budou
vyztuženy dráty vČtších prĤmČrĤ oproti drátu sítČ pro vhodnČjší manipulaci a zpevnČní konstrukce.
PĜed usazením spodní – základové Ĝady košĤ je tĜeba urovnat abrazní plošinu u paty svahu. Koše
budou následnČ kladeny a vzájemnČ propojovány dle pĜedem vytvoĜeného schématu. VýplĖ košĤ
je tvoĜena kamenem o velikosti zrn 80 – 200 mm. Spodní – základová Ĝada košĤ musí být zepĜedu
pĜitížena lomovým kamenem o velikosti zrn 500 mm, aby byla zajištČna vČtší stabilita a zabránilo
se tak nepĜíznivému pohybu košĤ.
- 56 -
Obr. 3 OpevnČní vyšších abrazních srubĤ
V místech sesvahování bĜehu nad drátokamenným košem mĤže být využito pro zvýšení
stability svahu spolupĤsobení koĜenového systému dĜevin þi travin a geosyntetické stabilizaþní sítČ.
PĜípadnČ je možno navrhnout pĜekrytí svahu jutovou sítí s Ĝádným pĜichycením do svahu dĜevČnými
kolíky. O pĜípadném místním využití této podpĤrné stabilizace se bude rozhodovat bČhem realizace
stavby.
Pro stabilizaci bĜehĤ s nízkými abrazními sruby budou použity také drátokamenné koše
uložené ve dvou pásech podélnČ vedle sebe, dle schématu. PĜed prvním pásem bude provedena
výsadba rákosin pro zajištČní stability košĤ. Vrchní þást bĜehu bude sesvahována a bude
zde provedena výsadba vrbových ĜízkĤ.
Obr. 4 OpevnČní nízkých abrazních srubĤ
Seznam použité literatury
[1] NOVÁK, L., IBLOVÁ, M., ŠKOPEK, V., Vegetace v úpravách vodních tokĤ a nádrží, Praha:
SNTL, 1986, ISBN 04-701-86
[2] ŠLEZINGR, M., BĜehová abraze – pĜíspČvek k problematice zajištČní stability bĜehĤ,
Akademické nakladatelství CERM, s.r.o.Brno, 2004, ISBN 80-7204-342-0
[3] ÚěADNÍýEK, L., ŠLEZINGR, M., Stabilizace bĜehĤ za využití armované zemní konstrukce
s podporou koĜenových systémĤ dĜevin, Akademické nakladatelství CERM, s.r.o.Brno, 2007,
ISBN 978-80-7204-550-1
[4] VALOUCHOVÁ, K., Návrh Ĝešení stability bĜehĤ nádrží ve smyslu prevence obrazních jevĤ
[5] www.gabiony.cz
- 57 -
STOCHASTIC PREDICTION OF THE WATER SEEPAGE
OF THE WATER CONSTRUCTION
Ján Hakáþ*
The paper presents statistical method, in form of time series, for actual evaluation
and future prediction of filtration stability of the water constructions. The methodology
of using time series for immediate check of actual filtration stability and for prediction
of filtration stability in the future is described.
The ability to predict the level of the water and total filtration stability of the water
constructions by using real measures in time series is desirable step to ensure adequate
safety with the possibility to early solve potential defects.
Introduction
Just few attempts have been made to apply non-linear stochastic models in water constructions.
Applying non-linear models for prediction of the events isn't a simple problem particularly, when
prediction of more than one period is required. Therefore, reliability of various models of time
series, including models using variable regimes in predicting time series, must be tested for their
future exploitation.
In this paper, we present the use of stochastic models in order to predict the water seepage
in the wells of the water construction. The aim of this paper is to assess agreement between
predicted and measured levels of the water seepage in wells of the water construction Liptovska
Mara. We suppose that the predicted values will match the values that were measured.
Methods
Measures of the water level in observation wells PS41 and PS42 on downstream slope
of the water construction of Liptovska Mara were performed during 204 months (from of the year
1991 by the year 2007). The measures were done in one week periods. Overall 887 measures were
obtained.
Characteristic of the used water construction
For the study purpose, water construction Liptovska Mara was used to obtain required
measurements. Liptovska Mara was built in 1965-1975. The area of the reservoir is 22 km2,
max. depth is 45 m and the capacity is 360 mil. m3. The earth field water construction Liptovska
Mara has its main function in balancing the flows of the river Vah and protection against floods,
supplying drinking-water, production of electric power from the flow and from pump-over
of the river Vah, production of electricity in other hydropower plants and creation of conditions
for recreation and sports and breeding fishes in the Tatra region. Liptovska Mara supplies other
hydropower plants of the Vah – cascade (such as water construction KrpeĐany and Žilina).
Nonlinear stochastic models
Nonlinear stohastic models were used for prediction of the seepage water level in the water
construction in one week periods. SETAR model which was recently used in financial mathematics,
*
Ján Hakáþ, Vodohospodárska Výstavba, š.p., Karloveská 2, 842 04, Bratislava, Slovakia, [email protected]
- 58 -
such as TAR (Threshold Autoregressive) and SETAR (Self-Exciting Threshold Autoregressive)
or STAR (Smooth Transition Autoregressive) models enabling to model nonlinearities and breaks
in the development of the corresponding time series, was applied.
The principle of stochastic model SETAR was previously described. By :t-1, the history
or information set at time t-1, which contains all available information that can be exploited
for prediction of future values xt, xt+1, … . When :t-1 does not contain any information
that can be used in a linear prediction model for xt, the corresponding time series is usually called
a white noise time series Ht. Usually it is required that Ht has a constant (unconditional) mean equal
zero and a constant (unconditional) variance as well.
In general any time series xt can be thought of as being the sum of two parts: what can
and what cannot be predicted using the knowledge from the past as gathered in :t-1. That is, xt can
be decomposed as: xt = E[xt | :t-1] + Qt, where Qt is called the unpredictable part with E[Qt | :t-1] = 0.
SETAR model
SETAR is a special case of TAR models, when the threshold variable qt is taken to be a lagged
value of the time series itself: qt = xt-d for a certain integer d > 0. For example, in the two-regime
case with AR(p1) and AR(p2), the model is
xt = (I0,1 + I1,1 xt – 1 +…+ I p1 ,1 x t p1 ) , [xt – d d c] +
+ (I0,2 + I1,2 xt – 1 +…+ I p2 , 2 x t p2 ) , [xt – d > c] + Ht
(1)
The least squares estimate of c can be obtained by minimizing this residual variance:
cˆ
arg min Vˆ 2 c (2)
cC
1 n
Hˆt c 2 is a residual variance and C denotes the set of all allowed threshold
¦
nt1
values. A popular choice for C is C = { c | x>S 0 n1@ d c d x>1S 0 n1@ } where x(0), …, x(n-1) denote
where Vˆ 2 c the order statistics of threshold variable xt-d, x(0) d …, d x(n-1), and [.] denotes integer part. A safe
choice for S0 appears to be 0.15.
Testing linearity against the alternative of a SETAR model in this paper is define a likelihood
ratio or F-statistics, which tests the restrictions as given by the null hypothesis, that is
§ V~ 2 Vˆ 2 ·
¸¸
n¨¨
(3)
2
© Vˆ
¹
~ 2 is an estimate of the residual variance under the null hypothesis of linearity.
where V
As ĉ minimizes the residual variance over the set C, F cˆ is equivalent to the supremum over this
set C of the pointwise test-statistics F c with an asymptotic F2 distribution with p+1 degrees
of freedom. The distribution of F cˆ is then nonstandard. Because the exact form of the dependence
between the different F c is difficult to analyze, critical values are most easily determined
by means of simulation.
F (cˆ)
Data analysis
The one week measures of the water level and corresponding levels of the water in the water
construction (used as exogenous part in time series) were used as input data for the analysis
- 59 -
of the time series. The values from the first sixteen years (1991-2006) were used for setting
the parameter model of the SETAR for prediction of the seepage in the cross section IV.
of the wells in Liptovska Mara in 2007. First, the trend, cyclical components and seasonal
components were eliminated from these input data. The seasonal elements were detected by using
the autocorrelation function. Other periodic elements were detected through spectral analysis.
Signification frequency was tested by Fisher test. Stochastic tests (test critical value and sign test)
and Portmanteau test with the critical value r 2 / T were used for evaluation of the data set after
elimination of trend and seasonal elements. The value smaller than 95% quintile F2- partitions was
considered as appropriate. Distribution of the time series was tested by Jarque-Bera test, conditions
of stationarity sere tested by KPSS test.
After elimination of the trend, cyclical components and seasonal components, the predicted
values in the year 2007 were acquired by using SETAR model. The real measures from the year
2007 were then used for analysis of agreement and calculation of errors of the predicted measures
assessed by SETAR compared to real measured values. Spearman correlation test was used
to assess correlation between predicted and measured values. Agreement of the values was tested
by using Bland-Altman statistics. The errors of the predicted values were tested by tree independent
methods: 1. RMSE (root mean square error), 2. MSE (mean square error) and 3. MAE (mean
absolute error).
Results
Measured data had normal distribution and satisfy conditions of stationarity. In the Fig. 1,
predicted values (red line) and measured values (blue line) assessed in the time period of the year
2007 in the cross profile IV. of the wells Liptovska Mara are depicted. Coefficient of determination
between the predicted and measured values in the well PS-41 was 0.58 and in well PS-42 was 0.86.
As shown in Bland-Altman plot (Fig. 2 and 3), 94.2 % of the predicted values in well PS-41 were
within the agreement limits specified as ±0.15 m from the absolute agreement between predicted
and measured values. For well PS-42 100 % of the predicted values were within the agreement
limits. Selection predicted errors RMSE (root mean square error), MSE (mean square error)
and MAE (mean absolute error) are listed in Tab. 1.
Fig. 1 Predicted values (red line) and measured values (blue line) in the time period of the year
2007 in the cross profile IV. of the wells Liptovska Mara
Tab. 1 Prediction errors in observation wells
Well
RMSE [m a.s.l.]
PS-41
0.0783
PS-42
0.0082
MSE [m a.s.l.]
0.006142
0.000068
MAE [m a.s.l.]
0.0612
0.0061
- 60 -
Fig. 2 Correlation graph of predicted values and measured values in the time period of the year
2007 and Bland-Altman plot of differences versus average with agreements limits (red line)
in the cross profile IV. on Liptovska Mara of the well PS-41
Fig. 3 Correlation graph of predicted values and measured values in the time period of the year
2007 and Bland-Altman plot of differences versus average with agreements limits (red line)
in the cross profile IV. on Liptovska Mara of the well PS-42
Conclusions
The presented paper shows the ability of using stochastic methods for prediction of the actual
water levels in observation wells in profile IV. on Liptovska Mara. According to the result, there
was excellent agreement between predicted and measured values in both wells. The root mean
square errors of the predicted values were less than 0.08 m a.s.l. What is considered as within
the error allowed limits. We conclude that SETAR model can be used for prediction of the future
levels of the seepage in wells of the water constructions with high agreement. This can help in early
prediction of the anomalies of the water constructions and early management of their potential
negative impacts. Príspevok je súþasĢou riešenia projektu VEGA 1/0704/09.
References
[1] FRANSES, P.H., Time Series Models for Business and Economic Forecasting, Cambridge
University Press, Cambridge, 1998
[2] FRANSES, P.H., van DIJK, D., Non-linear time series models in empirical finance, Cambridge
University Press, Cambridge, 2000
[3] GRANGER, W.J., TERÄASVIRTA, T., Modeling Nonlinear Economic relationships, Oxford
University Press, Oxford, 1993
[4] TSAY, R.S., Testing and modeling multivariate threshold models, Journal of the American
Statistical Association 93 (1998), 1188-1202
- 61 -
VYHODNOCENÍ PěÍMÉHO MċěENÍ ZTRÁTY PģDY
V RÁMCI VEGETAýNÍHO OBDOBÍ
EVALUATION OF VALUE METERING SOIL LOSS
WITHIN THE VEGETATIVE SEASON IN SITU
Veronika Hošková*, Miroslav Dumbrovský**, Jana Uhrová***,
František Pavlík****
Paper deals with evaluation of soil loss by value metering volume of erosive rills in situ.
Data, which are needed for calculation of soil loss, are gained directly from concrete plot.
Cross-sections of terrain are surveyed in experimental plots. It is possible to notice,
thanks to metering directly in situ, how it comes up to dynamical increase in volume
of the soil loss and to changes structure of erosive rills after every rainfall. The great
value of soil loss is caused by gully erosion on the steep descent.
Úvod
PĜíspČvek pojednává o vyhodnocení ztráty pĤdy pĜímým mČĜením objemu erozních rýh. SbČr
dat potĜebných pro výpoþet ztráty pĤdy probíhá pĜímo na konkrétním pozemku, kdy dochází
k zamČĜení vybraných pĜíþných profilĤ terénu. Díky názorné ukázce mČĜení pĜímo v terénu
je možné sledovat, jak dochází k dynamickému nárĤstu objemu ztráty pĤdy a ke zmČnám struktury
sítČ erozních rýh po každém pĜíþinném dešti. Jelikož jsou Ĝešené výzkumné plochy situovány
na svažitém území, kde je pČstovaná po spádnici širokoĜádková plodina - kukuĜice, dochází
na daném pozemku k velkým ztrátám pĤdy pĜevážnČ rýhovou erozí.
Materiál a metoda
Zájmovým územím bylo vybráno povodí Šardického potoka, které se nachází
v Jihomoravském kraji v okrese Hodonín. VýmČra samotného katastru Šardice je 1729.9 ha.
Samotný pozemek, na kterém probíhalo mČĜení a vyhodnocení pedologických charakteristik,
se nachází v severo-západní þásti katastrálního území. VýmČra pozemku je 59.6 ha se svahem
s jihovýchodní expozicí.
Pedologický prĤzkum
NejvČtší plochu Ĝešeného katastrálního území zaujímají þernozemČ typické i degradované.
Na Ĝešeném pozemku se nachází HPJ 08, která dominuje i v celém k. ú. Šardice. Jedná
se o þernozemČ, hnČdozemČ i slabČ oglejené, vždy však erodované, pĜevážnČ na spraších, zpravidla
ve vyšší svažitosti, stĜednČ tČžké pĤdy.
V rámci Ĝešeného pozemku byly testovány tĜi profily ve svahu. Profil I - horní þást svahu,
kde nebyly patrné projevy vodní eroze, profil III - stĜední þást svahu, kde projevy vodní eroze byly
nejvýraznČjší a profil V - spodní þást svahu, kde pĜevládá sedimentace. V každém z tČchto profilĤ
*
Veronika Hošková, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta Stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Miroslav Dumbrovský, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta Stavební, VUT v BrnČ,
dumbrovsk.m@ fce.vutbr.cz
***
Jana Uhrová, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta Stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
****
František Pavlík, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta Stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
**
- 62 -
byly vždy odebrány vzorky z ornice (10 cm) a z podorniþí (30 cm). Pozemek je oset v celé ploše
kukuĜicí, odbČr vzorkĤ probíhal ve vzrostlém porostu v první polovinČ záĜí 2008. Byly stanoveny
následující fyzikální charakteristiky pĤdy: vlhkost pĤdy, objemová hmotnost, mČrná hmotnost
a zrnitost.
Metodika mČĜení ztráty pĤdy
Výzkumné plochy, na kterých byla sledována ztráta pĤdy (eroze pĤdy), se vyskytují na území
s velmi náchylnou pĤdou k erozi. Znaþný odnos pĤdy je zpĤsoben hlavnČ tím, že pČstovanou
kulturou je širokoĜádková plodina kukuĜice. KukuĜice je setá v Ĝádcích po spádnici. Povrchové vodČ
stékající po svahu tak netvoĜí nic pĜekážky a vytváĜí se erozní rýhy široké nČkolik centimetrĤ, místy
až nČkolik decimetrĤ.
Bylo provedeno zamČĜení pĜíþných profilĤ pĤdy na transektách 1 a 2 vedoucí po spádnici
(ve smČru výsevu kukuĜice). Každá transekta zahrnuje 5 þtvercových ploch o velikosti 2 krát 2 m
vzdálených od sebe 50 m. V rámci každé þtvercové plochy bylo zamČĜeno 5 pĜíþných profilĤ
terénu. Výsledkem je výpoþet ztráty pĤdy na 2 m2, následnČ výpoþtem pĜevedeno na 1 ha.
Popis mČĜících zaĜízení
Jedná se o zaĜízení, pomocí kterých se stanoví ztráta pĤdy na vybraných Ĝešených pozemcích.
Tyto pĜístroje provádí zamČĜení a objemovou kvantifikaci erozních rýh pĜímo v terénu. Jedno
ze zaĜízení slouží pro plošný zákres erozních rýh, vzniklých povrchovým odtokem z pĜíþinných
pĜívalových dešĢĤ. Jde o þtvercový rám o vnitĜním rozmČru 2 krát 2 m, který se umístí na vytyþené
body, þímž je dodrženo jeho stále stejné umístČní v terénu pĜi každém mČĜení. Hlavním zaĜízením
je erozní most (obr. 1). Konstrukce slouží k zamČĜení profilĤ pro kvantifikaci objemu erozních rýh
na povrchu pĤdy. Díky tČmto zaĜízením lze vypoþítat erozní smyv po pĜívalovém dešti na Ĝešených
plochách ohrožených vodní erozí.
Obr. 1 Erozní most s jehlicemi znázorĖující profily erozních rýh na povrchu pĤdy
- 63 -
Výsledky a diskuse
Vyhodnocení pedologických vlastností
Stanovená mČrná hmotnost v profilu I (2.64, 2.62 cm3/g) se blíží celorepublikovému prĤmČru.
V profilech III (2.64, 2.69 cm3/g) a V (2.66, 2.69 cm3/g) je tato hodnota mírnČ pĜekroþena.
Teoretickým pĜedpokladem vycházejícím z rozboru neporušeného vzorku bylo ve stĜední þásti
snížení a ve spodní þásti zvýšení objemové hmotnosti zeminy. Tento pĜedpoklad se naplnil:
I (1.77, 1.64 cm3/g), III (1.65, 1.54 cm3/g) a V (1.91, 1.87 cm3/g).
Díky znalosti hodnot objemové hmotnosti je možno posuzovat strukturu. Z dosažených
výsledkĤ je patrné, že v profilu I pĜevládá nestrukturní pĤda, v profilu III je možné hovoĜit
o nestrukturním stavu humusového horizontu a v profilu V opČt pĜevládá nestrukturní pĤda.
Hodnoty objemové hmotnosti v závislosti na hloubce odbČru by mČly vzrĤstat, výsledky mČĜení
však mají opaþnou tendenci, což ukazuje, že v profilu I a III v hloubce 10 cm dochází k projevu
translokace a akumulace látek v pĤdním profilu.
Podle kĜivek zrnitosti se pĜevážnČ jedná na Ĝešeném pozemku o zeminu hlinitou. PĤdní vzorky
obsahují v minimální míĜe þástice skeletu. Jedná se o nestrukturní pĤdy, pĤdní hmota je rozdrobena
do pseudoagregátĤ. Ty se ve vodČ rozplavují a vytváĜí kašovitou pĤdní hmotu. Jestliže povrch
nestrukturní pĤdy vyschne po dešti, vzniká pĤdní škraloup a po orbČ se objevují velké hroudy.
Vyhodnocení ztráty pĤdy
Pro pĜíklad je uveden pĜíþný profil terénu 2/II/5 ze þtvercové plochy II umístČné ve 2. transektČ
(obr. 2). Pro srovnání je graficky znázornČn stav zamČĜení pĜíþných profilĤ na zaþátku vegetaþního
období, tj. 24. 6. 2008 a na konci vegetaþního období, tj. 19. 9. 2008.
Obr. 2 Grafické zobrazení pĜíþného profilu 2/II/5
Z grafu je patrné, že došlo k soustĜedČní povrchové vody na svahu a tím se vytvoĜily erozní
rýhy. Graf udává informaci o šíĜce a hloubce erozních rýh. Pomocí vynesených kĜivek se spoþítal
odnos pĤdní hmoty z jednotlivých profilĤ, následnČ celkový odnos pĤdy ze þtvercové plochy 2/II,
který zaujímá 4 m2 plochy svahu. Celkový odnos pĤdní hmoty [m3] a ztráta pĤdy [t/ha] z polygonu
2/II jsou uvedeny v tabulce 1.
Vyhodnoceny byly pokusné þtvercové plochy umístČné v erozí nejohroženČjší krajinné poloze,
tzn. uprostĜed první poloviny svahu (þtvercová plocha 2/II), kde pĜevládají plochy s rýhovou erozí
nad plochami s mezirýhovou erozí.
- 64 -
Tab. 1 Souþtová tabulka odnosu pĤdní hmoty a ztráty pĤdy
þ. Ĝezu
24. 6. 2008 19. 9. 2008 jednotka
2/II/1
0.029
0.035 m3
odnos pĤdní
2/II/2
0.027
0.031 m3
hmoty pro
2/II/3
0.028
0.031 m3
jednotlivé
2/II/4
0.029
0.034 m3
pĜíþné profily
2/II/5
0.030
0.036 m3
2/II/6
0.030
0.037 m3
0.174
0.204 m3
odnos pĤdní hmoty - celkem
695.698
816.804 t/ha
ztráta pĤdy
434.811
510.503 m3/ha
Výsledky ukazují, že k nejvyšší ztrátČ pĤdy došlo po prvních pĜívalových deštích, kdy vysetá
širokoĜádková plodina (kukuĜice) byla nízkého vzrĤstu, a tím netvoĜila žádné pĜekážky
pro povrchový odtok ani nezmírĖovala degradaþní schopnosti kinetické energie dopadajících kapek.
NáslednČ se v prĤbČhu vegetaþního období zvýšila ztráta pĤdy o 121.11 t/ha, tj. 75.69 m3/ha. Tento
pĜírĤstek erozního smyvu je cca 7krát nižší než odnos pĤdy po prvním pĜíþinném pĜívalovém dešti
(695.7 t/ha), což je zpĤsobeno tím, že v dalším období u kukuĜice zaþíná pĤsobit faktor zvyšujícího
se procenta pokryvnosti území vegetaþním krytem a také faktem, kdy v prĤbČhu následných srážek
docházelo k nepĜíliš výraznému prohlubování již vytvoĜených rýh a tvorbČ dalších rýh.
ZávČr
Díky této metodČ pĜímého mČĜení v terénu je možné zjistit hodnotu ztráty pĤdy po každé
konkrétní pĜíþinné srážce. Lze vyhodnotit jak délku, tak i šíĜku a hloubku erozních rýh,
a tím kvantifikovat objem ztráty pĤdy na konkrétním pozemku.
Dále je vhodné si uvČdomit, zda pČstování širokoĜádkových plodin na svažitých pozemcích
je pro zemČdČlce výhodnČjší, než odstranČní škod vzniklých odnosem pĤdy a transportem splavenin
do vodních tokĤ a jejich následné odtČžení. Pomocí erozního mostu je možné vyþíslit ztrátu pĤdy
z konkrétního pozemku.
PodČkování
PĜíspČvek mohl být zpracován za podpory projektu NAZV QH 72203.
Literatura
[1] HOLÝ, M. a kol. Eroze a životní prostĜedí. Praha: ýVUT, 1994. 383 s. ISBN 80-01-01078-3
[2] JANEýEK, M. a kol. Metodika þ. 5/1992 - Ochrana zemČdČlské pĤdy pĜed erozí. ÚVTIZ
Praha, 1992. 110 s.
[3] MORGAN, R. P. C. Soil Erosion and Conservation, 3rd edition. Blackwell Publishing, Oxford,
2005. 304 pp. ISBN 1-4051-1781-8
- 65 -
SLEDOVÁNÍ A POROVNÁNÍ KVALITY SEDIMENTģ
V MALÝCH PěÍMċSTSKÝCH TOCÍCH
MONITORING AND EVALUATION OF SEDIMENTS
QUALITY IN SMALL SUBURBAN BROOKS
Karel Hrich*, Jitka Malá**, Marcela Lagová***
Quality of sediments of two small water courses near from Brno, Czech Republic,
was evaluated. Concentrations of non-polar hydrocarbons, PCB, OCP, PAHs, Hg, Cd, As,
and Pb were analyzed. There is not any European and/or Czech legislation dealing with
the quality of sediments. Thus, the results were compared both with Methodological
direction of Ministry of the Environment of the Czech Republic dealing with the quality
of soils and with the Sediment Quality Guidelines for Freshwater Ecosystems (U.S.A.).
According to some expectations, EU Water Framework Directive should integrate
modification of these Guidelines in future. It was found that classification of the sediments
according to both criteria was similar.
Úvod
V roce 2007 byl Grantovou agenturou ýeské republiky schválen projekt s názvem Komplexní
pĜístup k revitalizacím malých vodních tokĤ v pĜímČstské krajinČ. Projekt se zamČĜil na oblast
BrnČnska, tedy na pĜítoky Ĝeky Svratky. Souþástí tohoto projektu bylo nejdĜíve zmapovat situaci
na tČchto tocích. Mimo jiné byly odebírány i vzorky Ĝíþního sedimentu, kde byly následnČ
zjišĢovány obsahy vybraných látek a porovnány s platnými pĜedpisy tuzemskými a zahraniþními.
V loĖském roce (2008) se projekt zamČĜil na prĤzkum Ivanovického a ýernovického potoka.
Popis lokality
Studie Atelieru Fontes, s.r.o., OÚPR MMB popisuje námi sledovanou lokalitu takto:
Ivanovický potok je pĜítokem Ĝeky Svratky mimo hranice mČsta Brna. Jedná se o pĜirozenou
vodoteþ, která však technickými zásahy podstatnČ zmČnila svĤj pĤvodní pĜírodní charakter.
Významným zásahem do ĜeþištČ vodoteþe bylo vybudování komunikaþní sítČ (dálnice D1 a dálniþní
pĜivadČþ). TémČĜ celá lokalita, kterou protéká Ivanovický potok, je tvoĜena souvislou zemČdČlsky
obhospodaĜovanou krajinou, z níž þást je tvoĜena zahrádkami a záhumenky. Kvalita bĜehových
porostĤ je rĤzná, pĜiþemž na upravených úsecích porosty mnohdy zcela chybí a dochází
k obdČlávání pĤdy až k bezprostĜední blízkosti vodoteþe. K rekreaþním úþelĤm je využívána oblast
Holáseckých jezer na ýernovickém potoce, který je pĜítokem Ivanovického potoka. Jedná
se o soustavu malých vodních nádrží se zapojenými bĜehovými porosty, které jsou využívány rybáĜi
a pro koupání. Problémem rekreaþního využití celé oblasti jsou chybČjící cyklostezky a narušená
celková prostupnost území z dĤvodĤ husté komunikaþní sítČ (nájezdy k dálnicím D1, D2
a železniþní tratí) [1].
*
**
***
Karel Hrich, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Jitka Malá, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Marcela Lagová, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 66 -
Popis sledovaných látek
- NEL (nepolární extrahovatelné látky) – zahrnují rĤzné uhlovodíky ropného pĤvodu.
Malý podíl uhlovodíkĤ mĤže být i pĜírodního pĤvodu.
- PAU (polycyklické aromatické uhlovodíky) – nejvČtší podíl pĜedstavují PAU vzniklé
pĜi spalovacím procesu. Avšak mohou vznikat i pĜírodními biologickými procesy,
napĜ. biosyntézou Ĝas.
- PCB (polychlorované bifenyly) – dnes je používání zakázáno. Avšak díky jejich
chemické a biologické stabilitČ existuje stále nebezpeþí kontaminace prostĜedí
z bodových zdrojĤ zneþištČní (okolí skladĤ, atd.).
- OCP (organochlorové pesticidy) – jsou vysoce perzistentní, jsou lipofilní, kumulují
se v tucích. Jsou zdrojem chronických (jsou zabudované v potravním ĜetČzci) i akutních
otrav (nespotĜebované zbytky). NejcitlivČjšími organismy k tČmto pesticidĤm jsou ryby.
- Hg (rtuĢ) – toxické úþinky rtuti se využívají u baktericidních a fungicidních preparátĤ.
- Pb (olovo) – zpĤsobuje inhibici tvorby hemoglobinu a má negativní dopad na nervovou
soustavu.
- As (arsen) – má vysoký kumulaþní koeficient pro sedimenty. Jeho slouþeniny mohou
zpĤsobovat chronická onemocnČní.
- Cd (kadmium) – þasto doprovází v prostĜedí zinek. PatĜí mezi velmi nebezpeþné jedy.
ZnaþnČ se kumuluje v biomase. Je toxické pro vodní organismy.
Cíl práce
Hlavním cílem této práce je urþit stav Ĝíþních sedimentĤ a to porovnáním s Kritérii zneþištČní
zemin a podzemních vod MŽP. (Tab. 1) [2]. Tato kritéria byla použita zejména proto, že v právním
Ĝádu ýR dosud není uveden žádný vhodnČjší parametr. Zahraniþními pĜedpisy použitými
k vyhodnocení výsledkĤ byly SQG (Sediment Quality Guidelines for Freshwater Ecosystems)
(Tab. 2) [3], které vznikly ve Spojených státech amerických. Z ní pravdČpodobnČ bude vycházet
i evropská varianta. Její podoba a zaþlenČní do Rámcové smČrnice EU pro vodní politiku je zatím
vČcí diskuze.
Tab. 1 Kategorie zneþištČní podle kritérií zneþištČní zemin a podzemních vod MŽP
[mg/kg sušiny]
Polutant
A
B
C-obyt.
As
30
65
70
Cd
0,5
10
20
Hg
0,4
2,5
10
Pb
80
250
300
PAU celkem
1
190
280
OCP jednotlivČ
0,05
2
2,5
NEL
100
400
500
PCB celkem
0,02
2,5
5
A pĜekroþení limitu A se posuzuje jako mírné zvýšení zátČže,
B pĜekroþení tohoto limitu je posuzováno jako zneþištČní, které mĤže mít vliv na zdraví
þlovČka a jednotlivé složky životního prostĜedí,
C pĜekroþení limitu znamená vysoké riziko ohrožení zdraví þlovČka a dalších složek životního
prostĜedí. Limity jsou zde uvedeny pro podkategorii obytná zóna.
- 67 -
Tab. 2 Limitní hodnoty podle SQG for Freshwater Ecosystems [mg/kg sušiny]
Látka
TEC
PEC
As
9,79
33,0
Cd
0,99
4,98
Pb
35,8
128
PAU celkem
1,61
22,8
PCB celkem
0,0598
0,676
OCP jednotlivČ
0,0019 – 0,00528
0,0176 – 0,572
TEC (Treshold Effect Concentration) – prahová úroveĖ koncentrace
PEC (Probable Effect Concentration) – pĜedpokládaná úþinná koncentrace
OCP – jsou vyjmenovány jako jednotlivé slouþeniny, napĜ. DDT, Dieldrin, Endrin, Lindan.
Metodika odbČru vzorkĤ
Místa odbČrĤ byla vytipována pĜedem na základČ terénního prĤzkumu lokalit. OdbČr sedimentĤ
byl provádČn podle pokynĤ normy ISO 5667-12 [4]. Sedimenty byly odebírány dvakrát roþnČ
(na jaĜe a na podzim), protože se pĜedpokládá, že zmČny v sedimentech se projevují až po delších
þasových úsecích. ZjišĢoval se obsah NEL, PCB, PAU, OCP a vybraných tČžkých kovĤ (Cd, Pb,
Hg, As).
OdbČrová místa jsou v tabulkách (Tab. 3 a Tab. 4) oznaþena þíslicemi, jejich popis
a souĜadnice jsou následující:
1 – ýernovický potok – Rájeþek (N-49°10´8,00´´; E-16°38´31,5´´),
2 – ýernovický potok – BalbínĤv pramen (N-49°9´29,8´´; E-16°38´32,30´´),
4 – Ivanovický potok – pod Holásky (N-49°8´36,40´´; E-16°38´42,40´´),
5 – Závlahový kanál K1 (kanál pĜivádČjící Ĝíþní vodu do Ivanovického potoka)
(N-49°8´33,20´´; E-16°38´24,20´´),
6 – ýernovický potok nad ústím do Ivanovického potoka (N-49°8´36,50´´;
E-16°38´29,60´´),
7 – TuĜanský potok 50m nad ústím (N-49°7´57,90´´; E-16°38´40,10´´),
9 – Dvorský potok – ústí do Ivanovického p. (N-49°7´12,60´´; E-16°38´25,70´´),
10 – Ivanovický potok (Rajhradice) – ústí do Ĝeky Svratky (N-49°5´35,60´´;
E-16°37´13,10´´).
Vyhodnocení výsledkĤ a závČr
Tab. 3 Koncentrace vybraných látek v sedimentech z 27.5.2008 [mg/kg sušiny]
Profil
1
2
4
5
6
7
9
NEL
171
417
104
314
233
146
402
PCB
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
PAU
1044
2035
3,08
13,99
2,86
1,13
1,32
OCP
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
Cd
0,46
0,12
0,30
0,70
0,20
Pb
25,8
14,3
25,7
35,5
5,4
Hg
0,168
0,020
0,077
0,163
0,078
As
41,6
8,0
11,3
14,3
7,5
10
68
< 0,05
< 0,05
0,45
25,2
0,106
14,6
- 68 -
Tab. 4 Koncentrace vybraných látek v sedimentech z 29.9.2008 [mg/kg sušiny]
Profil
1
2
4
5
6
7
NEL
120
1380
147
116
144
136
PCB
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
PAU
0,75
5,83
0,59
1,35
1,36
3,34
OCP
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
< 0,05
Cd
0,37
0,23
0,16
0,43
0,74
Pb
28,2
36,6
15,7
32,7
49,9
Hg
0,134
0,046
0,029
0,151
0,19
As
9,9
2,4
1,6
2,7
4,7
9
379
< 0,05
< 0,52
< 0,05
Porovnáním výsledkĤ mČĜení s kritérii MŽP ýR lze konstatovat, že vČtšina sledovaných profilĤ
splĖuje požadavky na kvalitu sedimentĤ. Koncentrace tČžkých kovĤ nepĜesahuje kategorii A,
tzn. pĜirozené pozadí, a to ani v jarním ani v podzimním mČĜení. Výjimkou je vysoká koncentrace
arsenu v profilu þ. 1 (41,6 mg/kg sušiny) v jarním období. Ke zvýšení koncentrace mohlo dojít díky
prĤsakĤm z prĤmyslového areálu, v jehož blízkosti potok pramení. Koncentrace NEL splĖoval pro
kategorii A pouze jeden profil (10) a to pĜi jarním mČĜení, v podzimním mČĜení v tomto místČ nebyl
odebírán vzorek sedimentu. VČtšina mČĜených profilĤ (1,4,5,6 a 7) vykazovala koncentraci NEL
v kategorii B – mírné zvýšení zátČže prostĜedí, a to jak pĜi letním tak i pĜi zimním odbČru.
PĜekroþení koncentrací NEL v kategorii C-obyt. bylo namČĜeno na profilech 2 resp. 9,
kde koncentrace dosahovaly 417 resp. 402 mg/kg sušiny. Nejhorší výsledek koncentrace NEL byl
namČĜen na podzim v profilu 2, a to 1380 mg/kg sušiny. PĜekroþení limitĤ pro kategorii C-obyt.
bylo dále zaznamenáno u koncentrací PAU v jarním vzorku, a to v profilech 1 resp. 2, kde byly
namČĜeny hodnoty 1044 resp. 2035 mg/kg sušiny. Jak již bylo Ĝeþeno, bude se pravdČpodobnČ
jednat o úniky látek z blízkého prĤmyslového areálu. PĜestože se profily 1 a 2 nacházejí blízko
prameništČ, není možné je považovat za referenþní stav.
Hodnocení podle americké SQG for Freshwater Ecosystems se shodovalo s výsledky podle
kritérií MŽP ýR, i když americká metodika ve vČtšinČ sledovaných látek má o nČco pĜísnČjší
požadavky, kromČ požadavkĤ na koncentraci kadmia a PAU. PĜevážná þást vzorkĤ, jak v jarním,
tak v zimním období vykazovala hodnocení TEC – prahové množství látek, kromČ výše zmínČných
profilĤ 1 a 2.
PodČkování
Práce na tomto projektu a tento þlánek vznikl díky podpoĜe Grantové agentury ýeské
republiky v rámci Ĝešeného projektu GA 103/07/0580.
Použitá literatura
[1] http://www.urbancentrum.brno.cz/projekty/revitalizace/ivanovicky_potok.pdf [19.2.2009]
[2] VČstník MŽP 3/1996: Metodický pokyn odboru pro ekologické škody MŽP - Kriteria
zneþištČní zemin a podzemní vody, Praha 1996. PĜíloha 1
[3] MacDONALD, D., D., INGERSOLL, C., G., BERGER, T., A., Development and Evaluation
of Consensus-Based Sediment Duality Guidelines for Freshwater Ecosystems. In. Archives
of Environmental Contamination and Toxicity, Springer-Verlag Inc., New York, New York,
2000, p. 20-31
[4] ISO 5667-12 – Jakost vod – odbČr vzorkĤ – þást 12: Pokyny pro odbČry vzorkĤ sedimentĤ
[5] PITTER, P., Hydrochemie. VŠCHT, Praha, 1999, 373 s. ISBN 80-7080-340-1
- 69 -
BIOTECHNICKÁ OPATěENÍ DOPLĕUJÍCÍ ODVODNċNÍ
ÚýELOVÝCH KOMUNIKACÍ
BIOTECHNICAL MEASURES IMPROVE DRAINAGE
OBJECTS OF TERTIARY ROADS
Petr HrĤza*, Alice Kozumplíková**, Hana Špiþáková***
The positioning of drainage objects along special purpose roads has as one’s task rapid
water diversion in order to avoid damages of road bearing capacity. Common ways
of designing negatively affect total water balance especially in small watersheds.
The result is increasing downstream outflows. During storm rainfalls the intensity of flood
events is accelerated. New philosophy of designing special purpose road is based
on a requirement of increasing infiltration and water retention in landscape.
It is emphasize to improve drainage objects with the biotechnical measures which can
transform surface runoff. It shows that ideal solution (best way) is building simply
construction using nature materials. This kind of a solution is not expensive
and its realization can be carried out by simply building technologies.
Úvod
Úþelové komunikace jsou zpravidla více ohrožovány vodní erozí než cesty veĜejné, protože
procházejí znaþnČ þlenitými terény. Technická protierozní opatĜení na nich nejsou vždy provedeny
optimálnČ z dĤvodĤ velkých finanþních nákladĤ a malé intenzity dopravy. OdvodĖovací objekty
chrání tČleso cesty proti erozi zpĤsobované povrchovou, podpovrchovou i podzemní vodou
a pod cestou pĜíþnČ pĜevádČjí obþasné i stálé vodní toky. Primárním úkolem odvodnČní úþelové
komunikace je bezeškodné odvedení atmosférických, povrchových a podzemních vod mimo její
tČleso. Na druhou stranu podélné i pĜíþné odvodĖovací objekty soustĜećují rozptýlený povrchový
odtok a transformují ho na soustĜedČný, tím zvyšují objem a urychlují odtok vody z krajiny. Tento
fakt odporuje požadavkĤm na lesní ekosystémy a krajinu samotnou, jakými jsou akumulace
a retence vody v krajinČ. Tato filozofie je založena na myšlence místního kolobČhu vody.
Problematika a cíl pĜíspČvku
Nedostateþné retenþní, infiltraþní a akumulaþní kapacity v povodí se projevují zvyšováním
specifických odtokĤ. NapĜíklad podle Herynka [1] byly provedenými výzkumy na lesních cestách
dokumentovány zvýšené specifické odtoky. Za pĜedpokladu šíĜky cesty 4 m a za intenzity
efektivního deštČ is = 3 mm.min-1 a pĜi hustotČ tras 10 m.ha-1 pĜedstavuje specifický odtok
0,2 m3.s-1.km-2, pro hustotu 30 m.ha-1 již 0,7 m3.s-1.km-2 a koneþnČ pro hustotu 40 m.ha-1 specifický
odtok 0,9 m3.s-1.km-2.
Cílem pĜíspČvku je navrhnout vhodná, odvodĖovací objekty doplĖující, biotechnická opatĜení,
která zvýší infiltraci do pĤdy a pomohou transformovat povrchový odtok na místech, kde dochází
k pĜemČnČ nesoustĜedČného odtoku na soustĜedČný. Tento pĜístup vyžaduje širší Ĝešení v rámci
*
**
***
PetrHrĤza, Ústav tvorby a ochrany krajiny, Lesnická a dĜevaĜská fakulta, MZLU v BrnČ, [email protected]
Alice Kozumplíková, Ústav tvorby a ochrany krajiny, Lesnická a dĜevaĜská fakulta, MZLU v BrnČ,
[email protected]
Hana Špiþáková, Ústav tvorby a ochrany krajiny, Lesnická a dĜevaĜská fakulta, MZLU v BrnČ,
[email protected]
- 70 -
daného povodí, pĜestože umístČní biotechnických opatĜení je liniové a bezprostĜednČ pĜedchází
odvodĖovacím objektĤm.
Návrhy Ĝešení
Konkrétní biotechnická opatĜení doplĖující odvodĖovací objekty na lesních cestách musí
smČĜovat k podpoĜe infiltrace a retence vody v krajinČ. ěadíme mezi nČ tzv. ekotonová
spoleþenstva. Za podélným odvodĖovacím pĜíkopem se vytvoĜí zemní zasakovací prĤleh a doplní
se etážovým porostem s keĜovým patrem (obr. 1). Ekotony jako biotechnická opatĜení (obecnČ
pĜedstavují hranici mezi dvČma odlišnými ekosystémy) plní více funkcí, z ekologického hlediska
funkci hydrologickou, pĤdoochrannou, klimatickou a pĜedstavují zónu podporující ekologickou
stabilitu krajiny [2, 3].
Obr. 1 DoplĖující biotechnická opatĜení na lesních cestách
Dalším biotechnickým opatĜením mohou být podélné kamenné trativody a zasakovací jímky
(obr. 2). PĜi realizaci je vhodné použít štČrkový makadam frakce 32-63 mm napĜíklad v kombinaci
s vhodnou geotextílií a umožnit pĜitékající povrchové vodČ zasakování do podloží.
Obr. 2 Zasakovací jímka v podélném pĜíkopu
Na výtoku z trubních propustkĤ jsou umisĢovány kamenné záhozy, které zabraĖují erozní
þinnosti vytékající vody z potrubí. Zde není dĤležitý jen prĤmČr zrn, ale také tvar kamenného
záhozu. VČjíĜovitČ uspoĜádaný zához pĜi délce v ose trubní propusti minimálnČ 3 metry je na konci
opatĜen stabilizaþní patou v šíĜce minimálnČ 2 metry. Kamenné záhozy snižují rychlost a energii
- 71 -
protékající vody, umožĖují postupné zasakování vody do pĤdy a transformují soustĜedČný odtok
na nesoustĜedČný.
U polních cest je možné navrhovat obdobná biotechnická opatĜení, zde však daleko více platí
požadavek na vyĜešení majetkoprávních vztahĤ k pozemkĤm. Podobná Ĝešení lze þasto navrhovat
pouze pĜi realizaci komplexních pozemkových úprav v rámci návrhu kostry spoleþných zaĜízení.
Zasakovací pásy, porostlé bylinným, keĜovým i dĜevinným patrem a umístČné za podélný
odvodĖovací pĜíkop, by mČly mít spíše podobu vČtrolamu než prosté aleje (viz. obr. 3).
Obr. 3 DoplĖující biotechnická opatĜení na polních cestách
Diskuze
NejvČtším úskalím doplĖujících biotechnických Ĝešení je vČtší zábor pozemkĤ pĜiléhající
ke komunikaci. V pĜípadČ lesních porostĤ i polních pozemkĤ, zejména u soukromých majitelĤ,
mĤže vyvstat požadavek na kompenzaci ztráty na produkþní ploše. V pĜípadČ lesních a polních
pozemkĤ ve vlastnictví státu by mČl být tento zpĤsob Ĝešení naopak prosazován v rámci preference
celospoleþenského zájmu.
Ukazuje se, že nejvhodnČjším zpĤsobem Ĝešení je použití jednoduchých objektĤ s využitím
místních pĜírodních materiálĤ, zejména kameniva a dĜeva. Také výsadba keĜĤ a dĜevin musí
respektovat místní podmínky a musí být preferovány autochtonní druhy s desikaþní funkcí. Taková
Ĝešení nejsou finanþnČ nákladná a je možné je realizovat nenároþnými stavebními technologiemi.
Zde je však nutné zdĤraznit, že i jednoduché a historicky ovČĜené technologie nejsou þasto zcela
dodržovány. Týká se to napĜíklad výstavby suchých kamenných zdí a nedodržování zpĤsobu
rovnání kameniva a jeho provázání s pĜiléhajícím terénem. PĜi výsadbČ zasakovacích pásĤ se vČnuje
maximální pozornost výbČru vhodných dĜevin a už ménČ jejich prostorovému uspoĜádání
a následné údržbČ.
ZávČr
Úþelové komunikace se þasto stávají sekundárním vodním tokem a jsou pĜíþinou zvyšování
velikosti odtoku z povodí. DoplĖková biotechnická opatĜení mohou toto riziko znaþnČ snižovat
a zároveĖ pĜispívat k akumulaci a retenci vody v krajinČ a v neposlední ĜadČ ke zvýšení ekologické
stability krajiny. Jedná se o patĜení, která jsou finanþnČ a realizaþnČ nenároþná a v územích,
kde nejsou komplikované majetkoprávní pozemkové vztahy, i bez problému realizovatelná.
PodČkování
PĜíspČvek byl vypracován za podpory Ministerstva školství mládeže a tČlovýchovy ýR
v rámci Ĝešení výzkumného zámČru „Les a dĜevo - podpora funkþnČ integrovaného lesního
hospodáĜství a využívání dĜeva jako obnovitelné suroviny“ þ. MSM6215648902.
- 72 -
Literatura
[1] HERYNEK, J., OdvodnČní a protierozní ochrana lesní dopravní sítČ. Lesnická práce [online].
1999, roþ. 78, þ. 11 [cit. 2009-01-15]
Dostupný z www: <http://lesprace.silvarium.cz/content/view/667/78/>
[2] SKLENIýKA, P. a kol., Vliv lesních okrajĤ na hydrologické vlastnosti pĤd. In. Celostátní
konference „Krajina, les a lesní hospodáĜství. II. díl. Praha, 2001, s. 27-34
[3] SKLENIýKA, P., PITTNEROVÁ, B., Ekotony v krajinČ. Pozemkové úpravy, Praha, 2003,
þ. 46. s. 16-18. ISSN 1214-5815
- 73 -
VENTING – SANAýNÍ METODA V PRAXI
SOIL VAPOR EXTRACTION – PRACTICAL APPROACH
David Chaloupka*, Lubomír KĜíž**, Zdena Wittlingerová***
Soil Vapor Extraction (SVE) is an effective technology widely applied for remediation
of the volatile organic compounds (VOC). This technique was used as remediation tool
after the accidental, large scale spillage, which happened at the gasoline pipeline close
to the city Kolin in Czech Republic, August 2001. It was requested to perform initial
mathematical model to determine SVE efficiency and remediation time in the beginning
of the project. Remediation SVE system was installed in line with model recommendations
together with pump-and-treat remediation system. Regular monitoring program was
in place during the remediation and unique sample set was collected. There was good
opportunity to compare initial model forecasts and the real course of concentrations VOC
in the area of concern (sector A).
Model outputs accurately reflect the real behavior of VOC concentrations in monitored
sector A. SVE model solution is a useful and reliable tool in remediation management
including forecasting of VOC concentration course in time.
Úvod
Venting - soil vapor extraction je úþinná technologie pro odstraĖování tČkavých uhlovodíkĤ
z horninového prostĜedí. Princip je jednoduchý, z vrtĤ instalovaných v zasažené oblasti se odsává
vzduch, který obsahuje tČkavé uhlovodíky. Tyto pak soustavou potrubních rozvodĤ pĜicházejí
do filtru s aktivním uhlím, kde se sorbují a následnČ likvidují nebo se mohou katalyticky spalovat
se speciálním zaĜízení pĜímo na lokalitČ. Úþinnost sanace tohoto Ĝešení záleží zejména na typu
zneþištČní (tČkavost uhlovodíkĤ) a charakteru horninového prostĜedí (propustnost). V závislosti
na teplotních a tlakových podmínkách tvoĜí odpar jeden z nejvýznamnČjších mechanismĤ migrace
tČkavých organických látek [1].
Pro stanovení úþinnosti technologie v terénu se používají terénní zkoušky nebo lze použít
matematické modelování procesu. Simulace pomocí modelu má své výhody i nevýhody.
Mezi výhody patĜí zejména možnost sestavit prognózu sanace v þase tj. pokles koncentrací
v prĤbČhu sanace, menší náklady a rychlost zpracování modelu. Výhodou terénních zkoušek
je pomČrnČ pĜesná znalost propustnosti prostĜedí, která je však vykoupena vysokými náklady
na terénní práce a þasovou nároþnost.
PĜi havárii produktovodu u obce Polepy v srpnu 2001 došlo k masivní kontaminaci
horninového prostĜedí ropnými uhlovodíky (benzin typu Natural). Kontaminovány byly zeminy
i podzemní vody v širokém prostoru, do horninového prostĜedí uniklo cca 86 m3 benzínu.
V prĤbČhu první fáze Ĝešení následkĤ havárie byla provedena tČžba kontaminovaných zemin
a zahájeno ochranné þerpání podzemní vody. ZároveĖ byly instalovány ventingové vrty
pro odsávání kontaminovaného pĤdního vzduchu.
Pro úþely sanace pĤdního vzduchu (soil vapor extraction) byl zpracován matematický model
sanace, který Ĝešil optimální rozmístČní ventingových vrtĤ a prognózu vývoje sanace pĤdního
vzduchu v þase [2]. Sanaþní práce na lokalitČ byly ukonþeny a získaná data nám umožĖují provést
*
**
***
David Chaloupka, Lukoil Czech Republic s.r.o., [email protected]
Lubomír KĜíž, Vodní Zdroje Chrudim, s.r.o., [email protected]
Zdena Wittlingerová, Katedra environmentálního inženýrství a ochrany prostĜedí, Fakulta životního prostĜedí,
CZU v Praze, [email protected]
- 74 -
srovnání prvního modelového Ĝešení s realitou sanaþního zásahu. Dojde-li k zasažení zeminy
tČkavým kontaminantem, rozdČlí se tento kontaminant mezi jednotlivé složky zeminy. Kontaminant
se distribuuje mezi plynnou (pĤdní vzduch), kapalnou (podzemní voda) a tuhou složku zeminy.
Za statických podmínek mĤžeme tuto distribuci pomČrnČ pĜesnČ popsat Ĝadou rovnovážných
parametrĤ, mezi kterými jsou nejdĤležitČjší rozpustnost ve vodČ, tlak nasycených par, Henryho
konstanta a sorpce na tuhých složkách zeminy. Statickým podmínkám mĤže být systém blízký
napĜíklad pĜed zahájením sanace. Pokud statické podmínky zmČníme na dynamické, napĜíklad tím,
že zaþneme z kontaminované zeminy odsávat vzduch, potom se distribuce kontaminantu bude
postupnČ mČnit v reakci na úbytek kontaminantu odvádČného s odsávaným vzduchem. Koneþným
dĤsledkem odsávání vzduchu z kontaminované zeminy tak je postupné snižování koncentrace
kontaminantu v plynné, kapalné i tuhé složce zeminy. Základními faktory, které urþují efektivnost
ventingu jsou: fyzikálnČ-chemické vlastnosti kontaminantu, propustnost vzduchu v kontaminované
zeminČ, teplota pĤdního vzduchu, vlhkost zeminy, koncentrace zneþištČní, heterogenita/homogenita
prostĜedí, pĜítomnost puklin a propustných zón, sorpþní kapacita zeminy, hladina podzemní vody
a správné rozmístČní vrtĤ.
Modelové Ĝešení
V souþasné dobČ existuje nČkolik dostupných matematických modelĤ použitelných s vČtší
þi menší pĜesností pro simulaci transportních procesĤ probíhajících pĜi aplikaci ventingu. V tomto
pĜípadČ byl pro simulaci proudČní a transportu polutantĤ v nesaturované zónČ použit software
AIRFLOW/SVE firmy Waterloo hydrogeologic software [3], který umožĖuje vyhodnocení všech
sledovaných parametrĤ (tlakové pomČry, charakter vrtu a výstroje, typ polutantu, koncentrace).
Zde uvádíme okrajové podmínky, ze kterých model vychází:
- kontaminovaná zemina je v celém objemu homogenní (charakteristiky této zeminy
se v rámci kontaminovaného objemu významnČ nemČní),
- transportní procesy probíhající pĜi prĤchodu vzduchu zeminou (napĜ. pĜechod polutantu
z pevné fáze do vzduchu) jsou natolik pomalé, že se stav v zeminČ blíží stavu
rovnovážnému,
- v prĤbČhu sanace se významnČ nemČní vlastnosti zeminy,
- v rámci probíhajících dČjĤ nebude polutant odstraĖován jinými procesy (napĜíklad
biodegradaþními pochody).
Modelové Ĝešení bylo zpracováno v prvních dnech po havárii a odráželo vstupní poznatky
o úrovni kontaminace na lokalitČ. Lokalita byla rozdČlena na pole A, B a C, kde probíhal aktivní
zásah pomocí ventingu. Pro porovnání modelového a reálného Ĝešení byly použity údaje z oblasti
A, kde byly k dispozici kvalitní data o koncentraci uhlovodíkĤ na vstupu do katalytické spalovny.
Geologické pomČry na lokalitČ je následující - nesaturovaná zóna je tvoĜena sprašemi (0 - 6 m),
kvartérními fluviálními štČrkopísky (6 - 7 m) a vápnitými kĜídovými pískovci (7 - 10 m). Hladina
podzemní vody ve sledovaném území je cca 10 m pod úrovní terénu v nadloží kĜídových jílovcĤ.
Uvedený geologický profil je orientaþní [4].
Polutantem byl automobilový benzín (typ Natural), který kontaminoval horninové prostĜedí
po úniku z produktovodu. Prvotní koncentrace uhlovodíkĤ (pro všechny zóny A, B a C) byly
získány vstupním vzorkováním (Koch, 2001).
Ventingový systém tvoĜí vertikální vrty, které jsou vyhloubeny do cca 10 m p.ú.t a ukonþeny
v jílovcích a odsávané polutanty byly katalyticky spalovány. PrĤtok v systému byl cca 1000 m3
vzduchu/hodinu. PrĤmČrný dosahovaný podtlak na vstupu do koncového zaĜízení je 0,75 kPa.
Pro simulaci proudČní a transportu polutantĤ nesaturované zónČ byl použit program
AIRFLOW/SVE hydrogeologic software [3]. Program umožĖuje stanovit tlakové pomČry
nesaturované zóny a prognózu vývoje sanace v þase.
- 75 -
PĜi výpoþtech byl uvažován pracovní podtlak 0,75 kPa, perforace v úseku 2 - 10 m, hladina
podzemní vody 10 m pod úrovní terénu. Výchozími podklady byly dále zejména litologické profily
realizovaných vrtĤ, údaje o zneþištČní a technické parametry ventingového systému.
Charakteristika nesaturované zóny a polutantu (smČs uhlovodíkĤ) vychází z empirických dat
a pro úþely modelu byla schematizována [5].
(mg/m3)
5000
1000
Obr. 1 Pole A – prognóza sanace
KĜivka vývoje koncentrace polutantu ukazuje trend pĜi kontinuálním provozu za standardních
podmínek v modelovém vrtu v zónČ A v þase 1500 dní kontinuálního provozu systému. Maximální
pokles koncentrace bude dosažen po cca 700 - 800 dnech provozu systému. V této dobČ vstupní
koncentrace poklesne ĜádovČ o 80 % a systém pĜestává být efektivní.
Z prvních prognóz je zĜejmé, že efektivní sanace území ventingem potrvá ĜádovČ
13 – 24 mČsícĤ pĜi kontinuálním provozu. Meze použití technologie pro sanaci pĤdního vzduchu
jsou v úrovni cca 200 – 400 mg sumy uhlovodíkĤ/m3. Pro další snížení polutantu v pĤdním vzduchu
by bylo nutné realizovat jinou formu sanace.
Reálný prĤbČh sanace
V prĤbČhu sanace byly monitorovány vrty v prostoru pole A. Reálná vstupní koncentrace
je suma uhlovodíkĤ na vstupu do spalovací jednotky.Vstupní koncentrace v pĜípadČ modelového
Ĝešení reprezentují prĤmČr koncentrací uhlovodíkĤ na jednotlivých vrtech v celém poli A v prĤbČhu
vstupního vzorkování.
- 76 -
8000
6000
7000
6000
5000
Zone A
Model A
5000
4000
mg/m3
4000
3000
3000
2000
1000
2000
0
01
/2
3/
02 200
2
/2
3
03 /200
/2
3/ 2
04 200
2
/2
3/
05 200
/2
2
3/
06 200
2
/2
3/
2
07
0
/2 02
3/
2
0
08
/2 02
3/
09 200
2
/2
3/
10 200
/2
2
3/
11 200
2
/2
3/
12 200
/2
2
3/
2
0
01
/2 02
3/
02 200
3
/2
3
03 /20
/2 03
3/
04 200
3
/2
3/
05 200
/2
3
3/
2
0
06
/2 03
3/
20
03
1000
/0
7/
03
/0
5/
03
/0
6/
03
28
28
/0
3/
03
/0
4/
03
29
29
/0
1/
03
/0
2/
03
30
28
/1
1/
02
/1
2/
02
30
29
/1
0/
02
30
31
/0
9/
02
/1
0/
02
01
01
/0
7/
02
/0
8/
02
02
/0
6/
02
03
/0
5/
02
04
03
/0
4/
02
/0
3/
02
05
04
/0
1/
02
/0
2/
02
03
05
04
/1
2/
01
0
Obr. 2 Pole A – reálný prĤbČh koncentrace
uhlovodíkĤ v þase
Obr. 3 Pole A - reálné a modelové hodnoty
koncentrace uhlovodíkĤ v þase
Pro srovnání byly odeþteny modelové koncentrace uhlovodíkĤ a vloženy do jednoho grafu
spoleþnČ s reálnými hodnotami pro pole A (obr. 3). Porovnávané období bylo od ledna 2002
do þervna 2003 tj. cca 17 mČsícĤ.
ZávČr
ZávČrem lze konstatovat, že použité modelové Ĝešení vČrnČ odráží reálný stav vývoje
koncentrací na sledovaném poli A. Trend poklesu koncentrací uhlovodíkĤ u modelového i reálného
prĤbČhu je souhlasný a pĜesnost uspokojivá.
Modelové Ĝešení sanaþního zásahu je plnohodnotným nástrojem pro posouzení takových
faktorĤ sanaþního zásahu jako je prognóza poklesu koncentrací i odhadu délky a efektivity
sanaþního zásahu metodou ventingu.
Literatura
[1] JOHNSON, P.C., STANLEY, C.C., KEMBLOWSKI, M.W.,BYERS, D.L., and COLTHART,
J.D., A practical approach to the design, operation, and monitoring of in situ venting systems.
Users Guide – The Hydrocarbon Spill Screening Model,1992, Ground Water Monitoring
Review, Spring
[2] CHALOUPKA, D., Modelové Ĝešení ventingového systému – II. fáze,lokalita Polepy, Praha,
2001, 8 s.
[3] GUIGHER, N., FRANZ, T., ZAIDEL, J. Airflow/SVE Axisymetric Vapor Flow ans Transport
Simulation Model Version 1, Waterloo Hydrogeologic Software, 1995
[4] KOCH, Z.: Polepy ( okres Kolín ). Etapová zpráva o prĤbČhu havárie. Vodní zdroje Chrudim,
2001, 77s.
[5] Users Guide – The Hydrocarbon Spill Screening Model, 1992
- 77 -
FUZZY MODEL PRO OPERATIVNÍ PěEDPOVċĆ
ODTOKU VODY Z POVODÍ PO PěÍVALOVÉ SRÁŽCE
FUZZY MODEL FOR PREDICTION OF RUN-OFF FROM
RIVER BASIN IN THE CASE OF FLASH FLOOD
Petr Janál*, Miloš Starý**
The use of fuzzy logic to develop en instrument (model) capable of evaluating the risk
of endangerment to river basins due to flash floods on the basis of foreseen rainfall end
characteristic of the river basins. The dependence of selected data input and output
of the model in a situation of flash flood was processed on a chosen set of small river
basins. From chosen relations between input and output, a fuzzy model was configured
for forecasting the peak discharge of water from the river basin and the degree
of endangering the basin.
Úvod
Jednu z nejobtížnČjších úloh operativní hydrologie tvoĜí predikce povodní zpĤsobených
pĜívalovými srážkami. Tyto povodnČ zasahují pĜedevším malá povodí, kde je srážko-odtokový
proces významnČ ovlivnČn morfologií povodí. Už samotná pĜedpovČć výskytu pĜívalových dešĢĤ
je vzhledem k jejich charakteru problematická. Vývoj v oblasti nowcastingu však skýtá urþitou
nadČji. Meteorologové jsou schopni podávat þím dál pĜesnČjší pĜedpovČdi, na které je tĜeba navázat
vhodným hydrologickým modelem, schopným alespoĖ odhadnout kulminaþní odtok vody
ze zasaženého povodí. Takovéto modely zatím v operativní praxi pĜevážnČ chybí. Jejich konstrukce
naráží pĜedevším na velkou míru neurþitosti obsažené jak v pĜedpovČdi srážek, tak i v srážkoodtokovém procesu. Cestou jak eliminovat vliv neurþitosti mĤže být využití fuzzy logiky a dalších
metod umČlé inteligence (neuronové sítČ, genetické algoritmy). V operativním provozu by mohl
fuzzy model tvoĜit navazující þlánek na radarovou pĜedpovČć srážek. Pomocí meteorologického
radaru mĤžeme získat okamžitý pĜehled o pohybu a struktuĜe bouĜkových systémĤ a odhadnout
další vývoj na 1-2 hodiny. Získáme tak hodnoty vstupních veliþin modelu charakterizujících
pĜíþinnou srážku. Hodnoty zbývajících vstupních veliþin charakterizujících zasažené povodí mohou
být již pĜipravené dopĜedu pro celou síĢ malých povodí. Fuzzy model není urþený pro pĜesnou
pĜedpovČć prĤtokĤ, mĤže však velmi rychle poskytnout informaci, zda a do jaké míry mĤže
být dané povodí ohroženo povodní z pĜívalového deštČ.
Metoda
Podrobný popis teorie fuzzy logiky lze nalézt napĜ. v [1]. Ve vývojovém prostĜedí MATLAB
[2] byl sestaven fuzzy model schopný urþit kulminaþní odtok vody z povodí na základČ
pĜedpovČzené srážky a charakteristik zasaženého povodí. Na poþátku Ĝešení je tĜeba zvolit vstupní
a výstupní veliþiny modelu. Vstupy by mČli zahrnovat všechny charakteristiky významnČ
ovlivĖující modelovaný proces. V rámci malých povodí je srážko-odtokový proces významnČ
ovlivnČn morfologií povodí. Je tĜeba si uvČdomit, že s rostoucím poþtem vstupĤ roste i obtížnost
sestavení fuzzy inferenþního systému (FIS). Vzhledem k rychlému prĤbČhu pĜívalových povodní,
* Petr Janál, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
** Miloš Starý, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 78 -
operativní využití modelu vyžaduje, aby hodnoty vstupních veliþin byly snadno a rychle dostupné.
Pro model bylo zvoleno následujících sedm vstupních veliþin:
- plocha povodí,
- souþinitel tvaru povodí,
- sklonitost povodí,
- lesnatost povodí,
- intenzita pĜíþinného deštČ,
- doba trvání pĜíþinného deštČ,
- ukazatel pĜedchozí srážky.
Výstupem modelu je kulminaþní odtok. Na množinČ vzorových povodí byla zpracována
vstupnČ výstupní závislost a vytvoĜeny matice vzorĤ, na jejichž základČ byl model sestavován.
Jedna vzorová matice byla sestavena z dat odvozených pomocí základních hydrologických vztahĤ,
druhá matice vzorĤ vznikla na základČ mČĜených dat (mČĜené srážky a prĤtoky).
Vstupní veliþiny mĤžeme do modelu zapojit více zpĤsoby. Lze vytvoĜit jeden FIS o sedmi
vstupech, nebo sestavit sekvenci více na sebe navazujících FIS a vstupní veliþiny zapojovat
postupnČ. Konstrukce FIS o menším poþtu vstupĤ je jednodušší a celý model je mnohem
pĜehlednČjší a lze snadnČji kalibrovat. Nejlépe se osvČdþila sekvence šesti FIS o dvou vstupech,
kde první dílþí FIS zpracuje vstupní veliþiny intenzitu a dobu trvání pĜíþinného deštČ a urþí dílþí
kulminaþní odtok Q1. Ten slouží následujícímu FIS jako vstup spoleþnČ s ukazatelem pĜedchozí
srážky. Analogicky jsou postupnČ pĜidávány ostatní vstupy. První spoþítaný odtok Q1 je tedy
postupnČ upravován vlivem jednotlivých vstupních veliþin až po výsledný kulminaþní odtok
(obdoba koaxiální korelace) [4].
Obr. 1 Schéma sekvence FIS
Pro model byl zvolen FIS typu Mamdani. Sestavení FIS vyžaduje zmapování univers
promČnných veliþin pomocí funkcí pĜíslušnosti a vytvoĜení báze pravidel. Subjektivní sestavení FIS
je pĜi vČtším poþtu vstupĤ nároþné a výsledek je nejistý. Snaha byla tedy zamČĜena na objektivizaci
vytváĜení FIS a kalibraci modelu. Za tímto úþelem byla vyvinuta pĤvodní optimalizaþní metoda
využívající minimalizující kriteriální funkci, která je definována jako souþet stĜedních
kvadratických odchylek vzorových (mČĜených) prĤtokĤ a prĤtokĤ vypoþtených modelem.
Pro minimalizaci kriteriální funkce byla použita metoda genetických algoritmĤ a metoda „direct
search“.
Shrnutí výsledkĤ a závČr
ZmínČné optimalizaþní metody byly použity pro objektivní sestavení bází pravidel a prĤbČhĤ
funkcí pĜíslušnosti jednotlivých FIS v sekvenci - viz obr. 1. Poþáteþní bod optimalizace
byl stanoven jako výsledek subjektivního sestavení modelu. Obr. 2 až obr. 7 ilustrují prĤbČh
výpoþtu modelem. Do modelu byla zadána vstupní data z matice vzorĤ, podle které byl model
- 79 -
sestaven a kalibrován. V každé fázi výpoþtu jsou srovnány vzorové hodnoty prĤtokĤ s hodnotami
spoþítanými modelem. Obr. 2 až obr. 7 ukazují, do jaké míry byla kalibrace modelu úspČšná.
V ideálním pĜípadČ by v posledním grafu ležely body na ose kvadrantu. Ze srovnání výsledného
kulminaþního odtoku se vzorovým prĤtokem lze usuzovat, že použité metody mohou být úspČšnČ
použity pro objektivní sestavení modelu a jeho kalibraci.
Obr. 2 PrĤbČh výpoþtu FIS 1
- 80 -
Aþkoli jsou povodnČ zpĤsobené pĜívalovými srážkami þastým jevem, jen málo z nich
je zaznamenáno ve smyslu, že je k dispozici hodnota kulminaþního prĤtoku a intenzita a doba trvání
pĜíþinného deštČ nad zasaženým povodím. Nedostatek mČĜených dat pro konstrukci reprezentativní
matice vzorĤ tvoĜí nejvČtší pĜekážku k vytvoĜení kvalitního modelu. Problematika nedostatku
mČĜených vzorových dat je Ĝešena ve spolupráci s ýHMÚ Brno, kde bude model poloprovoznČ
testován.
PĜi Ĝešení byly využity teoretické výsledky dosažené v projektu GAýR 103/07/1620 „Predikþní
a simulaþní modely v teorii operativního Ĝízení vodohospodáĜských soustav.”
Výsledek byl získán za finanþního pĜispČní MŠMT ýR, projekt 1M0579, v rámci þinnosti
výzkumného centra CIDEAS. (This outcome has been achieved with the financial support
of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic, project No. 1M0579, within
activities of the CIDEAS research centre.)
Literatura
[1] NACHÁZEL, K., STARÝ, M., ZEZULÁK, J., Využití metod umČlé inteligence ve vodním
hospodáĜství, Academia, nakladatelství Akademie vČd ýeské republiky, Praha, 2004,
ISBN 80-200-02229-4
[2] MATLAB + Fuzzy Logic Toolbox + Neuro Toolbox, The Language of Technical Computing,
The MathWorks, 1984-2009
[3] TRUPL, J., Intensity krátkodobých dešĢĤ v povodích Labe, Odry a Moravy. Výzkumný ústav
vodohospodáĜský, Praha, 1958
[4] JANÁL, P., STARÝ, M., Operative prediction of the state of emergency of small river basin
in the case of flash floods. I International Interdisciplinary Technical Conference of Young
Scientists Intertech 2008, PoznaĖ, 3 p., ISBN 978-83-926896-0-7
- 81 -
MODELOVÁNÍ PROUDċNÍ NA HRÁZOVÝCH
PěELIVECH
MODELLING LATERAL WEIRS ON LEVEES
Jan Jandora*, Ladislav DvoĜák**
Side weirs are usually free overflow regulation and diversion devices commonly applied
in hydraulic engineering. They are located at a side of a river or a channel to divert part
of the discharge when the surface of water level in the main-channel reaches their crest.
In this paper an introduction of spatially varied flow with decreasing discharge
in the subcritical flow regime is given. For this purpose the equations for spatially varied
flow with decreasing discharge is introduced and the general equation of weirs is derived.
Since the side weir discharge coefficient represents an important parameter, several
approaches from literature are briefly mentioned.
Úvod
PĜekroþí-li prĤtok v toku s ochrannými hrázemi prĤtok návrhový, dochází obvykle k jejich
pĜelití tČchto ochranných hrází. K pĜelití dochází obvykle nejdĜíve v místech s nejnižší korunou
hráze (napĜ. v místech hrázových pĜejezdĤ, v místech postižených prosedlinami, atd.). V ĜadČ
pĜípadĤ pak došlo k úplnému prolomení ochranné hráze a zaplavení pĜilehlého území v záhrazí.
Souþasným trendem je navrhování a budování opevnČných úsekĤ v ochranných hrázích
(tzv. hrázových pĜelivĤ), kde by bylo umožnČno pĜelití ochranných hrází bez jejich úplné destrukce.
Tyto opevnČné úseky by mČly umožnit kontrolované pĜelití ochranných hrází. Tím by mČlo být
zamezeno ztrátám na lidských životech a mČly by se omezit škody na majetku v zahrazí.
Vlastní prostorové umístČní hrázových boþních pĜelivĤ závisí na hydrologických,
topografických, hydraulických a ekologických aspektech, a dále pak na využití území v zahrází.
Aby se zabránilo velkým rychlostem a velkým smykovým napČtím na pĜelivu, bývají hrázové
pĜelivy vČtšinou pomČrnČ dlouhé. Jejich opevnČní musí být takové, aby se zabránilo jejich
destrukci. Protože návrh hrázových pĜelivĤ je zatížen celou Ĝadou nejistot, vČnují se autoĜi
modelování hydraulických pomČrĤ v toku a na pĜedpolí hrázového pĜelivu. Snížení nejistot
vyplývajících ze správného vystižení hydraulických pomČrĤ v toku následnČ ovlivní bezpeþnost
a spolehlivost ochranných hrází podél vodních tokĤ.
Vlastní modelování proudČní v toku a na pĜelivu je odvozeno pro ustálené proudČní
jak v jednorozmČrném (1D) tak i ve dvojrozmČrném (2D) prostoru. Výsledky matematického
modelování budou následnČ porovnány s fyzikálním modelováním boþního pĜelivu, které bude
provedeno v LaboratoĜi vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb v letošním roce.
Matematický model v 1D
V pĜípadČ ustáleného 1D modelu proudČní vody v korytČ podél pĜelivu s nepohyblivým dnem
jsou neznámými funkcemi:
- hloubka vody h(x),
- prĤtok vody Q(x),
kde prostorová promČnná x je ztotožnČná s osou hlavního toku.
*
**
Jan Jandora, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Ladislav DvoĜák, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 82 -
PĜi odvození modelu byly pĜijaty následující pĜedpoklady:
- proudČní je jednorozmČrné a ustálené,
- prĤĜezová rychlost v hlavním korytČ v = Q/A, kde A je prĤtoþná plocha A = f(h),
- uvažuje se neprovzdušnČný proud o volné hladinČ v Ĝíþním režimu,
- odporový þlen je aproximován Chézyho rovnicí,
- voda je nestlaþitelná, homogenní s konstantní hustotou U(p,T) = U = konst.
Matematický popis proudČní vychází ze zákona zachování hmotnosti (rovnice kontinuity)
a vČty o zmČnČ hybnosti (pohybová rovnice), resp. z energetické výšky v profilu.
Rovnice kontinuity má pro 1D ustálené proudČní pĜes boþní pĜeliv tvar:
dQ
dx
q
ms 2 g ( h s ) 3 / 2 ,
(1)
kde q je prĤtok pĜepadající pĜes hrázový pĜeliv na jednotku šíĜky [m2/s], ms je souþinitel pĜepadu
pĜes boþní pĜeliv [1] a s výška pĜelivné hrany nade dnem hlavního koryta [m]. Urþením souþinitele
pĜepadu pĜes boþní pĜeliv se zabývala celá Ĝada autorĤ. Rosier [6] uvádí dobrou shodu mezi
výsledky svého fyzikálního modelování a Hagerovým vztahem [3] (Obr. 1):
dQ
dx
3
s·
§h
M0 g E3 ¨ ¸
5
©E E¹
3/ 2
Es
3E 2h s
§
3 E h ·
¨1 tan G J D ¸,
¨
h s ¸¹
©
v2
a pro širokou korunu šíĜky t platí M 0
2g
udává Hager vztah [3]:
kde E
h
M
arc sin
1
2
, cL
9 1 cL4
(2)
Es
. Pro úhel M
t
hs
.
3 E 1h s
(3)
Obr. 1 Schéma pro výpoþet podle Hagera [3]
Pohybovou rovnici 1D modelu proudČní lze odvodit:
- z vČty o zmČnČ hybnosti [1], [2]:
dh
dx
2 E v u dQ
g A dx
,
E Q2 B
1
g A3
JD JE (4)
- z energetické výšky v profilu [1], [7]:
dh
dx
JD JE - 83 -
D Q dQ
g A2 d x
,
D Q2 B
1
g A3
(5)
kde JD je sklon dna hlavního koryta [1], JE sklon þáry energie v hlaním korytČ [1],
E Boussinesquovo þíslo [1], D Coriolisovo þíslo [1], u rychlost pĜepadající vody a B šíĜka v hladinČ
v hlavním korytČ [m]. PĜedpokládá-li se, že u = v a D = E = 1 jsou rovnice (4) a (5) identické.
Okrajové podmínky jsou hloubka vody a prĤtok na konci Ĝešeného úseku (smČrem po vodČ).
Numerické Ĝešení rovnice (4) (pro u = v a D = E = 1) metodou koneþných diferencí pro profil j
ohraniþený profily i a i+1 vede na tvar [4]:
' hj
kde ' x j
Qi (vi vi 1 )
g (Qi Qi 1 )
xi 1 xi ,
v 2p , j n 2
J E, j
R
4/3
p, j
,
'vj
Oi
'Qj ·
§
¸ ' v j J D J E , j ' x j ,
¨¨1 2 Qi ¸¹
©
vi 1 vi ,
b 2 hi ,
Qi
v p, j
Qi 1 ' Q j ,
Ai
1
(vi 1 vi ) , R p , j
2
(6)
hi b ,
1
( Ri 1 Ri ) ,
2
Ri
Ai
,
Oi
vi
Qi
.
Ai
Matematický model ve 2D
PĜi odvození modelu se pĜedpokládá, že:
- proudČní je dvojrozmČrné a ustálené,
- kapalina proudí o volné hladinČ, jejíž poloha je vyjádĜena neznámou funkcí H(x,y),
- hloubka kapaliny h(x,y) je definována jako rozdíl hladiny H a pevného dna a,
- na dnČ vznikají vlivem drsnosti povrchu dny smyková napČtí, která jsou aproximována
Chézyho vztahem,
- objemové síly jsou uvažovány pouze tíhou.
Neznámé funkce pĜi modelování boþního pĜelivu ve 2D jsou:
- u(x,y), v(x,y) - složky vektoru svislicové rychlosti (rychlost zprĤmČrovaná po svislici),
- h(x,y) - hloubka vody,
K Ĝešení tČchto 3 neznámých jsou k dispozici rovnice kontinuity a dvČ pohybové rovnice [5]:
§wu wv ·
wh
wh
¸¸ u
h ¨¨
v
w
x
w
y
x
y
w
w
©
¹
hu
hu
0,
(7)
ªw a w h º
w u h E ªw2 u w2 u º
wu
gh«
hv
»
«
2
2 »
wy ¼
w y U ¬w x
wx
¬w x w x ¼
0 ,5
g u n2 2
u v2 1/3
h
ªw a w h º
wv
w v h E ª w2 v w2 v º
hv
gh«
«
»
2
2 »
wx
w y U ¬w x
w y ¼
¬w y w y ¼
g v n2
1/ 3 u 2 v 2
h
0 ,5
0,
(8)
0,
(9)
- 84 -
kde E je souþinitel turbulentní viskozity, g gravitaþní zrychlení a n je souþinitel drsnosti podle
Manninga.
Okrajovou podmínkou na hranici *11 hranice * (Obr. 2), kterou se zadává pĜítok do oblasti :,
je celkový prĤtok, ze kterého lze odvodit svislicové rychlosti vxs, vys a hloubka vody h. Na hranici *2
je zadaná hloubka vody. Na hranici *12 se zadává odtok pĜes boþní pĜeliv (napĜ. pomocí (2) a (3)).
Na hranici *13 je zadána nulová hodnota normálových složek svislicových rychlostí k hranici *13.
Pro hranici * platí * = (*1 *12 *13 *2) a (*11 * * *2) = 0. Numerické Ĝešení
použité v programu SMS, který je k dispozici na Ústavu vodních staveb, se provádí metodou
koneþných prvkĤ.
*13
*11
boþní pĜeliv
*13
*12
Obr. 2 Náhradní oblast : s hranicí *
*2
*13
ZávČr
PĜedkládaný pĜíspČvek uvádí jedno a dvojrozmČrnou matematickou formulaci hydraulického
výpoþtu hrázových pĜelivĤ. V další fázi výzkumu se pĜedpokládá jejich srovnání a ovČĜení
s fyzikálním modelem budovaným v LaboratoĜi vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních
staveb.
PodČkování
Tento pĜíspČvek obsahuje dílþí výstupy Ĝešení výzkumného projektu MZe NAZV þ. QH81223.
Literatura
[1] DURGA RAO, K.H.V., PILLAI, C.R.S., Study of flow over side weirs under supercritical
conditions, Water Resources Management, 2008. Vol. 22, Issue 1, p. 131-143.
[2] El KHASHAB, A., SMITH, K.V.H., Experimental investigations of flow over side weirs:
Journal of the Hydraulics Division, ASCE, 1976, Vol. 102, No. HY9, p. 1255-1268.
[3] HAGER, W., Lateral outflow over side weirs: Journal of Hydraulic Engineering, ASCE, 1987,
Vol. 113, No. 4, p. 491-504.
[4] JAIN S. B., Open-Channel flow, John Wiley & Sons, 2001, 328 p, ISBN 0-471-35641-7
[5] KING, J., User guide to RMA2 WES Version 4.5, US Army, Engineer Research
and Development Center, 2005.
[6] ROSIER, B., Interaction of side weir overflow with bed-load transport and bed morphology
in a channel, THÈSE NO 3872 (2007), École polytechnique fédérale de Lausanne.
[7] SMITH, K.V.H., Computer programming for flow over side weirs, ASCE Journal
of the Hydraulics Division, ASCE, 1973, Vol. 99, No. HY3, p. 495-508.
[8] VREUGDENHIL, C.B., Numerical methods for shallow-water flow. 1994, Kluwer Academic
Pub.
- 85 -
VYHODNOCENÍ TERÉNNÍHO MċěENÍ INFILTRACE
VÝTOPOU V K. Ú. HORNÍ MEZIěÍýKO
THE EVALUATION OF TERRAIN MEASUREMENTS
OF INFILTRATION-OUTFLOW AT K.Ú. HORNÍ
MEZIěÍýKO
Ivana Kameníþková*
Increasing soil erosion is a topical global problem with high economic and environmental
consequences. Soil infiltration capability is an important factor in the protection of soil
against water erosion. The presented paper describes evaluation methods of terrain
infiltration experiments in classical and minimal methods of soil cultivation. Measurement
of infiltration-outflow was performed using a twin-cylinder infiltrometer, which was used
to determine the intensity of water level drop. The infiltration speed vt(t) and cumulative
infiltration it(t) were obtained using KosĢjak's empirical equations, which were compared
with empirical equations of Mezencev and Philip's physical equations.
Úvod
Infiltrací se dostává vČtšina srážkové vody do pĤdy, kde vytváĜí zásoby pĤdní a podzemní
vody. PĜi nízké infiltraþní schopnosti ve svrchní vrstvČ pĤdy voda nevsakuje do pĤdy, vzniká
povrchový odtok a s ním spojené negativní jevy.
Vertikální infiltrace mĤže probíhat za dvou odlišných okrajových podmínek:
- Dirichletova podmínka (okrajová podmínka vlhkosti) charakterizuje výtopu, na povrchu
pĤdního profilu, tj. v hloubce z = 0 od þasu t = 0 je vlhkost rovna vlhkosti nasycené
ș = șs. Výtopová infiltrace se zpravidla mČĜí dvouválcovou metodou.
- Neumannova podmínka (okrajová podmínka prĤtoku) charakterizuje infiltraci z deštČ,
na povrchu pĤdního profilu z = 0 od þasu t = 0 až do þasu výtopy povrchu tp
je definován prĤtok, který je roven intenzitČ deštČ. Pro þas t > tp pĜechází NOP v DOP.
Infiltrace ze srážek se mČĜí pomocí dešĢového simulátoru.
PĜíspČvek se zabývá vyhodnocením výtopové infiltrace dvouválcovou metodou podle
Dirichletovy okrajové podmínky [1].
Materiál a metodika
Struþná charakteristika zájmového území
Experimentální plocha se nachází v k.ú. Horní MeziĜíþko, okres JindĜichĤv Hradec.
NadmoĜská výška pozemkĤ je 645 m. Z klimatického hlediska se jedná o oblast mírnČ chladnou
s prĤmČrnou roþní teplotou okolo 5 °C a prĤmČrnými roþními srážkovými úhrny 750 mm.
Sledované plochy se nachází v tČsné blízkosti, jsou mírnČ svažité s jižní expozicí. Základní pĤdní
druh: lehká pĤda - hlinitopísþitá. Firma Stagra Studená zpracovává pĤdu mimimalizaþní technologií
od roku 1992. Soukromý zemČdČlec pan Matoušek používá konvenþní zpĤsob hospodaĜení.
V roce 2008 se pČstovaly na obou pozemcích ozimé plodiny.
*
Ivana Kameníþková, Ústav
[email protected]
vodního
hospodáĜství
krajiny,
Fakulta
stavební,
VUT
v BrnČ,
- 86 -
MČĜení pomocí soustĜedČných válcĤ – dvouválcová metoda
Vsakovací schopnost se mČĜí na povrchu pĤdy, tj. v poþáteþním profilu. Na povrchu pĤdy
se vyhledá vodorovná plocha, osetý povrch se sestĜihne nĤžkami a oþistí se bez narušení
pĜirozeného stavu povrchové vrstvy.
Dva soustĜedČné ocelové válce se posadí na terén (obr. 1), pomocí dĜevČného trámku a palice
se stejnomČrným tlakem zatlaþí do hloubky 10 – 20 cm, nejprve vnitĜní válec, pak vnČjší.
Povrchové spáry podél stČn válcĤ se utČsní zeminou. VnitĜní válec se osadí hrotem pro kontrolu
hladiny a na jeho dno se položí ochranná perforovaná deska, zabraĖující rozplavování povrchu
v místČ nalévání dávkované vody.
Ve vnitĜním válci se sleduje závislost kumulativní infiltrace it(t). VnČjší válec se používá
k zajištČní vertikálního pohybu vsakované vody uvnitĜ mČĜícího zaĜízení (zachování
jednorozmČrného prĤbČhu v souladu s teoriemi infiltrace).
Vlastní mČĜení se provádí pĜiléváním dávky známého objemu nad referenþní úroveĖ,
stabilizovanou mČrným hrotem. Zaznamenává se þas dolévání této dávky vody. V obou válcích
se bČhem experimentu udržuje stejná minimální výška hladiny vody 1 – 4 cm (minimalizace
pĜetlaku). MČĜení se provádí od zahájení vsakovacího pokusu až do relativního ustálení intenzity
vsaku vt(t) = dit(t)/dt. PĜed zapoþetím infiltrace se odeberou vzorky ke stanovení momentální
vlhkosti, která ovlivĖuje prĤbČh infiltrace zpravidla v poþáteþní fázi.
Obr. 1 Souprava soustĜedČných vsakovacích válcĤ
Vyhodnocení terénního mČĜení
Pro vyhodnocení terénního mČĜení infiltrace se používají infiltraþní rovnice empirické nebo
fyzikálnČ odvozené. K empirickým vztahĤm patĜí rovnice KosĢjakova, Mezenceva a Hortna,
k fyzikálním rovnice Green-Ampta, Philipa, Parlanga a další [1].
Rovnice KosĢjakova vychází z hyperbolického tvaru kĜivky, používá se pouze pro poþáteþní
fázi procesu. Pro t ĺ 0 je v ĺ a pro t ĺ je v ĺ 0.
vt t v1 . t D >cm / min@,
it t v1 1 D
>cm@ ,
.t
1D
(1)
(2)
kde v1 je rychlost infiltrace na konci 1. þasové jednotky [cm/min], t doba od poþátku
vsakování [min], Į exponent závislý na vlastnostech pĤdy a poþáteþní vlhkosti.
Linearizovaná forma pro vyhodnocení infiltrace se uvádí ve tvaru:
log it
log
v1
1 D log t ,
1D
(3)
- 87 -
který se mĤže považovat za rovnici pĜímky y = ax + b, kde y = log it, a = 1 - Į, x = log t,
b = log v1/(1 - Į). Parametry pĜímky a, b se urþí lineární regresí minimalizací þtvercĤ odchylek.
Rovnice Mezenceva vychází z hyperbolického tvaru kĜivky s posunem ve smČru osy vt(t)
o hodnotu vc, platí pro delší dobu vsakování vody do pĤdy. Pro t ĺ 0 je v ĺ ȕ a pro t ĺ
je v ĺ vc.
vt t vc v1 vc . t E >cm / min@,
it t vc . t v1 vc 1 E
>cm@,
.t
1 E
(4)
(5)
kde v1, ȕ jsou parametry obdobné jako v KosĢjakovČ rovnici, vc je vyrovnaná rychlost infiltrace.
Z mČĜení je tĜeba odhadnout velikost parametru vc, linearizovaná forma se uvádí ve tvaru:
§ v vc ·
¸¸ 1 E log t ,
logit vc t log ¨¨ 1
© 1 E ¹
(6)
obdrží se opČt rovnice pĜímky, y = log(it – vc t), a = 1 - ȕ, x = log t, b = log(v1 - vc)/(1 – ȕ), která
se Ĝeší lineární regresí minimalizací þtvercĤ odchylek.
Rovnice Philipa vychází ze semianalytického Ĝešení vertikální infiltrace pertubaþní metodou
ve formČ nekoneþné þasové Ĝady, algebraická rovnice uvažuje pouze její první dva þleny:
vt t 1 / 2 S t 1/ 2 A >cm / min@ ,
it t S t 1/ 2 A t
>cm@ ,
(7)
(8)
kde S je sorptivita, A þlen s rozmČrem rychlosti. Parametry S a A se urþí ze soustavy dvou rovnic
o dvou neznámých (Gaussova eliminaþní metoda):
m
m
S ¦ t A ¦ t 3/ 2
j
1
j
1
m
m
S ¦ t 3/ 2 A ¦ t 2
j
1
j
1
m
¦i t
3/ 2
t
j
,
(9)
1
m
¦i t .
t
j
( 10 )
1
Výsledky mČĜení
Terénní infiltraþní pokusy výtopovou metodou (klasický a minimalizaþní zpĤsob zpracování
pĤdy) probíhaly ve sledované lokalitČ 17.4.2008. Použily se 4 soupravy soustĜedČných válcĤ,
dvČ s menším a dvČ s vČtším vnitĜním prĤmČrem. PrĤmČry vnČjších válcĤ byly cca 1,4x vČtší.
Výše zmínČné infiltraþní rovnice byly testovány na tomto souboru dat kumulativní infiltrace
do hlinitopísþité pĤdy. Pro použití Mezencevovy rovnice v linearizované formČ se odhadla velikost
parametru vc. Hodnoty parametrĤ infiltraþních rovnic pro pĜíslušné použité vztahy jsou uvedeny
v tab. 1. Grafické prĤbČhy infiltraþních rychlostí vt(t) a kumulativních infiltrací it(t) jsou uvedeny
v obr. 2, 3, 4, 5.
- 88 -
Tab. 1 Hodnoty parametrĤ infiltraþních rovnic
ZpĤsob zpracování pĤdy
klasický
minimalizaþní
Infiltraþní válec
P § 500 P § 1000 P § 500 P § 1000
[cm2]
[cm2]
[cm2]
[cm2]
Rovnice
Parametr
Į [1/(ln min)]
0,543
0,544
0,681
0,643
KosĢjakov
v1[cm/min]
1,040
0,783
0,7
0,64
ȕ [1/(ln min)]
0,768
0,692
0,787
0,764
Mezencev vc[cm/min]
0,110
0,070
0,050
0,050
v1[cm/min]
0,789
0,654
0,539
0,451
S [cm/min1/2]
2,161
1,44
1,13
1,154
Philip
A [cm/min]
-0,0302 -0,00013 0,0006 -0,0177
1,20
18,00
28,00
24,00
12,00
0,80
9,00
6,00
0,40
20,00
0,80
16,00
12,00
0,40
8,00
3,00
40,00
80,00
4,00
0,00
120,00
0,00
0,00
50,00
t [min]
0,00
150,00
t [min]
vt = f(t),KosĢjakov
vt = f(t), Mezencev
vt = f(t), Philip
vt = f(t), KosĢjakov
vt = f(t), Mezencev
vt = f(t), Philip
it = f(t), KosĢjakov
it = f(t), Mezencev
it = f(t), Philip
it = f(t), Mezencev
it = f(t), Philip
Obr. 2 Grafický prĤbČh vt(t) a it(t) podle
uvedených rovnic, klas. zp., velký infiltrometr
14,00
1,80
12,00
1,50
8,00
6,00
0,50
it [cm]
10,00
1,00
4,00
2,00
0,00
0,00
40,00
80,00
120,00
uvedených rovnic, klas. zp., malý infiltrometr
0,00
160,00
vt [cm.min-1]
1,50
vt [cm.min-1]
100,00
15,00
13,00
11,00
9,00
1,20
7,00
5,00
3,00
0,90
0,60
0,30
0,00
0,00
30,00
60,00
90,00
120,00 150,00
it [cm]
0,00
0,00
it [cm]
1,20
vt [cm.min-1]
15,00
it [cm]
vt [cm.min-1]
1,60
1,00
-1,00
180,00
t [min]
t [min]
vt = f(t), Mezencev
vt = f(t), Philip
vt = f(t), Mezencev
vt = f(t), Philip
it = f(t), Mezencev
it = f(t), Philip
it = f(t), Mezencev
it = f(t), Philip
uvedených rovnic, min. zp., velký infiltrometr
uvedených rovnic, min. zp., malý infiltrometr
ZávČr
Pro vyhodnocení infiltrace se použily linearizované rovnice KosĢjakova, Mezenceva a Philipa.
Výsledky ukázaly, že linearizovaný zpĤsob vyhodnocení infiltrace rovnicemi KosĢjakova a Philipa
je bez výrazných rozdílĤ, pro závislost it(t) a vt(t) grafická Ĝešení témČĜ splývají. VýraznČjší rozdíly
jsou patrné u Mezencevovy rovnice v dĤsledku odhadu velikosti parametru vc, jenž je zatížen
subjektivní chybou (obr. 2 - 4). Linearizací rovnic se zanáší rozdílná váha pro jednotlivé parametry
s dĤrazem na poþáteþní rozkolísané hodnoty, které se projeví natoþením þáry vt(t) a it(t)
u linearizovaných rovnic. Posouzení rozdílnosti tČchto vah je možnČ pomocí nelineární regrese
pro stejný soubor dat, tato problematika však nebyla Ĝešena v rámci tohoto þlánku.
PodČkování: PĜíspČvek byl zpracován za podpory projektu NAZV QH 72203.
Literatura
[1] Kutílek, M., VodohospodáĜská pedologie, 2. vydání. SNTL Praha, 1978
- 89 -
NON-USUAL NUMERICAL METHODS OF
GROUNDWATER POLLUTION TRANSPORT
MODELLING
Karel KováĜík*
The paper shortly describes two non-usual methods used to model of groundwater
pollution. These methods are not commercially distributed in the well-known software
packages but their properties can serve to better modelling several aspects of transport
phenomena.
Introduction
A transport of miscible pollutants is governed by a differential equation of dispersion
(see Eq. ( 1 ))
§
w
U . S 4 .C w ¨¨ 4 . Dij . w C
w xi ©
w xj
wt
·
¸ w vi .C ¦ Z k
¸ wx
k
i
¹
(1)
where we denoted:
C – concentration of soluted pollutant,
S – concentration of sorbed pollutant,
4 – moisture,
Dij – coefficients of the hzdrodznamic dispersion,
vi – velocity of groundwater flow in the i-th direction,
Z – sources of pollutant.
The concentration C of a pollutant soluted in water is expressed as the mass of pollutant
in a unitary volume of water [kg/m]. On the contrary, the concentration S of the pollutant sorbed
on the skeleton is expressed as mass of the pollutant sorbed on a unit of mass of the skeleton
(the concentration is non-dimensional). If we neglect the sorption of pollutants and sources
of pollutants and we suppose to solve the saturated zone we can simplify the Eq. ( 1 ) and we get
wC
wt
w §¨
wC
Dij
w xi ¨© w x j
·
¸ w v pi C ¸ wx
i
¹
(2)
where we denoted vpi as a pore velocity of groundwater flow in the i-th direction.
In contrast to the groundwater flow models, the models of pollutant transport have to deal with
the effects of an advective transport. This makes the solution difficult and, as we will see later,
a new errors can increase, which causes instability of the front of a transition zone by high
velocities. Classical methods based on the weighted residuals method (like FEM or FDM) often fail
when applied to pollutant transport. To solve transport problems, the finite element method
in the Galerkin variant is the most frequently used of all classical methods. The advective term
causes instability of the pollution front and also a so-called numerical dispersion. This numerical
dispersion is a phenomenon describing an artificial spread of pollutants that has its origin
in the numerical method used. It means that the use of a numerical method results in a larger spread
*
Karel KováĜík, Dept. of geotechnics, Faculty of Civil Engineering, University of Žilina, [email protected]
- 90 -
than there actually is. By pollution front instability we mean oscillations close to the front. Owing
to this instability, even negative concentrations can come out of the solution. These phenomena act
against each other, which mean that when we want to decrease the numerical dispersion, we will
automatically increase the oscillations, and vice versa.
These problems led to the development of a whole series of methods that use different
approaches. We can divide them to two groups:
- particle methods,
- meshless metods.
The first group tries to overcome the problems with the transport by emitting particles,
the second one tries to solve the problem without regular mesh to reduce numerical dispersion.
Random-walk method
This method belongs among the particle methods. Particles directly represent the pollutant’s
quantity (every particle has the same given quantity of the pollutant). This given quantity does
not change in time if we do not consider decay. Modelling pure advective transport is easy; we just
have to let the particles be drifted by groundwater.
The solution of the dispersive equation ( 1 ) can be explained as the distribution of a large
number of particles. The position of every particle in the domain can be determined as (see [1])
xic t ' t xic (t ) vi ' t Z ij 2 Dij ' t ,
(3)
where xc are coordinates of a particle at times t and t+'t.'t is the time step and Zij are random
numbers governed by the normal distribution. The first term on the right side of Eq. ( 2 ) stands
for the preceding position of the particle, the second is the advective term and the third is the term
that describes a disperse behaviour of particles. The influence of dispersion is to blame
for the random distribution of particles around their average position. They are distributed
by the normal distribution. The average position is given by the advection. The variance
of the distribution is determined by
V ij2
2 Dij t
(4)
Fig. 1 Random-walk method
An advantage of the random walk method is an easy algorithm and a transparent approach.
Additionally, this method is suitable even for a high Peclet number and it can tackle pure advection
without any problems (see Fig. 1). Somewhat controversial is another advantage of the random
walk method, the non-existence of the numerical dispersion (see the introduction to this chapter).
This is true only if we want the positions of particles in the domain, whereas if we want to calculate
the concentration of pollutant in groundwater (which is the most common requirement), we have
- 91 -
to use a secondary net to count the particles. Then we can reconvert the mass of the pollutant
per water volume in one cell of the net. This procedure introduces the numerical dispersion
but it is significantly smaller than by other methods.
Very important is the method used to determine particles’ velocity in each time step. Thus,
the random walk method is always used together with another method for groundwater flow
modelling which determines velocity. The most effective method to determine velocity
is the boundary element method. This method enables an explicit calculation of velocities
in an arbitrary point inside a domain.
Radial basis functions (RBF) method
This method belongs among the meshless methods. From the mathematical point of view
it is a kind of collocation methods. We construct a set of N points inside the domain of interest
and we express the approximate solution of Eq. ( 1 ) as
C x, y , t N
¦ C t M x, y i
(5)
i
i 1
where Ci are the unknown coefficients (concentration at point i) and Mi are the radial basis function
(e.g. the multiquadric functions or polyharmonic splines). Then if we suppose that Eq. ( 2 )
is true in all collocation points we get the following system of linear equations (see e.g. [2])
§ M j xi , y i N
¦ ¨¨
j 1
©
't
Dxx
w 2 M j xi , y i w x2
D yy
w 2 M j xi , yi · n 1
¸ Cj
¸
w y2
¹
1 n
C xi , yi v px C xn xi , yi v py C yn xi , yi 't
(6)
where we denoted
C n xi , y i N
¦C
n
j
M j xi , y i j 1
C xi , y i n
y
j 1
N
¦C
j 1
N
¦C
C xn xi , yi n
j
w M j xi , y i n
j
w M j xi , y i wx
(7)
wy
Example
Numerical modelling was the background for the risk assessment analysis which provides
a complex assessment of risk factors and it aimed to set a new target of remediation and length.
To solve the existing ecological problem we carried out the modelling for an initial state
and for a current state of remediation. The planar model of a steady groundwater flow was done
by means of the boundary elements method (BEM) to solve the partial differential equation
of the groundwater flow. The transport of pollution dissolved in groundwater was solved
by the random walk particle method combined with BEM.
First, we set up a hydraulic model of the domain and then we verified it using the known initial
state of groundwater flow (see Fig. 2). This was followed by modelling the transport of pollution
dissolved in groundwater for the initial state. The last stage was the modelling of pollution transport
for the current state of remediation.
- 92 -
The main pollution source is placed in the neighbourhood of remediation wells in the southeast
corner of the industrial zone. The source was assumed to be permanent. The modelling
of the transport of pollution was done for a time period of 50 years. Within this time the front
of the pollution reaches the water recipient and 50 years is the time of functioning of the factory
and the time of a permanent polluting of the groundwater (see Fig. 3). Remediation is carried out
by pumping the polluted groundwater by means of several wells. The total yield of all pumped
wells was set to 0.222 l/s. The model presumed only one significant pollution source
with its position being a machining shop. The model stemmed from the pollution state after
50 years of pollution transport (the model above). Remediation should run for 6 years. The model
determining the degree and the spread of pollution was actually done for 56 years (50 years
of transport of pollution without remediation and 6 years of remediation).
Fig. 2 Zones of non-homogeneity
Fig. 3 Concentrations of pollutant
Conclusion
Two non-usual numerical methods are presented here. The development of new numerical
methods is still continuing because standard methods have several drawbacks. The paper
try to shortly introduce two non-usual methods which can be used to overcome these problems.
References
[1] KOVARIK, K., Numerical Models in Groundwater Pollution, Springer Verlag, 2000
[2] LI, J., CHEN, Y., PEPPER, D., Radial basis function method for 1-D and 2-D groundwater
contaminant transport modelling, Comp. Mechanics (32), 2003, pp. 10-15
- 93 -
SHRNUTÍ VÝSLEDKģ EVAPOTRANSPIRACE MALÝCH
UMċLÝCH MOKěADģ ZA 4 ROKY MċěENÍ
THE EVAPOTRANSPIRATION RESULTS SUMARY
ON LITTLE CONSTRUCTED WETLANDS DURING
FOUR-YEAR OBSERVATION
Michal Kriška*
The substance of the report is the knowledge gained from the observation of the course
of evapotranspiration of wetland plants implemented in 2005-2008. The following four
types of large-capacity lysimeters were observed:
a) Those with the full-grown stand of common reed (Phragmites australis),
b) Those with the full-grown stand of common reed (Phragmites australis), (larger
ground area),
c) Those with the full-grown stand of latifoliate bulrush (Typha latifolia), (planted
during the first year),
d) Those with the full-grown stand of common reed (Phragmites australis), the control
lyzimeter, planted during the first year).
Basic meteorological data, the development of the stand, the creation of the plant biomass
and selected growth parameters etc. were observed. The report is completed
with a number of graphs illustrating the course of evapotranspiration during
the vegetation period and with the diagrams of the plant.
Úvod
MokĜadem se rozumí zatopená þást území, ve které probíhá spousta biologických, chemických
a fyzikálních reakcí. VšeobecnČ známé formy mokĜadĤ - pĜírodní a umČlé, se od sebe liší
okrajovými podmínkami. UmČlé mokĜady jsou systémy plnící konkrétní úkoly, zamČĜené
pĜedevším na zlepšení kvality vody, úpravu mikroklimatu a hydrologických pomČrĤ pro mokĜadní
flóru i faunu, plnČní estetické funkce v krajinČ þi urbanizovaném prostĜedí.
Výparem z povrchu rostlin dochází k likvidaci odpadní vody, tvorbČ pĜíznivého mikroklima
v okolí mokĜadu. NejþastČjším mokĜadní rostlinou pČstovanou na koĜenových þistírnách je v ýeské
republice jsou rákos obecný (Phragmites Australis), chrastice rákosovitá (Phalaris arundinacea),
pĜiþemž mČĜení na výzkumném polygonu probíhalo právČ na tČchto rostlinách. Jednotlivé druhy
rostlin mají rĤzné fyziologické vlastnosti, liší se velikostí vzrĤstu, hustotou porostu, hloubkou
koĜenového systému, plochou listĤ aj.
Evapotranspirace
Do ovzduší se voda dostává výparem z vodní hladiny, z povrchu pĤdy, z rostlinného krytu
a transpirací rostlin. Intenzita výparu þili rychlost vypaĜování se definuje jako hmotnostní množství
vody vypaĜené z jednotkové plochy za jednotku þasu [kg.m-2.s-1] nebo výškovČ [mm.s-1], kde 1 mm
je sloupec vody, který vytvoĜí 1 litr na ploše 1 m2. VČtšinou se vypaĜené množství vztahuje
k delšímu þasovému období (hodina, den, mČsíc, rok). Velikost výparu závisí na vlastnostech
*
Michal Kriška, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 94 -
ovzduší a na teplotČ vody nebo odpaĜujícího povrchu [1]. Vlastnosti ovzduší jsou dány
meteorologickými faktory, zejména teplotou, vlhkostí a pohybem vzduchu. Teplota odpaĜujícího
povrchu závisí pĜedevším na tom, jak tento povrch pĜijímá energii ve formČ záĜení a jak je v nČm
teplo dále vedeno. S výparem je úzce svázán pojem evapotranspirace, což je celkový výpar z rostlin
a pĤdy.
Výzkumný polygon VHK
Náplní referátu jsou poznatky ze sledování prĤbČhu evapotranspirace mokĜadních rostlin
bČhem þtyĜletého období. MČĜení bylo provádČno prostĜednictvím denního sledování poklesu výšky
hladiny vody se zohlednČním úhrnu dešĢových srážek a množství dolévané vody. Hladina kapaliny
byla v nádržích udržována trvale nad úrovní povrchu substrátu tak, aby byl umožnČn pĜesný odeþet
zmČny výšky hladiny. Struþná charakteristika jednotlivých lyzimetrĤ je uvedena v tab. 1.
Tab. 1 Charakteristika použitých lyzimetrĤ
Model PĤdorysná plocha Rostlina
1,67
Rákos obecný
M2
3,20
Rákos obecný
M3
3,20
Chrastice rákosovitá
M4
3,20
Rákos obecný
M5
2,04
Volná hladina
M6
Výsadba
2003
2003
5/2005
5/2005
8/2005
Substrát
Hlinitopísþitá pĤda
Hlinitopísþitá pĤda
Hlinitá pĤda
Hlinitá pĤda
Drcený vápenec 4-8 mm
Jednotlivé lyzimetry byly dotované jednak dešĢovými srážkami, jednak vodovodní vodou.
Vzhledem k nedostatku živin byly porosty hnojeny jednorázovou dávkou granulovaných NPK
hnojiv. Jednotlivé lyzimetry byly vybaveny hrotovými snímaþi výšky hladiny, v posledním roce
mČĜení došlo k zpoloautomatizování systému – pĜed každý lyzimetr byly zapojeny vodomČry
s plovákovými spínaþi. Výška hladiny byla mČĜena pĤvodnČ dvakrát týdnČ, v posledním roce každý
den. Hladina vody byla trvale udržovaná nad úrovní substrátu. Z upravené bilanþní rovnice byl
stanoven odbČr vody na transpiraci. Úhrn dešĢových srážek byl mČĜen na dvou ombrometrech,
umístČných na polygonu. Cílem referátu je nejen porovnání namČĜených výsledkĤ, ale i návrh
na jejich další využití v praxi.
Obr. 1 MČĜení výšky porostu rákosu obecného
- 95 -
MČĜení
U Ĝízených mokĜadĤ je možné ovlivĖovat pĜítok a odtok vody, retenci na mokĜadu a þásteþnČ
i infiltraci do podloží. U mokĜadĤ umČlých, využívaných jako pĜírodní zpĤsoby þištČní, v bilanþní
rovnici zĤstávají dvČ veliþiny, kterými jsou dešĢové srážky a evapotranspirace mokĜadních porostĤ.
Hodnota evapotranspirace byla stanovená jako souþet výparu z vodní hladiny umČlého mokĜadu
a transpirace mokĜadních porostĤ. Bylo sledováno množství dešĢových srážek (SR) a mČĜena
dotace vody do lyzimetru, kterou je povrchový pĜítok (WPP). Ostatní bylo eliminováno díky
nepropustné konstrukci modelĤ. PĤdní prostĜedí lyzimetru (umČlého mokĜadu) bylo po celou dobu
šetĜení plnČ nasycené vodou.
Transpirace za mČsíc [ mm ]
12
10
M2
M3
8
M4
M5
6
M6
4
2
0
kvČten
þerven
þervenec
srpen
Ĝíjen
záĜí
listopad
MČsíc
Obr. 2 PrĤmČrná denní evapotranspirace v daném mČsíci (mČĜeno v roce 2008)
Evapotranspirace [ mm/den ]
12,0
10,9
10,6
Model M2
10,5
9,6
10,0
Model M3
8,4
8,1
8,0
5,96,2
6,0
8,3
7,6
Model M4
8,3
7,9
Model M5
Model M6
5,7
5,7
4,8
4,1
4,0
2,0
3,03,1
2,52,3
2,9
2,5
3,4
3,0
2,6
1,7
1,4
2,4
1,6
0,4
1,7
1,2
0,6
0,3
0,5
0,0
kvČten
þerven
þervenec
srpen
záĜí
Ĝíjen
listopad
Obr. 3 PrĤmČrná denní evapotranspirace v daném mČsíci (za þtyĜleté mČĜení)
Výsledky
Výsledky výzkumných šetĜení byly zpracovány tabelárnČ a graficky. Nejvyšší
evapotranspirace u všech lyzimetrĤ nastaly na pĜelomu mČsíce þervence a srpna, což pĜímo souvisí
s prĤmČrnými denními teplotami. Pro daný úþel nám byly poskytnuté srážkomČrné, teplotní,
vČtrnostní a sluneþní údaje z meteorologické stanice našeho ústavu, instalované na stĜeše budovy C
- 96 -
v areálu Fakulty stavební VeveĜí 95. ýásteþnČ byly mČĜeny i základní meteorologické veliþiny
pĜímo na polygonu. Pro pĜesnČjší závČry by bylo tĜeba rozšíĜit mČĜící techniku.
Tab 2. PrĤmČrná hodnota (za 4 roky) za vegetaþní období [mm/veg.obd.]
Model M2
Model M3
Model M4
Model M5
Model M6
1222
1251
721
952
321
ZávČr
Transpirace mokĜadních rostlin odþerpává pomČrnČ znaþné množství vody, které na pĜevážné
þásti našeho území výraznČ pĜesahuje dešĢové srážky. Stanovení evapotranspirace na umČlých
mokĜadech ovlivĖuje celá Ĝada þinitelĤ, zejména pak:
- klimatické pomČry (teplota, relativní vlhkost, sluneþní radiace, rychlost vČtru, sytostní
doplnČk aj.), definování vlastností mikroklimatu,
- charakterizování mokĜadního porostu (sušiny biomasy, hustoty stébel, výšky porostu,
povrchové plochy listĤ aj.), který je na velkých plochách znaþnČ promČnný,
- stanovení negativních antropogenních vlivĤ na vývoj porostu aj.
Rozdíly mezi dosaženými výsledky na malých a stĜedních lyzimetrech vyplývají z tČchto vlivĤ:
- menší lyzimetry jsou výraznČ ovlivĖovány teplotou okolního území. Bylo zjištČno,
že teplota vody v malém lyzimetru je výraznČ vyšší než stĜedních lyzimetrĤ,
což zvyšuje výpar,
- u malých lyzimetrĤ se nevytváĜí vlhþí mikroklima odpovídající vČtším plochám,
je zde nižší vzdušná vlhkost, mají vyšší propustnost pro vítr,
- hustota porostu je u malých lyzimetrĤ vyšší, protože okrajové rostliny þásteþnČ
využívají okolní volný prostor.
NamČĜené výsledky jsou použitelné zejména pro Ĝízené mokĜady a to konkrétnČ pro umČlé
mokĜady s Ĝízeným vodním režimem- vegetaþních koĜenových þistírnách, domovních vegetaþních
þistírnách [3], pro návrh zamokĜených pĜíkopĤ a podlouhlých mokĜadních pásĤ. Výsledky nelze
srovnávat s evapotranspirací namČĜenou na velkých lyzimetrech, plochách þi mokĜadech,
kde nabývají témČĜ poloviþních hodnot. Na velkých koĜenových þistírnách (myšleno þistírnách
pro obce) dosahuje výpar v nejteplejších dnech hodnot 5 – 7 mm/den, což je hodnota nepĜíliš
ovlivĖující celkovou vodní bilanci. Hlavním þinitelem, ovlivĖujícím velikost výparu, jsou výše
zmiĖovaní þinitelé. ObecnČ lze Ĝíci, že þím menší pĤdorysná plocha a þím více exponované místo
(vystavené vČtru a sluneþnímu svitu), tím vyšší evapotranspirace se bude dosahovat.
Literatura
[1] KRÁLOVÁ, H., ZVċěINA, Z., VodohospodáĜská meteorologie a klimatologie, Brno: CERM,
2002. 152 s. ISBN 80-214-2338-2
[2] ŠÁLEK, J., TLAPÁK, V., PĜírodní zpĤsoby þištČná zneþištČných povrchových a odpadních
vod, Praha, Czech Republic, 2006, p. 283. ISBN 80-86769-74-7
[3] ŠÁLEK, J., ŽÁKOVÁ, Z., HRNýÍě, P., PĜírodní þištČní a využívání vody v rodinných domech
a rekreaþních objektech, Brno, 2008, p. 115. ISBN 978-80-7366-125-0
- 97 -
BEZVÝKOPOVÉ TECHNOLOGIE (VLOŽKOVÁNÍ
A PROTLAK) NA STAVBċ KANALIZACE V KARVINÉ
Z CC-GRP MATERIÁLU
TRENCHLESS TECHNOLOGIES (RELINING AND
JACKING) IN CONSTRUCTION OF SEWERAGE LINES
IN KARVINÁ WITH CC-GRP MATERIAL
Jaroslav Kunc*
Both methods of NO-DIG technologies with CC-GRP pipe material were used on this
construction site. For the jacking there was obtained Czech national record in length
of jacking between starting and ending shafts without using intermediate station with total
length 194 meters. Jacking diameter of CC-GRP pipes DN 1400 reduced also extracted
soil capacity. For relining the installation was performed with specially prepared pieces
of CC-GRP pipes DN 1500 for lane with length 70 meters and curve with radius about
55 meters.
Volba NO-DIG technologie na stavbČ
Instalace kanalizaþních stok ve mČstČ NO-DIG metodami byly vyvolány požadavkem
minimalizace vlivĤ stavby na okolní zástavbu, dopravu a pohyb obþanĤ v místČ. Geologie spolu
s výskytem relativnČ vysoké hladiny spodní vody ohrožovaly stávající objekty pokud by byla
zvolena tradiþní instalace do výkopu s pažením a snižováním hladiny spodní vody bČhem pokládky
potrubí. Kapacitní potĜeby spolu s omezenými možnostmi pĜi volbČ sklonĤ stok vyžadovaly volbu
pomČrnČ velkých profilĤ stok – DN 1400 až DN 1500. V technické pĜípravČ stavby byla zvolena
bezvýkopová technologie pro instalaci potrubí dvČma zpĤsoby. PĜímé úseky metodou protlakĤ
s umístČním startovacích a cílových šachet v místech lomĤ a tam, kde bylo možno umístit
kanalizaþní šachty. Pro stoku v oblouku a v místech, kde použití protlaku nebylo možné, byla
zvolena metoda štolování s následným vtažením trub, které jsou schopné zabezpeþit nároky
na kanalizaþní provoz. Pro protlaky byly vybrány dva typy trubních materiálĤ a to trouby
pro protlak z kameniny a trouby pro protlak z betonu. Pro vložkování pĜímých úsekĤ byly vybrány
trouby z HD-PE se spirálovitČ zesílenou stČnou. Pro vložkování trasy v oblouku bylo zvoleno
potrubí sklolaminátové (CC-GRP).
Technologie protlakĤ a volba potrubí
K instalaci trub protlakem bylo zvoleno zaĜízení firmy ISEKI a to ve dvou typech.
K protlaþování trub z kameniny byl zvolen typ TTC 1450 (1640), k protlaþování trub z betonu typ
TTC 1800 (1840) a to vþetnČ doplĖkového zaĜízení pro tlaþnou mezistanici. Z kameniny mČlo být
provedeno celkem 1248 m s nejdelším úsekem protlaþování 134 m. S betonovými troubami mČlo
být protlaþeno celkem 670 m. Pro 4 úseky v délkách nad 150 m bylo kalkulováno nasazení
2 tlaþných mezistanic, nejdelší úsek protlaþování mČl délku 194 m. Úseky s délkou nad 100 m
pĜedpokládaly nasazení jedné tlaþné mezistanice. Potrubí z kameniny DN 1400 pro protlaþování má
*
Jaroslav Kunc, HOBAS Central Europe, [email protected]
- 98 -
vnČjší prĤmČr 1630 mm, potrubí z betonu a þediþovou vystýlkou DN 1400 pro protlaþování
má vnČjší prĤmČr 1820 mm. Oba druhy potrubí mají délku 2 m/ks.
Protlaþování bylo zahájeno s troubami z kameniny a to na úseku délky 80 m. PĜi dokonþování
tohoto prvního úseku se u výrobce objevily kapacitní potíže v harmonogramu dodávek, které
by mČly pro zhotovitele i investora akce nepĜíznivé dĤsledky. Nasazení stroje
ISEKI TTC 1450 (1640) pĜimČlo zhotovitele hledat jiný druh trubního materiálu, který by výpadek
v provádČní stavby eliminoval. PĤvodnČ zvažovaný prĤmČr trub z CC-GRP s vnČjším prĤmČrem
1638 mm nemohl být z kapacitních dĤvodĤ výrobce trub CC-GRP použit. Jako v krátkém þase
dostupný bylo nabídnuto potrubí z CC-GRP DN 1400 s vnČjším prĤmČrem 1499 mm. Na tento
nový vnČjší prĤmČr trub byl stroj ISEKI TTC 1450 (1519) pĜebudován. BČhem operativního
upĜesĖování požadavkĤ stavby a volby vhodného potrubí z hlediska požadovaných tlaþných sil
(6000 kN pĜi stupni bezpeþnosti 2,0) byla vybrána dodávka trub s tloušĢkou stČny 52 mm
(tuhost SN 40000) v délkách 3 m/ks. Každý pátý kus trouby v dodávce byl opatĜen zabudovanými
3 otvory ve stČnČ pro použití bentonitu ke snižování tĜecích sil na vnČjší stranČ trub pĜi protlaþování.
Obr. 1 CC-GRP k expedici
Obr. 2 Schéma GG-GRP pro protlak
První poznatky z protlaþování trub CC-GRP DN 1400 na úseku dlouhém okolo 114 m vedlo
zhotovitele i investora akce k rozhodnutí, že nebudou použity k protlaþování ani trouby z betonu.
V organizaci stavby došlo ke zmČnám v harmonogramu jednotlivých protlaþovaných úsekĤ a další
úsek mČl délku 160 m. Sledováním dosahovaných tlaþných sil, dodávkou trub s požadovanou
tlaþnou silou a vyhodnocením situace se zajišĢováním tlaþné mezistanice a trub CC-GRP s úpravou
pro použití této tlaþné mezistanice zpĤsobilo, že i protlak v této délce byl proveden bez tohoto jinak
nezbytného doplĖkového zaĜízení. Rezerva v dosahovaných tlaþných silách vedla zhotovitele
k rozhodnutí, že ani pro nejdelší úsek nebude tlaþná mezistanice použita. Tak došlo k tomu,
že bylo v ýeské republice dosaženo rekordu v délce protlaþovaného úseku bez použití tlaþné
mezistanice. Tento národní rekord má délku 194 m þisté délky protlaku.
KromČ úspory pĜi nepoužití tlaþné mezistanice se pĜi používání trub CC-GRP projevily tyto
skuteþnosti:
- délka trub 3 m snížila pracnost pĜi napojování a kompletaci trub v montážní jámČ oproti
použitým troubám z kameniny v délce 2 m o 1/3,
- hmotnost 1 ks trouby z CC-GRP byla pĜibližnČ 1550 kg, hmotnost 1 ks trouby
z kameniny byla 2000 kg, což usnadnilo dopravu trub do jámy a nároky na mechanizaci
na stavbČ,
- snížení vytČžené zeminy z dĤvodu menšího vnČjšího prĤmČru (o 12 % oproti troubám
z kameniny; o 36 % oproti troubám z betonu!) snížilo nároky na její následné
skládkování,
- velikost tlaþných sil se v prĤbČhu protlaþování (samotné protlaþování a “rozjezd“
po kompletaci dalšího kusu v montážní jámČ) se mírnČ snížila. Oproti provedenému
úseku z kameniny (v realizované délce 80 bm) byla výsledná tlaþná síla cca 15 kN/m2
- 99 -
vnČjšího povrchu trub. PĜibližná hodnota pro trouby CC-GRP byla (na srovnatelnou
délku 80 bm) cca 10 kN/m2. S délkou protlaþovaného úseku prĤmČrná hodnota klesá
a pro rekordní délku s CC-GRP byla tato hodnota cca 5 kN/m2. Vždy je tato hodnota
ovlivnČna geologií v místČ protlaþování,
- není tĜeba odstraĖovat roznášecí prstenec ve spojích mezi jednotlivými troubami,
- pĜesnost tvaru trub CC-GRP v pĜíþném smČru a prakticky bezesparé spoje spolu
s urþením trub pro kanalizaþní použití tvoĜí pĜedpoklad správné volby i z pohledu
investora a budoucího provozovatele.
Obr. 3 Kamenina DN 1400 po protlaþení
Obr. 4 CC-GRP DN 1400 po protlaþení
Je však potĜeba upozornit i na zvýšené riziko pro zhotovitele. Tím je nižší hodnota excentricity
pĤsobištČ tlaþné síly. Pro použité potrubí CC-GRP DN 1400 (1499 mm) SN 40000 je tato
excentricita 195 mm, zatímco pro potrubí z kameniny DN 1400 (1630 mm) je tato hodnota 300 mm
a pro potrubí z betonu DN 1400 (1820 mm) je tato hodnota 425 mm! Mez excentricity je vzdálenost
pĤsobištČ výslednice tlaþné síly od osy potrubí. Záleží tedy i na zkušenostech a peþlivosti operátora,
který prĤbČh protlaþování sleduje a “Ĝídí“.
Technologie vložkování s CC-GRP potrubím v oblouku trasy
vynechat 1 Ĝádek (12pt)
Pro vložkování potrubím CC-GRP byla volba usnadnČna konstrukþním Ĝešením spojĤ trub.
Spojky na vnitĜní stranČ opatĜené pryžovým profilovaným celoplošným tČsnČním umožĖují konce
trub mírnČ vychýlit tak, aby nedošlo ke ztrátČ tČsnosti. Konstrukce spojek je shodná i pĜi použití
na tlakové rozvody. Protože však polomČr zakĜivení stoky v místČ stavby byl pĜibližnČ 55 m, bylo
po projednání pĜistoupeno k netradiþnímu (v minulosti však vyzkoušenému) Ĝešení. Aby poþet
spojek pro vychylování smČru spojovaných trub nebyl pĜíliš vysoký, byly u výrobce konce trub
zkoseny a poznaþeny tak, aby zhotovitel pĜi spojování tyto pozice dodržel. Tím došlo k vytvoĜení
segmentového oblouku z pĜímých trubních kusĤ. Zkracováním trub CC-GRP v pĤvodní délce
pĜibližnČ 6 m na polovinu nebo tĜetinu nezpĤsobuje ani zhotoviteli ani dodavateli žádný zbyteþný
proĜez a odpad. PĜi této technologii výroby trub CC-GRP je vnČjší povrch a prĤmČr v tolerancích,
které je pro vnitĜní profilované tČsnČní spojek dostaþující pro spolehlivé spojení. Šikmé seĜíznutí
okrajĤ a spojení ve správné pozici vytvoĜily spoje, které zevnitĜ vypadají stejnČ, jako by bylo
spojováno standardní provedení v pĜímém smČru.
Doprava upravených kusĤ trub se spojkami do štoly, spojování jednotlivých dílĤ a následná
fixace v definitivní pozici je totožná, jako pĜi používání trub CC-GRP pĜi sanacích metodou
relining. Tato metoda je s troubami CC-GRP dostateþnČ známa. Výrobce a dodavatel potrubí
má dostatek zkušeností a rad pro zhotovitele i projektanta k Ĝádnému návrhu komplexního Ĝešení.
- 100 -
Jednou z nesporných výhod je flexibilita potrubí ve spojích a souþasnČ dostateþná tuhost samotných
trub a to i v prĤbČhu plnČní a hydratace výplnČ mezi vnČjším povrchem provizornČ fixovaných trub
a vnitĜním prostorem, kam je potrubí CC-GRP zatahováno a tím zabudováno v definitivní pozici.
Obr. 5 Ražba štoly do oblouku
Obr. 6 Stoka po vložkování CC-GRP
ZávČr
ObČ metody použití trub CC-GRP jsou v zahraniþí dostateþnČ známé a i podmínky zhotovitele
v ýeské republice prokázaly možnosti využití v NO-DIG technologiích i v tuzemských
podmínkách. Zástupci dodavatele potrubí, kteĜí jsou souþasnČ i výrobci potrubí, jsou schopni
v rámci mezinárodního koncernu uplatnit nestandardní a pĜitom bezpeþná Ĝešení a zvolit správnou
jakost trubního materiálu. Vedle tČchto výše popsaných metod použití existuje i celá Ĝada dalších
možností pĜi volbČ potrubí z CC-GRP, jako je napĜíklad dodávka potrubí pro protlaky
s protlaþováním do oblouku, dodávka trub pro protlak s budoucím tlakovým provozem potrubí,
dodávka trub pro relining s provedením takových spojĤ, které umožĖují vedení trasy pod hladinou
spodní vody (až 45 m nad vrcholem potrubí!), doplĖkové výrobky (šachty, montážní spojky)
k troubám pro protlak i pro relining.
ZávČrem mi dovolte, abych podČkoval zhotovitelĤm, investorovi i budoucímu provozovateli,
kteĜí se na této stavbČ rozhodli tak, jak rozhodli. Bez jejich spolupráce, by výrobky CC-GRP byly
“mrtvým zbožím“, jak je mnohdy ke stavebním výrobkĤm pĜistupováno.
Za poskytnutí údajĤ o prĤbČhu protlaþování trub CC-GRP a docílení národního rekordu v délce
protlaþovaného úseku bez tlaþné stanice bych chtČl tímto podČkovat jmenovitČ Ing. Daliboru
ýenþíkovi ze spoleþnosti SUBTERRA Praha a.s., který se na obsahu tohoto pĜíspČvku podílel.
Literatura
[1] ýSN EN 14 364 (64 6438) Tlakové a beztlakové plastové potrubní systémy pro kanalizaþní
pĜípojky a stokové sítČ – Reaktoplasty vyztužené sklenČnými vlákny (GRP) na bázi
nenasycených polyesterových pryskyĜic (UP) – Specifikace pro trubky, tvarovky a spoje
[2] ISO/DIS 25780 Plastics piping systems for pressure and non-presssure water supply, irrigation,
drainage or sewerage – Glass-reinforced thermosetting plastics (GRP) systems based
on unsaturated polyester (UP) resin – Pipes with flexible joints intended to be installed using
jacking techniques
[3] Firemní dokumenty HOBAS
[4] Dokumentace stavby poskytnutá dodavateli potrubí pro nabídku dodávky potrubí k vložkování
štoly do oblouku
- 101 -
TERRAIN MEASUREMENTS AND CALIBRATION
OF HYDRO DYNAMICAL MODEL OF GROUPS
OF CHANNEL HYDRO POWER PLANTS
ON THE VÁH CASCADE
Radomil KvČton*, Peter Dušiþka**, Ján Rumann***, Peter Šulek****
The Váh cascade of hydroelectric power plants has been constructed over 70 years.
Individual power plants and entire groups of power plants were designed and built
with different hydraulic parameters such as sizes of channels, discharges through power
plants, etc. Therefore, the hydraulic structures of the Váh cascade are complicated.
Our department made terrain measurements and research on this water structure system.
The results of measurements were used for the better calibration of hydro dynamical
model of these water structures. The presented paper describes this process.
Introduction
Groups of channel hydropower plants (HPP) of the Váh cascade Ladce–Ilava–Dubnica–
Trenþín and Kostolná–Nové Mesto–Horná Streda are hydraulically interdependent. Going along
the stream of the Váh River, the group of hydropower plants Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín begins
in the reservoir Dolné Koþkovce and ends in the reservoir Trenþianske Biskupice and the group
of hydropower plants Kostolná–Nové Mesto–Horná Streda begins in the reservoir Trenþianske
Biskupice and ends in the reservoir Drahovce (SĎĖava. The reservoirs Dolné Koþkovce
and Trenþianske Biskupice have small storage volume for regulating operation of lower situated
HPPs. For this reason is the regulation operation of the HPPs enabled by flow regulation, which
is provided by the large reservoir Nosice situated above the concerned stage of the Váh cascade.
In the view of mathematical modelling are for these groups easily applicable modelling methods
verified on other channel hydropower plants. These methods are based on decomposition
of modelling system into separate sections with independently defined boundary conditions.
This enables simultaneous verification of complex methods for obtaining more realistic description
of interaction between natural Váh riverbed (together with water reservoirs) and artificial channels
of hydro power plants. The modelling results will be progressively applied for other parts
of the Váh hydroelectric system aiming to obtain fully developed hydrodynamic model.
An important part of the modelling is also acquirement respectively verification of hydraulic
characteristics of channels - the roughness coefficient of wetted perimeter. The presented paper
describes terrain measurements with intention to obtain these hydraulic characteristics at groups
of hydropower plants Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín and Kostolná–N. Mesto–Horná Streda.
Both concerned groups of channel HPPs operate practically synchronously in tandem operation.
Therefore the terrain measurements at the derivation channels had to be synchronous.
The measurement had been performed simultaneously on both groups with the aim to achieve
steady water levels in channels, as well as in reservoirs.
Hydraulic links within the concerned stage of the Váh River
Concerned stage if the Váh River is situated between the water structure (WS) D. Koþkovce
down to water structure Drahovce and it is fully energetically utilized. The two mentioned groups
*
Radomil KvČton, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
Peter Dušiþka, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
***
Ján Rumann, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
****
Peter Šulek, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
**
- 102 -
of hydropower plants (Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín and Kostolná–N. Mesto–Horná Streda) are
in this stage. Every hydropower plant of the groups is directly hydraulically linked to upstream HPP
or reservoir. This means that the backwater of downstream HPP reaches the upstream HPP. Also
the HPPs are operated simultaneously, meaning that these HPPs operate with discharge, which is let
in the whole scheme at the entry of this stage by the first intake channel and hydropower plant (pilot
HPP). In this case it is the HPP Ladce. The intake channels of the HPP group Ladce–Ilava–
Dubnica–Trenþín have trapezoid cross-section with bottom width about 18,3 m and water-side
slope 1:1,75. They are sealed by facial concrete sealing. The bottom width of outlet channels varies
from 8 to 15,4 m. There is not any channel lining under the minimal operation water level
and the slope of the banks is 1:3. The maximal turbine capacity of HPP Ladce (after reconstruction)
and HPP Trenþín is 2 x 90 m3/s. The maximal turbine capacity of HPP Ilava and HPP Dubnica
is 2 x 75 m3/s. The intake channels of the HPP group Kostolná – N. Mesto – Horná Streda have also
trapezoid cross-section with varying bottom width from 16 to 19 m and water-side slope 1:1,75.
They are sealed by facial concrete sealing. The bottom width of outlet channels varies from
12 to 16 m. There is not any channel lining under the minimal operation water level and the slope
of the banks is 1:3. The maximal turbine capacity of all HPPs in this group is 2 x 90 m3/s.
The disposition of the HPPs is in hydraulic point of view a channel derivation, whereby
the dominant dimension of the channel is its length. From physical point of view can be specific
profiles (the intake object of HPP Ladce at water structure D. Koþkovce, the orifice of the outlet
channel of VE Trenþín with reservoir Tr. Biskupice, the intake object of HPP Kostolná at water
structure Tr. Biskupice, the orifice of the outlet channel of VE Horná Streda with reservoir
Drahovce and all HPPs) considered as singular points. It is possible to define hydraulic parameters
and time behaviour of the flow in these points. For the hydraulic solution of the flow regime can
be both groups of HPPs divided in separate stages as following: Dolné Koþkovce–Ladce (intake
channel for HPP Ladce), Ladce–Ilava, Ilava–Dubnica, Dubnica–Trenþín, Trenþín–Tr. Biskupice
(outlet channel of HPP Trenþín reservoir Tr. Biskupice), Tr. Biskupice–Kostolná (intake channel
for HPP Kostolná), Kostolná–Nové Mesto, N. Mesto–Horná Streda, Horná Streda–Drahovce (outlet
channel of HPP Horná Streda to reservoir Drahovce). After separation can singular points
be considered as boundary profiles and known time behaviour of hydraulic parameters in these
profiles can be considered as boundary conditions for flow computation.
Methodology of verification of roughness coefficient in derivation channels
Verification of roughness coefficient is possible only by direct measurement during operation
in these approaches:
a) steady state measurement – steady non-uniform flow in channel, attained by continuous
start on required flow rate through hydropower plant – minimizing of wave transition effects
in channel,
b) unsteady state measurement – unsteady non-uniform flow (used only in case, when
attaining of steady state is not possible, results are less precise).
Measurement of roughness coefficient by steady state
Measurement by steady state consists of next steps:
- attaining of steady state without any flow before the beginning of measurements – steady
water levels in derivation channels and compensation reservoirs are necessary not only
for the probes calibration but also as initial conditions for mathematical modelling,
- attaining of steady flow state.
Frequency of data acquiring (water level measurement), once per minute, is usually sufficient
for major part of hydrodynamic processes. Conditions for attaining steady flow state vary in order
to type of derivation channel and measured profiles must be situated in sufficient distance
from impounding structures in channel. For roughness coefficient calculation of measured stage
- 103 -
by steady non-uniform flow has been the segment solution method and its appropriate formulas
for hydraulic characteristics:
ª § 1
1 ·
l º
'z Q 2 «[ ¨¨ 2 2 ¸¸ 2 »
(1)
¬« © S d S h ¹ K p ¼»
where:
Sp
average flow area
'z
water level elevation change
Cp
velocity coefficient by Manning
Q
steady flow rate
average hydraulic radius
[
expansion or contraction loss coefficient Rp
average wetted perimeter
Sd,Sh flow area of downstream and upstream Op
Od,Oh wetted perimeter of downstream and
profile
upstream profile
l
length of stage
n
roughness coefficient
Kp
average flow-rate module
Final formula for roughness coefficient computation, obtained by adjusting upper formulas (1):
'z Q 2[ 1 / S d2 1 / S h2 S p 2 / 3
n
Rp
(2)
l
Q
Analysis of this formula (2) shows, that the final computation error is relied on accuracy
of difference measurement between upstream profile and downstream profile water level elevation.
In regard to limited precision of measurement (centimetres) and other surround influences such
as water surface waving (e.g. caused by wind), it is needed to attain maximal difference
of measured water levels, what is succeeded in formula (1) by maximal flow rate in channel
and maximal length of measured stage. Very important parameter, which is affecting the precision
of the calculations, is the flow rate Q.
Measurement of roughness coefficient by unsteady state
Measurement results by unsteady state can be used only for indirect assessment of roughness
coefficient from several different scenarios of measurements. For data processing is used
a hydrodynamic model (HDM) for modelling unsteady non-uniform flow according to scheme:
- calibration of the HDM for maximal flow rate scenario,
- verification of the HDM for other scenarios.
For solution of connection of inlet channel to the compensation reservoir was used
a mathematical model of reservoir based on volume balance:
Vt 't Vt ¦ Q pri .'t ¦ Qodt .'t
(3)
where:
V
water volume in reservoir
Qpri inflow to reservoir
Qodt outflow from reservoir
t, 't time and time step
Used HDM is based on numerical solution of Saint-Venant partial differential equation system
as follows:
wQ w EQV wQ wA
wh
and
(4)
gA
ql 0
gAi0 ie q" v"
wt
wx wt
wx
wx
where:
Q
flow rate [m3/s]
h
water level [m]
A
flow area [m2]
g
gravitation acceleration [m/s2]
ql
density of lateral side inflow or outflow b
correction factor reflecting the influence
[m2/s]
of non-uniform velocity distribution
x
profile distance from the beginning i0
bottom gradient
(x = 0) in flow direction [m]
ie
power line gradient
t
time [s]
vl
velocity component of side inflow
or outflow in direction of axis x [m/s]
V
average section velocity [m/s]
- 104 -
For conversion of foregoing equation system to numerical solution by the finite differences
method has been used Preissmann implicit scheme with weight coefficient 0,67.
Terrain measurements (measurements „in situ“)
Measurements in real conditions (measurements “in situ“) were realized for the purpose
of calibration and verification of the hydrodynamic model of the groups of channel hydro power
plants: Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín and Kostolná–Nové Mesto–Horná Streda. Both considered
groups of channel hydro power plants are operated simultaneously (in tandem). Thus the terrain
measurements of the water level in channels had to be performed simultaneously and at the same
time on both groups of HPPs. At the beginning of the July 2005 took place a survey
of the derivation channels and water structures at considered stage of the river Váh (from weir
Dolné Koþkovce to Drahovce). It has been determined 12 measuring profiles at the HPP group
Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín and 10 at the HPP group Kostolná–Nové Mesto–Horná Streda. Both
groups of HPPs had been operated according to the agreement with HPP dispatch centre
of Slovenské elektrárne a.s., Vodné elektrárne o.z. Trenþín. The measurement and determined
operation scenarios were following:
- July 25, 2005 installation of measuring probes in selected profiles of the derivation
channels,
- July 26, 2005 discharge of HPPs: 150 m3/s,
- July 27, 2005 discharge of HPPs: 120 m3/s,
- July 28, 2005 discharge of HPPs: 90 m3/s.
Other requirements for operation of HPPs were:
- Steady flow rate equal for every HPP, kept for minimum of 4 hours since 6:00 AM at every
measuring day,
- At the first measuring day (Tuesday, July 26, 2005), since 0:00 AM to 6:00 AM, zero
discharge at whole concerned stage and at 6:00 AM a gradual operation start of HPPs,
- Standard starting operation water levels with minimal differences during measuring days.
The measurement scenarios including all additional requirements were adjusted according
to common operation corresponding to hydrologic parameters of the concerned stage of the river
Váh and requirements of electric power system. The measurement was realized as planned
and the measured data were supplemented with measurement of the operator of the HPPs.
Conclusion
For estimation of hydraulic parameters were selected steady water level data measured
at 10:00 AM. Unsteady water levels were substituted by adjusted trend lines for measurement
at 9:00 to 10:00 AM. For computation were average geometric parameters of intake and outlet
channels used. The computation methods are described in section 4 and 5. The results
of measurement and following computations at the groups of HPPs Ladce–Ilava–Dubnica–Trenþín
and Kostolná–N. Mesto–Horná Streda showed bad condition of operated water structures
at considered groups of HPPs. The actual condition was significantly different from originally
projected conditions. Original roughness coefficient of inlet channels (facial concrete sealing) had
been approximately 0,013. According to the measurements has been the present roughness
coefficient determined from 0,015 to 0,022. Original roughness coefficient of outlet channels had
been approximately 0,022. According to the measurements has been the present roughness
coefficient determined from 0,022 to 0,030. After 20 years of operation, in summer 2005, had been
the group of HPPs Kostolná–N. Mesto–Horná Streda inspected and repaired. The inspection
confirmed bad conditions of the water structures and showed the causes of deterioration
of hydraulic roughness in channels, which leads to decreasing of hydropower potential utilisation
of the river Váh.
This work was supported by Science and Technology Assistance Agency under the contract
No. APVT-20-046302.
- 105 -
3D MODELOVANIE RÝCHLOSTNÉHO POďA
V BLÍZKOSTI MALEJ VODNEJ ELEKTRÁRNE
DOBROHOŠġ
3D MODELLING OF VELOCITY FIELD NEAR SMALL
WATER ELECTRIC POWER PLANT DOBROHOST
Radomil KvČton*, František Hulík**, Roman Cabadaj***, Ján Rumann****
The nature of water flow near to hydraulic structures requires the use of 3D numerical
models. 3D modeling of hydraulic processes with free surfaces naturally leads
to the question of how to adjust the computation network when the water level changes.
Reformulation of the problem using the theory of compressed liquid is one of the possible
approaches. The penalty for alleviating the problem with adjusting the computation
network is the restriction of the modeling to velocity fields only. This approach
is appropriate if differences in water levels near to modeled objects can be neglected.
For the calibration and verification of our model, we used partial measurements
of the velocity field at the boundary of the modeled area, which was closest to the objects
of the small hydroelectric power plant Dobrohost. The location of the power plant,
between an artificial channel and the parallel natural river bed, allows for the energetic
utilization of the biological flow supplied into the river.
Rovnice pre umelo stlaþiteĐnú tekutinu
Metóda umelej stlaþiteĐnosti tekutiny je založená na riešení sústavy parciálnych
diferenciálnych rovníc (Versteegh [1]):
wV/wt + g . grad h + (V . grad) V – v . div(grad V) = 0
wh/wt + 1/D div V = 0
kde je
V
D
h
(1)
(u,v,w)T vektor rýchlosti prúdenia vody,
koeficient stlaþiteĐnosti tekutiny,
tzv. piezometrická hladina zodpovedajúca tlaku vo vnútri kvapaliny.
Vlastné numerické riešenie rovníc ( 1 ) je realizované metódou koneþných diferencií. Ukážka
náhradnej výpoþtovej siete modelovanej oblasti je na Obr. 3. Vizualizácia výsledkov modelovania
je možná v jednotlivých horizontálnych vrstvách ako aj pozdĎžnych rezoch a to buć metódou šípok
(Obr. 4) alebo farebne na základe diskrétnej farebnej stupnice.
Aplikácia 3D modelu na prúdenie vody pri nápustnom objekte DobrohošĢ
Objekt DobrohošĢ plní funkciu nápustného objektu z prívodného kanála (PK) na vodné dielo
(VD) Gabþíkovo do ramennej sústavy Dunaja (Obr. 1). Objekt je boþný (kolmo orientovaný
*
Radomil KvČton, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
František Hulík, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
***
Roman Cabadaj, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
****
Ján Rumann, Katedra hydrotechniky, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
**
- 106 -
na smer prúdenie vody v PK) a od prívodného kanála ho oddeĐuje po celej dĎžke plávajúca norná
stena. Prívodný kanál v tomto mieste má šírku okolo 800 m, dĎžka objektu DobrohošĢ v mieste
zaústenia do PK je 80 m.
Matematický model bol plánovaný v zmysle pôvodného zadania riešenia v 4 etapách:
1. preukázanie vhodnosti vybraného 3D matematického modelu prúdenia vody
na zjednodušenom modeli objektu DobrohošĢ, urþenie potrebných meraní rýchlostného
poĐa podĐa možností objektu, spresnenie rozmerov modelovaného objektu,
2. na základe merania na objekte spresniĢ geometriu modelovaného objektu (plávajúca
norná stena), kalibrácia a verifikácia modelu na základe zameraných rýchlostných polí,
3. výpoþet okrajových podmienok rýchlostného poĐa pre fyzikálny model (nie je možné
modelovaĢ PK a objekt DobrohošĢ ako celok),
4. verifikácia výsledkov fyzikálneho modelovania na úrovni tvaru rýchlostného poĐa.
Obr. 1 Nápustný objekt DobrohošĢ zo strany PK VD Gabþíkovo a ramennej sústavy Dunaja
Pre získanie základných informácií o interakcii prúdiacej vody v PK a vody v nápustnom
objekte DobrohošĢ boli navrhnuté 3 scenáre:
1. neprietoþný scenár, ktorým modelujeme zásah prúdenia vody v PK do uzavretého
objektu DobrohošĢ,
2. prietoþný scenár s prietokom 25 m3/s cez 3. haĢové pole (HP), objekt najbližší
plánovanému odberu vody na MVE – 3. haĢové pole,
3. simulovaný prietoþný scenár cez plánovaný odberný objekt na MVE.
Výsledky merania rýchlosti pri nápustnom objekte DobrohošĢ
Meranie na nápustnom objekte DobrohošĢ bolo realizované v dĖoch 2.-3. apríla 2008.
Rýchlostné pole bolo zamerané po oboch stranách nornej steny a v dvoch hĎbkach vody (Obr. 2).
Kontrolné meranie prietoku bolo zabezpeþené na 3. haĢovom poli. Na základe vyhodnotenia
merania rýchlostného poĐa môžeme konštatovaĢ:
1. preukázal sa zásadný vplyv plávajúcej nornej steny pri väþších prietokoch, norná stena
realizovaná podĐa priloženej dokumentácie zasahuje až do 2/3 prietoþného profilu,
prúdnice za nornou stenou v hĎbkach 1 m a 2 m majú znaþne posunuté natoþenie
po celej dĎžke nornej steny (Obr. 2),
2. pri malých prietokoch okolo 10 m3/s k zásadnej deformácii rýchlostného poĐa
neprichádza.
Z uvedeného vyplýva nutná úprava konštrukþného riešenie plávajúcej nornej steny –
nahradenie plechu v nornej stene hrubými hrablicami – sprietoþnenie oblasti pod nornou stenou.
Túto úpravu je potrebné namodelovaĢ matematickým modelom a tak získaĢ rýchlostné pole
- 107 -
ako okrajovú podmienku pre fyzikálny model. Vhodná úprava plávajúcej nornej steny
(sprietoþnenie iba jej niektorých þastí) môže pomôcĢ pri tvarovaní rýchlostného poĐa pred MVE.
Záver
Zmenou projektovaného prietoku cez MVE z Q = 12 m3/s až na Q = 25 m3/s sa zásadne
zmenilo aj technické riešenie a z matematického modelovania boli realizované iba prvé dve etapy.
Nové navrhované technické riešenie už by nemalo byĢ tak citlivé na deformáciu rýchlostného poĐa
pri nápustnom objekte a bolo preverené fyzikálnym výskumom (Cabadaj a kol. [2]).
Literatúra
[1] VERSTEEGH, J., The Numerical Simulation of 3-D Flow through or around Hydraulic
Structures, Delft, University of Technology, 1989
[2] CABADAJ, R., OZABAL, M., RUMANN, J., The Physical Research of the Intake Structure
of the Dobrohost Small Hydro Power Plant, 12th International Scientific Conference, Brno,
2009
Graf h=1 a 2 m za clonou
2.4.2008
0.6
100
90
0.5
80
rychlost [m/s]
V1m
V2m
uhol 1 m
uhol 2m
0.3
60
50
40
0.2
30
20
0.1
10
0
0
4.5
9
13
17
21
25
vzdialenost x proti prudu [m]
Obr. 2 Meranie za nornou stenou pri Q = 33,4 m3/s
29
33
37
41
uhol [stupne]
70
0.4
- 108 -
Obr. 3 Výpoþtová sieĢ 3D modelu 3. scenár – pohĐad zo strany PK
Obr. 4 Rýchlostné pole pre3. scenár – pohĐad zo strany MVE DobrohošĢ
- 109 -
STUDIE VYBRANÝCH INDIKÁTORģ V MALÝCH
VODNÍCH TOCÍCH
THE STUDY OF SELECTED INDICATORS IN SMALL
WATERCOURSES
Marcela Lagová*, Jitka Malá**, Karel Hrich***
The authors are submitting study of selected indicators in Ivanovický and Leskava brooks,
which are in the agricultural landscape near Brno city. These brooks are polluted
by anthropogenic activities; therefore quality of water is investigated. Sampling profiles
have been selected in water courses for periodic sampling. A mobile analyzer has been
used for in-situ monitoring. Water samples have been taken and subsequently analysed
in a laboratory. The obtained values were compared with valid legislation.
Úvod
Jakost malých vodních tokĤ je úzce spjata se složením povrchových odtokĤ z okolních ploch
a se stavem vypouštČných odpadních vod ze sídlišĢ, prĤmyslu nebo zemČdČlských objektĤ.
PĜedmČtem zájmu jsou vzorky odebrané ze zkoumaných malých vodních tokĤ Ivanovického
a ýernovického potoka. Na získaných vzorcích jsou provádČny hydrochemické analýzy a sledovány
jsou mmj. parametry kyslíkového režimu. Získaná data jsou porovnána s daty toku Leskava, jehož
stav byl monitorován v pĜedchozích letech a u nČhož bylo shledáno silné zneþištČní zpĤsobené
antropogenní þinností.
Parametry kyslíkového režimu
BSK5, CHSK, rozpuštČný kyslík patĜí mezi indikátory kyslíkového režimu vody, dĤležitým
faktorem je ale i teplota. Tyto ukazatele souvisí se zajištČním oxických podmínek ve vodách.
Rozpustnost kyslíku ve vodách, pĜestupujícího do nich ze vzduchu a z fotosyntetické asimilace
rostlin, ovlivĖuje teplota, tlak a množství pĜítomných rozpuštČných látek. Nachází-li se tok
v zemČdČlské oblasti, voda odtékající z tČchto oblastí unáší organický materiál, k jehož odbourávání
je potĜeba kyslíku, který se pak vyþerpává z vody. O koncentraci pĜítomných organických látek
vypovídá stanovení BSK a CHSK. Množství rozpuštČného kyslíku (dále používána pro rozpuštČný
kyslík zkratka O2) také klesá, je-li vodní tok zastínČný bĜehovými porosty a nedostává se do nČj
dostatek svČtla. Do sbČru dat byla zahrnuta i teplota, neboĢ ovlivĖuje nejen rozpustnost kyslíku,
ale má vliv i na proces samoþištČní a rychlost biochemických pochodĤ.
PĜípustné zneþištČní povrchových vod dle platné legislativy
Dle pĜílohy naĜízení vlády þ. 61/2003 Sb., o ukazatelích a hodnotách pĜípustného zneþištČní
povrchových vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštČní odpadních vod do vod
povrchových a do kanalizací a o citlivých oblastech, ve znČní naĜízení vlády þ. 229/2007 Sb.
(dále jen NV), jsou stanoveny mimo jiné hodnoty sledovaných parametrĤ kyslíkového režimu
a další porovnávané a používané hodnoty (Tab. 1).
*
**
***
Marcela Lagová, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Jitka Malá, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Karel Hrich, Ústav chemie, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 110 -
Tab. 1 VýbČr použitých ukazatelĤ dle naĜízení vlády þ. 61/2003 Sb. ve znČní n.v. þ. 229/2007 Sb.
P.þ.
Ukazatel
Symbol
Hodnoty
1
rozpuštČný kyslík
O2
> 6 mg/l
2
biochemická spotĜeba kyslíku
BSK5
6 mg/l
3
chemická spotĜeba kyslíku
CHSKCr
35 mg/l
12
teplota vody
t
25°C
Metodika
OdbČrné profily byly vybrány na základČ prĤzkumu terénu dle zdrojĤ zneþištČní. Na potoku
Leskava bylo zvoleno 5 profilĤ, které byly porovnány s daty získanými ze 4 odbČrných míst
Ivanovického potoka. Rozbory odebraných vzorkĤ byly provádČny dle ýSN. Struþný popis profilĤ
uvádí Tab. 2.
Tab. 2 Popis studovaných profilĤ
IVANOVICKÝ POTOK
3 Nad BrnČnskými Ivanovicemi
4 Pod Holáskami
8 Pod soutokem s TuĜanským potokem
10 PĜed ústím do Svratky (Rajhradice)
LESKAVA
8 Referenþní stav, nad Bosonohami
9 Pod Bosonohami
10 Pod Ostopovicemi
11 Starý Lískovec
PĜed ústím do Svratky, Dolní
12
Heršpice
Výsledky a vyhodnocení
Tab. 3 Maximální a minimální rozdíly teplot od v grafech uvedených prĤmČrných teplot
IVANOVICKÝ POTOK
LESKAVA
MČsíc
Ø
Rozdíl mezi Ø a min/max
Ø
Rozdíl mezi Ø a min/max
duben
8,7°C
1,5°C / 1,4°C
kvČten
16,8°C
2,7°C / 2,1°C
14,2°C
3,5°C / 3,3°C
þerven
20,5°C
2,1°C / 2,5°C
18,5°C
3,9°C / 2,1°C
þervenec 16,8°C
0,7°C / 1,5°C
17,6°C
2,7°C / 1,7°C
srpen
17,9°C
1,9°C / 2,4°C
16,4°C
3,6°C / 2,7°C
záĜí
10,5°C
0,7°C / 0,7°C
11,8°C
1,0°C / 0,8°C
Ĝíjen
9,7°C
1,4°C / 2,1°C
10,0°C
0,5°C / 0,7°C
pozn. prĤmČrná teplota je znaþena symbolem Ø
Obr. 1 zachycuje závislosti rozpuštČného kyslíku na þase v Ivanovickém potoce a dále
sloupcové zobrazení závislosti teploty na þase (vedlejší osa). Maximální hodnoty jednotlivých
sloupcĤ vyjadĜují hodnotu prĤmČrných teplot, získaných z hodnot teplot všech studovaných profilĤ
v daném mČsíci. Maximální a minimální rozdíly teplot od uvedené prĤmČrné teploty pro Ivanovický
potok i Leskavu zobrazuje Tab. 3. Sloupcové grafické znázornČní pro teploty je shodné i na dalších
obrázcích (Obr. 1 – Obr. 6). Podobné závislosti jako v pĜípadČ Ivanovického potoka na Obr. 1
zobrazuje i graf na Obr. 2 sledující tok Leskava.
Z Obr. 1 je patrné, že limitní hodnotu O2 dle NV, narozdíl od dalších sledovaných vzorkĤ,
jasnČ nesplĖují odbČry profilu þ. 7. U profilu þ. 3 klesá množství O2 se vzrĤstající teplotou toku,
až do nulového prĤtoku. Vzorky profilu þ. 10 vykazují ve sledovaném období pomČrnČ nekolísavý
prĤbČh množství O2, v rozmezí cca 6-9 mg/l v závislosti na aktuálních teplotách vody. Množství O2
- 111 -
v profilu 4 po zimních mČsících s þasem klesá, nepatrný nárĤst je zĜejmý v období, kdy poklesla
i teplota toku, v þervenci (5°C oproti þervnu) a Ĝíjnu. Množství O2 v toku Leskava dle NV splĖuje
v celém sledovaném období profil þ. 12. KromČ kvČtnových hodnot plnČ nevyhovují profily þ. 9
a 10, u profilu þ. 11 jedna tĜetina hodnot a u profilu þ. 8 nevyhovuje polovina hodnot. Hodnoty
množství O2 svČdþí ve prospČch Ivanovického potoka. Co se týþe chybČjících dat u profilu þ. 3
(Ivanovický potok), od þervence 2008 do konce sledovaného období nebylo možné provést odbČr
vzorku, koryto toku bylo suché.
Obr. 3 a Obr. 4 zachycují závislosti chemické spotĜeby kyslíku (oxidace dichromanem
draselným) na þase. NV pĜedepisuje maximální hodnotu CHSKCr na 35 mg/l, což nesplĖuje
ani jeden vzorek z odbČrných profilĤ Ivanovického potoka. Nejvyšších hodnot CHSK je dosaženo
v þervnu, poté lze pozorovat klesající charakter. Naopak u toku Leskava vzrĤstá CHSK s þasem
od prvního sledovaného mČsíce, mírný pokles je patrný v záĜí. Dle uvedeného NV Leskava hodnotu
pro CHSKCr pĜekraþuje mimo dubnové stanovení (u profilĤ þ. 8, 9 i mimo kvČten) trvale.
Obr. 5 a Obr. 6 zobrazuje grafické znázornČní BSK5 na þase. V Ivanovickém potoce
na odbČrných profilech þ. 3 a 4 ve sledovaném období pĜekraþují BSK5 limity urþené NV všechny
vzorky. Na profilu þ. 7 nevyhovuje kromČ dubnového vzorku žádný, profilu þ. 10 vyhovují vzorky
ze srpna a záĜí. Nejvyšší hodnoty se vyskytují na všech profilech v þervnu, ve zbylém období
se velké odchylky pĜíliš nevyskytují. Z Obr. 6 je patrné, že hodnota BSK5 6 mg/l je pĜekroþena
mnohdy mnohonásobnČ, maximální hodnoty jsou na rĤzných odbČrných profilech rĤzné
dle grafického znázornČní.
ZávČr
Hodnoty pro BSK, CHSK, O2, stanovené NV þ. 61/2003 Sb. ve znČní NV þ. 229/2007 Sb.
pĜekraþuje vČtšina sledovaných profilĤ v toku Leskava, v Ivanovickém potoce nevyhovuje vČtšina
vzorkĤ hodnotami BSK a CHSK. Vývoj hodnot po smČru toku není jednoznaþný.
Co se týþe toku Leskava, vČtšina odebraných vzorkĤ nevyhovuje z dĤvodu þastého zaústČní
splaškových vod do toku. Organické látky v takovéto podobČ pak musí být odbourávány a pĜi tom
se souþasnČ spotĜebovává kyslík, což je zĜetelné v Obr. 2 na profilu þ. 9 – pod Bosonohami.
V souþasné dobČ však v obci probíhá výstavba kanalizace, proto je do budoucna možné oþekávat
zlepšení stavu.
U Ivanovického potoka jsou výraznČ pĜekroþeny hodnoty stanovené NV pro BSK (vČtšina
vzorkĤ) a CHSK (všechny vzorky), hodnota pro O2 je pĜekraþována nejvíce v profilu þ. 7. Tento
stav mĤže být zpĤsoben tím, že se tok nachází v zemČdČlsky využívané oblasti.
PodČkování
PĜíspČvek vznikl za podpory projektu 103/07/0580 GAýR, tímto za tuto podporu dČkujeme.
Literatura
[1] PITTER, P., Hydrochemie. Vydavatelství VŠCHT, Praha, 1999, p. 568. ISBN 80-7080-340-1
[2] VRÁNA, K. a kol., Revitalizace malých vodních tokĤ - souþást péþe o krajinu. 1. vyd. Praha:
Consult, 2004. 60 s. ISBN 80-902132-9-4
[3] NaĜízení vlády þ. 61/2003 Sb., o ukazatelích a hodnotách pĜípustného zneþištČní povrchových
vod a odpadních vod, náležitostech povolení k vypouštČní odpadních vod do vod povrchových
a do kanalizací a o citlivých oblastech
[4] NaĜízení vlády þ. 229/2007 Sb., kterým se mČní naĜízení vlády þ. 61/2003 Sb.
- 112 -
Obr. 1 Závislost rozpuštČného kyslíku na þase,
porovnání s teplotou, Ivanovický potok
Obr. 2 Závislost rozpuštČného kyslíku na þase,
porovnání s teplotou, Leskava
Obr. 3 Závislost CHSKCr na þase, porovnání
s teplotou, Ivanovický potok
Obr. 4 Závislost CHSKCr na þase, porovnání
s teplotou, Leskava
Obr. 5 Závislost BSK5 na þase, porovnání
s teplotou, Ivanovický potok
Obr. 6 Závislost BSK5 na þase, porovnání
s teplotou, Leskava
- 113 -
PÉýE O REVITALIZAýNÍ VODNÍ SYSTÉMY V NIVċ
ěEKY DYJE V SOUVISLOSTI S AKTIVITOU BOBRA
EVROPSKÉHO (CASTOR FIBER)
MANAGING WATER LEVELS IN THE RIVER DYJE
FLOOD PLAIN ECOSYSTEM IN CONTEXT WITH
BEAVER (CASTOR FIBER) ACTIVITY
Vladimír Lázniþka*, Barbora Sobotková**
This article is concerned with the optimal management of water levels in the fluvial
landscape. The main prerequisite for efficient water management in a flood plain area
is a functioning system for distributing water. The low levels of water in the flood plain
ecosystem can cause serious problems in maintaining the true character of the landscape.
In the last years the beavers (Castor fiber) have affected riparian ecosystems and land
in a very extensive way. Beaver dams represent the natural factor of forming channels,
ponds, and wetlands in the Dyje watersheds. The growing European beaver (Castor fiber)
population in the Herdy area of the Dyje river flood plain, near Lednice, stabilized
in 2006-2008 at around six family groups. During this time the beavers constructed
22 dams along 12 km of water canals. The canal and ponds in the Pastviska area dried
out and the resident beavers migrated to new habitats. In order to restore the water flow,
five dams further upstream were therefore removed from the canal. However the dam
removal provided only temporary relief. The affected beavers simply returned and rebuilt
their dams, making them bigger and taller. In the summer and autumn of 2008
an alternative approach was tried. Some dams were experimentally breached using
16 different kinds of plastic tubes, with diameters ranging from 10 to 30 cm,
and the effects were then monitored during the ensuing winter. By January 2009 the canal
system had been revitalized and the Azant, Herdy and Pastvisko ponds were once again
full of water. The use of pipes in this manner to control water levels was shown
to be an effective method of managing the biotopes where beavers occur. Dams and dambuilding are an integral part of beaver behaviour and they play an important role
in determining water levels. The presence of beavers is therefore a vital element
in the rejuvenation and management of the flood plain forest near Lednice.
The use of pipes inserted in their dams is a useful tool in managing water levels in a flood
plain ecosystem.
Úvod
PĜíspČvek se zabývá možnostmi Ĝešení optimalizace vodního režimu v krajinČ nivy Ĝeky Dyje.
Správná funkce revitalizaþních systémĤ v Ĝíþních nivách je pĜedpokladem dobrého hospodaĜení
s vodou. V pĜíspČvku je analyzována hlavní pĜíþina nefunkþnosti nebo neprĤtoþnost revitalizaþních
vodních kanálĤ, kterou se v posledních letech staly hráze vybudované bobrem evropským (Castor
fiber). Nedostatek vody v nivních ekosystémech zpĤsobuje závažné problémy v plnČní všech
produkþních i mimoprodukþních funkcí krajiny. BobĜí hráze pĜedstavují pĜírodní prvek, který
*
**
Vladimír Lázniþka, Mendelova zemČdČlská a lesnická univerzita v BrnČ, [email protected]
Barbora Sobotková, [email protected]
- 114 -
ovlivĖuje funkci kanálĤ, rybníkĤ a mokĜadĤ v povodí Ĝeky Dyje. Tento pĜíspČvek poukazuje
na nČkteré pĜínosy bobĜích hrází v lužní krajinČ. Jsou uvedeny výsledky prĤzkumu v terénu
a metody k obnovení optimálního prĤtoku v revitalizaþních kanálech.
Místo studia, materiál a metody
Místem studia je niva Ĝeky Dyje v prostoru mezi vodním dílem Nové mlýny a mČstem BĜeclav.
Plocha zájmového území þiní 40 km2. Do roku 1972 byla niva Dyje aktivním aluviem. ěeka Dyje
se zde pravidelnČ rozlévala, nČkdy i vícekrát v roce. VodohospodáĜské úpravy na Ĝece Dyji,
provedené poþátkem 70. let minulého století, vedly k výrazným zmČnám hydrologického režimu.
Ve snaze zlepšit hydrologické pomČry a obnovit zanikající biotopy zde byl v letech 1991 – 1995
vybudován revitalizaþní systém. Pro rozvod vody byly upraveny vodní kanály nebo zanikající
mrtvá Ĝíþní ramena. Hlavní rozvodný systém byl vybaven stavítky, aby bylo možné manipulovat
s výškou hladiny a zavodĖovat mokĜadní biotopy lužního lesa.
S využitím GPS probČhl monitoring pobytových známek výskytu bobrĤ: nory, hrady, hráze,
skluzy, stopy, pachové znaþky, jídelny, ohryzy a pokácené stromy. Na základČ dat získaných
v terénu byl analyzován vliv aktivity bobra evropského (Castor fiber) na funkci systému vodních
kanálĤ v zájmovém území. PrĤbČžnČ v období 09/2008 do 02/2009 byly sledovány vodní stavy
v rybniþní soustavČ Herdy a mokĜadu Pastviska. V létČ 2008 byly nČkteré hráze v kanále smČrem
na Azant zcela odstranČny odbagrováním na bĜeh. V druhé polovinČ listopadu 2008 byla provedena
instalace testovacích potrubí do klíþových hrází na 3,5 km dlouhém kanále v trase Zámecká Dyje –
Herdy – Pastviska. Výsledky mČĜení prĤtokĤ, sledování hloubky vody v revitalizaþním systému
a monitoring odezvy bobĜí populace byly základem pro vytvoĜení hypotéz a závČrĤ z provedeného
výzkumu.
Obr. 1 Segment nivy Ĝeky Dyje podél 3,5 km dlouhého kanálu
v trase Zámecká Dyje – Herdy – Pastviska
Obr. 2 Pastviska –
listopad 2008
Výsledky a diskuse
Jedním z hlavních ekologických faktorĤ lužní krajiny v nivČ Ĝeky Dyje je její vodní režim.
Na základČ rekognoskace terénu a studia odborné a vČdecké literatury považujeme za dĤležité
srovnání období pĜed a po provedení vodohospodáĜských úprav v povodí Dyje a etapy
pĜed a po repatriaci bobra evropského (Castor fiber) v tomto zájmovém území. Ve všech tČchto
þasových horizontech hrají významnou roli vodní toky a dále zejména vodní kanály vþetnČ zajištČní
jejich prĤtoþnosti. UmČlé kanály, vybudované v nČkolika fázích, mČly rychleji odvést vodu
po období povodní nebo pĜivést vodu v obdobích sucha. Ve zprávČ z Mezinárodního sympozia
o hospodaĜení v lužních lesích jižní Moravy (Lesnická práce, 2000) je konstatováno,
že po dokonþení regulaþních prací na Ĝece MoravČ a Dyji se zaþal projevovat pokles prĤmČrné
hladiny podzemní vody o 0,5 m a v lokalitách s þerpáním pitné vody až o 1,5 m, výjimeþnČ i více.
- 115 -
Pro zachování nivních ekosystémĤ s cílem dosažení vyváženého stavu bylo nezbytné
stabilizovat hydrologické pomČry vybudováním revitalizaþního systému celkovými náklady
pĜes 65 mil. kþ. NapĜíklad na území Horní les (oblast Kanþí obory) byl v letech 1991-1996
vybudován zavodĖovací systém, kterým mĤže být ovlivĖováno 633 ha lesa a asi 150 ha
zemČdČlských ploch. Celková délka zavodĖovacích kanálĤ je 21,6 km, jejich vodní hladina þiní
6,5 ha. PĜi plném zvodnČní dosahuje souhrnná vodní plocha 20 ha. PĜívod vody do pravostranné
þásti nivy Dyje je zajišĢován z funkþního odbČrného místa nad jezem u Bulhar, þiní podle
manipulaþního Ĝádu (vþetnČ rybího pĜechodu) 2,0 kubíky za sekundu, je dostateþný a odpovídá
„Plánu hlavních povodí ýR“. Podle našich zjištČní v roce 2008 však voda nebyla v potĜebném
rozsahu rozvedena detailním systémem a nevyužita se vracela zpČt do koryta Zámecké Dyje.
Na základČ uskuteþnČného monitoringu jsme dospČli k závČru, že populace bobra evropského
(Castor fiber) v oblasti Herdy byla v letech 2006-8 stabilizovaná a zahrnovala okolo šesti bobĜích
rodin. BČhem uvedeného období bobĜi vybudovali 22 hrází na vodních kanálech, dosahujících
celkové délky 12 km. ÚroveĖ hladiny vody se v horní þásti povodí zvedla ku prospČchu bobrĤ,
ale bobĜi v níže položených teritoriích strádali nedostatkem vody. Kanál a mokĜady na lokalitČ
Pastviska vyschly a bobĜi se pĜestČhovali na jiná stanovištČ.
Obr. 3 BobĜí hráz na kanále v nivČ
Ĝeky Dyje
Testovací
potrubí
ZneprĤtoþnČní
koryta
Obnovení prĤtoku –
napojení vodou
NeprĤtoþnost vodních kanálĤ byla podle našich zjištČní Ĝešena rĤznými subjekty spíše
nahodile, vytČžením materiálu hrází na bĜeh. S dokonalým úspČchem bylo þleny ZO MRS Lednice
provedeno zavodnČní Azantu (podle projektu V. Kostkana, 2007). V pČti pĜípadech, nad rámec
projektu, byl materiál hrází odstranČn z koryta na bĜeh. Ale tato metoda se ukázala jako krátkodobá.
BobĜi obnovili hráze mohutnČjší a vyšší. V létČ a na podzim roku 2008 byly nČkteré hráze
zprĤtoþnČny zabudováním celkem 16 potrubí rĤzných parametrĤ. Plastová potrubí mČla prĤmČry
30 a 10 cm. BČhem podzimu a zimy jsme stav potrubí monitorovali a kontrolovali. Potvrdilo se,
že kritickým obdobím je podzim, neboĢ docházelo k ucpání potrubí vČtvemi a listím. V zimním
období bylo potĜebné provádČt údržbu jen minimální a potrubí byla plnČ funkþní. Ve stĜední þásti
úseku kanálu Zámecká Dyje – Herdy – Pastviska, jsme do bobĜí hráze klíþového významu
instalovali testovací potrubí o prĤmČru 10 cm. PĜi promČnlivém prĤtoku 3-6 m3/hod v profilu hráze
bylo dosaženo plného zavodnČní v listopadu 2008 zcela vyschlého mokĜadu Pastviska bČhem
jednoho mČsíce.
V lednu 2009 byl revitalizaþní systém kanálĤ, vodních ploch a mokĜadĤ Azant, Herdy
a Pastvisko opČt plnČ na vodČ. Použití potrubí k obnovení prĤtokĤ se osvČdþilo jako vhodné Ĝešení
k ochranČ biotopĤ bobra evropského. Hráze jsou nedílnou souþástí bobĜího teritoria a dĤležitou
souþástí revitalizaþního systému pro zásobení lužní zemČdČlské a lesní krajiny vodou. BobĜí hráze
zabraĖují poklesu hladiny vody v údolní nivČ zpĤsobenému zahloubením dna Ĝek a kanálĤ. Bylo
dokumentováno zvýšení vodní hladiny nad hrází o 5 až 85 cm oproti úrovni hladiny vody v korytČ
toku pod hrází. Dalším pĜínosem bobĜích hrází je zadržení vody v krajinČ, díky zpomalení odtoku
a zvyšení retenþní schopnosti Ĝíþní nivy. BobĜí hráze dávají vznik novým mokĜadĤm a vodním
- 116 -
plochám, které zvyšují biodiverzitu lužních ekosystémĤ vþetnČ zlepšení prostĜedí pro obojživelníky
a ptáky.
TČžištČm informací o vlivu bobĜí aktivity na prostĜedí jsou studie ze Severní Ameriky. Tyto
poznatky jsou dĤležité pro odhad potenciálních vlivĤ na ekosystémy obnovující se populace bobra
evropského. Výstavba hrází evropskými bobry bude mít podobný úþinek na prostĜedí jako stejná
þinnost u severoamerických bobrĤ (MacDonald et al., 1995 in Rosell et al., 2005).
V nivČ Ĝeky Dyje jsou však výraznČ rozdílné podmínky prostĜedí, než v oblastech kanadských
a amerických národních parkĤ, kde byly bobĜí populace pĜevážnČ zkoumány. Jednak se jedná
se o kulturní krajinu silnČ pozmČnČnou lidskou þinností a dále o plochou údolní nivu s minimálními
výškovými rozdíly. Také prĤtok v kanálech je umČle Ĝízen v rámci manipulaþních ĜádĤ
a je relativnČ malý o velikosti ĜádovČ litrĤ za vteĜinu.
Vliv bobĜích hrází na prĤtok vody se liší v závislosti na jejich umístČní v rámci povodí.
Aþkoliv jediná hráz má malý vliv na velikost prĤtoku v korytČ, série hrází mĤže významnČ pĜispČt
ke zmírnČní rozkolísanosti prĤtokĤ (Grasse, 1951 in Rosell et al., 2005). V nivČ Dyje jsme zjistili,
že i jediná hráz na klíþovém místČ v toku mĤže prĤtok v kanále zcela zastavit a to z nČkolika
dĤvodĤ: prĤtok v umČle vybudovaných kanálech je relativnČ velmi malý, niveleta dna kanálĤ
dosahuje pĜevýšení pouze jednoho až dvou metrĤ na kilometr, systém kanálĤ je rozvČtvený
a opatĜený stavítky pro umČlou manipulaci s vodou.
BobĜí hráze zvyšují hladinu vody v kanálech a tím dochází k rozšíĜení pĜíbĜežních biotopĤ
a zároveĖ k doplnČní zásob podzemní vody (Bergstrom, 1985; Johnston & Naiman, 1987 in Rosell
et al., 2005). V nivČ Ĝeky Dyje byla v rámci programu revitalizace Ĝíþních systémĤ vybudována
soustava pĜehrázek, která mČla zvýšit vodní hladinu v kanálech za úþelem zadržení vody, zásobení
lesních porostĤ vodou a doplnČní zásob podzemní vody. Jak jsme již naznaþili, tato soustava není
v souþasné dobČ plnČ manipulována a tuto funkci nyní nahrazují bobĜí hráze. Navíc existuje
pĜedpoklad, že bobĜí nory v bĜezích kanálĤ eliminují nebezpeþí kolmatace prĤtoþného profilu.
PĜi prĤzkumu v oblasti Dolní Louky jsme na kanále dokumentovali až 7 vchodĤ (aktivních
i neaktivních) do bobĜích nor na sto metrĤ bĜehu.
BobĜi budují nory a hrady jako svoje útoþištČ a pĜehrazují kanály pro zajištČní dostateþné
a stabilní výše vodní hladiny. Tyto aktivity výrazným zpĤsobem ovlivĖují hydrologický režim
krajiny a tím úzce souvisí s péþí o revitalizaþní systémy v Ĝíþních nivách.
Literatura
[1] GLYNNIS A. HOOD, SUZANNE E. BAYLEY, Beaver (Castor canadensis) mitigate
the effects of climate on the area of open water in boreal wetlands in western Canada,
Biological Conservation, Volume 141, Issue 2, February 2008, Pages 556-567,
ISSN 0006-3207
[2] KOLEKTIV, PrĤbČh a zhodnocení revitalizace lužních lesĤ na LZ Židlochovice. Mezinárodní
sympozium o hospodaĜení v lužních lesích jižní Moravy. Lesnická práce, 2000.
http://lesprace.silvarium.cz/content/view/1493/137/
[3] F. ROSELL, O. BOZSÉR, P. COLLEN AND H. PARKER, Ecological impact of beavers
Castor fiber and Castor canadensis and their ability to modify ecosystems, Mammal Review 35
(3&4) (2005), pp. 248–276
[4] KLOUPAR, M., Revitalizace hydrologického systému lužního lesa Kanþí obora.
In: Hydroekologie mokĜadu Kanþí obora: 17-24. Lesy ýeské republiky, s.p., 2003,
ISBN 80-239-2148-7
- 117 -
ASSESSMENT OF THE BIOINDICATION PARAMETERS
FOR MODELING THE AQUATIC AREA OF THE VÁH
RIVER FOR THE IFIM METHODOLOGY USING
THE DIGITAL VIDEO-RECORDING
Viliam Macura*, Andrej Škrinár**, Monika Jalþovíková***,
Marcela Škrovinová****
There is a cascade of water-plants built on the river Váh and the natural channel is used
to drain flood discharges. During most of the year discharges are regulated by watermanagement structures. These discharges are not used for energy-related purposes;
therefore, it is important to find out the optimal discharge that will not negatively affect
the ecosystem of the stream. Minimal flow was determined on the basis of modeling
by decision-making method – IFIM using the RHABSIM model. The input data of three
reference sections on the Váh River in the area of PiešĢany – Nové Mesto nad Váhom
located in the northern part of Slovakia were obtained by field measurements.
The hydraulic characteristics of the stream were extrapolated from three measurements
during various discharges. The habitat quality is represented by ichthyofauna.
The criteria curves were determined by a diving technique, which used a video-recording
of the stream.
Introduction
Understanding the affect of human impact on aquatic habitat structure of the stream remains
one of the most neglected areas of research in the field of water management. Stream habitat quality
affects markedly the ecosystem of its aquatic area. Variable range of quality habitat supports
the occurrence and development of healthy ecological guilds with good biodiversity [4, 5, 6 and 8].
The assessment of the habitat quality proves the appropriate input for water-management
planning and decision-making, e.g. determination of the minimal (ecological) flow (hereinafter
referred to as MQ, which is the Slovak abbreviation), river restoration planning, or the assessment
of the river regulation influence on the quality and quantity of its biological guilds. It can also
be used as a substitute of the ichthyofauna biodiversity assessment [3]. The habitat segmentation
into the smaller parts lead to the development of structured hierarchical models of river systems,
what indicates that the structure and dynamics of the stream are determined and influenced
by the whole river-basin. These models provide a basic overview of time and spatial interaction
of physical and biological components of the river systems.
Contemporary, in Slovakia, there are the MQ problems solved only formally - based
on the only one 1-dimensional limit extrapolated from the hydrological characteristics. Practically,
in Slovakia the MQ are determined on the basis of hydrological parameters only. To characterize
the MQ in the broad sense of the word as a Hydroecological limit (HEL), it is necessary to consider
the biologic and hydraulic parameters also. Simply, HEL means the limit value for creating
the optimal microhabitats. From the abiotic characteristics point of view the optimal microhabitat
for certain biological species can be defined mainly via the river depth and flow velocity. These
parameters are the direct function of the water discharge and river morphology. Minimal flow,
*
Viliam Macura, Dept. of Land and Water Resources Management, SUT in Bratislava, [email protected]
Andrej Škrinár, Dept. of Land and Water Resources Management, SUT in Bratislava, [email protected]
***
Monika Jalþovíková, Dept. of Land and Water Resources Management, [email protected]
****
Marcela Škrovinová, Dept. of Land and Water Resources Management, [email protected]
**
- 118 -
as well as the river topography, counts among the basic abiotic characteristics of the stream habitat,
which are determinant for the preservation of the optimal aquatic biota. It is important to use all
the means for objectification of the MQ especially below the water-management structures, what
means the creating balanced conditions between the power engineering and the stream biota under
the reservoir. Therefore, in 2005 we conducted our research aimed at determination of minimal flow
of the Váh River in location between the towns of PiešĢany and Nové Mesto nad Váhom lying
in the northern finger of Danubian lowland situated in the western part of Slovakia.
Methods
Monitoring of biological parameters in every case requires the systematic and repeatable
analysis of the river function. In Europe, the standard methods of this modelling are based
on the principle of IFIM (Instream Flow Incremental Methodology), which analyses the relationship
between the discharge and biotic parts of the environment. The biotic part of environment
is represented by fish as a most important element standing on the top of food chain of the aquatic
biota. Fish as a bioindicator were chosen because of their good responses to riverbed changes. Most
of fish species prefer certain combinations of depth, flow velocity, water temperature and bed load
sediment. If these parameters for particular fish species in respective river sections are known,
it is possible to prognosticate the influence of changes of abiotic factors on biodiversity
and frequency of the ichthyofauna, what indicates the condition of biological environment
of the stream. Further information on this methodology can be found in the references [1, 2, 7, 10].
The evaluation of the habitat of reference sections of the Váh River between PiešĢany
and Nové Mesto nad Váhom was realized by the RHABSIM model (Riverine Habitat Simulation –
[9]) which works according to the IFIM methodology.
Criteria curves
The criteria curves, as a basic biotic input into the model, are a graphic expression
of the preference of the main abiotic parts of the microhabitat (stream velocity, water depth and fish
cover-places). Various methods for field measurements of the criteria curves exist. However, in this
case the river size complicated solving the task. The electric unit method proved to be unsuitable
for this river’s dimensions. For the first time the ichthyologic survey was realized by a diving
technique, which used a video-recording of the aquatic part of stream. With the so-called B-method
[11], individual animals are identified and the microhabitat locations they occupy are measured
separately. Team of divers was conducting a complete census of the site, with the objective
of identifying every location occupied by the target species. At the completion of the dive,
measurements of microhabitat variables (water depth, stream velocity and cover type) were made.
Afterwards these measurements were combined with the ichthyologic data and thus the criteria
curves were assessed.
One of disadvantages of the method based on photographing of the aquatic part of the stream
is problematic localization of the camera. It is necessary to make the hydraulic measurements
in each fish-occurrence locality; for that reason we proved the extrapolation of criteria curves from
the video-records of stationary camera. The camera was firmly fixed on the riverbed for
the duration of 20-30 minutes in each site. From this type of measurement follow more advantages:
- The fish are not influenced by the moving diver.
- The position of stationary camera is precisely defined. Therefore the determination
of hydraulic characteristics is easy.
The main disadvantage of this method is limited possibility to determine the fish species.
It depends on the in-water visibility conditions, which were not ideal during our field
measurements. In the actual section of the stream this disadvantage is not deciding, because
markedly dominant species here were Chondrostoma nasus with Rultilus rutilus and Alburnus
alburnus. Therefore these 3 dominant species instead of whole population of ichthyofauna were
determined.
- 119 -
River study sections
The area of the river Váh studied is located between the towns of Pieštany and Nové Mesto
nad Váhom near the village of Horná Streda below the highway bridge. This area is lying
in the northern finger of Danubian lowland situated in the western part of Slovakia. The Považský
Inovec Mountains form the eastern boundary of this part of the Váh valley. On the western side,
the valley boundary is formed by Little Carpathians. The valley is open to the south, and thus has
a warm and sunny temperate climate. The hills around are mostly covered by deciduous forests.
These consist of oak and hornbeam in the lower elevations, and beech in the higher elevations.
The stream channel consists of geometric arcs between which a straight part is located. This
section can be characterized as a text-book example of a curved line created according to Fargue’s
Theses. The habitat of this river section is relatively monotonous. It practically consists of two
habitat categories only, both created by the river activity. In consequence of transformation
of velocity field in the curved line from the convex to concave bank there is created
the characteristic triangle shape of the cross-section. In the convex part of the cross-section
the water depth and flow velocity is smoothly increasing. The concave part is characterized
by the steep bank and greater velocities. The transitional area between two curved lines has typical
riffle habitat. The topography of the sections studied is characterized by the cross-sections measured
by the leveling. The deeper and faster areas of the stream were topographically measured
with the assistance of the diver.
Velocity field of the study sections
Modeling of the aquatic habitat quality using the RHABSIM model requires the simulation
of velocity field verified for two water levels at least. Velocity field in particular cross-sections was
measured by hydrometrics on July 8th 2004 during the discharge 19.5 m3/s. It was verified on July
21st 2004 during the discharge 16.7 m3/s and October 14th 2005 during the discharge 70.0 m3/s.
Assessment of the relationship of water depth, flow velocity and Weighed usable area
The Weighed Usable Area (WUA) is the final outcome of IFIM; it is a direct function
of a discharge, and it represents the suitability of the whole study area divided into the microhabitat
level. The area studied is markedly represented by three species: Chondrostoma nasus, Alburnus
alburnus and Rultilus rutilus. The last named significantly appeared in the only one site, therefore
this criteria curve is not representative and these results can be considered only informative.
Based on the above, we present the analysis for following species only: Chondrostoma nasus
and Alburnus alburnus. The criteria curves for both species have similar measured hydraulic
parameters, what is reflected by the similar preferences of the optimal habitats of these species.
Therefore the final results are also similar for both species. The velocity suitability decreases with
increasing discharge and on the contrary, the depth suitability increases with increasing discharge.
From the figure 1 it follows that the most suitable discharge of the river section studied is 20 m3/s,
what corresponds to the ecological flow of this section of the Váh River. From this point,
the combined suitability as well as WUA decreases with increasing discharge.
Discussion
From the shape of the WUA (figure 1) it follows that the minimal flow of the channel section
of the Váh River studied is 20 m3/s. Increasing this discharge will not improve the habitat’s quality
during the summer period. An increase in the channel’s segmentation (which means the creation
of new cover-places, the building of side-arms and other restorative measures) offers a possible
enhancements leading to greater diversification of the velocity field and the channel morphology.
It is necessary to mention that these conclusions were reached by the decision-making
methodology of IFIM. Decision-making means that the outcomes are discussed by the commission
created by the wide spectrum of specialists dealing with biotic sphere (biologists) and abiotic sphere
- 120 -
(e.g. hydraulic and hydrology engineers). The commission usually defines the changes – in this case
the augmentation of the discharge. The stream is further monitored and based on this monitoring
the proposal parameters can be adjusted.
Fig. 1 Weighed usable area of the Váh River for particular fish species during various discharges
Acknowledgement
We would like to thank the agencies for the support they provided to Projects No. 1/2141/05,
AV 4/0110/06, APVV-0335-06 and APVT-20-003204.
References
[1] BOVEE, K. D., A guide to stream habitat analysis using the Instream Flow Incremental
Methodology. Instream Flow Information Paper 12. United States Fish and Wildlife Service
FWS/OBS-82/26. Colorado. 248 pp. 1982
[2] BOVEE, K. D., MILHOUS, R.T., Hydraulic simulation in instream flow studies: theory
and techniques. Instream Flow Information Paper 5. United States Fish and Wildlife Service
FWS/OBS-78/33. 129 pp. 1978
[3] HARPER, D., SMITH, C., BARHAM, P., Habitats as the building blocks for river
conservation assessment. In: River conservation and management. Eds. P.J.BOON, P CALOW
& G.E.PETTS. Chichester, UK: John Wiley, p. 311-319. 1992
[4] HALAJ, P., River restoration. SAU Nitra. ISBN 80-8069-424-9, 200 pp. 2004
[5] HYNES, H., The ecology of running waters, University press, Liverpool, 555 p. 1970
[6] MADDOCK, I., The importance of physical habitat assessment for evaluating river health.
Freshwater Biology Vol. 41, No. 2, p. 373-391. ISSN 0046-5070. 1999
[7] MAKOVINSKÁ, J., MACURA, V. et al., Partial assignment 05: Environmental aspects
of the water-managements solutions in streams and riparian zones. Phase 05.01, Complex
solving of ecological flows under chosen water-management structures. In: GAJDOVÁ et al.:
VTP 514-78 Possibilities of adjustment of potable water and environmental aspects of streams.
Final report VTP. Slovak Water-research Institute, Bratislava, 2000 (in Slovak)
[8] MEFFE, G.K., SHELDON, A.L., The influence of habitat structure on fish assemblage
composition in south-eastern black water streams. American midland naturalist 120-1998,
p. 225-240
[9] Payne, T.R. (1998): RHABSIM 2.1 for DOS and Windows user’s manual. California, USA.
[10] STALNAKER, C.B., LAMB, B.L., HENRICKSON, J., BOVEE, K.D., BARTHOLOW, J.,
The Instream Flow Incremental Methodology: A Primer for IFIM. National Ecology Research
Center, Internal Publication. National Biological Survey. Fort Collins, Colorado, 1994
[11] THOMAS, J.A., BOVEE, K.D., Application and testing of a procedure to evaluate
transferability of habitat suitability criteria. Regulated Rivers: Research & Management
8-1993, p. 285-294. ISSN 1099-1646
- 121 -
VLIV NEJISTOT ýLENģ REÁLNÉ PRģTOKOVÉ ěADY
PRģMċRNÝCH MċSÍýNÍCH PRģTOKģ PěI
GENEROVÁNÍ UMċLÝCH PRģTOKOVÝCH ěAD
UNCERTAINTY IMPACT FOR LINKS OF REAL
DISCHARGE SERIES MOON AVERAGE DISCHARGES
FOR GENERATING OF ARTIFICIAL DISCHARGES
SERIES
Daniel Marton*, Miloš Starý**
By one of solve and operate reservoirs are information about values of influent water
to the reservoir that are describet by real discharge series. Assessment links of real
discharge series are loaded by series of random errors. The theory of measuring errors
is based on uncertainty of measurement. Uncertainty of measurement can be followed
on values interval arend measuring results of the average moon discharge. Using Monte –
Carlo method we can generate random continuance real discharge series (random series).
Out of random series we can generate random courses of artificial discharge series using
LNAR method.
Úvod
Podle dosavadních odhadĤ vývoje klimatu lze v prĤbČhu hydrologických rokĤ pĜedpokládat
výskyt dlouhodobých suchých období stĜídajících se s obdobím pĜívalových dešĢĤ. DĤsledek tČchto
zmČn se projeví výrazným poklesem dlouhodobých prĤmČrných prĤtokĤ v Ĝíþní síti [1]. Hodnota
dlouhodobého prĤmČrného prĤtoku v našich tocích mĤže klesnout na hodnoty 0,8 Qa resp. 0,6 Qa.
Kapacita vodních zdrojĤ tak nebude schopna v ĜadČ pĜípadĤ pokrýt potĜeby uživatelĤ vody. Dojde
k poklesu prĤtokĤ vody a zvýšení koncentrace zneþištČní povrchových vod. Vedle problémĤ,
týkajících se extrémních povodĖových situací, tak pĜibude další problém spojený s poklesem
vydatnosti vodních zdrojĤ. Je zĜejmé, že nastalý stav bude možno Ĝešit výstavbou nových vodních
nádrží, resp. pĜerozdČlením funkþních objemĤ nádrží stávajících. Proto úlohy smČĜující
ke zdokonalení výpoþtĤ a upĜesnČní hodnot zásobních objemĤ nádrží mají své opodstatnČní.
Jedním ze základních podkladĤ pro návrh a provoz nádrží jsou informace o pĜítoku vody
do nádrže charakterizovaného reálnou prĤtokovou Ĝadou.
Sestrojení náhodných realizací reálné prĤtokové Ĝady zatížené nejistotou mČĜení
Stanovení þlenĤ reálných prĤtokových Ĝad, vycházející z mČĜení v mČrných profilech,
je zatíženo Ĝadou chyb náhodné povahy. MĤže jít o chyby vlastní mČĜící techniky, chyby
pĜi postupu mČĜení, chyby lidského faktoru a další. ZmínČné faktory ovlivĖují výsledné stanovení
hodnot þlenĤ reálných prĤtokových Ĝad.
Chyba mČĜení je definovaná jako rozdíl mezi hodnotou namČĜenou a hodnotou pravou
(skuteþnou) mČĜené veliþiny. Základním nedostatkem charakterizování pĜesnosti mČĜení pomocí
chyby mČĜení je skuteþnost, že „skuteþnou“, „správnou“ nebo „pravou“ hodnotu mČĜené veliþiny
*
**
Daniel Marton, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
Miloš Starý, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 122 -
v praxi nikdy neznáme [2]. Celá problematika teorie chyb koncem dvacátého století vytvoĜila
základ pro zavedení pojmu nejistot mČĜení.
Z matematického hlediska byla jako míra standardní nejistoty urþena smČrodatná odchylka
pĜíslušného rozdČlení pravdČpodobnosti sledované veliþiny. Podle zpĤsobu jakým je smČrodatná
odchylka získána, se nejistoty dČlí na nejistoty typu A a nejistoty typu B. Stanovené hodnoty þlenĤ
reálné prĤtokové Ĝady mĤžeme považovat za stĜední hodnoty tČchto veliþin. Nejistoty typu A
pak mĤžeme chápat jako veliþiny popisující interval výskytu realizací kolem tČchto hodnot.
Tím považujeme prĤmČrný mČsíþní prĤtok reálné prĤtokové Ĝady nikoli za deterministicky
stanovený (urþený jedinou hodnotou), ale mĤžeme jej charakterizovat jako spektrum hodnot, které
je popsané pravdČpodobnostními funkcemi resp. statistickými charakteristikami. Za použití metod
Monte - Carlo je pak možno generovat náhodné prĤbČhy reálné prĤtokové Ĝady, tzv. náhodné Ĝady.
Zvolené pĜedpoklady
Pro vytvoĜení náhodných Ĝad zatížených nejistotami mČĜení z reálné prĤtokové Ĝady bylo
zapotĜebí uvažovat následující pĜedpoklady pro zpracování:
- ýleny prĤtoky reálné prĤtokové Ĝady prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ považujeme
za náhodné (stochastické) veliþiny s normálním rozdČlením.
- Všechny prĤmČrné mČsíþní prĤtoky jsou zatíženy nejistotou mČĜení danou smČrodatnou
odchylkou V(Qm) (standardní nejistota), která se mČní mČsíc od mČsíce v závislosti
na stĜední hodnotČ P(Qm) a koeficientu variace cv, který je uvažován jako konstantní.
Generátor náhodných Ĝad
Postup Ĝešení generátoru náhodných Ĝad vychází z metody Monte – Carlo. Použitím generátoru
náhodných þísel a pĜíslušných distribuþních kĜivek jsou opakovanČ generovány náhodné prĤbČhy
reálné prĤtokové Ĝady prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ, dané pĜíslušnými náhodnČ vygenerovanými
realizacemi Qm,i v jednotlivých mČsících. Mezi jednotlivými þleny prĤtokové Ĝady pĜi generování
náhodné Ĝady není uvažována korelace. Ta je implicitnČ obsažena v reálné prĤtokové ĜadČ.
Každému mČsíci reálné prĤtokové Ĝady odpovídá distribuþní kĜivka, která je urþena normálním
rozdČlením N P Qm ,i , V Qm ,i , pro i = 1, 2, … …, n, kde n je poþet mČsícĤ. OpakovanČ
generované náhodné prĤbČhy reálné prĤtokové Ĝady jsou oznaþeny NQi, pro i = 1, 2, … …, P, kde P
je poþet opakování. Princip generování náhodných Ĝad je znázornČn na obr. 1.
- 123 -
Obr. 1 Schéma generování náhodných prĤtokových Ĝad prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ metodou
Monte – Carlo
Pokud provedeme s takto odvozenými náhodnými prĤtokovými Ĝadami výpoþty pro stanovení
zásobního objemu nádrže, dostaneme ne jednu hodnotu zásobního objemu nádrže, ale spektrum
možných hodnot popsaných pravdČpodobnostními funkcemi, resp. statistickými charakteristikami.
Tím získáme detailnČjší informace o velikosti zásobního prostoru nádrže. StejnČ tak dostaneme
spektrum prĤbČhĤ Ĝad odtokĤ vody z nádrže.
NČkteré výpoþty zásobního objemu nádrže, vyžadují jako podklad vodohospodáĜského Ĝešení
umČlou prĤtokovou Ĝadu. Její použití lépe vyjadĜuje možnost budoucího prĤbČhu posloupnosti
prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ a poskytuje tak spolehlivČjší podklad pro vodohospodáĜské Ĝešení
zásobní funkce nádrže, zpĜesnČní parametrĤ pro Ĝízení odtokĤ vody z nádrže a upĜesnČní
zabezpeþenosti v extrémních hodnotách [3].
Pro opakované generování prĤbČhĤ umČlých prĤtokových Ĝad z Ĝad náhodných reálných
je možno použít modely AR (autoregresní ciklus prvního Ĝádu), modely ARMA (pohyblivý
autoregesní ciklus) a jejich kombinaci s LN (logaritmicko – normální), LT (logaritmicko –
transformovaného) generátoru popsané v [5]. Pro generování umČlých prĤtokových Ĝad byl použit
generátor umČlých prĤtokových Ĝad typu LNAR (logaritmicko – normální, autoregresní ciklus
prvního Ĝádu).
Generování náhodných umČlých prĤtokových Ĝad pomocí LNAR metody
Matematický model generátoru umČlých prĤtokových Ĝad typu LNAR je popsán v [4]
a zpracován do generátoru umČlých prĤtokových Ĝad v [5].
Postup opakovaného generování umČlých prĤtokových Ĝad prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ
Nejprve generujeme náhodné prĤtokové Ĝady z reálné prĤtokové Ĝady s uvažovanou nejistotou
mČĜení. VytvoĜené náhodné realizace reálné prĤtokové Ĝady slouží jako vstupní hodnoty
pro generování matic náhodných prĤbČhĤ umČlých prĤtokových Ĝad pomocí LNAR modelu.
Shrnutí výsledkĤ a závČr
Popsaný postup byl naprogramován v programovacím jazyce FORTRAN (WATCOM).
Byl vytvoĜen program generující náhodné prĤtokové Ĝady. K nČmu byl jako podprogram pĜipojen
generátor umČlých prĤtokových Ĝad LNAR. Jako vstupní soubor program využívá reálnou
prĤtokovou Ĝadou prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ a vytvoĜí dva výstupní soubory. První soubor
- 124 -
obsahuje množiny náhodných Ĝad vygenerovaných z reálné Ĝady a druhý soubor je soubor matic
náhodných umČlých prĤtokových Ĝad vytvoĜených z náhodných realizací reálných prĤtokových Ĝad.
Dílþí výsledky programu jsou jako ukázka zpracovány ve formČ statistických charakteristik
pro mČsíc leden z obou souborĤ náhodných Ĝad vybraných z 30 opakování a voleným koeficientem
variace 0,15. Vstupní 30-ti letá Ĝada prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ DĜevnice/Slušovice
má pro mČsíc leden vypoþítané statistické charakteristiky P(Qm) = 0,675 m3/s, D(Qm) = 0,321 m6/s2,
V(Qmҗ) = 0,576 m3/s.
Tab. 1 Statistické charakteristiky náhodnČ generovaných reálných prĤtokových Ĝad
prĤmČrných mČsíþních prĤtokĤ pro mČsíc leden a koeficientu variace cv = 0,15
PoĜadí náhodné Ĝady
1
2
10
15
20
25
0,665
0,668
0,656
0,683
0,672
0,699
P(Qm) [m3/s]
0,325
0,324
0,312
0,415
0,347
0,418
D(Qm) [m6/s]
0,570
0,569
0,559
0,644
0,589
0,647
VQm [m3/s]
0,857
0,852
0,851
0,942
0,878
0,925
cv(Qm)
Tab. 2 Statistické charakteristiky umČlých prĤtokových Ĝad prĤmČrných mČsíþních
prĤtokĤ pro mČsíc leden vygenerovaných generátorem LNAR
PoĜadí náhodné Ĝady
1
2
10
15
20
25
0,603
0,618
0,596
0,615
0,611
0,634
P(Qm) [m3/s]
0,175
0,212
0,170
0,231
0,198
0,237
D(Qm) [m6/s]
0,418
0,460
0,413
0,481
0,445
0,487
VQm [m3/s]
0,695
0,745
0,693
0,782
0,728
0,769
cv(Qm)
V praxi mĤže nerespektování vlivu nejistot mČĜení þlenĤ reálné prĤtokové Ĝady prĤmČrných
mČsíþních prĤtokĤ vést k chybnému stanovení zásobního objemu nádrže se všemi dĤsledky
týkajícího se jejich následného provozu. Model umožĖuje Ĝešení daného problému.
Úloha je Ĝešená v rámci projektu GAýR 103/07/1620 „Predikþní a simulaþní modely v teorii
operativního Ĝízení vodohospodáĜských soustav“.
Výsledek byl získán za finanþního pĜispČní MŠMT ýR, projekt 1M0579, v rámci þinnosti
výzkumného centra CIDEAS. (This outcome has been achieved with the financial support
of the Ministry of Education, Youth and Sport of the Czech Republic, project No. 1M0579, within
activities of the CIDEAS research centre.).
Literatura
[1] KAŠPÁREK, L., Odhad objemu nádrží potĜebného pro kompenzaci poklesu odtoku vlivem
klimatické zmČny, VÚV Praha, Praha, 2005
[2] SEDLÁýEK, M., Teorie nejistot mČĜení, ýVUT Praha, Praha, 2006
[3] STARÝ, M., Nádrže a vodohospodáĜské soustavy. Ediþní stĜedisko VUT Brno, Brno, 1990
[4] CIPRA, T., Analýza þasových Ĝad s aplikacemi v ekonomické teorii, SNTL Praha, Praha 1986
[5] PILAě, L., Užití generátoru LN a LT pro generování umČlých prĤtokových Ĝad prĤmČrných
mČsíþních prĤtokĤ, FAST v BrnČ, Brno 1988
- 125 -
ROUGHNESS OF MOBILE BED AT HIGH SHEAR
STRESS: APPLICATIONS FOR ENCLOSED PIPES
AND OPEN CHANNELS
Václav Matoušek*
The equivalent roughness of the top of a plane mobile bed eroded by a flow above the bed
is discussed. Solid particles picked up from the top of the bed and carried with the flow
affect considerably the bed resistance. This effect is evaluated for the high-bed-shear
condition in both a pressurized slurry pipe and an open channel.
Introduction
In the literature, the roughness of a mobile bed has been investigated extensively for flow
conditions usual in open channels, i.e. for the conditions associated with low bed shear and weak
sediment transport. Much less information is available about flows at high bed shear, i.e. flows
that erode the top of the mobile bed, prevent a development of bed forms (the upper-plane-bed
regime), and cause intense transport of sediments. The flow in the upper-plane-bed regime is typical
for e.g. slurry flows above stationary deposits in pipelines or open-channel flows of steep slopes
at high discharges (flood conditions).
Methodology for determination of mobile-bed roughness
Recently, a methodology has been proposed [1] for a determination of the roughness
of a mobile bed at different flow conditions. It suggests three successive steps that lead
to an appropriate choice of an equivalent-roughness value:
A. the determination of a characteristic value of the Shields parameter for the mobile bed,
B. the evaluation of the bed conditions based on the Shields parameter (bed forms,
sediment transport),
C. the calculation of the equivalent roughness using an appropriate equation
for the identified bed conditions.
A. Determination of characteristic value of Shields parameter
The shear stress develops at the top of the mobile bed as a result of the interaction between
the bed and the flow above the bed. The dimensionless form of this bed shear stress is called
Wb
the Shields parameter and it is defined as Tb
, where Ĳb is bed shear stress, ȡs density
Us U g d
of sediment particle, ȡ density of liquid, g gravitational acceleration, d characteristic diameter
of sediment particle. This parameter evaluates an ability of bed particles to move. It was originally
formulated as a criterion for the incipient motion of bed particles. Further investigations have
revealed its usefulness also for an evaluation of bed conditions at Tb values higher than is that
at the incipient motion of the top of the bed (Fig. 1).
* Václav Matoušek, Department of Hydraulics and Hydrology, Faculty of Civil Engineering, Czech Technical
University in Prague, [email protected]
- 126 -
Fig. 1 Extended Shields diagram
B. Evaluation of bed conditions
The extended Shields diagram in Fig. 1 estimates the types of bed forms that develop
for different values of Tb at the top of the bed composed of particles of a certain size. The thresholds
for different bed conditions in Fig. 1 are rough estimates and subject to further investigation.
Further, Tb helps to determine the flow rate of sediment eroded from the top of the bed.
This relation is not in Fig. 1. Instead, it is given by various transport equations proposed in literature
(e.g. the Meyer-Peter and Müller formula for bed loads or the van Rijn formula for suspended
loads). Both the bed forms and the sediment transport influence considerably the roughness
of a mobile bed.
C. Calculation of equivalent roughness of mobile bed
The bed shear stress, Ĳb, is related to the average velocity, v, of the flow through the bed
Ob
friction coefficient Ȝb and Wb
U v 2 . The “law of the wall” of the top of the bed relates Ȝb with
8
the roughness of the bed, ks, taking into account a development of the boundary layer
at the interface between the flow and the bed. The bed surface is composed of cohesionless
particles. On one hand it can be seen as a hydraulically rough boundary but on the other hand
it does not behave as a fix boundary if subjected to erosion. The boundary condition is the simplest
for Tb < Tb,cr (Tb,cr is Tb at the incipient motion of bed particles), where particles at the top of the bed
are not in motion. The boundary is clearly defined and its equivalent roughness can be considered
as related to the size, d, of the particles covering the top of the bed. Hence, the Nikuradze formula
for the hydraulically rough boundary can be modified for the top of the bed
14,8 Rhb
8
1
ln
(ț is Kármán constant, Rhb hydraulic radius of flow area associated
as
Ob N
ks
with top of bed). For Tb < Tb,cr, the value of ks is usually related to a certain characteristic size
of particles forming the top of the bed, e.g. ks = d90. For Tb,cr < Tb < 0.8 (approximately), the relation
between ks and d is further complicated by the presence of both the bed forms and the (weak)
sediment transport at the interface between the flow and the bed. This increases bed resistance and
various authors take this effect into account through a multiplication of the characteristic particle
size in the ks relationship. The direct method for an implementation of bed forms to the bed
roughness superposes the grain roughness and the form roughness to the total roughness of the bed.
At Tb > 0.8 the bed forms are washed out by the high shear stress and the bed becomes plane
again (the upper-plane-bed regime). The top of the bed is eroded and intense sediment transport
- 127 -
takes place. The eroded part of the bed is called the shear layer. The resistance of the eroded plane
bed, and hence its roughness, are affected not only by the size of particles at the top of the grain
deposit but also by particles transported through the shear layer adjacent to the top of the deposit.
The mechanism that governs bed friction is much less understood for this high-bed-shear flow
at than for flows at lower Tb. Recent investigations revealed an approximately linear relationship
between ks/d and Tb for pure sheet flows (i.e. flows in which particles are transported exclusively
as the bed load through a shear layer) and a more complex relationship among ks/d, Tb
and additional relevant parameters for flows transporting particles as combined load (a certain
portion of particles is transported as suspended load and the rest as bed load).
Application to enclosed pipes
A formula for the mobile-bed roughness is an important part of the predictive model
for the frictional pressure drop and the thickness of the bed in flow of slurry above a deposit
in a pipe used for hydraulic transport of solids [2]. Very high values of the Shields parameter are
typical for pipe flows and hence sediments are transported often as combined load. For such flows
a relatively complex semi-empirical formula is used for the equivalent roughness of the top
2.5
ks
R §w ·
260 ha ¨ t ¸ T1.7
b , where Rha is hydraulic radius of the discharge area above
d
d © v ¹
deposit, wt is settling velocity of sediment particle. The values of the coefficients in the equation are
subject to modification in the light of increasing number of experimental data available
for the formula calibration in future. Fig. 2 shows a comparison of the predictions made
by the model [2] with the experimental hydraulic gradient in a slurry pipe transporting narrowgraded medium sand.
of the bed [3],
Fig. 2 Relation between hydraulic gradient, im, and flow velocity, vm, for 0.37-mm-sand slurry
in circular pipe of internal diameter 150 mm, volumetric concentration of solids
is 22 per cent.
Legend: Ƒ model prediction; x experimental observation;- : water flow in particle-free
pipe; dashed line: 25 per cent deviation from the predicted value.
Application to open channels
The roughness of a mobile bed affects considerably a relationship between the flow rate
and the water stage in open channels. This relationship is of major practical importance
for an estimation of water stages under flood conditions. In this example the roughness
of the mobile bed of a mountain reach of the creek Dubská BystĜice is evaluated for a flood
condition experienced in August 2002. More details about this example are given in [4].
- 128 -
A. Determination of characteristic value of Shields parameter
The observed reach has the longitudinal slope i § iE = 0.05. The typical value of water depth
at the peak discharge was 1.4 meter and the hydraulic radius Rhb § 0.78 meter. Hence, the maximum
bed shear stress reached the value of about 400 Pa ( Wb U g Rhb iE | 9810 0.78 0.05 | 383 Pa ).
The particle size distribution of the mobile bed was d16 § 1,3 cm, d50 § 5 cm, d84 § 18 cm
Wb
383
and d90 § 22 cm. Hence, Tb § 0.11 for d90 ( Tb
|
| 0.11 ), Tb § 0.47
U s U g d 1650 9.81 0.22
for d50, and Tb > 1.8 for grains smaller than d16.
B. Evaluation of bed conditions
During the flood condition the critical value of Tb for initial motion (Tb,cr § 0.05 according
to the Shields diagram) was exceeded for a great majority of bed grains. The bed grains of sizes
up to 0.5 m were in motion at the peak discharge. Grains smaller than say d16 were transported
as suspended load the rest as bed load. Perhaps, intense transport of sediments and a possible
forming of bed forms affected considerably bed resistance and hence the relation between
the extreme discharge and the water stage.
C. Calculation of equivalent roughness of mobile bed
The evaluation of the bed conditions showed that approximately 84 per cent of moving grains
were transported as bed load. Therefore the formula for a flow with a shear layer seems
to be appropriate (it was experimentally verified for 0.5 < Tb < 4 by lab tests in a pressurized pipe),
ks
3.3 Tb . For intense transport of sediments through a shear layer the formulae for ks and Ȝb
d 90
give values that seem to be realistic with respect to a value of the peak discharge estimated for the
evaluated flood condition. Recalculated to the Manning coefficient, the predicted values n > 0.05
(n = 0.056 for Tb = 1.8, and n = 0.061 for Tb = 2.1).
Acknowledgement
The research was supported by the CIDEAS VS project 1M0579 of the Ministry of Education,
Youth and Sports of the Czech Republic.
References
[1] MATOUŠEK, V., KRUPIýKA, J., Metoda stanovení hydraulické drsnosti pohyblivého dna
sklonitého koryta za povodĖových prĤtokĤ. Dílþí výzkumná zpráva 3.1.1.-17, CIDEAS,
CTU in Prague, Czech Republic, 2008 (in Czech)
[2] MATOUŠEK, V., Predictive model for frictional pressure drop in settling-slurry pipe
with stationary
deposit.
Powder
Technology,
Elsevier,
2009,
DOI: 10.1016/j.powtec.2009.01.017. ISSN 0032-5910
[3] MATOUŠEK, V., KRUPIýKA, J., On equivalent roughness of mobile bed at high shear stress.
Journal of Hydrology and Hydromechanics, 2009, accepted. ISSN 0042/790X
[4] MATOUŠEK, V., Odpor pohyblivého dna sklonitého koryta za povodĖových prĤtokĤ. Vodní
hospodáĜství, 2008, No. 6, pĜíloha VTEI, p. 6-8. ISSN 0322-8916 (in Czech)
- 129 -
HYDROMORFOLOGICKÝ MONITORING DROBNÝCH
VODNÍCH TOKģ
HYDROMORFOLOGICAL MONITORING OF SMALL
WATER COURSES
Božena Michelþíková*, Helena Králová**
According to The Water Framework Directive (2000/60/EC) the member states have
to evaluate hydromorphological status of water courses and subsequently classify
ecological status of water bodies. In the Czech Republic for this purpose the methodology
called Monitoring of Hydromorphological Parameters of Water Courses Ecological
Quality was set up by J. Langhammer. The Water Framework Directive targets bigger
water courses (up from 4th order by Strahler) and doesn’t give attention to smaller rivers
and brooks.
Within the framework of the Grant Agency of the Czech Republic project The Complex
Approach to Restoration of Small Water Courses in Suburban Landscape,
this methodology was applied on selected brooks in Brno suburban area. Leskava,
Troubsky and Ivanovicky brooks with their tributaries are heavily affected by human
activities.
Úvod do metodiky HEM
Metodika pro monitoring hydromorfologických ukazatelĤ ekologické kvality vodních tokĤ
(metodika HEM) byla vytvoĜena pro monitoring hydromorfologických charakteristik tokĤ,
je souþástí systému monitoringu složek ekologického stavu vodních útvarĤ pro naplnČní požadavkĤ
Rámcové smČrnice o vodní politice ES 2000/60/ES (RS).
Základem hodnocení hydromorfologické kvality dle RS je srovnání aktuálního stavu
s tzv. referenþním stavem, tedy stavem toku pĜed jeho antopogenním ovlivnČním. ýím více
se aktuální hydromorfologické podmínky blíží referenþnímu stavu (pĜi maximální prostorové
variabilitČ), tím je hydromorfologická kvalita toku vyšší.
Monitoring hydromorfologického stavu tokĤ se provádí po úsecích toku formou terénního
mapování hydromorfologických charakteristik tokĤ a údolní nivy. Mapovatel rozdČlí tok
na jednotlivé úseky podle stanovených kritérií. Hydromorfologické charakteristiky jsou hodnoceny
prostĜednictvím 17 ukazatelĤ, sledujících koryto a trasu toku, dno, bĜehy a inundaþní území, dále
pak proudČní a ovlivnČní hydrologického režimu. Mapování se provádí od ústí proti proudu toku.
Hodnocení hydromorfologických ukazatelĤ je založeno na principu skórování jednotlivých
parametrĤ, hodnocených z pohledu jejich vlivu na hydromorfologickou kvalitu toku. Hodnotí
se a klasifikují jednotlivé úseky zvlášĢ, poté se provede výpoþet prĤmČrné hodnoty a klasifikace
pro celý vodní tok a pĜítoky oddČlenČ. Koneþná hodnota pro celý vodní útvar byla získána urþením
prĤmČrné hodnoty z výsledkĤ pro hlavní tok a jednotlivé pĜítoky.
Stupnice hodnocení je obdobná jako známkování ve škole od 1 do 5, kdy velmi dobrý
hydromorfologický stav dosahuje hodnot v rozmezí 1,0 – 1,7, dobrý 1,8 – 2,5, prĤmČrný 2,6 – 3,4,
špatný 3,5 – 4,2 a zniþený 4,3 – 5,0. Jako referenþní lokality pro nastavení podmínek biologických
složek lze použít pouze lokality s velmi dobrým hydromorfologickým stavem.
* Božena Michelþíková, ATELIER FONTES, s.r.o., +420 549 255 496, [email protected]
** Helena Králová, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 130 -
Mapování malých tokĤ podle metodiky HEM
V pĜímČstské krajinČ v okolí Brna byly pomocí této metodiky vymapovány tĜi vodní toky
Troubský potok s pĜítoky, Leskava a Ivanovický potok s pĜítoky. Jedná se o toky protékající
pĜevážnČ zemČdČlskou krajinou a pĜímČstskou zástavbou. Z velké þásti jsou technicky upraveny.
PĜírodní úseky jsou zachovány pouze ve fragmentech. ýasté je výrazné zneþištČní vypouštČním
odpadních vod z domácností pĜímo do toku.
Troubský potok s pĜítoky
Troubský potok je levostranným pĜítokem Bobravy, pramení v nadmoĜské výšce 370 m n.m.
v lesích u Kývalky na západ od Brna nedaleko Omic. Jeho nejvýznamnČjším pĜítokem
nad Troubskem je Aušperský potok, který pramení v lesích pod Autodromem. Z pĜítokĤ byly
dále hodnoceny StĜelický a Nebovidský potok. Plocha povodí Troubského potoka je 30 km2,
prĤmČrný roþní úhrn srážek je 540 mm, délka toku 12 km, prĤmČrný roþní prĤtok Qa je 0,06 m3/s
a stoletý prĤtok Q100 je 25 m3/s.
Pramenná þást Troubského potoka a úsek pĜed ústím do Bobravy dosahují velmi dobrého
hydromorfologického stavu a lze je považovat za referenþní lokality. Byly zde provedeny
jen drobné technické zásahy, napĜ. úprava v místČ kĜížení s komunikací. Niva je pĜevážnČ
zalesnČna. U ostatních úsekĤ pĜevažuje prĤmČrný stav, pouze jeden je špatný. Celkové hodnocení
Troubského potoka dosáhlo hodnoty 2,67, která mu pĜiĜazuje prĤmČrný hydromorfologický stav.
Nebovidský a StĜelický potok jsou skoro ve všech úsecích z hlediska morfologie hodnoceny
jako prĤmČrné. Z pČti hodnocených úsekĤ na Aušperském potoce jsou tĜi hodnoceny jako velmi
dobré, jedná se o horní úseky v lese. ýást toku protékající zástavbou a poli snižují celkové
hodnocení toku na dobré s hodnotou 1,82.
PrĤmČrná hodnota hydromorfologické kvality všech sledovaných úsekĤ v tomto vodním útvarĤ
je 2,56 a Ĝadí jej do prĤmČrného hydromorfologického stavu.
Obr. 1 Aušperský potok nad PopĤvkami –
velmi dobrý stav
- 131 -
Leskava
Tok Leskava pramení severozápadnČ nad Bosonohami. Je pravostranným pĜítokem Svratky,
ústí do ní v Dolních Heršpicích, tČsnČ pĜed jejím soutokem se Svitavou. Plocha jejího povodí
je 20,60 km2. Leskava nemá žádné významné pĜítoky, tudíž byla hodnocena pouze morfologie
tohoto toku. Tok protéká pĜevážnČ v intenzivnČ zemČdČlsky obdČlávané krajinČ a v okrajové
zástavbČ Brna. Asi 12 % plochy povodí pokrývají lesy na levém bĜehu pramenné þásti.
Tok byl dle kritérií stanovených v metodice rozdČlen na tĜináct hodnocených úsekĤ. Pouze tĜi
úseky odpovídají prĤmČrnému hydromorfologickému stavu. Všem zbylým deseti úsekĤm
byl pĜiĜazen špatný stav. PrĤmČrná hodnota hydromorflogické kvality je 3,57, což je na spodní
hranici špatného hydromorfologického stavu.
Obr. 2 Leskava pod Bosonohami –
prĤmČrný stav
Ivanovický potok
Ivanovický potok je levostranným pĜítokem Svratky u Rajhradic. Pramenná þást toku
je ve SlatinČ. Plocha povodí je 40,5 km2. Celý vodní tok je poznamenám lidskou þinností –
zemČdČlstvím, prĤmyslem a obytnou zástavbou. Protože byl v minulosti využíván k závlahám
zemČdČlské pĤdy, je i jeho hydrologický režim výraznČ ovlivnČn nalepšováním prĤtokĤ ze Svratky
a vzdouvacími objekty na toku. Významnými a tudíž sledovanými pĜítoky jsou Dvorský, TuĜanský
a ýernovický potok.
Pro hydromorfologickou jednotvárnost byl Ivanovický potok rozdČlen pouze do sedmi
hodnocených úseku. Vyskytuje se zde pouze špatný (na þtyĜech úsecích) a prĤmČrný
(na tĜech úsecích) hydromorfologický stav. PrĤmČrná hodnota pro celý tok vychází 3,49,
což ho tČsnČ Ĝadí do špatného stavu. Dvorský, TuĜanský i ýernovický potok jsou hodnoceny jako
toky s prĤmČrným hydromorfologickým stavem. Celkové hodnocení tohoto vodního útvaru
je prĤmČrné s hodnotou hydromorfologické kvality 3,34.
- 132 -
Obr. 3 TuĜanský potok – prĤmČrný stav
Zhodnocení využití metodiky HEM pro drobné vodní toky
PĜi mapování hydromorfologických ukazatelĤ se objevily mírné nedostatky použité metodiky.
V terénu vymezená délka hodnocených úsekĤ dle klíþových ukazatelĤ je mnohonásobnČ vČtší
než délka doporuþená v metodice dle šíĜky koryta. Stanovení historického stavu drobných tokĤ není
vždy možné. PĜi hodnocení ukazatelĤ není brán zĜetel na výskyt propustkĤ na toku. Propustky jsou
na potocích þasté a morfologii toku ovlivĖují. Zásadním morfologickým ukazatelem je upravenost
dna. Zde by bylo vhodnČjší nahradit charakter zpevnČní kamennou dlažbou a betonem typem
pružné a nepružné zpevnČní. Nebo použít podrobnČjší rozdČlení, jako je to u parametru upravenost
bĜehĤ. PĜi hodnocení je kladen zbyteþnČ velký dĤraz na rĤznorodost substrátu dna, využití pĜíbĜežní
zóny a bĜehové vegetace, což má za následek nepĜimČĜené zhoršení celkového výsledku.
ZávČr
Použitá metodika je primárnČ vytvoĜena pro hodnocení vodních tokĤ vyššího Ĝádu, než byly
popsány v textu. Ale i pro tento typ tokĤ je s urþitými výše uvedenými výhradami dobĜe použitelná.
Sledované pĜímČstské toky jsou velmi výraznČ poznamenané lidskou þinností. Zachovalé úseky
jsou pouze v zalesnČných úsecích. Jejich souþasná hydromorfologická kvalita je v nevyhovujícím
stavu, což negativnČ ovlivĖuje i kvalitu vody v tocích a zejména ekosystémy vázané na vodní
prostĜedí. I pĜes omezený prostor a požadavek protipovodĖové ochrany, se dá pomoci vhodnČ
provedených technických úprav neutČšený stav pĜímČstských tokĤ vylepšit.
PodČkování
ýlánek vznikl za podpory grantu GAýR 103/07/0580.
Literatura
[1] HYDROMETEOROLOGICKÝ ÚSTAV, Hydrometeorologické pomČry ýeskoslovenské
socialistické republiky, Praha, 1970
[2] LANGHAMER J., Metodika pro monitoring hydromorfologických ukazatelĤ ekologické
kvality vodních tokĤ, Praha 2007
[3] LANGHAMER J., Hodnocení ukazatelĤ, Praha 2008
- 133 -
VZTAH SOUýINITELE POVRCHOVÉHO ODTOKU
KE ZDROJOVÉ PLOŠE
RELATION BETWEEN SURFACE RUN-OFF
COEFFICIENT TO SOURCE FLAT
Rudolf Milerski*
Determination of outlet coefficient is one of deciding conditions for calculation outlet
from drainage basin. Extrapolation values coefficient that the are obtained on small
experimental surfaces to the catchment area, is connected with problem essence his
dependencies on to many different conditions. Once of these is reservation conditions
for achievement possible to maximum seepage rate. In reality scores of time happens
to overland flow, that is of in his essence independent on sizes source text surface, but
on quite by other conditions.
Úvod
Výpoþty povrchového odtoku z malých povodí jsou v souþasné dobČ založené a ustálené
na odtokových souþinitelích, které vycházejí z tzv CN - þísel, které vlastnČ udávají pomČr odteklé
srážky k celkové srážce. Tyto hodnoty byly stanoveny laboratorní cestou výzkumem na fyzikálních
modelech a pĜedstavují v souþasné dobČ standard pro výpoþtové metody získání povrchového
odtoku na malých a velmi malých povodích. Výpoþet odtoku je na tČchto povodích spjat
v jednotlivých modelech s jakousi modifikací intenzitního vzorce.
Q = S ĳ i.
(1)
Pro stanovení Q je nutno najít odpovídající hodnotu odtokového souþinitele ĳ. PĜesné
stanovení ĳ je nutné pro správnost výpoþtu a na druhé stranČ je problematické pro závislost tohoto
þlenu rovnice na dobČ deštČ. Ve výpoþtu se tedy používá jakási stĜední hodnota odtokového
souþinitele, která je právČ blízká stanovení pomoci CN þísel.
ĳ = Ho/Hsr = Vo/Vsr ,
(2)
kde Ho/Hsr je výška srážky odteklé k výšce srážky a Vo/Vsr objem srážky odteklé k objemu srážky.
Takovéto stanovení odtokového souþinitele na malých povodích a svazích je v podstatČ
nedostupné z dĤvodu chybČjících hydrologických mČĜení.
Vztah ĳ a zdrojové plochy S
Souþinitel odtoku ĳ si tedy mĤžeme pĜedstavit jako þíslo – pomČr, viz rovnice ( 2 ), anebo
þíslo, které je závislé na skuteþných vlastnostech zkoumaného povrchu ve zdrojovém povodí. Tento
pĜístup nám umožní uvažovat o tom, že souþinitel odtoku ĳ je závislý na vsaku, sklonu, vegetaci
a dalších podmínkách, které popisují povrch terénu a jeho vlastnosti. Velmi dĤležitou vlastností
*
Rudolf Milerski, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 134 -
je podle mínČní autora vsakovací schopnost pĤdy. Tato je po vyþerpání intercepce a povrchové
akumulace jedinou pĜíþinou, která se podílí na snižování množství povrchovČ odtékající vody.
Vsakování je jev, který se dá v podstatČ dobĜe fyzikálnČ modelovat a provádČt polní zkoušky
v terénu. Využíváme pĜitom postup se vsakovacími válci – výtopa, kdy pĜi mČĜení pĜímo získáváme
okamžité vsakovací rychlosti. Nebo mČĜení na simulátoru deštČ s pĜedstavou co neodteþe,
to vsákne, kdy mČĜíme odtok ze, simulovaným deštČm zatČžované plochy a zpČtnČ dopoþítáváme
rychlost vsakování.
Problém, kterým se tento þlánek zabývá, je založen v teorii plošného odtoku, ve kterém
je odvozena rovnice kontinuity na svahu ve tvaru:
hwu
wh
( x, t ) ( x, t )
wx
wt
r (t ) i (t )
(3)
a pro stacionární stav:
ǌ (x) . h(x) = (r – i).x
(4)
Velikost pĜírĤstku prĤtoku na svahu je tedy závislá na rozdílu intenzity deštČ r a rychlosti
vsakování i a samozĜejmČ délky svahu x. A bČžnČ je samozĜejmý pĜedpoklad že r i, aby se dalo
uvažovat o povrchovém odtoku. Problém nastává, když porovnáme reálné velikosti intenzit
pĜívalových srážek se skuteþnými vsakovacími rychlostmi získanými pokusy. NapĜíklad Horton
uvádí prĤbČh rychlosti vsakování v prĤbČhu roku podle obr. 1.
Obr. 1 Sezónní zmČna infiltraþní rychlosti, List of boxes of Horton papers, RG189
A1/Entry 5 Horton Papers, Box 61 Infiltration, from Horton (1940: 416)
I prĤmČrné hodnoty rychlosti infiltrace uvádČné v obr. 1 ukazují, že bČžný pĜívalový déšĢ
by mČl vsáknout a povrchový odtok by nemČl vzniknout.
- 135 -
Existence povrchového odtoku je tedy vázána na pokles infiltraþní schopnosti pĤdy s þasem
deštČ. To je známý jev, který doprovází infiltraþní pokusy a ukazuje na v podstatČ exponenciální
pokles této rychlosti s þasem. NapĜíklad M. Kutílek VodohospodáĜská pedologie obr. 2
Obr. 2 Vztah mezi intenzitou deštČ vs a rychlostí vsakování v(t)
Problém je v tom, že autoĜi pro jednoduchost zobrazují intenzitu deštČ jako prĤmČrnou za dobu
trvání deštČ a vsakovací schopnost jako klesající s þasem. Je zde ovšem problém s absolutními
hodnotami intenzity deštČ a rychlosti vsakování. RovnomČrný náhradní déšĢ o intenzitČ 1 mm/min
je pĜi hodinové srážce v podstatČ stoletým deštČm a ve skuteþnosti z nČho zaznamenáme rozsáhlý
povrchový odtok. Vyrovnaná rychlost vsakování na stĜednČ propustných pĤdách však má taktéž
hodnotu okolo 1 mm/min. Toto ovšem znamená, že odtok by být nemČl, nebo by mČl být
minimální. Odtok tedy nastává, i když zdaleka není vyþerpána schopnost pĤdy vsakovat danou
intenzitu deštČ.
Tento jev se pokusil objasnit autor v pĜíspČvku viz. Literatura, na konferenci v BratislavČ 2008.
PĜíspČvek se ale zabýval pouze plošným odtokem a za podmínek úzkých intenzit dešĢĤ a mČl
následující odĤvodnČní.
Normální prĤbČh odtoku je spojen pĜímo úmČrnČ s plochou a nárĤst odtoku pĜi konstantní
intenzitČ deštČ a konstantním odtokovém souþiniteli, je úmČrný nárĤstu plochy.
Tedy platí:
Q2 = Q1 + ǻ x (ri – vi) ,
(5)
kde Q1 a Q2 jsou hodnoty odtoku, ǻ x vyjadĜuje nárĤst plochy ve smČru odtoku, ri a vi jsou hodnoty
intenzity deštČ a intenzity vsaku.
A obrácenČ, pĜi stavu kdy:
r i vi
platí Q2 Q1 .
Rychlost vsaku vi se obecnČ stanovuje vsakovacími pokusy, které probíhají na vodorovné ploše
a umožĖují existenci malé výšky vody na celé pokusné vsakovací ploše. Skuteþný terén v našich
podmínkách v zásadČ není nikdy úplnČ vodorovný. Výtopa, která odpovídá podmínkám
vsakovacího pokusu se zaþne na reálném povrchu vytváĜet až po vyþerpání vysokých
vsakovacích rychlostí na zaþátku zvlhþování povrchu a po vyþerpání retenþní schopnosti povrchu.
- 136 -
Obr. 3 Vznik prĤtoku na svahu
Po vzniku výtopy mĤže tedy dojít k dosažení stejných podmínek jako pĜi vsakovacím pokusu
a k vyrovnání stavu podmínkou ri = vi. To ovšem znamená, že na reálném povrchu se zaþíná
hromadit voda ještČ dĜíve, než je dosaženo stavu ri vi, (vi stanovené pokusem). NahromadČná voda
na povrchu – výtopa, je okrajovou podmínkou dosažení stavu rovnováhy mezi intenzitou deštČ
a rychlostí vsakování. Tato podmínka (výška vody) je na pĜirozeném povrchu pĜibližnČ stejná
na celé ploše s možným plošným odtokem. NahromadČná voda se však vlivem gravitace
na sklonČném povrchu zaþne pohybovat.
Po povrchu se tedy pohybuje jakýsi „plošný“ prĤtok, nazveme ho q0, který je nezávislý
na velikosti zdrojové plochy, protože jeho výška je pouze taková, aby splnila nutnou okrajovou
podmínku pro splnČní stavu ri = vi.
Tento prĤtok je však skuteþný, narazí-li na linii soustĜedČného odtoku, tak se stane v celé
své velikosti jeho souþástí – vznikne soustĜedČný odtok a zanikne v tomto místČ kontinuita
pohybující se okrajové podmínky. Velikost soustĜedČného odtoku je závislá na délce prĤmČtu
odtokové linie do kolmice na smČr pohybu plošného odtoku q0 - tedy pohybující se okrajové
podmínce vsaku.
Q = q0 Lp .
(6)
Z toho vyplývá, že výsledný soustĜedČný odtok nezávisí na velikosti zdrojové plochy,
ale na souþtu délek prĤmČtĤ drah soustĜedČného odtoku na této ploše.
ZávČr
Tento pĜíspČvek by rád pĜispČl k dalším možným výkladĤm složitého jevu, jakým je povrchový
odtok jeho vznik a prĤbČh. Význam plochy v rovnici 1, která se bČžnČ pĜijímá jako nezávislá
hodnota, se ukazuje jako nesprávný a i plocha v této rovnici, stejnČ jako ostatní dva její þleny
je závislá veliþina – na hustotČ drah soustĜedČného odtoku.
Literatura
[1] BRAUN, B., KOLÁě, I., MILERSKI, R., Vliv transformace orné pĤdy na travní spoleþenstva
z ekologicko-hydrologických hledisek:Výzkum chovu skotu þ. 2 1998, s. 8-15
[2] MILERSKI, R., Povrchový odtok pĜi neodtokotvorném dešti, ISBN 978-80-227-2979-6,
Bratislava 2008
- 137 -
GROUNDWATER MODELING FOR AQUIFER
PROTECTION PURPOSES
Cinzia Miracapillo*, Wilhelm Fries**, Andreas Märki***
A groundwater model was built in order to determine the capture zone of the pumping
well in Itingen, a village close to Basel in Switzerland. Based on the capture zone
and its seasonal variation, it was possible to define the protected area around the well.
In this article the data and the necessary steps for the development of the model
and its calibration are described.
Introduction
In summer 2006 at the end of a dry period with high temperatures the drinking water
in the water supply system of Itingen, a village close to Basel, had an unusual moldy smell.
The water was pumped out of the aquifer in the Ergolz river valley at the Gstaadmatt pumping
station. An emergency solution consisting of a temporary water supply was set up to bridge
the dry period.
In 2007 the company Joppen & Pita AG was mandated by the Municipality of Itingen
and the canton of Basel Countryside to carry out a hydrogeological study including the definition
of the protection measures for the Gstaadmatt pumping station.
According to the water regulations in Switzerland, three levels of protected zones (S1, S2
and S3) and the corresponding restrictions on the land use are defined. The zone S2 is defined
on the basis of 10 days-flow time from the border of the zone itself to the pumping well [1].
In 2007 two tracing experiments in the gravel aquifer showed that the problem was not
due to leakage from canalizations, as was originally suspected and that the zone S2 should
be extended in an eastern direction because of the high flow velocities (over 10 m/h) [2].
The causes of these high flow velocities are still unknown.
In order to assess the risk of contamination for the Gstaadmatt pumping well, to evaluate
the role of the Ergolz river and to deliver a hydro-geologically consistent, possible explanation
of the results obtained from the tracer tests, the company Joppen und Pita AG was charged,
in April 2008, to built a groundwater model. Since autumn 2008, the model results have been
available to the Municipality of Itingen and the territorial authorities [3].
*
**
***
Cinzia Miracapillo, Lecturer at the University of Applied Sciences FHNW and Research Associate at the Water
Research Institute IRSA,, [email protected]
Wilhelm Fries, Joppen &Pita AG, General Guisin-Strasse 138, CH - 4015 Basel, Tel. +41613059100,
Fax. +41613059101, e-Mail: [email protected], www.joppen.ch
Andreas Märki, Joppen &Pita AG, General Guisin-Strasse 138, CH - 4015 Basel, Tel. +41613059100,
Fax. +41613059101, e-Mail: [email protected], www.joppen.ch
- 138 -
Groundwater model
The groundwater model was built using ASMWIN, a modular 2-dimensional numerical
program based on the Finite Difference Method for modeling groundwater flow and pollution [4].
Input data and model calibration
The aquifer is unconfined, extends in East-West direction and is delimited by the borders
of the valley in a north-south direction. The boundaries of the model domain were set as a fixed
flow boundary at the northern and southern boundaries and as a fixed potential boundary
at the eastern boundary. The western boundary was partially built with a fixed flow boundary
and partially with leakage conditions at the river boundary.
The model domain is 1.5x2.5 km wide and is divided in 150x100 cells. The cell dimension
varies from 1x1 m (pumping cell) to 23.4 m with a multiplication factor of 1.2.
The aquifer bottom was interpolated from the data of 23 boreholes. Additionally available data
were the water levels in the Ergolz river at one measuring station upstream the Gstaadmatt pumping
station, the results of a pumping test (Gstaadmatt), the pumping rate of the 2 pumping stations
(Gstaadmatt and Häsbach) each at 9 l/s and 8 Piezometer levels. The average annual values (as well
as minimum and maximum values) were calculated over a period of 9 years (1994-2002).
The leakage factor of the Ergolz river and the hydraulic conductivity of the aquifer were
considered as calibration parameters.
In the calibrated model the leakage factor varies from 1•10-4 s-1 to 1•10-8 s-1 and the values
of the hydraulic conductivity for the entire model domain are close to 1•10-3 m/s with the exception
of the zone around the Gstaadmatt pumping station zone where this value reach 2•10-2 m/s.
According to the observations, the average, the minimum and the maximum annual values
of the river water depth was assumed to be constant along the river and equal to 0.3 m, 0.2 m
and 1.3 m respectively. The aquifer porosity was assumed to be 20 %.
Results
The results consist of contour maps of the hydraulic heads with path lines, velocity flow fields,
water balance calculations for the whole domain and for sub-regions, determination
of the catchment areas, capture zones and isochrones of the Gstaadmatt pumping well.
Two pictures from the final report written by Joppen & Pita AG are added to this article
in order to show some of the final results: the regional groundwater flow field (Fig. 1) and the local
flow field with the new protected zone S2 (red line in Fig. 2) based on the 10-days capture zone
of the Gstaadmatt pumping well.
Conclusions
A 2-dimensional numerical model (ASMWIN) although with a simplified representation about
the river geometry delivered possible explanations, consistent with the regional hydrological
situation, for the high flow velocities near to the Gstaadmatt pumping station. The steeper hydraulic
gradient and the higher hydraulic conductivity in the zone around the pumping well cause high flow
velocities.
The model results also outlined the interaction between the Ergolz river and the groundwater
body. The infiltration rate is higher along the river upstream from the Gstaadmatt pumping station.
Along the river downstream from the pumping station the infiltration rate is lower. Exfiltration into
the river occurs at the outflow boundary of the model domain close to the Häschbach pumping
station.
- 139 -
These findings were considered for the evaluation of protection measures and for the extension
of the protected zone S2 by the Gstaadmatt pumping station.
Literature
[1]
[2]
[3]
[4]
BUWAL, Wegleitung Grundwasserschutz, Bern 2004
FRIES, W., Färbeversuche am 23.1 und 20.3.2007, Report Joppen & Pita AG, Juni 2007
FRIES, W., MAERKI, A., Grundwassermodell, Report Joppen & Pita AG, October 2008
KINZELBACH, W., RAUSCH, R., Grundwassermodellierung – Einführung mit Übungen,
Gebrüder Borntraeger, Berlin Stuttgart, ISBN 3-443-01032-6
Fig. 1 Contour map of the hydraulic heads in the model domain (Report “Grundwassermodell”,
Joppen &Pita AG, 2008)
- 140 -
Fig. 2 Catchment area of the pumping station Gstaadmatt and the „new” protected zone S2
(Report “Grundwassermodell”, Joppen&Pita AG, 2008)
- 141 -
VLIV TEPLOTY MċěENÉHO MÉDIA NA POýET
OTÁýEK U KLASICKÉ HYDROMETRICKÉ VRTULE
INFLUENCE TEMPERATURE MEASURED ONTO
MEDIUM ON SPEED OFF CLASSICAL HYDROMETRIC
PROPELLER
àukasz Niemiec*, Miloš Starý**
The article deals with determination of uncertainties type B resulting from the changes
of temperature of medium measured by hydrometric propeller.
For measuring the hydrometric propeller type 0TT C2 propeller n. 6 was used
for recording the revolutions, along with Fiedler data unit which recorded the number
of revolutions in every minute. For temperature measuring the digital thermometer
OXI 325 was used. The measuring was practiced in temperature interval 28 °C to 1 °C
(by pace 2 °C).
Úvod
K hlavním úkolĤm hydrologie v oblasti hydrometrie patĜí vývoj a standardizace konstrukce
pĜístrojĤ a zaĜízení umožĖujících kvantitativní hodnocení prĤbČhĤ hydrologických jevĤ.
Na to navazuje stanovení a standardizace metod mČĜení pĜíslušnými mČĜicími pĜístroji.
Odpovídající metody jsou pak využity pĜi systematickém mČĜení hydrologických jevĤ, zpracovaní
namČĜených dat a zveĜejĖování výsledkĤ mČĜení. MČĜení bodových rychlostí ve svislicích
v mČrném profilu koryta toku pro odhad prĤbČhu rychlostního pole a následný výpoþet prĤtoku
patĜí mezi základní úlohy Ĝešené v hydrologii.
VýsledkĤ hydrometrování v mČrných profilech v Ĝíþní síti se využívá k praktickým i vČdeckým
úþelĤm. S ohledem na praktické využití lze napĜ. uvést úzký vztah hydrometrie a Ĝízení provozĤ
vodních dČl. Z vČdeckého hlediska hydrometrie pĜispívá k dalšímu rozvoji hydrologie, vþetnČ jejích
teoretických základĤ [3].
V praxi nejsou žádná mČĜení, žádná mČĜicí metoda ani žádný pĜístroj absolutnČ pĜesné.
NejrĤznČjší negativní vlivy, které se v reálném mČĜicím procesu vyskytují, se projeví odchylkou
mezi namČĜenou a skuteþnou hodnotou sledované veliþiny. Výsledek mČĜení se tak vždy pohybuje
v jistém „toleranþním poli“ kolem skuteþné hodnoty, ale témČĜ nikdy nenastává ideální ztotožnČní
obou hodnot. PĜiblížení se k nulové velikosti odchylky vytváĜí velké potíže i u realizace etalonĤ.
Výsledný rozdíl mezi obČma hodnotami je nČkdy tvoĜen i velmi složitou kombinací dílþích faktorĤ.
Dosud bylo zvykem pĜi vyhodnocování souborĤ namČĜených hodnot pracovat s chybami. NovČ
je vyhodnocování provádČno prostĜednictvím vyjádĜení nejistot mČĜení [2].
ýlánek se zabývá urþením nejistot typu B vycházejících ze zmČny teplot mČĜeného média
pĜi hydrometrování klasickou hydrometrickou vrtulí.
* àukasz Niemiec, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
** Miloš Starý, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 142 -
Standardní nejistota typu B
Standardní nejistota typu B znaþíme uB. Jedná se o nejistotu, která není stanovená statistickým
zpracováním opakovaného mČĜení. ObecnČ nejistotu typu B musí stanovit experimentátor odhadem
þi pĜevzetím z technické dokumentace. Technickou dokumentací se zpravidla rozumí – certifikáty,
ovČĜovací a kalibraþní listy, technické normy, tabulky fyzikálních konstant apod. [4].
Experimentální þást práce
Celé mČĜení probČhlo v laboratorních podmínkách. Byl sestaven mČrný žlab s chladicím
zaĜízením a pohonem, který zajišĢoval výkonný elektromotor (viz. obr. 1). Elektromotor pohánČl
lodní šroub, jenž mČl za úkol udržovat po celou dobu mČĜení ustálené proudČní vody ve žlabu.
Obr. 1 MČrný žlab s chladicím zaĜízením a pohonem
K mČĜení otáþek byla použitá hydrometrická vrtule typ OTT C2 s propelerou þ. 6 a datová
jednotka Fiedler, která zaznamenávala každou minutu poþet otáþek. Ke zjištČní teploty byl použit
digitální teplomČr OXI 325. MČĜilo se v rozmezí 30 °C až 1 °C s krokem 2 °C. Ruþním laserovým
otáþkomČrem byly mČĜeny otáþky na hĜídeli elektromotoru.
NamČĜené hodnoty bodových rychlostí vytvoĜily soubory dat obsahující vždy 30 realizací.
Po každém mČĜení (30 min), byl v tČle vrtule vymČnČn olej.
- 143 -
V tab. 1 jsou znázornČny prĤmČrné otáþky v rozmezí teplot 10 – 1 °C. Rozdíl mezi otáþkami
þiní 4,63 otáþky.
Tab. 1 Závislost poþtu otáþek na teplotČ vody
- 144 -
ZávČr
PĜi celoroþním hydrometrování na otevĜených tocích dosahují teploty vody za letních mČsícĤ
23 °C a v zimních mČsících, kdy se hydrometruje i pod ledem, klesají teploty k 1 °C, což do znaþné
míry ovlivĖuje celé mČĜení.
Jak lze vidČt, prĤmČrné otáþky klesají zároveĖ s klesající teplotou. V rozmezí teplot 28 – 1 °C
rozdíl mezi otáþkami þiní 8,87 otáþky, což je 10,8 %. Proto tento vliv nejistoty typu B by nemČl být
zanedbáván.
Tento výsledek byl získán za finanþního pĜispČní MŠMT ýR, projekt 1M0579, v rámci
þinnosti výzkumného centra CIDEAS. (This outcome has been achieved with the financial support
of the Ministry of Education, Youth and Sport sof the Czech Republic, project No. 1M0579, within
activities of the CIDEAS research centre).
This article was written as a part of the GAýR project: 103/07/1620 “Prediction and simulation
models in the water resources control”.
Literatura
[1] ýSN EN ISO MČĜení prĤtoku kapalin v otevĜených korytech – metody rychlostního pole, 2001
[2] ýVUT
FSI,
Nejistoty
mČĜení,
Studijní
opory
[online],
2008,
Dostupný
z http://www.fsid.cvut.cz/cz/U210/TEM/nejistoty/nejistoty1.pdf
[3] KěÍŽ, V. a kol., Hydrometrie. Uþebnice, Praha, 1988, 176 s.
[4] ŽOUŽELA, M., Posouzení metod pro mČĜení a vyhodnocení rychlostních polí reálných
prizmatických tratí pĜi definovaných proudových pomČrech s volnou hladinou, Disertaþní
práce Ph.D., VUT FAST Brno, Czech Republic, 2005, 105 s.
- 145 -
METÓDA STANOVENIA POTENCIÁLNYCH
POVODĕOVÝCH ŠKÔD
METHOD OF DETERMINE THE POTENTIAL FLOOD
DAMAGES
Viliam Olbricht*, Miloslav Šlezingr**
The contribution deals with problems of determining the potential flood damages
in dependence on chosen combination of hydrological characteristics of floodwater
and with damage graphs of typical objects application. According to the combination
of hydrological factors affecting the typical objects i tis possible to calculate potential
flood damages. At present application of this method in Bardejov is in progress.
The 1 D model of water flowing has been evolved through HEC – RAS program
and the map of water depths has been designed.
Úvod
Pri povodniach dochádza þasto k vysokým škodám na stavebných objektoch umiestnených
pozdĎž vodných tokov. Rozsah škôd je výrazne ovplyvnený veĐkosĢou územia, ktorým povodeĖ
prechádza, mierou urbanizácie a taktiež aj úrovĖou protipovodĖových opatrení navrhnutých
v zasiahnutom území. Po posledných veĐkých povodniach v strednej Európe v roku 2002
sa zaþínajú vyvíjaĢ rôzne metódy rizikovej analýzy na hodnotenie povodní. Jednou
z nich je aj metóda stanovenia potenciálnych povodĖových škôd, ktorá sa dá využiĢ ako podklad
pre návrh protipovodĖových opatrení. V krajinách EU sa zaþína presadzovaĢ myšlienka,
že na výstavbu protipovodĖových opatrení je vhodné použiĢ financie iba do hodnoty majetku
v danom území.
Metóda stanovenia potenciálnych povodĖových škôd
Pri stanovení potenciálneho poškodenia nie je možné podrobne posudzovaĢ stovky þi tisíce
objektov. Z tohto dôvodu je vhodné zvoliĢ nasledujúci postup [1]:
- definovanie faktorov charakterizujúcich vplyv povodne na stavebné objekty,
- vytvorenie databázy reprezentantov majetku,
- stanovenie miery poškodenia reprezentanta majetku.
Definovanie faktorov charakterizujúcich vplyv povodne na stavebné objekty
Na poškodenie stavebných objektov majú vplyv hlavne tieto faktory:
- stavebné vlastnosti objektov (konštrukþné charakteristiky, použitý stavebný materiál,
vek objektu),
- geotechnické vlastnosti podložia (únosnosĢ podložia, odolnosĢ proti vplyvu vody,
možnosĢ erózie),
- hydraulické faktory (rýchlosĢ a smer prúdenia vody, hĎbka vody),
- doba zaplavenia,
*
**
Viliam Olbricht, Ústav budov a prostredia, Stavebná fakulta, TU v Košiciach, [email protected]
Miloslav Šlezingr, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 146 -
- roþné obdobie a klimatické podmienky,
- zneþistenie pritekajúcej vody, chod sedimentov.
Pre praktické využitie je veĐmi dôležité obmedziĢ poþet faktorov, ktoré ovplyvĖujú dopad
povodne na stavebné objekty. Zvolené hydrologické charakteristiky sú súþasĢou výberu podmienok,
ktoré ovplyvĖujú poškodenie stavebných objektov poþas povodne.
Databáza reprezentantov majetku
Pre stanovenie poškodenia na stavebných objektoch je vhodné vytvoriĢ databázu
reprezentantov majetku, to znamená charakteristických stavieb na ktorých sa stanoví poškodenie
vplyvom povodne. Pre jednotlivé vybrané faktory sa vyberie pre každý typový objekt objemový
podiel jednotlivých konštrukþných prvkov. Následne sa expertným odhadom (statikov, stavebných
inžinierov a súdnych znalcov) stanoví miera poškodenia jednotlivých konštrukþných prvkov.
Z nej sa odvodí celková miera poškodenia typového objektu.
Grafy poškodenia reprezentantov majetku
Pri riešení grantového projektu [2] na stavební fakulte VUT v Brne boli vypracované grafy
poškodenia reprezentantov majetku. Pre zostrojenie grafov poškodenia reprezentantov majetku boli
stanovené nasledujúce hodnoty jednotlivých parametrov poþas povodne [3]:
1. HĎbka vody (výška vodného stĎpca na teréne):
0,5 m,
1,75 m,
3,0 m.
2. Doba trvania povodne:
do 1 dĖa,
2 – 7 dní,
viac ako 7 dní.
3. Vplyv podložia:
priaznivé – únosné,
nepriaznivé – neúnosné s možnosĢou erózie.
Tieto grafy sa vypracovali pre 16 stavebných objektov – reprezentantov majetku:
- budovy pre riadenie, správu a administratívu, budovy pre obchod a spoloþné
stravovanie, domy bytové (mimo panelovej sústavy), domy bytové netypové (charakter
zástavby integrovaný),
- domy bytové typové s celoštátnymi unifikovanými konštrukþnými systémami
panelovými,
- domy bytové typové (mimo panelovej sústavy), domy bytové netypové,
- domy rodinné jednobytové radové,
- domy rodinné jednobytové, samostatne stojace
- budovy pre výrobu a služby,
- záhradné chatové kolónie,
- drobné chatové kolónie – chaty,
- haly pre pestovanie rastlín,
- haly obþianskej výstavby, haly pre výrobu a služby, murované z tehál, tvárnic a blokov,
- haly obþianskej výstavby, haly pre výrobu a služby, montované,
- futbalové trávnaté ihriská,
- nekryté bazény,
- tenisové kurty,
- 147 -
- kurty na vybíjanú,
- mestské parky.
Využitie grafov pre podmienky SR
Kećže ýeská republika a tak isto aj Slovenská republika ležia v stredoeurópskom priestore,
sú stavebné objekty rovnaké. To dáva možnosĢ využitia týchto grafov poškodenia reprezentantov
majetku pre stanovenie potenciálnych povodĖových škôd aj v Slovenskej republike.
V súþasnosti prebieha využitie metódy stanovenia potenciálnych povodĖových škôd v meste
Bardejov, cez ktoré preteká rieka TopĐa patriaca do þiastkového povodia Bodrogu Vybral sa úsek
od mostu na ulici Štefánikovej až po most na ulici Slovenskej. Celková dĎžka vybraného úseku
je 1457 m.
Tab. 1 Hydrologické údaje pre TopĐu v meste
Bardejov použité v programe HEC - RAS
N - roþné
Údaje
Prietok v [m3/s]
1
5
20
50
100
52
120
203 273 330
Elevation (m)
Jednotlivé prieþne profily (Obr. 2) Tople a priĐahlého inundaþného územia boli odþítavané
z dvoch máp. Jednu vypracoval Slovenský úrad geodézie a kartografie v roku 1989 (M 1:5 000)
a druhú si dalo mesto Bardejov (M 1:2000) vypracovaĢ s podrobným geodetickým zameraním
v roku 1996. Jednotlivé zadané prieþne profily sú od seba vzdialené približne 50 metrov. Pomocou
programu HEC – RAS bol vypracovaný 1D model prúdenia vody. Následne na to sa zostrojila
mapa hĎbok vody (Obr. 3) pre 100 - roþný prietok Tople.
Pri zakresĐovaní hraníc rozlivu do ortofotmapy mesta Bardejov bol zvolený interval výšky
hladín vody po 0,5 m. Jednotlivé intervaly výšky vody pri 100 – roþnom prietoku, ktoré boli
vynesené do ortofotomapy mesta Bardejov sú:
- do 0,5 m,
- od 0,5 m do 1,0 m,
- od 1,0 m do 1,5 m.
272
270
268
266
264
262
260
Le ge nd
Ground
0
200
400
600
800
1000
1200
1400
1600
Main Channel Distance (m)
Obr. 1 PozdĎžny profil Tople na vybranom úseku v intraviláne mesta Bardejov
V zaplavenej þasti mesta sa nachádzajú objekty, pre ktoré je možné pomocou grafov
poškodenia reprezentantov majetku zistiĢ potenciálne poškodenie a následne pomocou
reprodukþnej ceny vypoþítaĢ možné finanþné straty na stavebných objektoch.
- 148 -
280
Le ge nd
Elevation (m)
278
Ground
Ineff
276
Bank Sta
274
272
270
-300
-200
-100
0
100
200
300
Station (m)
Obr. 2 Príklad prieþneho profilu koryta a údolia v meste Bardejov
Obr. 3 Mapa hĎbok vody pre vybranú þasĢ mesta Bardejov poþas 100 – roþného prietoku
Záver
Koncom júla pri povodniach na východnom Slovensku bolo postihnuté aj mesto Bardejov.
Bol dosiahnutý kulminaþný prietok 218 m3/s, þo znamená, že bol prekroþený 20 – roþný prietok.
Poukazuje to na to, že TopĐa by si vyžadovala vybudovanie protipovodĖových opatrení,
aby sa predišlo povodĖovým škodám pri možných povodniach. Metóda stanovenia potenciálnych
povodĖových škôd dáva podklad, ako efektívne navrhnúĢ protipovodĖové opatrenia vzhĐadom
k hodnote majetku v danom území.
Táto práca vznikla v rámci riešenia grantovej úlohy VEGA þ. 1/0613/08.
Literatúra
[1] ěÍHA, J. a kol., Riziková analýza záplavových území. Brno: Akademické nakladatelství
CERM, 2005. ISBN 80-7204-404-4
[2] KORYTÁROVÁ, J. a kol., Dílþí zprávy grantového projektu GAýR 103/04/0016
[3] KORYTÁROVÁ, J. a kol., PovodnČ a nemovitý majetek v území. Brno: Akademické
nakladatelství CERM, 2007. ISBN 978-80-7204-573-0
- 149 -
EIS MONITORING METHOD SHOWS IN EUREKA
PROGRAMME COMPETITIVE ADVANTAGE
Jana PaĜílková*, JiĜí Pavlík**, Jaroslav Veselý***, ZbynČk Zachoval****
EUREKA programme is aimed at applied research and industry. The E!3838 project,
which have been realized in cooperation of the GEOtest Brno, Inc. and Brno University
of Technology, Faculty of Civil Engineering in last two successful years, allowed
us to design and produce five Z-meter devices. Verification of devices in practise does not
takes place in Czech Republic only (e.g. the dikes in Koberice and Jevicko, the area
of the golf course Svratka and settling tank Zelivka), but also our foreign partners
in Basel, Switzerland, in Bari, Italy and in Velke Ripnany, Slovak Republic cooperate
in the verification of these devices. The Cyprus partners participate in the project, too.
EUREKA Programme
EUREKA programme [7] has evolved greatly over the past 21 years as it has increased from
18 members in 1985 to the current 38 members. This programme as the first European framework
opened the door for cooperation with Central and Eastern European countries in the early 1990´s.
And this chance was fully taken by both research organizations and industry for initiating real
European research and development cooperation.
Through a EUREKA project, partners develop new technologies for which they agree
the Intellectual Property Rights and build partnerships to penetrate new markets. The internationally
recognised EUREKA label adds value to a project and gives participants a competitive edge in their
dealings with financial, technical and commercial partners. The types of the EUREKA project
are clusters, umbrellas and individual projects. Each of these types of the project has specific rules
and plays a key role in different areas of the market. Also the research areas are very different.
It is possible to classify 10 main technological areas – electronics, microelectronics and telecoms
technology; industrial manufacturing, material and transport; other industrial technologies; energy
technology; chemistry, physical and exact sciences; biological sciences; agriculture and marine
resources; agrofood technology; measurements and standards; technology for protecting humankind
and the environment.
The goal of the programme EUREKA in the Czech Republic [7] is to steadily enhance
the competitiveness of the Czech economy and increase its technological potential by supporting
European cooperation of enterprises and research organisations in the area of progressive
technologies. The output of the project solution is new, top-quality products, technologies
and services with a high degree of innovation, capable of prevailing on the world market.
The programme EUREKA does not pre-set thematic tasks, does not centralise financing
or selection of projects. It follows the rule that proposals and initiatives must come out from bottom
to top (the so-called bottom-up principle), from individual industrial enterprises and companies,
research institutes and universities which are spontaneously interested in cooperation. Key criteria
continue to be the innovative content, market needs and the quality of the team.
*
Jana PaĜílková, Laboratory of Institute of Water Structures, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno,
[email protected]
**
JiĜí Pavlík, GEOtest Brno, Inc., Šmahova 112, 659 01 Brno, Czech Republic, [email protected]
***
Jaroslav Veselý, Laboratory of Institute of Water Structures, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno,
[email protected]
****
ZbynČk Zachoval, Laboratory of Institute of Water Structures, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno,
[email protected]
- 150 -
Each applicant can ask the special-purpose support in Czech Republic. The special-purpose
support is provided to the recipient, which is a legal entity, in the form of grants after having carried
out a public tender in research and development pursuant to Act No. 130/2002 Coll. on the Support
of Research and Development from Public Funds and on the Amendment to Some Related Acts
(the Act on the Support of Research and Development) as subsequently amended. In projects
of research and development in the programme EUREKA, the portion of the special-purpose
support shall not exceed 50 % of the eligible costs of research and development project solution
and must meet certain conditions [5, 7].
The E!3838 project
The international project E!3838 [7] was announced as individual project in section
euroenviron in June 2006. Partners in the project are from Switzerland, Cyprus and Slovak
Republic and as a contact member is the GEOtest Brno, Inc. and Brno University of Technology,
Faculty of Civil Engineering from Czech Republic. A new project partner has been Italy since 2008.
The project is based on the research, design and realization of the automated system
of the observation of soil moisture changes. To reach this goal – that non-electrical quantity
progress investigation, indirect non-invasive method taking advantage of correlation between
observed quantity and electrical quantities have been selected. The determination of electrical
impedance changes of the soil taking advantage of the method of electrical impedance spectrometry
(EIS). These changes are caused by the loading of soil by water. The changes of soil moisture
produced by absorption of the soil, and water infiltration (bank, induced, rainfall) will be focused.
The problem complexity of the problem is especially in the non-stationary water flowing through
the non-saturated soil environment. The results of soil moisture changes and free water level
movement monitoring will be applicable in the mathematical models calibration and verification,
localization of soil cohesiveness defects, and possibly of other changes.
The research, design, development and production of the automated system of the soil moisture
changes are the main business of the Czech upholder – the project coordinator. The solution
assumes the realization of an instrument for impedance measurement, it is multichannel fully digital
Z-meter device with the software for the system control and evaluation of results and a system
of wireless data transport. This system is tested in SK, IT and is prepare for CH. The suitable
localities for monitoring were also selected, the third in Czech, one in Slovakia, one in Swiss
and one in Italy. The colleagues from Cyprus are still included in the parties interested
in the project. Their cooperation in the solution of the given issue develops in the theoretical field
of the creation of processing software for a particular task being solved in the Cyprian conditions.
The Principle of the Applied Method
The method of electrical impedance spectrometry (EIS) has become a popular analytical
method for its information capability and has taken a front place in studying physical and chemical
properties of materials and living tissues. It was newly applied for monitoring the boundary
between saturated and unsaturated soil when being loaded with water, for measuring changes
in the electrical conductivity of soils in various areas of bodies of earth dikes [2, 3]
and for monitoring the water/sediment boundary in water reservoirs or streams.
The basic principle of the method is the measurement of the frequency characteristic
of impedance of the measured medium or material, as the case may be. The frequency characteristic
of impedance Z can generally be expressed as the function of a complex variable in the following
formula
Z ( jZ )
R jZX .
(1)
- 151 -
Where R is resistance forming the real part of impedance independent of frequency,
X is reactance, the imaginary component of impedance, the magnitude of which changes
with frequency, and Ȧ is angular velocity.
Results
To verify the Z-meter device, the structural design of measuring probes and the conception
of measurement the laboratory experiments and monitoring in situ was applied. Within the solution
of the E!3838 project, the altitude of groundwater level was measured in the zone of a water-supply
source with natural infiltration in the floodplains of the Rhine and Wiese Rivers in Switzerland [4].
In Slovakia [5] the device has been used to measure moisture changes in a 0.3 m deep horizon
to optimise golf lawn irrigation. The similar measurement, but in the depth to 2.0 m is done
in Czech, too. In Italy will be measured moisture changes in rocks. The condition of an earth dike
of a small water reservoir is measured to depth 3.5 m [2, 3, 4, 5]; within a thesis, migration
of contamination in a stream and changes of the bottom morphology were measured on a physical
model [1, 6]. It can be stated that it is possible to apply the method and the measuring system
for the given type of tasks as well. The result of dike monitoring is shown as an example (Fig. 1).
The colleagues from Cyprus are interested in mathematical modelling of the electrical field around
the probes [5, 7].
Relative changes of electrical conductivity G of the soil in the depth of the profile 2_3
3,5
3,2
2,9
2,6
2,3
2,0
1,7
1,4
1,1
0,8
0,5
0,2
40
35
30
G/Gstart [-]
25
20
15
10
5
0
080117
080209
080315
080417
080517
080615
080717
080818
080914
081018
081122
081223
time [year/month/day]
Fig. 1 The result of one profile in different depth of the earth dike in Koberice monitoring
Discussion
The paper introduces the monitoring method of electrical impedance spectrometry, including
the implemented measuring apparatus, which was newly applied in water management. When
managing specific problems of the measuring method, relating to sensitivity, accuracy
of measurement and structural design, other effects are emerging to the foreground when measuring
in real conditions, not only atmospheric, which it is necessary to tackle. Based on the experience
of the first work performed in the field, the methodology of measurement resulting from a set
of geophysical methods was derived. It must be supplemented according to the specifics
of individual implementing experiments. Each concrete monitored site implies local specifics
and each concrete monitored phenomenon makes different, and often also contradictory, demands
for measurements. The achieved results, e.g., advise of the possibility to improve the informative
capabilities of the method by setting the lengths of the measuring electrodes assuming at least
- 152 -
a partial knowledge of the composition of the measured medium. Just like in all applications
of indirect methods of measurement, it is necessary to consider well the configuration
of measurement so that obtained results can provide expected, indisputable and interpretable
information on the monitored process with sufficient accuracy.
The EIS method appears as very suitable for the use in geotechnical practice. The knowledge
of the water content in a rock mass and earth bodies of natural as well as artificial origins is very
important for the design of a potential construction, or remediation of damages of bodies due
to the increased or decreased moisture of the environment. Changes in moisture affect the shear
strength of soils, especially the total one, applying in foundation engineering, as well
as the effective one, above all in sandy materials, in which a small amount of water causes untrue
cohesion, revealing itself by the increase of the total shear strength, due to the surface tension
in contact with sand grains.
Moreover, increased moisture can indicate the formation of pore pressures in a loaded
environment with negative effects on its bearing capacity and stability. When pressing on slip
surfaces of landslide bodies, it can cause their activation; when pressing on fissures of rock masses,
it markedly reduces the stability of rock bodies.
Acknowledgements
The development of the EIS method and the measuring apparatus in the application sphere
is facilitated by addressing the international project E!3838 of the programme Eureka. We would
like to thank the MEYS of the Czech Republic and the company GEOtest Brno, Inc. for their
financial support provided for the solution of the project E!3838, without which the solution would
be impossible.
References
[1] KŠÁDA, P., The methods of streambed morphology monitoring on physical model. Bachelor
thesis, Brno University of Technology, 2008
[2] PAěÍLKOVÁ, J. ET AL., Optimization of monitoring methods of free water level movement
and its affects in earth dikes. Final report of the grant project 103/04/0741, Grant Agency
of Czech Republic, 2006
[3] PAěÍLKOVÁ, J. AND COMP., Non destructive methods of protective dikes monitoring. Final
report of the grant project 103/01/0057, Grant Agency of Czech Republic, 2003
[4] PAěÍLKOVÁ, J. ET AL., Research, Development and Processing of Computerized Measuring
System of Soil Moisture with EIS Method. Externally examined interim report of Project
OE240 for the year 2007, LVV ÚVST FAST VUT in Brno, 2007
[5] PAěÍLKOVÁ, J. ET AL., Research, Development and Processing of Computerized Measuring
System of Soil Moisture with EIS Method. Externally examined interim report of Project
OE240 for the year 2008, LVV ÚVST FAST VUT in Brno, 2008
[6] PATOýKA, M., Physical modelling of water pollution and monitoring technique. Diploma
thesis, Brno University of Technology, 2006
[7] www.eureka.be, www.msmt.cz, www.eureka3838.com
- 153 -
POZNATKY Z EXPERIMENTÁLNÍHO VÝZKUMU
BEZPEýNOSTNÍCH PěELIVģ OCHRANNÝCH HRÁZÍ
THE FINDINGS FROM EXPERIMENTAL RESEARCH
OF DIKE‘S SPILWAYS
Jana PaĜílková*, Pavel Pána**, Jaromír ěíha***, ZbynČk Zachoval****
The contribution informs about findings from experimental research of the downstream
slope stability of levee spillways. The research was also focused on the design
of the appropriate levee crest, revetment of the downstream slope design and energy
dissipation at the dike toe.
Motivace
Mezi nejþastČjší strukturální opatĜení na ochranu pĜed povodnČmi patĜí ochranné hráze.
Spolehlivost tČchto opatĜení je urþena jejich návrhovými parametry a nejistotami vstupujícími
do technického Ĝešení. Zvýšení spolehlivosti ochranných hrází lze dosáhnout mimo jiné jejich
zajištČním proti protržení pĜi pĜekroþení návrhového prĤtoku až do dosažení kontrolního.
Souþasným domácím [1], evropským i svČtovým trendem [2] je navrhovat a budovat v systému
ochranných hrází soustavu opevnČných úsekĤ, kde se umožní pĜelití ochranných hrází bez jejich
úplné destrukce. Cílem hrázových pĜelivĤ je, aby se v pĜípadČ pĜekroþení návrhového prĤtoku
nechala voda kontrolovanČ vybĜežit na místo s co možná nejmenším potenciálem škod. I když
v pĜípadČ hrázových pĜelivĤ dojde k zaplavení chránČného území za ochrannými hrázemi, sníží
se vČtšinou dopady extrémních povodní v tČchto územích. Vlastní návrh tČchto objektĤ vyžaduje
Ĝadu ne zcela standardních postupĤ. Jedním z nich je návrh opevnČní tak, aby byla zajištČna
dostateþná odolnost konstrukce pĜi jejím pĜelévání. V tomto pĜípadČ hraje nezastupitelnou roli
experimentální výzkum, jehož dílþí výsledky pĜedkládáme v tomto textu.
Výzkum
V rámci výzkumu odolnosti povrchu bezpeþnostních pĜelivĤ ochranných hrází s kamenným
opevnČním povrchu byly ve žlabu šíĜky 1 m, výšky 1,5 m a délky 6 m provedeny experimenty
s pĜepadem vody pĜes pĜeliv, který reprezentoval þást bezpeþnostního pĜelivu ochranné hráze,
bez vlivu boþního zavázání. Výzkum byl zamČĜen pĜedevším na odolnost povrchu pĜelivu
až do jeho úplné destrukce ve vztahu ke specifickému prĤtoku, velikosti zrn def, sklonu svahu, poþtu
vrstev zrn, zpĤsobu uložení zrn, typu filtru a Ĝešení koruny pĜelivu. PĜehled jednotlivých
experimentĤ – variant pĜelivĤ s výpisem vybraných vlastností ukazuje Tab. 1. PĜíklad variant
pĜelivĤ zobrazuje fotografie na obr. 1 a schéma na obr. 2.
*
Jana PaĜílková, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
**
Pavel Pána, Fakulta stavební, Vysoké uþení technické v BrnČ, [email protected]
***
Jaromír ěíha, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
****
ZbynČk Zachoval, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
- 154 -
Obr. 1 Experiment – varianta F1
Obr. 2 Schéma varianty A1
Tab. 1 Provedené varianty bezpeþnostních pĜelivĤ
Varianta Sklon Uložení
Vrstvy
def [mm]
A1
1:2
Sypání
2
93
Ruþní
A2
1:2
2
93
skládání
B1
1:3
Sypání
2
72
Sypání,
B2
1:3
2
72
hutnČní
C1
1:4
Sypání
2
63
D1
1:2
Sypání
1
93
Ruþní
E1
1:2
1
93
skládání
E2
1:2
Sypání
1
93
F1
1:2
Sypání
2
93
Geotextílie
Ne
Práh
Ano
Ne
Ano
Ne
Ano
Poznámka
Destrukce
ýásteþné
poškození
Destrukce
Ne
Ano
Destrukce
Ne
Ne
Ano
Ano
Ano
Ano
Ano
Ano
Ne
Ne
Destrukce
Destrukce
ýásteþné
poškození
Destrukce
Destrukce
3. zatížení
- 155 -
Postup pĜi experimentu
V každé variantČ byl pĜeliv zatČžován sérií specifických prĤtokĤ vody. Specifický prĤtok
byl v rozsahu od 0,005 m2/s do 0,060 m2/s vždy zvýšen o hodnotu 0,005 m2/s, pro vyšší hodnoty
specifického prĤtoku o 0,010 m2/s a to až do specifického prĤtoku zpĤsobujícího pĜípadnou úplnou
destrukci pĜelivné plochy – poþátek porušení stabilizaþní þásti. U nČkterých variant nebylo možné
dosáhnout úplné destrukce pĜelivu, protože byla vyþerpána prĤtoková kapacita recirkulaþního
okruhu. Doba zatížení 5 minut pĜíslušnou hodnotou specifického prĤtoku byla stanovena na základČ
nemČnnosti povrchu pĜelivu. PĜedpokládá se, že vliv þasového faktoru a cyklického zatČžování bude
blíže zkoumán v dalším výzkumu.
Každý experiment byl dokumentován kartou experimentu, výkresem Ĝezu pĜelivem,
fotografickým a filmovým materiálem. Karta experimentu obsahuje podrobné informace
o experimentu, zamČĜuje se na detailní popis pĜelivu a prĤbČh experimentu. Fotografie jsou dvojího
druhu, první jsou poĜízeny z pevnČ daného místa a snímají jevy v Ĝezu pĜelivem pĜes prĤhlednou
stČnu, druhé jsou bez urþení místa. Filmový materiál je poĜízen ze dvou pevnČ daných míst, první
je pohled na Ĝez pĜelivem a druhý je pohled na pĜelivnou plochu ze strany vzdušního líce.
Odolnost pĜelivu
Stanovení meze odolnosti pĜelivu je þasto diskutovaná otázka, autoĜi mez stanovují rĤznČ
[3, 4, 5]. Pro nČkteré autory je to vyplavení prvního kamene z povrchu pĜelivu, pro jiné autory
je to úplná destrukce pĜelivné plochy.
Na základČ zkušeností s obdobnými a testovacími experimenty, bylo pro vyhodnocení
experimentĤ stanoveno pČt hlavních mezí. Meze charakterizují stav, pĜi kterém nastal prvopoþátek
významných jevĤ rozhodných pro odolnost pĜelivu.
a) První zmČna uložení zrna je stav, kdy dojde k první zmČnČ uložení zrna v jeho místČ
pĜelivné plochy. Jedná se o rotaci a posun zrna v rámci jeho místa uložení.
b) První dotvarování vrstvy je stav, kdy dojde vlivem zmČny uložení jednoho zrna
ke zmČnČ uložení okolních zrn. Vrstva zrn se místnČ dotvaruje.
c) První zmČna polohy zrna je stav, kdy dojde k pohybu zrna z místa na místo.
d) První posun vrstvy je stav, kdy dojde k pohybu celé vrstvy zrn. Vrstva se pohybuje jako
celek po smykové ploše (nejþastČji rozhranní dvou materiálĤ).
Destrukce je stav, kdy dojde k poruše stabilizaþní þásti pĜelivu. Každou mez urþuje specifický
prĤtok, pĜi kterém jev nastal, podrobné informace podává tab. 2.
Tab. 2 Specifický prĤtok urþující meze vzniku významných jevĤ
Varianta\mez; q [m2/s]
a)
b)
c)
d)
A1
0,025
0,030
0,040
0,040
A2
0,040
0,050
0,090
0,080
B1
0,020
0,025
0,040
0,040
B2
0,015
0,030
0,035
0,040
C1
0,020
0,025
0,030
0,035*
D1
0,010
0,010
0,040
0,010
E1
0,030
0,030
0,080
0,070
E2
0,025
0,030
0,040
0,040
F1
0,040
0,050
0,090
0,080
*
posun horní vrstvy zrn po dolní vrstvČ stejných zrn
e)
0,080
0,050
0,050
0,060
0,040
0,080
- 156 -
Zhodnocení
Provedené experimenty umožnily zaznamenat a zdokumentovat nČkolik významných jevĤ
které lze shrnout do následujících poznatkĤ:
PĜi sklonu 1:2 dochází k posunu vrstvy kamenĤ po filtru þi geotextílii, tedy je pĜekroþeno
kritické smykové napČtí na styku rĤzných materiálĤ. Jev byl hlavní pĜíþinou destrukce, odolnost
povrchu by se dala zvýšit napĜ. kotvami, hĜebíky þi zazubením. Posun vrstev byl pozorován
u sklonĤ vČtších nebo rovných 1:3.
PĜi sklonu 1:4 se projevuje odnos jednotlivých zrn bez posunu vrstev, limitní pro odolnost
je zde velikost, respektive hmotnost þástic.
Sypaný povrch je ménČ odolný oproti ruþnČ skládanému, v našich pĜípadech se jedná pĜibližnČ
o poloviþní hodnotu specifického prĤtoku, zpĤsobuje to vzájemné spolupĤsobení zrn.
PevnČ vetknutý pĜelivný práh neumožĖuje dotvarování povrchu pĜelivu. Je vhodné
jej umísĢovat tam, kde se dotvarování dČje minimálnČ napĜ. stĜední þást šíĜky koruny pĜelivu.
Ostré zlomy na povrchu pĜelivu (napĜ. pĜechod svahĤ do koruny) zpĤsobují lokálnČ zvýšené
namáhání, proto je vhodné je pĜizpĤsobit proudČní.
Jednovrstvé sypané opevnČní povrchu je ménČ odolné než dvouvrstvé, v našich pĜípadech
se jedná pĜibližnČ o poloviþní hodnotu specifického prĤtoku.
Geotextílie plnČ nahradí zemní filtr z pohledu filtraþních deformací, je však tĜeba vČnovat
zvýšenou pozornost smykovému napČtí na styku s okolním materiálem, protože pĜekroþení
jeho kritické hodnoty je pĜi velkých sklonech hlavní pĜíþinou následné destrukce.
PĜi malých specifických prĤtocích proudí voda opevnČním a dotváĜí uložení zrn filtru.
Experimenty jsou vyhodnoceny pro mČĜítko 1:1, pĜedpokládá se možnost pĜepoþtu i na jiná
mČĜítka [6, 7], avšak za splnČní mezí podobnosti, které zde zatím nejsou pevnČ stanoveny.
PodČkování
PĜíspČvek je dílþím výstupem z Ĝešení projektu NAZV_2008_OH „Návrhy na zvýšení
spolehlivosti ochranných hrází ve zmČnČných klimatických podmínkách“.
Literatura
[1] Vyhláška 590/2002 Sb., o technických požadavcích pro vodní díla ve znČní pozdČjších
pĜedpisĤ (367/2005 Sb.)
[2] KLENKART, C., NACHTNEBEL, H. P., LEROCH, K., Flood Risk Cluster E3: Executive
Summary: Festlegung des Freibordes und von Kriterien für die Anordnung
von Überströmstrecken bei Hochwasserschutzdeichen, Wien 6/2004
[3] KALIŠ, J., Hydraulický výzkum balvanitých skluzĤ. Výzkumná zpráva. VUT, 1969
[4] SIEBEL, R., Experimental investigations on the stability of riprap layers on overtoppable
earthdams. Environmental Fluid Mechanics. Issue Volume 7, Number 6 / December, 2007
pp. 455-467. ISSN 1567-7419
[5] KNAUSS, J., Computation of maximum discharge at overflow rockfill dams (a comparison
of different model test results). Proceedings of the 13th ICOLD Congress, New Delhi, Q.50–
R.9, p. 143-160
[6] ýÁBELKA, J., GABRIEL, P., Matematické a fyzikální modelování v hydrotechnice.
ACADEMIA. Praha, 1987
[7] NOVAK, P., ýÁBELKA, J., Models in Hydraulic Engineering: Physical Principles and Design
Applications. Pitman Publishing, 459 pages. ISBN 0-273-08436-4
- 157 -
ZMċNY DIGITÁLNÍHO MODELU TERÉNU A ANALÝZ
NA NċM PROVEDENÝCH, OVLIVNċNÉ ZMċNOU
VELIKOSTI GRIDOVÉ BUĕKY
MODIFICATIONS OF ANALYSES OF DIGITAL MODEL
OF ELEVATION WITH GRID CELLS SIZE CHANGE
František Pavlík*, Veronika Hošková**, Jana Uhrová***
Size of grid cells of calculating digital model of elevation is one of the factors infuencing
soil lost intensity. It can be effected in GIS applications. This article shows confrontation
of modifications of analyses of digital model of elevation with grid cells size change.
This modification will be observed on slope and water erosin maps.
Úvod
Velký význam pĜi vytváĜení podkladĤ pro Ĝešení pozemkových úprav a prostorové plánování
v oblasti vodního hospodáĜství krajiny mají geografické informaþní systémy. Základním podkladem
vytvoĜeným v GIS aplikacích, pro analýzy souþasného stavu þi návrhy plánu spoleþných zaĜízení,
je digitální model terénu (DMT). PĜesnost tohoto modelu dána velikosti gridové buĖky, se projevuje
v pĜesnosti provádČných analýz na tomto modelu a následnČ v návrzích protierozních
a protipovodĖových opatĜení z tČchto analýz vycházejících.
Materiál a metoda
NejþastČji se pro potĜeby pozemkových úprav a plánování v oblasti vodního hospodáĜství
krajiny zpracovávají území velikosti povodí menších vodních tokĤ, nebo katastry obcí.
Pro porovnání digitálních modelĤ terénu a jeho následných analýz bylo vybráno katastrální území
Podolí nad Olšavou. Katastr o rozloze 600,2 ha se nachází ve Zlínském kraji. ěešená lokalita byla
zpracována v prostĜedí Arc GIS 9.2 úrovnČ ArcInfo.
Základním podkladem pro digitální zpracování rozborových podkladĤ je Základní báze
geografických dat (ZABAGED). Výškopisná složka vybavená vektorovým souborem vrstevnic
umožĖuje vytváĜet úþelovČ digitální model terénu.
Tvorba DMT v prostĜedí ArcGIS
Digitální model terénu se v prostĜení ArcGIS vytváĜí s využitím aplikace ArcToolbox,
nadstavbou Spatial Analyst a nástrojem Topo to Raster. Jedná se o specificky navržený nástroj
sloužící pro vytvoĜení hydrologicky korektního DMT. Jeho interpolaþní metoda se zakládá
na programu ANUDEM, který se používá již od programu Arc GIS 9.1. Algoritmus je primárnČ
pĜizpĤsoben pro práci s vrstevnicovými daty a základní úvaha vychází z pĜedpokladu, že hlavním
faktorem, který modeluje tvar terénu, jsou hydrologické procesy. Pro zpĜesnČní interpolace
je možné použít další data, která jsou pro dané území k dispozici. Jedná se zejména o linie tokĤ,
bĜehové linie jezer, výškové kóty a hranice zájmového území.
*
**
***
- 158 -
Jedním z parametrĤ zadávaných do výpoþtu DMT je také velikost gridové buĖky,
což je velikost strany þtverce tvoĜícího síĢ rastru. Byly porovnávány totožné digitální modely terénu
s rozdílnou velikostí gridových bunČk, a to 1x1, 5x5, 10x10, 20x20 a 50x50 metrĤ. K odstranČní
nedokonalostí vzniklého povrchu - jako jsou deprese, poklesy, výþnČlky a vrcholy musí být DMT
tzv. vyhlazen. Jedná se o vyplnČní poklesĤ nebo o odstranČní vrcholĤ vzniklých pĜi Ĝešení
interpolace výšek. Vyhlazený rastr získáme po použití nástroje Fill. Na takto vzniklých pČti
modelech byly dále provedeny analýzy sklonitosti a erozní ohroženosti území, které byly
porovnány.
Tvorba analýz nad DMT
Jednou z porovnávaných charakteristik DMT je analýza sklonitosti. Tu lze již generovat
z pĜipravených DMT v pĜíslušných gridech s využitím nástroje Slope.
Další porovnávanou charakteristikou je erozní ohroženost území. Pro výpoþet erozního smyvu
se využívá tzv. univerzální rovnice ztráty pĤdy - Universal Soil Loss Equation – USLE, která
se stala základní metodou hodnocení intenzity erozního procesu. Poþítá smyv v závislosti na šesti
faktorech ovlivĖujících hodnotu smyvu podle vztahu:
G
R K L S C P
(1)
kde jednotlivé faktory oznaþují:
G … prĤmČrná dlouhodobá ztráta pĤdy [t. ha-1.rok-1],
faktor R … erozní úþinek deštČ (mapy),
faktor K … pĤdní faktor stanovený podle BPEJ,
faktor L … délka svahu,
faktor S … sklon svahu,
faktor C … faktor protierozního úþinku plodin,
faktor P … protierozní opatĜení.
Pro výpoþet erozního smyvu v prostĜedí Arc GIS je použit nástroj Raster Calculator
v nadstavbČ Spatial Analyst, který násobí rastrové vrstvy. Proto je tĜeba dané faktory pĜevést
z vektorového zobrazení na rastrové zobrazení. Jedná se o vrstvy LS-faktoru, K-faktoru a C-faktoru.
Konstantami jsou R-faktor a P-faktor. Rastr K faktoru vychází z vektorové vrstvy BPEJ a rastr C
faktoru z vektorové vrstvy LPIS. Faktory L a S jsou þasto poþítány dohromady jako souþin LS.
V souþasnosti existuje software pro automatický výpoþet LS-faktoru z digitálních dat GIS
s využitím programĤ ArcGIS a USLE 2D. Program USLE 2D pracuje pouze s daty ve formátu
Idrisi. Proto se musí provést vlastní pĜevod dat do formátu Idrisi (*.rst). Existuje pĜevodní program
(LS Converter) na pĜevod dat z ArcGIS do Idrisi a zpČt. Vstupními daty pro výpoþet LS faktoru
je rastr DMT a rastrová vrstva ploch na kterých probíhá erozní smyv. Takto pĜipravené rastrové
vrstvy jednotlivých faktorĤ spolu s konstantami jsou násobeny za pomocí nástroje Raster
Calculator, kde výsledkem je rastrová vrstva erozní ohroženosti území.
Vyhodnocení
Porovnání vlivu velikosti gridu na výsledné analýzy digitálního modelu terénu bylo provedeno
jak grafiky, tak také statisticky.
Graficky je porovnávána mapa sklonitosti a mapa erozního ohrožení území viz Obr. 1 a Obr. 2
v gridech 1x1, 10x10 a 50x50 metrĤ.
Pro statistické porovnání byl využit nástroj Zonal statistics v nadstavbČ Spatial Analyst.
V rámci Ĝešeného katastrálního území Podolí byly generovány minima, maxima a prĤmČrné
hodnoty jak nadmoĜských výšek v m n.m., tak sklonu v procentech a erozního smyvu v t.ha-1.rok-1.
- 159 -
Tyto hodnoty byly generovány pro všechny zpracované velikosti gridu, t. j. 1x1, 5x5, 10x10, 20x20
a 50x50 metrĤ viz Tab. 1.
Obr. 1 Porovnání sklonitostních pomČrĤ
Obr. 2 Porovnání erozní ohroženosti území
- 160 -
Tab. 1 ýíselné porovnání jednotlivých charakteristik pĜi zmČnČ gridu
Grid
DMT [m n.m.]
Sklon [%]
Erozní smyv [t.ha-1.rok-1]
min.
max. prĤmČr
min.
max.
prĤmČr
min.
max.
prĤmČr
187,30 356,49 265,91
0,00
107,02
12,98
0,00
194,82 10,19
1x1
187,33 356,64 265,91
0,00
69,37
12,84
0,00
194,82 10,28
5x5
187,23 356,72 265,88
0,00
50,07
12,64
0,00
194,82 10,80
10x10
186,67 356,83 265,81
0,00
36,66
12,09
0,00
194,82 11,10
20x20
186,82 357,07 265,53
0,00
29,02
10,54
0,00
194,82 11,52
50x50
Tabulka znázorĖuje dynamiku zmČny sledovaných charakteristik se zmČnou velikosti gridu,
ukazuje, že prĤmČrné hodnoty sklonitosti klesají s rostoucím gridem a naopak hodnoty erozního
smyvu s rostoucím gridem rostou. Vývoj zmČny sledovaných charakteristik nelze považovat
za dogmativní. Lze však Ĝíci že hodnoty sledovaných charakteristik v malých gridech jsou pĜesnČjší
než hodnoty pro gridy vČtší což je patrné z Obr. 1 a Obr. 2.
ZávČr
PĜi Ĝešení pozemkových úprav, organizaci a ochranČ povodí záleží volba velikosti gridu
na velikosti Ĝešeného území. Dalším faktorem ovlivĖujícím volbu gridu je také výkonnost výpoþetní
techniky, kde vČtší územní celky pĜi podrobném výpoþtu mĤžou trvat i nČkolik hodin. Pro území
velikosti jednoho katastru (cca 5 km2) se obvykle volí velikost gridu 5x5 m a pro rozsáhlejší území,
napĜ. povodí vodních tokĤ (cca 100 km2) 20x20 m. Volba velikosti gridu má význam z pohledu
návrhĤ opatĜení v ploše povodí, kdy Ĝešení konkrétních pozemkĤ vyžaduje detailní pĜístup a návrh
mĤže být zmČnou velikosti gridu ovlivnČn.
Literatura
[1] DUMBROVSKÝ, M., Studijní opora CS02. 1. vyd. Brno: VUT, 2008. 124 s.
[2] Manuál USLE2D - http://geo.kuleuven.be/geography/modelling/erosion/usle2d/index.htm
[3] Mc COOL, D.K., FOSTER, G.R., MUTCHLER, C.K., MEYER, L.D., Revised slope length
factor for the Universal Soil Loss Equation. Trans. ASAE, 32, 1989, 1571-1576
[4] JANEýEK M. a kol.: Ochrana zemČdČlské pĤdy pĜed erozí. Praha: VÚMOP, 2007.
ISBN 978-80-254-0973-2. 76 s.
- 161 -
HEAD LOSS DUE TO TRANSITION OF PRESSURE FLOW
TO OPEN CHANNEL FLOW
Tomáš Picek*
The paper deals with the determination of the energy loss due to a sudden enlargement
in the event of the transition of the pressure flow into the open channel flow. The plausible
application of expressions used to the determination of the head loss due to the sudden
enlargement in the case of full pressure flow and free surface flow is discussed.
For the purpose of the consideration of the suitability of these expressions
for the transition of the pressure flow to the free surface flow, laboratory measurements
were carried out. The measurements were realized on the model without a lateral
enlargement (2D approach) placed in a laboratory flume. There are presented partial
results from these experiments in the article.
Introduction
The transition between pressure flow and free surface flow can occur near the structures
of a closed cross section, such as bridges, culverts and pipelines. A flow contraction arises
in the proximity of the inlet, a flow expansion occurs behind the outlet of these structures. A change
of the flow velocity connected with the curvature of streamlines results in energy losses. A minor
loss due to the enlargement is one of the significant losses, notably in the case of the sudden
enlargement, and its incorrect determination can damage entire hydraulic calculation
of the structure.
State of the art
The minor loss due to a sudden enlargement in the course of completely pressure flow
is quantified by the Borda – Carnot expression (Eq. (1)):
Z
v1 v2 2
2g
(1)
where Z is the minor loss expressed in units of length, v1 is the average velocity of flow in front
of the enlargement (cross section 1 on Fig. 1), v2 is the average velocity behind the enlargement
in the cross section of a developed velocity profile (cross section 2 on Fig. 1), g denotes
acceleration of gravity.
Fig. 1 Sudden enlargement
*
Tomáš Picek, Department of Hydraulics and Hydrology, Faculty of Civil Engineering, CTU in Prague,
Thákurova 7, 166 29 Praha 6, [email protected]
- 162 -
The Borda – Carnot expression (Eq. (1)) was derived by using Bernoulli’s equation written
for the cross sections 1 and 2 (according to Fig. 1) and the impulse-momentum equation
for the control volume between these cross sections on the assumption that the pressure in cross
section 1' (tightly behind the enlargement) is the same as the pressure in the cross section 1
and takes effect on the area of the same size as the cross section 2.
Mott [3] gives a diagram according to which the head loss due to a sudden enlargement
(on pipes) differs from theoretical value given by Eg. (1) in the dependence on the flow velocity v1.
For a free surface flow, Formica [2] mentions an average value of the head loss due to the sudden
expansion as 82 per cent of the head loss defined by Eq. (1).
For the estimation of the energy loss due to the transitions with the change of cross sectional
dimensions, a different expression is generally used in cases of free surface flow. The energy loss
is expressed in dependence on the change in velocity head between the cross section 1 and 2 Eq. (2):
2
Z
K
v1 v2
2g
2
(2)
where K is a loss coefficient. Chow [1] refers 0.75 as the average safe design value
of K for the square-ended type of the outlet transition between a canal and a flume or a tunnel.
Nevertheless, for the sudden enlargement, the universally accepted value of K is 1.0. Tullis and
Robinson [4] quantified the culvert exit loss evaluated from the experiments on culverts with
a projecting end into a downstream channel. They found out the head loss according to the Borda –
Carnot expression (Eq. (1)) very well agrees with their experiments on culverts of both submerged
and unsubmerged pipe exit conditions.
Experimental set-up and results
A simple structure was fixed in a laboratory flume of width 0.25 m. The flume had glass sides
and a plastic bottom. The structure was composed of three plastic plates. The plates formed a roof,
an upstream and downstream face of a tunnel. The tunnel was 1 m long and 75 mm high. Flow rates
were measured using an electromagnetic flowmeter and a sharp crested triangular weir
simultaneously. Longitudinal flow profiles were measured behind the tunnel using a point gauge
fixed on a longitudinal travel. Tailwater elevation was controlled by vertical jalousies
on the downstream end of the flume. Hydraulic grade line levels were measured in some places
on plates of the tunnel structure. These levels as well as longitudinal flow profiles were measured
in the centerline of the flume.
Experiments have been carried out for two different flow rates (10 and 15.1 l/s r 1 %)
and 10 different tailwater elevations. The enlargement of flow was reached in nineteen experiments
(yd/a ranged from 1.07 to 6.34). In one experiment, a downstream water level was lower than
an upper edge of a pressure cross section (yd/a = 0.96). A regime of flow was always subcritical
in the downstream channel.
- 163 -
Fig. 2 Scheme of laboratory model
The head loss due to the transition of pressure flow to open channel flow was evaluated using
the Bernoulli equation written for cross sections 1 and 2. The pressure head in section 1
of the equation was adopted from the measurement on the static pressure hole placed 20 mm
in front of the outlet. Energy (Coriolis) coefficients were assumed as unit (D1 = D2 = 1.0).
For the purpose of comparison of experimental results with theory, values of the head loss
were calculated according to equations (1) and (2). It came out that the head losses obtained
from experimental data are in a good agreement with the head losses by Borda – Carnot expression
(Eq. (1)). On the contrary, the head losses evaluated on the basis of expression (2), i.e. using
the open channel flow standard equation for the determination of minor losses, are overestimated,
notably, when the maximum value of the coefficient K is used. This piece of knowledge
is in agreement with Tullis’s and Robinson’s [4] conclusions. Good agreement between
the experimentally estimated and according to the Eq. (2) evaluated energy loss was reached
by using value K equal to 0.75 (according to Chow [1]) only for the maximum measured expansion
of flow – see Figs. 3 and 4.
1.5
Q = 10 ls-1
head loss Z [cm]
1.0
0.5
experimental data
Borda - Carnot equation (Eq.(1))
Standard open channel minor loss equation (Eg. (2)), K = 1.0
0.0
-0.5
0
1
2
3
yd /a [-] 4
Fig. 3 Experimental and theoretical head loss – flow rate 10 l/s
5
6
- 164 -
4.0
Q = 15.1 ls-1
Head loss Z [cm]
3.0
2.0
1.0
experimental data
Borda - Carnot equation (Eq.(1))
0.0
-1.0
1
2
3
4
yd /a [-]
Fig. 4 Experimental and theoretical head loss – flow rate 15.1 l/s
5
6
Conclusions
Realized experiments showed that the energy loss due to a vertical sudden enlargement during
the transition of pressure flow to open channel flow can be well determined by Borda – Carnot
expression. Using the open channel flow standard evaluation of head loss due to a sudden
expansion (Eq. (2)), the head loss can be strongly overestimated. This piece of knowledge
is in agreement with Tullis’s and Robinson’s investigation [4] carried out in both free surface
and pressure flow culverts.
Acknowledgments
This study was created within project MSM6840770002 Revitalization of Landscape
and Urban Water System Affected by Significant Anthropogenic Changes.
References
[1] CHOW, VEN TE, Open Channel Hydraulics, McGaw-Hill, New York, 1959,
ISBN 07-010776-9
[2] FORMICA, G., Esperienze preliminari sulle perdite di carico nei canali, dovute a cambiamenti
di sezione, L'Energia elettrica, Milano, Vol. 32, No. 7, pp. 554-568, 1955, ISSN 0013-7308
[3] MOTT, R. L., Applied Fluid Mechanics, 5th ed., Prentice Hall, New Jersey, 2000,
ISBN 0-13-023120-7
[4] TULLIS, B. P., ROBINSON, S. C., Quantifying Culvert Exit Loss, Journal of Irrigation
and Drainage Engineering, Vol. 134, No. 2, pp. 263-266, ASCE, 2008, ISSN 0733-9437
- 165 -
MODELLING OF A SUPERCRITICAL FLOW OVER BED
SILLS IN AN OPEN CHANNEL
Jaromír PĜíhoda*, Jan Šulc**, Pavel Zubík***, Milan SedláĜ****
The contribution deals with the experimental and numerical modelling of turbulent
supercritical flow over one or two bed sills of the cross-section 30u30 mm placed
in an open channel. Experiments were carried out in the water channel with the crosssection 200u200 mm by means of PIV and LDA measuring methods. Optical methods
were completed by the measurement of pressure distribution on rib surface in the channel
centreline. Numerical simulation was carried out using the VOF (Volume-of-Fluid)
method by means of the commercial software ANSYS CFX-11.0. Numerical results
obtained for various two-equation turbulence models were compared with experimental
data. The effect of the sill spacing on the extent of the separation region, the deformation
of free surface and on the drag of individual sills was primarily investigated.
Introduction
The transversal ribs are often applied for the intensification of momentum or heat transfer
in hydrodynamics and aerodynamics. The bed sills on the bottom of open channels are used
for effective dumping of kinetic energy of supercritical flow in flumes with high slopes of the bed.
Turbulent flow over ribs in closed channels was experimentally investigated and used
as a benchmark for validation of numerical models. Turbulent flow over bed sills in open channels
was similarly investigated, but up to now for subcritical flow conditions only, see e.g. Agelinchaab
and Tachie [1] or Chára and HoĜení [2].
In comparison with subcritical flow, the supercritical flow brings large changes of water
surface and experimental and numerical modelling is much more complicated. The experimental
and numerical modelling of supercritical flow over one or two bed sills of the cross-section
30u30 mm in an open channel is a continuation of the investigation of the supercritical flow over
bed sills 10u10 mm, see PĜíhoda et al. [4].
Experimental arrangement
The experimental investigation was carried out in a straight channel of constant cross-section
0.2u0.2 m with the length 4.475 m and with the slope of the bottom 4.77 %. The channel was made
of transparent plastic material allowing the use of contactless optical measuring techniques.
To stabilize the inflow rate, a wire mesh screens and a honeycomb were installed at the entry
of the straight inflow part. One or two bed sills of the square cross-section bub = 30u30 mm were
placed at the channel bottom with spacing t = 180; 300, 600 and 900 mm. The distance of the first
sill from the channel entry was 1.165 m. Two contactless optical methods for velocity field
measurement have been used - the PIV technique for velocity measurements in selected channel
sections, and the LDA technique for measurements of one velocity component in selected points
of the flow field. The measurement of the supercritical flow was carried out for the cross-section
velocity Um = 1.8 m/s and for the initial height of the water level h = 70 mm, i.e. for the Reynolds
number Reb = Umb/Q = 56400 and the Froude number Fr = Um/(gh)1/2 = 2.18.
*
Jaromír PĜíhoda, Institute of Thermomechanics AS CR, v.v.i., Praha, +420 266053824, [email protected]
Jan Šulc, Laboratory of Institute of Water Structures, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno, [email protected]
***
Pavel Zubík, Laboratory of Institute of Water Structures, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno, [email protected]
****
M. SedláĜ, SIGMA – Research and Development Institute, Lutín, [email protected]
**
- 166 -
The sketch of the geometrical arrangement is shown in Fig. 1. The whole length
of the investigated section was 1.5 m. This section starts in the distance of 0.5 m before the first sill
where boundary conditions for the numerical simulation were examined in detail using PIV
and LDA methods. PIV measurements were taken at vertical and horizontal planes parallel
with the channel axis with the aim to determine the general view of the flow with separation
and secondary flows behind the first sill as well. In the mean vertical plane, profiles of mean
and fluctuation longitudinal velocities were determined by the LDA method at selected sections
x = const. Besides of optical methods, measurement of pressure distribution on sill surface by mean
of pressure transducers and of the height of the free surface using the needle gauge was carried out.
Fig. 1 Sketch of the geometrical arrangement
Numerical simulation
The numerical simulation was carried out by means of the software ANSYS CFX 11.0 solving
Reynolds-averaged Navier-Stokes equations. The Volume-of-Fluid method was used
for the solution of free-surface flow. The standard k-H turbulence model and the SST model
according to Menter [3] were tested, particularly their ability to describe the separation region
behind ribs and the form of the free surface. A second-order scheme was used for calculations.
The scheme reduced to the first order near discontinuities of the boundary.
The computational domain constitutes one half of the channel width, i.e. the symmetrical
boundary condition is applied in the symmetry plane. A structured multi-block type grid refined
near walls and in the region of free surface was used. The computational grid includes
about 2.5u106 grid points depending on the spacing of sills. The distribution of mean velocity,
turbulent energy, and dissipation rate was prescribed as inflow boundary conditions according
to experimental data. According to value of the Froude number, the mean value of static pressure
was prescribed as the outflow boundary condition. The open-boundary condition was applied
at the upper boundary.
Results
The analysis of the experimental and numerical results was concentrated mainly
on the development of mean velocity and turbulent energy profiles with respect to flow separation
behind ribs and to the corresponding changes of free surface. Further, the pressure drag
of individual ribs was investigated including their dependence on the rib spacing, as well
as the origin of secondary flow near the side walls of the channel behind ribs.
Mean velocity profiles in the symmetry plane for two sills with spacing t = 180 mm are shown
in Fig. 2. Velocity profiles obtained by means of the k-H model (full line) and by the SST model
- 167 -
(dashed line) are compared with experimental data from PIV technique. The agreement
of calculated and measured velocity profiles is quite good. The difference between mean velocities
measured by the LDA a PIV technique is really small in regions of attached flow but the LDA
technique gives in the separated flow slightly higher mean velocities.
Fig. 2 Mean velocity profiles for two bed sills with spacing t = 180 mm (full line – k-H
model; dashed line – SST model)
The form of the free surface for flow over two bed sills with spacing t = 300 mm is shown
in Fig. 3. The free surface obtained by numerical simulation is given as the distribution
of the volume fraction of water Įwater = 0.5 in the symmetry plane of the channel. Results of the k-İ
model are shown by the full line while the ones of the SST model by the dashed line. Experimental
results are shown by dotted lines. Further, the extent of separation region behind sills obtained
by experiment and by numerical simulation is compared in Fig. 3 for the symmetry plane as well.
Results obtained in the symmetry plane are given in Fig. 3 and in the plane z = 0.09 m, i.e. near
the side wall, in the Fig. 4 respectively.
Fig. 3 Free surface in the open channel with two sills and spacing
t = 300 mm, symmetry plane (z = 0)
Due to high values of Fr = 2.2 and b/h = 0.43, a relative high water transverse wave can
be seen over the first sill with the maximal height hmax # 0.15 m. The maximum of this wave
in the plane z = 0.09 m lies somewhat upstream in comparison with that one in the symmetry plane.
- 168 -
It can be seen from Fig. 4 that behind the second sill an oblique wave arises at the side wall
and moves to the channel centre. This wedge-shaped wave is well visible in flow visualisation.
Fig. 4 Free surface in the open channel with two sills and spacing
t = 300 mm, distance z = 0.09 m from the symmetry plane
The separation region takes the whole distance between ribs whereas the length
of the separation behind the second rib is much shorter due the effect of the transverse wave.
The k-H model gives surprisingly better results than the SST model which was however proposed
to refine the prediction of decelerating flows with possible separation due to adverse pressure
gradient. The comparison of numerical results with experimental data is very encouraging.
Conclusions
The experimental and numerical modelling of the supercritical flow in an open channel
with bed sills of the cross-section 30u30 mm was carried out for various geometrical
configurations. The analysis was concentrated on the development of flow separation behind sills
and on the corresponding changes of free surface. Further, the pressure drag of individual ribs was
investigated including their dependence on the rib spacing. The numerical simulation
of the supercritical flow over one or two bed sills carried out by means of the software
ANSYS CFX 11.0 gives a quite good agreement with experimental data. An acceptable agreement
of mean velocity and turbulent characteristic was achieved using two-equation turbulence models.
As well a good agreement with experimental data was obtained for numerical results related
to waving of free surface and the effect of sill spacing on their drag coefficient.
Acknowledgement
The work was supported by the grant project No. 103/09/0977 of the Czech Science
Foundation and by the Research Plan AV0Z20760514.
References
[1] AGELINCHAAB, M., TACHIE, M.F., PIV study of separated and reattached open channel
flow over surface mounted blocks. Trans. ASME, J. Fluids Eng., 130, 6, 2008, 061206-1-9,
ISSN 0098-2202
[2] CHÁRA, Z., HOěENÍ, B., Local resistance of surface mounted obstacles. In: Proc. Conf.
Engineering Mechanics 2006 (eds. Náprstek, J., Fischer, C.), Svratka, 2006, 126-127
(CD-ROM 9 p.), ISBN 80-86246-27-2
[3] MENTER, F.R., Two-equation eddy-viscosity turbulence models for engineering applications.
AIAA Jour., 32, 1994, 1598-1605, ISSN 0001-1452
[4] PěÍHODA, J., ŠULC, J., SEDLÁě, M., ZUBÍK, P., Experimental and numerical modelling
of turbulent flow over transversal ribs in an open channel. In: Proc. Conf. Engineering
Mechanics 2008 (eds. Fuis, V., Pásek, M.), Svratka, 2008, 192-193 (CD-ROM 9p.),
ISBN 978-80-87012-11-6
- 169 -
VZNIK PRIVILEGOVANÉ PRģSAKOVÉ CESTY KONCEPCE A MODELOVÁNÍ
PIPING IN SOILS - CONCEPTS AND MODELLING
Jaromír ěíha*, JiĜí Srna**
Under certain conditions during the groundwater flow soil deformation can occur. In that
case the solid phase is subject to structural changes which, when progressive, can cause
the failure of hydrotechnic or other structures. In this text we focus on a piping (initiation
and progression of a privileged seepage path) which is usually originated
by a combination of various types of soil deformation like liquefaction, external erosion,
backward erosion, etc. Then the privileged seepage path can be formed and a flow
through porous medium is concentrated to the “pipe”. Depending on the soil type and
the hydraulic conditions, the erosion of the walls of privileged seepage path could begin,
its diameter enlarges and the whole piping process is intensified. The progressive piping
process can finally lead to the settlement of an overburden or even to the dam breach.
In this paper mathematical model of the piping process is introduced.
Úvod
PĜi proudČní podzemní vody mĤže docházet k deformacím filtraþního prostĜedí, zejména
k pĜemísĢování materiálu uvnitĜ zeminy a jeho vynášení na povrch. Podle zpĤsobu, jakým zaþíná
a probíhá tato deformace, rozlišujeme nČkolik základních typĤ [FRCOLD 1997, Vukoviþ 1992],
napĜ. vnitĜní a vnČjší erozi, vnitĜní a vnČjší sufozi a další.
Mezi filtraþní deformace patĜí také vznik privilegované prĤsakové cesty (pipingu), který
je výsledkem kombinace nČkterých základních typĤ filtraþních poruch. Vzniku pipingu pĜedcházejí
vnČjší sufoze, respektive ztekucení následované progresivní zpČtnou erozí. Hlavními procesy, které
pĜi pipingu probíhají, jsou proudČní vody privilegovanou cestou a eroze stČn prĤsakové „trubice“.
Piping ohrožuje bezpeþnost hrází, v nejhorším pĜípadČ mĤže dojít i k celkové destrukci vodního
díla. Jako pĜíklad vodních dČl poškozených pipingem lze zmínit pĜehrady Bílá Desná, MostištČ
nebo ochrannou hráz u Horky nad Moravou.
Základní otázky jsou, zda existují podmínky pro vznik pipingu a jeho pokraþování, další vývoj
privilegované cesty, zda a za jak dlouho dojde k porušení tČlesa hráze, apod. V takovém pĜípadČ
je potĜeba znát þas od poþátku vnitĜní eroze (prvních zpozorovaných projevĤ) do porušení díla. Dále
je tĜeba odhadnout dobu od poþátku filtraþní deformace do vzniku privilegované cesty a do jejího
rozšíĜení na velikost nebezpeþnou pro vodní dílo.
Proces pipingu
Proces pipingu þasto dČlíme na þtyĜi navazující etapy: poþátek, pokraþování, zvČtšení
privilegované cesty (progresi) a poruchu.
V poþáteþní fázi dochází k vytvoĜení privilegované cesty. PrĤsaková trubice mĤže vzniknout
napĜíklad tlením odumĜelých koĜenĤ rostlin, pĤsobením živoþichĤ, jako dĤsledek soustĜedČného
prĤsaku oslabenými zónami (špatnČ zhutnČný materiál, propustnČjší oblast v podloží) a následného
rozvoje zpČtné eroze, nebo jako dĤsledek koncentrovaného prĤsaku místy s propustnČjším
* Jaromír ěíha, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
** JiĜí Srna, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 170 -
materiálem nebo kolem pĜehradních výpustí v dĤsledku špatného zhutnČní, prasklin nebo
nezaplnČných míst.
Celý proces mĤže pokraþovat v pĜípadČ, že zemina je náchylná k erozi. Jde napĜíklad o písþité
polohy v jílech þi hlínách, pĜípadnČ o samotné soudržné zeminy (jíly nebo hlíny).
V takovém pĜípadČ dochází ke zvČtšování prĤsakové trubice a intenzifikaci procesu,
což nakonec mĤže vést k prosednutí hráze nad místem výnosu þástic a k jejímu pĜelití, nebo
ke zvČtšení otvoru a následnému zĜícení nadloží a prolomení oslabené hráze.
Matematická formulace problému
Problém vzniku a vývoje privilegované prĤsakové cesty sestává ze dvou vzájemnČ
souvisejících evoluþních jevĤ:
- hydrodynamiky prĤsakové trubice,
- eroze zeminy prosakující vodou.
Základními neznámými stavovými veliþinami jsou prĤmČr hypotetické prĤsakové trubice d,
prĤĜezová rychlost v, teþné napČtí W, rychlost eroze na jednotku plochy pláštČ H , souþinitel ztrát
tĜením O, hodnota Reynoldsova kritéria Re a sklon þáry energie I. Všechny tyto veliþiny jsou funkcí
þasu a podél celé trubice je v dalších úvahách pĜedpokládáme za konstantní.
K Ĝešení problému použijeme rovnice (1) až (7), do kterých zadáváme známý rozdíl hladiny
horní a dolní vody H. Dalšími parametry, které vstupují do rovnic, jsou dynamická viskozita P
(cca 10-3 kg/(m.s) pĜi 20°C), hustota protékající smČsi Uw (blízká hustotČ vody 1000 kg/m3),
objemová hmotnost erodované zeminy Uv [kg/m3], délka hypotetické prĤsakové trubice L [m],
absolutní drsnost stČn trubice ' [m], koeficient eroze zeminy C, kritické teþné napČtí Wc [N/m2],
Coriolisovo þíslo D a gravitaþní zrychlení g (9,81 m/s2). Všechny tyto parametry pĜedpokládáme
konstantní.
ProudČní vody v prĤsakové trubici lze popsat bČžnými postupy hydrodynamiky potrubí.
PĜi výpoþtu se nejdĜíve provede vyhodnocení hydrodynamických pomČrĤ v prĤsakové trubici
pomocí rovnic (1) až (4). Výsledné teþné (smykové) napČtí Wna jejích stČnách se vypoþte ze vztahu
(5). V pĜípadČ, že je pĜekroþeno kritické teþné napČtí Wc (W > Wc), jsou proudČním vody vynášeny
jemnozrnné þástice na obvodu prĤsakové trubice, profil mČní progresivnČ svĤj tvar a zvČtšuje se.
Pomocí rovnic (6) a (7) se provádí modelové Ĝešení tohoto erozního procesu.
PrĤĜezovou rychlost v lze pĜi zanedbání místních ztrát vyjádĜit z rovnice:
1
v
L
D O
d
2 . g .H
>m/s@
(1)
'·
§
Souþinitel ztrát tĜením O ¨ Re, ¸ lze v laminární oblasti proudČní spoþítat pomocí vztahu:
d¹
©
64
Re
O
( 2a )
V pĜechodové a turbulentní oblasti ztrát tĜením použijeme implicitní Colebrook-WhiteĤv
vztah:
1
O
§ 2,51
' ·¸
2 log ¨¨
¸
© Re O 3,7 d ¹
( 2b )
- 171 -
Režim proudČní v trubici se urþí pomocí Reynoldsova kritéria:
Re
U w .v.d
P
(3)
Z rozdílu hladin H a délky trubice L lze stanovit stĜední sklon þáry energie I:
I
H
L
(4)
Smykové napČtí Wna stČnČ trubice je
W
U w .g.I .
d
4
>N m @
2
(5)
Rychlost eroze H na jednotku plochy pláštČ mĤžeme vyjádĜit následovnČ [Wan, Fell 2002]
H
C . W c W >kg/ s.m @
2
(6)
ZmČnu polomČru trubice dr za þas dt vyjádĜíme následovnČ (obr. 1):
dr
2 .S . r . L . H . d t
2 .S . r . L . U v
dm
2 .S . r . L . U v
H
dt
Uv
>m@
(7)
dr
r
L
d
Obr. 1 Schéma hypotetické prĤsakové trubice
PrĤtok Q prĤsakovou trubicí lze vyjádĜit takto:
Q
v.
S .d 2
4
>m /s@
3
(8)
Poþáteþní podmínky problému jsou d = d0, Q = Q0, v = v0. V pĜípadČ experimentálního mČĜení
jde o známé hodnoty, u skuteþných hrází je možné je stanovit na základČ zmČĜeného prĤsakového
množství Q. PrĤmČr trubice je konstantní (d = d0) až do okamžiku pĜekroþení kritického teþného
napČtí Wc.
Kritické teþné napČtí Wc a koeficient eroze zeminy C z rovnice (6) je nutné stanovit
experimentálnČ. Absolutní drsnost stČn trubice ' (m) mĤžeme v pĜípadČ nesoudržných zemin
- 172 -
odhadnout z velikosti efektivního zrna def napĜíklad jako ' def . U soudržných zemin ji mĤžeme
po skonþení pokusu dopoþítat z mČĜených dat.
Experimentální modelování pipingu
Experimentální modelování pipingu slouží ke stanovení parametrĤ modelu eroze pro sledovaný
materiál, tj. kritického teþného napČtí Wc a koeficientu eroze zeminy C z rovnice (6). Ve chvíli, kdy
je pĜekroþeno kritické teþné napČtí, mĤžeme tento stav oznaþit jako poþátek eroze a mČĜit dobu
do porušení vzorku.
Pro stanovení tČchto veliþin bude v LaboratoĜi vodohospodáĜského výzkumu (LVV) Ústavu
vodních staveb FAST VUT navrženo experimentální zaĜízení. PĜi pĜípravČ zaĜízení se pĜedpokládá
využití poznatkĤ ze zahraniþních výzkumĤ pipingu [Fell et al. 2003], [Wan, Fell 2002, 2004],
konkrétnČ z metody nazvané Hole Erosion Test. Touto metodou otestovali uvedení autoĜi na tĜi
stovky vzorkĤ. Ve vzorku pĜedem vytvoĜili prĤsakovou trubici a z mČĜených hodnot veliþin d0, Q, I
odvozovali další charakteristiky prĤbČhu porušení vzorku.
ZávČr
V tomto textu je uveden matematický model popisující podmínky vývoje privilegované
prĤsakové cesty v zeminách a þasový prĤbČh jejího zvČtšování (tzv. pipingu).
V další navazující fázi výzkumu se pĜedpokládá vybudování fyzikálního modelu v LVV,
na kterém bude popsaný matematický model ovČĜen. Praktické pokusy budou provedeny
na rĤzných vzorcích ze stavební praxe v prĤbČhu následujících let.
Výsledky výzkumu najdou mimo jiné uplatnČní v oblasti protipovodĖové prevence, pĜedevším
ve vztahu k ochranným hrázím podél vodních tokĤ. Dále mohou být využity pĜi posuzování
prĤsakového režimu velký sypaných pĜehrad v rámci technickobezpeþnostního dohledu a k vþasné
realizaci nápravných opatĜení pĜedcházejících závažným poruchám na vodních dílech.
PodČkování
PĜíspČvek byl zpracován v rámci Ĝešení projektu NAZV QH 81 223.
Literatura
[1] FELL, R., WAN, C.F., CYGANIEWICZ, J.. FOSTER, M. Time for Development of Internal
Erosion and Piping in Embankment Dams. In Journal of Geotechnical and Geoenvironmental
Engineering. pp. 307 – 314. 2003
[2] FRCOLD, Internal Erosion: Typology, detection, repair. FRCOLD, EDF-CNEH, Le Bourgetdu-lac Cedex. 127 p. 1997
[3] VUKOVIý, M., PUŠIý, M., Soil Stability and Deformation due to Seepage. Water research
publication, Colorado. 1992, ISBN 0-918334-78-0.
[4] WAN, C.F., FELL, R., Investigation of internal erosion and piping of soils in embankment
dams by the Slot Erosion Test and Hole Erosion Test. UNICIV Report no. R-412, School
of Civil and Environmental Engineering, The University of New South Wales, Sydney,
Australia. 2002, ISSN 0077-880X. ISBN 858413795. 325 p.
[5] WAN, C.F., FELL, R., Investigation of Rate of Erosion of Soils in Embankment Dams.
In Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering. pp. 373 – 380. 2004
[6] WAN, C.F., FELL, R., Laboratory Tests on the Rate of Piping Erosion of Soils
in Embankment Dams. In Geotechnical Testing Journal, Vol. 27. No. 3. pp. 295 – 303. 2004
- 173 -
MODELOVÁNÍ JAKOSTI VODY V IVANOVICKÉM
POTOKU
MODELLING OF WATER QUALITY
IN THE IVANOVICKÝ STREAM
JiĜí Sázel*
This article is aimed on creating model of water quality and simulation different situations
in Ivanovický stream which lies south from Brno. This article was created due to support
of project: „Komplexní pĜístup k revitalizacím malých vodních tokĤ v pĜímČstské krajinČ“.
Main task of project is refer about polluted streams in suburb area, measure its pollution,
make advises for revitalization. Model will be used for requirements of project.
Úvod
PĜíspČvek vznikl v rámci projektu Komplexní pĜístup k revitalizacím malých vodních tokĤ
v pĜímČstské krajinČ. Projekt má za úkol poukázat na zneþištČné potoky v pĜímČstské krajinČ, popsat
zneþištČní, doporuþit postupy pro revitalizaci. Projekt je multioborový. To znamená, že souþasný
stav potoka je posuzován z více hledisek. Jsou to hydrotechnické, hydromorfologické,
hydrochemické, hydrobiologické, ekotoxikologické a ekologické hledisko. KonkrétnČ je projekt
zamČĜen na potoky Leskava, Troubský, Ivanovický a ýernovický potok.
PĜíspČvek popisuje vytvoĜení modelu jakosti vody na Ivanovickém potoku. Potok leží jižnČ
od Brna, pramení v Ivanovicích a vlévá do Svratky v Rajhradicích. Jeho pĜítoky jsou ýernovický
potok, závlahový kanál K1, TuĜanský potok, Dvorský potok. Samotný model je vytvoĜen v délce
6,3 km a zaþíná v místČ, kde se vlévá do Ivanovického potoka závlahový kanál K1. Na obr. 1
je modelovaný úsek zobrazen tuþnou a ostatní pĜítoky tenkou þervenou. Tento úsek potoka slouží
jako zdroj vody pro závlahové stanice, potĜebný prĤtok je do nČj dodáván závlahovým kanálem
ze Svratky. Jeho koryto je napĜímené, opevnČné betonovými tvárnicemi bez vegetaþního
doprovodu.
Cílem práce je:
- vytvoĜení modelu jakosti vody,
- simulaci pĜípadových situací.
NapĜíklad vliv revitalizaþních opatĜení na zmČnu kvality vody, zlepšení kvality vody
po odstranČní zdrojĤ neþištČní atd.
VytvoĜení modelu jakosti vody
Jako program pro modelování používám QUAL2K. Je to program vydaný Americkou vládou,
úĜadem ochrany životního prostĜedí [1]. Byl vytvoĜen v roce 1987 autory Brown and Barnwell
a je do dnes updatován. Jako uživatelské prostĜedí používá Excel, pro automatické operace
(seĜazení výsledkĤ) používá Visual Basic a výpoþet je zpracován programem Fortran.
VytovoĜení modelu spoþívalo ve shromáždČní a zpracování vstupĤ do modelu, sestavení
modelu a následné kalibrace. Potom bylo možné vypoþítat prĤbČh souþasného zneþištČní. Model
mapuje biologické zneþištČní, cyklus dusíku a fosforu. PodrobnČ je to biologická spotĜeba kyslíku,
rozpuštČný kyslík, amoniak, dusiþnany, dusitany a fosforeþnany.
*
JiĜí Sázel, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 174 -
Obr. 1 Poloha potoka
Vstup do modelu
- Mapové podklady – mapové podklady sloužily pro vytvoĜení staniþení toku, odeþtení
podélných sklonĤ, lokalizaci a velikosti stupĖĤ.
- Geometrie pĜíþných profilĤ – geometrii pĜíþných profilĤ jsem odhadnul v terénu.
- PrĤmČrné koncentrace zneþištČní – data byla mČĜena ústavem chemie a byla poskytnuta
jako vstup pro práci.
- PrĤtoky – pĜibližné hodnoty prĤtokĤ v tocích jsem si zmČĜil.
Sestavení a kalibrace modelu
- Sestavení modelu – Sestavení spoþívalo v nadČlení toku na výpoþtové úseky.
- Kalibrace modelu – kalibrace spoþívala ve volbČ rychlosti odbourávání zneþišĢujících
látek, v rychlosti reaerace vody atd.
Modelování souþasného stavu
Po sestavení a kalibraci modelu vyšel prĤbČh zneþištČní, který je znázornČn na obr. 2. V horní
þásti obrázku je znázornČno okolí toku, pod ním je prĤbČh zneþištČní BSK5 po délce potoka. Tlustá
plná þára znaþí vypoþtený prĤbČh, body jsou prĤmČrné koncentrace zneþištČní, které byly mČĜeny
na toku a þárkované þáry znaþí smČrodatnou odchylku kolem nich. Na grafu vidíme, že dolní þásti
(2,1 km) dochází k nárĤstu zneþištČní, pravdČpodobnČ v dĤsledku Rebešovické ýOV a následnému
poklesu zneþištČní díky vzdutí, které zásobuje Rebešovický rybník.
Obr. 2 PrĤbČh BSK5 pĜi souþasném stavu
Obr. 3 PrĤbČh BSK5, O2, N-NH4 pĜi zmenšení prĤtoku v zimČ
- 175 -
- 176 -
Simulace pĜípadových situací
Po úspČšné simulaci souþasného stavu je model schopen poþítat prĤbČh zneþištČní po zmČnČ
okrajových podmínek. NapĜíklad mĤžeme simulovat pĜípadovou situaci zimního režimu v potoku.
Závlahový kanál dodávající vodu do Ivanovického potoka má dva režimy. V letním období
je prĤtok v kanálu pĜibližnČ 0,2 m3/s, v zimním období je pĜibližnČ 0,05 m3/s. To zpĤsobí,
že zneþištČní vstupující do potoka bude mít vČtší úþinky na jakost vody v Ivanovickém potoce.
ZávČr
V práci byl vytvoĜen model zneþištČní, který popisuje souþasný stav a umožĖuje simulaci
rĤzných stavĤ na potoku. Vstupní data do modelu byla vhodná, až na slabé mapové podklady.
PĜi sestavování modelu se podaĜilo objevit zdroje zneþištČní v Rebešovicích. ZneþištČní potoku není
extrémní v letním období, ale situace se zhoršuje v zimním období. Model je schopen vytváĜet další
pĜípadové situace, jako napĜíklad prĤbČh koncentrace v dĤsledku zmČny teploty, zastínČní, obecnČ
jakékoliv zmČny poþasí, je schopen vytváĜet denní výkyvy koncentrace zneþištČní, mĤže simulovat
vliv revitalizaþních opatĜení na kvalitu vody. Poþítá se s další použitím modelu v projektu
Komplexní pĜístup k revitalizacím malých vodních tokĤ v pĜímČstské krajinČ.
PĜíspČvek vznikl za podpory GAýR, projektu þíslo: 103/07/0580 „Komplexní pĜístup
k revitalizacím malých vodních tokĤ v pĜímČstské krajinČ“ pod vedením prof. Ing. Miloše Starého,
CSc. a doc. Ing. Heleny Králové, CSc., VUT Brno, Fakulta stavební, Ústav vodního hospodáĜství
krajiny.
Literatura
[1] http://www.epa.gov/Athens/wwqtsc/html/qual2k.html
[2] STARÝ M., DOLEŽAL P., MILERSKY R., Uživatelská pĜíruþka pro modelování šíĜení
zneþištČní za použití programu QUALE2E, VUT Fast Ĝíjen 1994
[3] LÁNÍýEK J., Diplomová práce – Modelování koncentrace rozpuštČného kyslíku pod mČstskou
þistírnou odpadních vod za použití programu QUALE2E se zĜetelem k samoþisticí schopností
toku, VUT Fast KvČten 1994
[4] NaĜízení vlády 61/2003 sb o ukazatelích a hodnotách pĜípustného zneþištČní povrchových vod
a odpadních vod,náležitostech povolení k vypouštČní odpadních vod do vod povrchových
a do kanalizací a o citlivých oblastech, 58 s.
- 177 -
PLÁNOVÁNÍ V OBLASTI VOD
PLANNING IN THE FIELD OF WATER
Marie Siroginová*
Abstract
Planning in the field of water is conceptual activity given by the Act No. 254/2001
on Waters guaranteed by the State and has been introduced into Czech law in compliance
with the requirements of the transposition Directive No. 2000/60/EC of the European
Parliament and of the Council of 23 October 2000 establishing a framework
for Community action in the field of water policy.
Historie plánování v oblasti vod
Plánování v oblasti vod má v EvropČ a v naší zemi dlouholetou tradici. Prvními historicky
doloženými vodohospodáĜskými plány na svČtČ jsou plán zavlažovacích kanálĤ, plán regulace Ĝeky
Eufrat, plán na zbudování jezera u Babylonu, lázní pro krále a plán na stavbu vodních kol
pro potĜeby ĜemeslníkĤ, které byly zpracovány zhruba pĜed 3 700 lety. Plánování
vodohospodáĜských staveb v EvropČ dokládají napĜ. Ĝímské vodovody a láznČ þi plavební kanály
z doby Ludvíka XIV. U nás pak mČly oporu ve vodohospodáĜských plánech stavby rybníkĤ
na Pardubicku za Karla IV. a v jižních ýechách za RožmberkĤ. StejnČ tak první projekt prĤplavu
Dunaj - Odra z roku 1700, který byl zpracován na základČ pĜíslibu císaĜe Ferdinanda III.
moravským stavĤm, dokumentuje historickou tradici plánování v našich zemích.
Za základ novodobého vodohospodáĜského plánování lze považovat 40. léta minulého století.
V roce 1941 byl zpracován Moravský vodohospodáĜský plán, následnČ v roce 1946 Vodní cesty
a vodohospodáĜské plánování v ýechách a na MoravČ a v roce 1947 Generální plán rozvoje
vodního hospodáĜství v zemi ýeské a Moravské jako základ soustavného plánování. V letech 1949
až 1953 byl vytvoĜen Státní vodohospodáĜský plán republiky ýeskoslovenské. Tento plán nejen
podrobnČ zhodnotil tehdejší situaci, zabýval se vodou po stránce kvantitativní i kvalitativní,
ale snažil se též postihnout hlavní vývojové trendy potĜeb vody. V letech 1975 až 1976
byl aktualizován a rozšíĜen o nové instituty v duchu zákona þ. 138/1973 Sb., o vodách a tehdejším
Ministerstvem lesního a vodního hospodáĜství byl vydán jako SmČrný vodohospodáĜský plán
ýSR-2. Tento je s Ĝadou pĜijatých zmČn dosud platný. Jedná se o dokument, ze kterého jsou povinny
vycházet vodoprávní úĜady pĜi rozhodování, vydávání vyjádĜení a pĜi provádČní ostatních opatĜení
podle zákona þ. 254/2001 Sb., o vodách a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (vodní zákon), ve znČní
pozdČjších pĜedpisĤ až do doby chválení nových plánĤ v pĜíslušné oblasti povodí podle zákona
þ. 254/2001 Sb., o vodách (ustanovení §127, odst. 15 zákona o vodách).
ÚrovnČ plánování
Plánování v oblasti vod jako soustavné koncepþní þinnosti garantované státem je zakotveno
v ustanoveních §23 až §26 zákona þ. 254/2001 Sb., o vodách ve znČní pozdČjších pĜedpisĤ, který
byl naposledy významnČ novelizován zákonem þ. 20/2004 Sb., tzv. euronovelou. Zavedení institutu
„plánování v oblasti vod“ ve vodním zákonČ došlo k implementaci požadavkĤ smČrnice
Evropského parlamentu a Rady 2000/60/ES ze dne 23. Ĝíjna 2000 ustanovující rámec pro þinnost
Spoleþenství v oblasti vodní politiky (dále jen Rámcová smČrnice).
*
Marie Siroginová, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 178 -
Stát tuto þinnost zajišĢuje prostĜednictvím poĜizování Plánu hlavních povodí ýeské republiky
a Plánu oblastí povodí, které obsahují programy opatĜení. Úþelem plánování v oblasti vod
(§23 odst. 1 vodního zákona) je vymezit a vzájemnČ harmonizovat veĜejné zájmy:
a) ochranu vod jako složky životního prostĜedí,
b) ochranu pĜed povodnČmi a dalšími škodlivými úþinky vod,
c) udržitelné užívání vodních zdrojĤ a hospodaĜení s vodou pro zajištČní požadavkĤ
na vodohospodáĜské služby, zejména pro úþely zásobování pitnou vodou.
Plán hlavních povodí ýeské republiky a Plány oblastí povodí, vþetnČ pĜíslušných programĤ
opatĜení, jsou podkladem pro výkon veĜejné správy, zejména pro územní plánování, územní
rozhodování a povolování staveb podle zákona þ. 254/2001 Sb., o vodách.
Plán hlavních povodí ýeské republiky
Plán hlavních povodí ýeské republiky (§24 vodního zákona) je strategický dokument
plánování v oblasti vod, který stanovuje rámcové cíle hospodaĜení s povrchovými i podzemními
vodami, ochranu a zlepšování stavu povrchových a podzemních vod a vodních ekosystémĤ
pro trvale udržitelné užívání tČchto vod, pro ochranu pĜed škodlivými úþinky tČchto vod
a pro zlepšování vodních pomČrĤ a pro ochranu ekologické stability krajiny. Plán hlavních povodí
ýeské republiky vymezuje i rámcovou strukturu potĜebných opatĜení k prosazování veĜejných
zájmĤ, vþetnČ zdrojĤ a zpĤsobu jejich financování. PoĜizovatelem tohoto plánu je Ministerstvo
zemČdČlství ve spolupráci s Misterstvím životního prostĜedí a dotþenými ústĜedními správními
úĜady a kraji pro tĜi hlavní povodí na území ýeské republiky, a to pro povodí Labe, pro povodí
Moravy a pro povodí Odry. Plán hlavních povodí ýeské republiky podléhá posouzení vlivĤ
na životní prostĜedí podle zákona þ. 100/2001 Sb., o posuzování vlivĤ na životní prostĜedí
a o zmČnČ nČkterých souvisejících zákonĤ. PĜezkoumává se a aktualizuje nejpozdČji každých
šest let ode dne jeho prvního schválení.
Plán hlavních povodí ýeské republiky byl schválen usnesením vlády ýR þ. 562 ze dne
23. kvČtna a závazné þásti Plánu hlavních povodí ýeské republiky byly vyhlášeny naĜízením vlády
ýR þ. 262/2007 Sb.
Plány oblastí povodí
Plány oblastí povodí (§25 vodního zákona) jsou koncepþní dokumenty, které stanoví konkrétní
cíle veĜejných zájmĤ pro dané oblasti povodí na základČ rámcových cílĤ Plánu hlavních povodí
ýeské republiky, potĜeb a zjištČného stavu povrchových a podzemních vod, potĜeb užívání tČchto
vod v daném území, vþetnČ návrhĤ potĜebných opatĜení, stanoví omezení pro nakládání s vodami
a limity pro využití území v konkrétním povodí a stanoví programy opatĜení k dosažení
specifikovaných cílĤ. PoĜizovatelem PlánĤ oblastí povodí jsou správci oblastí povodí podle
své pĤsobnosti (zákon þ. 305/2000 Sb., o povodích) ve spolupráci s krajskými úĜady a ve spolupráci
s ústĜedními vodoprávními úĜady na základČ vyhlášky þ. 142/2005 Sb., o plánování v oblasti vod.
Tato vyhláška stanovuje obsah Plánu oblasti povodí, postup pĜi jeho zadávání, zpĤsob zpracování,
postup pĜi projednávání a zpĤsob jeho zveĜejnČní.
Oblasti povodí byly vymezeny vyhláškou Ministerstva zemČdČlství þ. 292/2002 Sb.,
o oblastech povodí ve znČní vyhlášky þ. 390/2004 Sb., o oblastech povodí. Plány oblastí povodí
podléhají posuzování vlivu na životní prostĜedí podle zákona þ. 100/2001 Sb., o posuzování vlivu
na životní prostĜedí.
Harmonogram jednotlivých etap pĜípravy PlánĤ oblastí povodí:
I. etapa - pĜedstavovala pĜípravné práce. V rámci této etapy byla provedena analýza
všeobecných vodohospodáĜských charakteristik povodí, zhodnocení dopadĤ lidské
þinnosti na stav povrchových a podzemních vod, ekonomická analýza užívání vod,
pĜedbČžný pĜehled významných problémĤ nakládání s vodami, vþetnČ urþení silnČ
- 179 -
ovlivnitelných vodních útvarĤ a urþení zvláštních cílĤ ochrany. Etapa byla ukonþena
v roce 2007.
II. etapa - pĜedstavovala vypracování návrhĤ Plánu oblastí povodí, které byly
publikovány a zpĜístupnČny uživatelĤm vody a veĜejnosti k pĜipomínkování v listinné
i elektronické podobČ od 1. þervence 2008 do 22. prosince 2008, tj. po dobu 6 mČsícĤ.
III. etapa - v této etapČ se plánování nyní nachází. V souþasné dobČ probíhá dle þasového
plánu a programu prací proces vyhodnocování pĜipomínek k návrhu PlánĤ oblastí
povodí. Dle vyhlášky þ. 142/2005 Sb., o plánování v oblasti vod se vyhodnocení
podaných pĜipomínek zpracuje ve formČ zprávy s pĜehledem podaných pĜipomínek
a zmČnami, které byly v jejich dĤsledku provedeny v návrhu PlánĤ oblastí povodí
ve lhĤtČ do 60 dnĤ po uplynutí po podávání pĜipomínek. Tato zpráva musí být
v listinné podobČ po dobu 30 dnĤ zveĜejnČna u správcĤ povodí a na krajských úĜadech
podle územní pĤsobnosti a v elektronické podobČ na portálu veĜejné správy ýR
http://portal.gov.cz/ v sekci PovinnČ zveĜejĖované informace a v sekci ZemČdČlství.
Výsledkem této etapy je koneþný návrh PlánĤ oblastí povodí a stanovení programu
opatĜení a jeho schválení. Plány oblastí povodí budou schvalovat kraje v samostatné
pĤsobnosti a závazné þásti plánĤ budou pro pĜíslušné správní obvody krajĤ vydávat
rady kraje naĜízením. Plány oblastí povodí musí být schváleny do 22. prosince 2009
a každých šest let aktualizovány.
Po schválení PlánĤ oblastí povodí a stanovení programu opatĜení jsou nutné postupné kroky
k realizaci programu opatĜení ke splnČní vymezených cílĤ.
Celkovým cílem plánování v oblasti vod je v souladu s vodním zákonem dosáhnout realizace
programu opatĜení a splnČní vymezených cílĤ, kterými jsou dosažení dobrého stavu všech druhĤ
vod a vodních útvarĤ do roku 2015.
Výchozí dokumenty státní politiky v oblasti vod a plánování v oblasti vod
- Rámcová smČrnice Evropského parlamentu a Rady 2000/60/ES o vodní politice ze dne
23. Ĝíjna 2000 (dále Rámcová smČrnice)
- Koncepce vodohospodáĜské politiky na období po vstupu ýeské republiky do Evropské
unie do roku 2010 (KVHP), zpracovaná Ministerstvem zemČdČlství a schválená
usnesením vlády ýR þ. 617 ze dne 16. þervna 2004
- Státní politika životního prostĜedí (SPŽP), zpracovaná Ministerstvem životního
prostĜedí a schválená usnesením vlády ýR þ. 235 ze dne 17. bĜezna 2004
- Zákon þ. 254/2001 Sb., o vodách a o zmČnČ nČkterých zákonĤ (vodní zákon), ve znČní
pozdČjších pĜedpisĤ
- Zákon þ. 76/2006 Sb., kterým se mČní zákon þ. 274/2001 Sb., o vodovodech
a kanalizacích pro veĜejnou potĜebu ve znČní pozdČjších pĜedpisĤ
- Vyhláška þ. 142/2005 Sb., o plánování v oblasti vod
- Vyhláška þ. 292/2002 Sb., o oblastech povodí ve znČní vyhlášky þ. 390/2004 Sb.,
o oblastech povodí
- Plán rozvoje vodovodĤ a kanalizací na území ýR zpracovaný Ministerstvem
zemČdČlství v roce 2006
- Plány rozvoje vodovodĤ a kanalizací pro území krajĤ, které obsahují rozhodující stavby
do 31.12.2010
- Operaþní program Životní prostĜedí pro období 2007-2013 (usnesení vlády
þ. 1302 z 15.11.2006)
- Národní strategický plán pro rozvoj venkova na období 2007-2013 (usnesení vlády
þ. 499 z 10.5.2006)
- 180 -
- Strategie ochrany pĜed povodnČmi pro území ýeské republiky (usnesení vlády
þ. 382 z 19.4.2000)
- Politika územního rozvoje ýeské republiky (usnesení vlády þ. 321 z 7.4.2004)
- Program rozvoje venkova na období 2007-2013 (usnesení vlády þ. 948 z 16.8.2006)
- Územní plány velkých územních celkĤ
- Metodický pokyn (monitoring a vodní útvary)
- Metodický návod (2004)
ZávČr
V ýeské republice došlo k významným zmČnám ve vodohospodáĜském plánování po roce
1989, kdy budoucí vývoj vodohospodáĜského plánování ovlivnily nejen politické znČny,
ale i celosvČtové názory na ochranu životního prostĜedí a potĜeby komplexního plánování. Nový
ekosystémový pĜístup k pojetí vodohospodáĜského plánování vyústil v roce 2000 k pĜijetí SmČrnice
Evropského parlamentu a Rady 2000/60/ES ustanovující rámec pro þinnost Spoleþenství v oblasti
vodní politiky, což pĜedstavovalo zásadní dokument vodního hospodáĜství. KromČ plnČní
environmentálních cílĤ pĜinesla smČrnice i další významné prvky jako demokratizaci rozhodování,
dĤraz na ekonomické nástroje, požadavek srovnatelnosti a propojenosti plánĤ, neboĢ i území ýeské
republiky je souþástí mezinárodních povodí.
Tyto obecné cíle v oblasti vod byly u nás respektovány již v zákonČ þ. 254/2001 Sb., o vodách,
který v reakci na požadavky evropského práva vymezil institut plánování v oblasti vod a ustanovil
a vymezil rámcové cíle veĜejných zájmĤ: ochrana vod ve smyslu Rámcové smČrnice, vytváĜení
podmínek pro udržitelné hospodaĜení s omezeným vodním bohatstvím ýeské republiky, které
umožní splnit požadavky ochrany vod a vodních ekosystémĤ, a zajištČní požadavkĤ
na vodohospodáĜské služby pĜi souþasném zohlednČní opatĜení proti škodlivým úþinkĤm vod.
NaplĖování tČchto cílĤ je soustavná, nároþná a dlouhodobá þinnost, která klade vysoké nároky
na koordinaci celého procesu plánování, posuzování a projednávání, schvalování a aktualizování
v šestiletých cyklech.
Literatura a zdroje
[1] Sbírka zákonĤ ýR
[2] Plán hlavních povodí ýR schválený usnesením vlády ýR þ. 562
[3] Ministerstvo zemČdČlství ýR. http://www.mze.cr
- 181 -
VPLYV ZMENY MANAŽMENTU V LOKALITE ABROD
NA HLADINU PODZEMNEJ VODY
IMPACT OF MANAGEMENT CHANGE
ON GROUNDWATER LEVEL IN ABROD AREA
Jana Skalová*, Justína Vitková**, Branislav Jaroš***
Wetlands belong to complex and sensible ecosystems. They are characterized
by presence of groundwater level near the surface. There can be found some
phytocoenoses, which need the water. One of them is National Nature Reserve Abrod
at Záhorie Lowland. In some places of this area is the level of groundwater on the surface,
because of geological situation and groundwater flow. These are favorable conditions
for some specific reserved phytocoenoses. The management in the area is one of more
important factors, which are affecting the groundwater level. Therefore we focused
on the impact of management change on groundwater level in Abrod area. We compared
three management practices and we used the HYDRUS-ET model for this purpose.
This model can simulate the course of groundwater level.
Úvod
Štátna prírodná rezervácia Abrod sa nachádza v Borskej nížine, na rozhraní katastrálnych
území obcí Závod a VeĐké Leváre, medzi železnicou a štátnou cestou VeĐké Leváre – Moravský
Sv. Ján (okres Malacky). Má plochu 92 ha a leží v nadmorskej výške 152 m, v alúviu potoka Porec.
Tým, že je územie situované v nížinnej a intenzívne využívanej þasti Slovenska, bolo
vystavené silným antropickým tlakom. Prvé údaje o významnosti tejto lokality a výskyte
najvýznamnejších rastlinných druhov pochádzajú z roku 1923 a už v tom þase bola na území
zaznamenaná prítomnosĢ odvodĖovacích kanálov. Silný pokles hladiny podzemnej vody (HPV)
nastal v dôsledku regulácie potoka Porec a odvodnenia mokradí, hlavne mokrých lúk v celom
povodí v rokoch 1962–1966. V tomto þase bol Abrod vyhlásený za chránené územie a stal
sa tak fragmentom mokrých lúk, ktorý je obklopený poĐnohospodárskou pôdou a intenzívne
rozvinutou infraštruktúrou.
Dôvodom na ochranu územia je výskyt vzácnych spoloþenstiev zväzov Caricion davallianae
a Molinion a vzácnych slatinných a moþiarnych druhov flóry a fauny (Stanová, Viceníková, 2003).
V danej lokalite došlo oproti minulosti k zmene manažmentu, v súþasnosti sa uskutoþĖuje
manažment formou kosby zaþiatkom júla. Preto je príspevok zameraný na analýzu vplyvu troch
možných manažmentových praktík na priebeh hladín podzemnej vody v mokradi, a to:
1. súþasného manažmentu pozostávajúceho z kosby 1-krát roþne,
2. manažmentu intenzívnejšieho kosenia 2-krát roþne realizovaného v minulosti,
3. a tiež možnosti bez manažmentu, teda bez kosenia.
Povodie toku Porec môžeme klasifikovaĢ ako povodie s typickým nížinným charakterom.
Je pretiahnutého tvaru s približným pomerom šírky k dĎžke 1:2. Najzávažnejším zásahom do toku
bolo jeho skrátenie a odrezanie od toku Moravy. V hornej þasti toku bola zväþšená kapacita koryta
a bol docielený rýchlejší odtok zrážkových vôd z povodia, þoho dôsledkom je zrejme aj degradácia
podmienok pre charakteristické slatinné rastlinné spoloþenstvá.
*
**
***
Jana Skalová, Katedra vodného hospodárstva krajiny, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
Justína Vitková, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
Branislav Jaroš, Stavebná fakulta, STU v Bratislave, [email protected]
- 182 -
Z dôvodu zmien režimu HPV bola v oblasti mokrade zrealizovaná monitorovacia sieĢ
pozorovacích sond HPV, v ktorých zaþalo meranie v roku 2001. Na simuláciu priebehu HPV boli
vybraté údaje zo sondy þ. 21, kde prebieha manažment formou kosby a v jej v blízkosti boli
odobraté vzorky porastu a pôdy. Na analýzu bolo zvolené obdobie od 8.8.2001 do 31.12.2003.
Materiál a metódy
Na analýzu zmien priebehu HPV v dôsledku rozdielnych manažmentových praktík v ŠPR
Abrod bol vybraný matematický model HYDRUS-ET, ktorý pracuje v dennom kroku (Šimunek
et al., 1997). Štruktúra evapotranspirácie bola prevzatá z modelu Global (Majerþák, Novák, 1994,
Novák, 1989). Vstupné údaje potrebné k matematickému modelovaniu boli merané na hodnotenej
lokalite (charakteristiky porastu, hydrofyzikálne charakteristiky pôdy), ćalšie boli získané
z meteorologickej stanice Malacky. Tento model bol verifikovaný na základe nameraných údajov
a následne bola uskutoþnená simulácia priebehu HPV pre zvolené manažmentové praktiky.
Model Hydrus-ET využíva pri riešení pohybu vody v pôde Richardsovu rovnicu:
whw
wt
w ª
1
§ wh
·º S z , t
k hw ¨ w 1¸» C hw wz «¬
w
z
©
¹¼ C hw (1)
kde hwje vlhkostný potenciál pôdy [cm], k(hw) nenasýtená hydraulická vodivosĢ pôdy [cm/s],
S(z,t) priestorovo a þasovo závislá funkcia odberu vody koreĖovým systémom [cm3/s], ș objemová
vlhkosĢ pôdy [cm3/cm3], z vertikálna súradnica [cm], t þasová súradnica [s], C(hw) = wT/whw merná
vodná kapacita [1/cm].
Pri riešení parciálnych diferenciálnych rovníc opisujúcich pohyb vody v pôde je potrebné
zadefinovaĢ geometrickú oblasĢ v ktorej prebieha proces prenosu vody, hydrofyzikálne
charakteristiky a parametre pôdy, poþiatoþnú podmienku definujúcu stav, v ktorom sa systém
nachádza na zaþiatku jeho skúmania a okrajové podmienky, definujúce vzájomné spolupôsobenie
geometricky vymedzenej oblasti systému s okolím (Šútor, Štekauerová, 2000).
Hydrofyzikálne charakteristiky pôdy potrebné pre modelovanie boli urþené meraním
na vzorkách pôdy, ktoré boli odobraté v blízkosti sondy HPV þ. 21. Zo vzoriek sa pomocou
pretlakového aparátu urþili body vlhkostnej retenþnej krivky, ktoré boli následne aproximované
podĐa Genuchtena (1978), þím boli zistené parametre Į = 0.00377, n = 1.2738. Nasýtená
hydraulická vodivosĢ (150 cm/d) bola meraná v laboratóriu na zariadení s premenlivým
hydraulickým sklonom. Pôdny profil bol považovaný za homogénny a simulovaný bol pohyb vody
vo vrstve 0 – 100 cm pod povrchom terénu. Hornú okrajovú podmienku tvorí súbor denných hodnôt
klimatických prvkov (zrážkový úhrn, teplota, trvanie slneþného svitu, parciálny tlak vodných pár,
rýchlosĢ vetra), ktoré boli prevzaté z pozorovacej stanice SHMÚ Malacky.
Medzi potrebné údaje o poraste patrí index listovej pokryvnosti, drsnosĢ vyparujúceho
povrchu, albedo a hĎbka koreĖového systému. V odbornej literatúre možno nájsĢ podklady
pre vytvorenie vstupných súborov charakteristík porastu trávy. Avšak porast trávy nachádzajúci
sa v mokradných oblastiach je špecifický a líši sa od bežnej trávy štruktúrou a väþšou druhovou
rozmanitosĢou, je hustejší ako bežná tráva. V oblasti mokrade Abrod bola táto charakteristika
meraná v þasti, kde prevláda trávnatý porast, na ktorom sa vykonáva manažment kosbou. Meranie
prebiehalo v troch cykloch - 5.6., 3.7. a 27.8. 2007 - po kosbe, ktorá prebehla 10.7.2007. Priebeh
hodnôt LAI je znázornený na obr. 1.
- 183 -
Obr. 1 Priebeh hodnôt indexu listovej pokryvnosti (LAI) pre trávu nekosenú,
1x kosenú a 2x kosenú
Výsledky a diskusia
Model HYDRUS-ET bol verifikovaný pre obdobie rokov 2001-2003. Porovnávala
sa nameraná úroveĖ HPV v sonde þ. 21, ktorá sa nachádza v blízkosti odberných plôch
charakteristík porastu a hydrofyzikálnych charakteristík pôdy, s vypoþítanou úrovĖou HPV
modelom HYDRUS-ET. Na porovnanie nameranej a modelovanej HPV sa použila regresná
analýza. Výsledný korelaþný súþiniteĐ R = 0,81 svedþí o tesnom vzĢahu medzi hodnotenými
prvkami, na základe þoho možno konštatovaĢ, že model HYDRUS-ET je vhodný na prognózu
priebehu HPV v hodnotenej oblasti.
Priebeh simulovanej úrovne HPV pre už vyššie spomenuté spôsoby manažmentu (nekosená,
1-krát a 2-krát kosená tráva) pre hodnotené roky 2002 a 2003 je zachytený na obr. 2.
Obr. 2 Priebeh simulovanej úrovne HPV pre nekosenú, 1x kosenú a 2x kosenú trávu v lokalite
Abrod a priebeh denných zrážkových úhrnov v stanici Malacky v roku 2002 a 2003
- 184 -
Ako vidieĢ z obr. 2, priebeh HPV korešponduje s priebehom zrážok, vyššie zrážky spôsobia
zvýšenie úrovne HPV a naopak. Ćalej je možné pozorovaĢ, že úroveĖ HPV pre 2-krát kosenú trávu
je najhlbšie pod terénom, ćalej nasleduje úroveĖ HPV pre 1-krát kosenú trávu a najvyššie
je pri nekosenej tráve. Najväþšie rozdiely medzi hodnotenými spôsobmi manažmentu sú väþšinou
v letnom období, kedy sú najväþšie rozdiely medzi charakteristikami porastu.
Záver
V posledných rokoch dochádza v ŠPR Abrod k poklesu HPV ako aj postupnému zarastaniu
mokrade inváznou vegetáciou, ktorá sa tam pôvodne nevyskytovala. Z tohto dôvodu sme
sa zamerali na zistenie vplyvu manažmentu na priebeh HPV, priþom bol hodnotený manažment
pozostávajúci z kosenia trávy raz roþne, dvakrát roþne a bez kosenia. Na tento úþel bol použitý
simulaþný model HYDRUS-ET.
Kećže bolo zistené, že model HYDRUS-ET je vhodný na simulovanie priebehu HPV,
namodelovali sme pomocou neho zmeny pohybu HPV v závislosti od troch typov manažmentu
územia. Na základe výstupov z modelovania a ich grafickej prezentácie bolo zistené, že poþas
celého sledovaného obdobia bola najvyššia úroveĖ HPV pri manažmente bez kosenia trávy, naopak
najnižšie bola HPV ak dochádzalo ku kosbe 2-krát roþne. Najnižšie bola HPV v roku 2003, kedy
klesla až pod hodnotu -80 cm pod terénom. Znaþný vplyv na polohu HPV majú zrážky, väþšie
množstvo zrážok spôsobí zvýšenie úrovne HPV. Najväþšie rozdiely medzi hodnotenými spôsobmi
manažmentu sú prevažne v letnom období, kedy sú najväþšie rozdiely medzi charakteristikami
porastu.
Na základe výsledkov z matematického modelovania možno konštatovaĢ, že dynamika hladín
podzemných vôd, ktoré sú základným predpokladom existencie mokradí, nie je významne
ovplyvĖovaná spôsobom manažmentu v oblasti Abrodu. Rozhodujúci vplyv na polohu hladiny
podzemnej vody majú zrážky, ktoré ovplyvĖujú hladinu vody v povrchových tokoch a následne
aj pod povrchom.
Poćakovanie
Autori ćakujú za finanþnú podporu z projektov APVV-0271-07 a VEGA 1/0585/08, v rámci
ktorých príspevok vznikol.
Literatúra
[1] GENUCHTEN, VAN, M. Th., Calculating the unsaturated hydraulic conductivity with a new
closed-form analytical model. Res. Rep. 78-WR-08. Wat. Res. Program. Dept. of Civ. Eng.,
Princeton University. 1978
[2] MAJERýÁK J., NOVÁK V., GLOBAL - a numerical model for water movement in the soil
root zone. Research Report, Institute of Hydrology, Slovak Academy of Sciences, Bratislava,
December 1994, 75 pp. 1994
[3] NOVÁK, V., Výpoþet denných úhrnov evapotranspirácie modifikovanou Penmanovskou
metódou. Vodohosp. þas., 37, 113-129. 1989
[4] STANOVÁ, V., VICENÍKOVÁ, A., Biodiverzita Abrodu. Daphne. Bratislava, 270 s. 2003
[5] ŠIMUNEK, J., HUANG, K., ŠEJNA, M. et al., The HYDRUS-ET Software Package
for Simulating the One-Dimensional Movement of Water, Heat and Multiple Solutes
in Variably-Saturated Media. Bratislava: IH SAS, 1997. 185 p. ISBN 80-967808-0-8. 1997
[6] ŠÚTOR, J., ŠTEKAUEROVÁ, V., Hydrofyzikálne charakteristiky pôd Žitného ostrova.
UH SAV Bratislava, ISBN 80-968480-1-1, 163 s. 2000
- 185 -
UŽITÍ METOD UMċLÉ INTELIGENCE V APLIKOVANÉ
HYDROLOGII
USE OF ARTIFICIAL INTELLIGENCE METHODS
IN APPLIED HYDROLOGY
Miloš Starý*
In the field of development of artificial intelligence methods, an effort to solve decision
making problems in the condition of indeterminacy is shown. Models and controlling
systems have to be equipped with the ability to use experience and knowledge described
just vaguely and to react to undetermined and beforehand unknown situations. Paper
shows the possibilities of artificial intelligence methods for solution of several applied
hydrology problems. It deals with the results of selected tasks, in which artificial
intelligence methods have been used, i.e. artificial neural networks, adaptive approach
and fuzzy models.
Úvod
Složitost srážkoodtokového procesu v povodí je umocnČná zmČnami klimatu, spojenými
se zmČnami vydatnosti a þasového rozložení vodních zdrojĤ. Ve spojitosti s vlivem dlouhých period
zmČn klimatických a hydrologických veliþin lze, kromČ vzniku katastrofálních povodní, oþekávat
i vznik extrémnČ málovodých období. Uvedená problematika nutí vodohospodáĜe Ĝešit úlohy
v podmínkách výrazné neurþitosti, na které ne vždy mají dostateþnČ propracované metodické
postupy a nástroje. Užití metod umČlé inteligence pĜedstavuje možnou cestu Ĝešení.
PĜíspČvek shrnuje a zobecĖuje výsledky vybraných úloh Ĝešených na pracovišti, ve kterých
byly metody umČlé inteligence použity. Jedná se pĜedevším o aplikace umČlých neuronových sítí,
principu adaptivity a fuzzy modelĤ. Neuronové sítČ v nich byly využity ve funkci analyzátoru
namČĜených dat, aproximátoru simulaþního modelu a prediktoru prĤtokĤ v systému mČrných stanic.
Dále pak byly spoleþnČ s principem adaptivity a fuzzy regulátory využity pĜi operativním Ĝízení
odtoku vody z povodí.
Aplikace metod umČlé inteligence
Neuronové sítČ [2], [3] byly použity pro Ĝešení vybraných problémĤ z aplikované hydrologie.
Vzhledem k rozsahu pĜíspČvku jsou uvedeny pouze citace aplikací. Neuronové sítČ v nich byly
využity ve funkcích:
Analyzátoru namČĜených dat, kdy umožĖují nalézt vztah mezi Ĝadami hydrologických veliþin
získaných mČĜením. Vztahy mezi veliþinami však není možno popsat analyticky, protože
nejsou známé, nebo jsou pĜíliš složité. Do této kategorie úloh patĜí analýza kvantitativních
a kvalitativních dat vodního zdroje BĜezová [5] a modelování povodĖových prĤtokĤ v systému
mČrných stanic Ĝeky Jizery s využitím neuronových sítí [1], [3].
Aproximátoru simulaþního modelu, kdy demonstrují možnost vytvoĜení tréninkové matice
pomocí vstupĤ a výstupĤ simulaþního modelu. Natrénovaná neuronová síĢ pak mĤže simulaþní
model v urþitých pĜípadech nahradit. Naznaþený postup je použit pĜi užití neuronových sítí
pro pĜedpovídání kulminaþních prĤtokĤ v povodí Ostravice [6] a pĜi pĜedpovídání hydrogramĤ
povodĖových vln v povodí Morávky [8].
*
Miloš Starý, Ústav vodního hospodáĜství krajiny, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, [email protected]
- 186 -
Prediktoru prĤtokĤ v systému mČrných stanic v povodí Ĝeky Svratky [7] a v dolní þásti
Dyjsko-svratecké vodohospodáĜské soustavy [3], prediktoru srážkoodtokového procesu
v povodí Jihlavy [11] a prediktoru stupnČ ohrožení v povodí s nádržemi [12], [13].
Svoje uplatnČní mohou nalézt metody umČlé inteligence i v operativní hydrologii, zejména
pĜi operativním Ĝízení odtoku vody z povodí za povodĖových situací.
Operativní Ĝízení je v níže popsaných algoritmech chápáno jeko sekvence rozhodovacích
þasových bodĤ, vzájemnČ posunutých o interval ¨Ĳ (nutno odlišit od þasového kroku výpoþtu 't).
V každém bodČ se rozhoduje o prĤbČhu budoucí manipulace s regulaþními uzávČry. Stanovený
prĤbČh je pak až do dalšího rozhodovacího bodu ponechán po dobu ¨Ĳ beze zmČny. PrĤbČh budoucí
manipulace vždy závisí na okamžitém stavu systému a na predikci budoucích srážek. V pĜíštím
rozhodovacím bodČ je prĤbČh budoucí manipulace upraven v závislosti na zmČnČném stavu
systému a na upĜesnČné predikci srážek nad povodím. Vlastní princip Ĝízení systému vychází tedy
z principu adaptivity [3], [4]. PostupnČ dochází k adaptaci dynamických vlastností Ĝízeného
systému v závislosti na mČnících se srážkách nad povodím.
Vstupní veliþiny, které popisují aktuální stav systému, vþetnČ pĜedpovČzených prĤbČhĤ
budoucích pĜítokĤ (resp. pĜedpovČzených srážek nad povodím), vytváĜí prostor vstupĤ Ĝešení.
U složitých vícerozmČrných systémĤ, které povodí s více nádržemi a znaþným množstvím
srážkomČrných stanic pĜedstavuje, je prostor reálných vstupĤ Ĝešení znaþnČ rozsáhlý
a pro subjektivní zásahy do Ĝešení þasto nepĜehledný. Proto se nabízí urþovat Ĝídící veliþiny
klasickými optimalizaþními algoritmy (pĜi zvoleném kriteriu optimalizace, kterým mohou být napĜ.
hodnoty kulminaþních prĤtokĤ ve vybraných profilech Ĝíþní sítČ, které následnČ minimalizujeme).
Jakým zpĤsobem je tedy možno využít metody umČlé inteligence pĜi operativním Ĝízení odtoku
vody z povodí za prĤchodu povodní? Nabízí se nČkolik možností [3]:
A. Pro diskrétní body prostoru vstupĤ, jejichž poloha je urþena zvoleným dČlením, urþit
v pĜedstihu hodnoty Ĝídících veliþin optimalizací. Polohy diskrétních bodĤ vyplynou z typĤ
Ĝešených úloh a dostupnosti podkladĤ pro Ĝešení. Je nutné, aby prostor vstupních veliþin byl
pokryt pokud možno rovnomČrnČ na pĜijatelné rozlišovací úrovni. Takto vytvoĜené vzory
pĜíslušných veliþin lze zapsat do vstupnČ-výstupní matice, která popisuje cílové chování
Ĝízeného systému. Matici je pak možno využít jako tréninkovou matici a následnČ
z ní natrénovat neuronovou síĢ (nebo jakýkoliv uþící se hybridní systém, apod.), která vztah
mezi diskrétními body prostoru vstupĤ Ĝešení a pĜíslušnými vypoþtenými Ĝídícími prĤtoky
(resp. pĜímo polohami regulaþních uzávČrĤ) aproximuje a pro konkrétní aktuální vstupy velmi
rychle stanoví odpovídající hodnoty Ĝídících veliþin (resp.pĜímo polohy regulaþních uzávČrĤ).
PĜínos postupu je tedy v rychlosti Ĝešení, která je nezbytná pro operativní Ĝízení v pĜípadČ
rychle se mČnících stavĤ systému (malá a velmi malá povodí), aby proces vlastního Ĝízení
probíhal reálném þase.
B. NeĜešit pĜedem relaci mezi diskrétními body prostoru vstupĤ Ĝešení a odpovídajícími Ĝídícími
veliþinami (Ĝídící odtoky z nádrží), ale v každém þasovém bodČ, ve kterém mČníme Ĝídící
veliþiny (Ĝízení), vypoþítat optimalizací hodnoty Ĝídících prĤtokĤ pro konkrétní aktuální
diskrétní bod z prostoru vstupĤ Ĝešení. Pro tento úþel je možno využít simulaþní model
s optimalizovanou volbou parametrĤ, kde parametry jsou neznámé Ĝídící prĤtoky. PĜitom
souþástí algoritmu je fuzzy-regulátor, resp. neuro-regulátor, který v závislosti na hodnotČ
Ĝídícího prĤtoku (který je neznámou) v každém þasovém kroku výpoþtu 't pĜímo vyþísluje
hodnoty nastavení poloh regulaþních uzávČrĤ, a tím umožĖuje výpoþet odpovídajících Ĝízených
odtokĤ z nádrží. PrĤbČh akþního zásahu a Ĝízených veliþin se pak mČní témČĜ spojitČ. Uvedené
vyþíslení je možno provést rovnČž klasickým zpĤsobem za pomocí známých vztahĤ
z hydrauliky. PĜednost užití napĜ. fuzzy regulace je v jednoduchosti Ĝešení. Podmínkou
úspČchu je kvalitní software, napĜ. MATLAB.
C. Následující možností je kombinace postupĤ popsaných v odstavcích A a B. Neuronová síĢ
(resp. hybridní uþící se systém) je sestavena a následnČ natrénována z pĜedem provedených
optimalizaþních výpoþtĤ Ĝídících veliþin v diskrétních bodech prostoru vstupĤ Ĝešení pomocí
-
- 187 -
optimalizaþních algoritmĤ. PĜitom souþástí tČchto algoritmĤ jsou napĜ. fuzzy-regulátory, které
v jednotlivých þasových bodech Ĝešení urþují nastavení regulaþních uzávČrĤ a následnČ
umožĖují vyþíslit prĤbČh Ĝízených odtokĤ. PĜi aktuálním stavu vstupních veliþin
pak natrénovaná neuronová síĢ rychle urþí hodnoty Ĝídících prĤtokĤ (resp. pĜímo polohy
regulaþních uzávČrĤ). Ty jsou pak rychle zpracovány napĜ. opČt fuzzy regulátorem.
Níže uvedené vybrané aplikace dokumentují nČkteré naznaþené pĜístupy v pĜedchozích
odstavcích.
Aplikací typu A, ve které neuronové sítČ aproximují vstupnČ-výstupní matici, popisující cílové
chování Ĝízeného systému, bylo operativní Ĝízení prĤtoku vody dolní þástí kanalizaþní sítČ v Kodani
v Dánsku [10].
Aplikace typu B demonstrují možnost užití fuzzy regulátorĤ v Ĝídících algoritmech. Týkají
se simulace operativního Ĝízení prĤtokĤ kaskádou nádrží Vranov – Znojmo za povodnČ
v srpnu 2002 [9] a simulace operativního Ĝízení v dolní þásti povodí Dyje [14].
Aplikace typu C je popsána v [3] - v kap. 5.9, v þásti vČnované urþení cílového chování
systému optimalizací.
Diskuse a závČr
Typické vlastnosti neuronových sítí jsou rozhodující pro využití v aplikacích. Lawrencová
z California Scientific Software [2] shrnuje tyto vlastnosti do bodĤ, jejichž obsah byl v Ĝešených
aplikacích potvrzen. Neuronové sítČ jsou vynikajícím prostĜedkem pro rozpoznávání závislostí mezi
vstupními a výstupními údaji, pro aproximaci silnČ nelineárních závislostí a rychlost výpoþtu
pomocí již natrénované neuronové sítČ. Uvedené vlastnosti neuronových sítí je možno rozšíĜit
i na problematiku aplikované hydrologie a vodního hospodáĜství.
Vlastnosti rozpoznávat závislost mezi vstupními a výstupními údaji lze využít ve vodním
hospodáĜství pĜi konstrukci varovných systémĤ pĜed povodĖovými prĤtoky v ohrožených
lokalitách, kdy mohou pomoci odhalit hrozící nebezpeþí a zároveĖ je kvantifikovat stupnČm
ohrožení. Sestavení tréninkových matic pomocí jiných technik Ĝešení pak je nezbytnou podmínkou
zejména v povodích s nádržemi, z nichž je odtok Ĝízen. V povodích bez nádrží pak je podmínkou
úspČšnosti dostateþné množství namČĜených dat.
Vlastnosti aproximovat i silnČ nelineární vztahy mezi soubory dat, které nejsou exaktnČ dány,
resp. jsou velmi složité a problematické, je možno využít pĜi filtraci mČĜených meteorologických
a hydrologických dat, provČĜování jejich vČrohodnosti, pĜi rozpoznávání závislosti mezi rĤznými
hydrologickými veliþinami, napĜíklad mezi srážkou a odtokem vody z povodí, mezi prĤtoky
v rĤzných profilech v Ĝíþní síti, apod. DĤležitou oblastí využití pak je možnost konstrukce
pĜedpovČdních modelĤ. Uvedené aplikace prokázaly možnost nasazení neuronových sítí
pro konstrukci pĜedpovČdních modelĤ odtokĤ vody z povodí, resp. pĜedpovČdi prĤtokĤ vody v Ĝíþní
síti. Pro Ĝešení pĜedpovČdí „Flash Floods“ se jako perspektivní jeví i užití fuzzy modelĤ.
Možnosti využití metod umČlé inteligence v rámci zpracovaných Ĝídících algoritmĤ jsou
nesporné. ěídící algoritmy popsané odstavci A a C považuji za použitelné pouze v rámci malých
povodí, kdy je možno þasové a prostorové rozložení srážky nad povodím považovat za konstantní
(obdobou jsou i samostatnČ Ĝešené dolní þástí rozsáhlých povodí, kde povodnČ již pĜevážnČ pouze
procházejí - je zanedbán vliv srážek, apod.). V opaþném pĜípadČ variabilita tohoto vstupu Ĝešení,
umocnČná variabilitou poþáteþního plnČní nádrží, znaþnČ snižuje vČrohodnost natrénovaných
neuronových sítí. Konstrukce Ĝídících algoritmĤ v prostĜedí MATLAB za použití pĜíslušných
ToolboxĤ je pĜekvapivČ snadná. Tuto skuteþnost jistČ ocení každý, kdo konstruoval pĜíslušné
algoritmy na bázi hydraulických výpoþtĤ. Slabší stránkou tohoto prostĜedí je však malá rychlost
výpoþtĤ, která z hlediska praktické použitelnosti toto prostĜedí urþitým zpĤsobem degraduje.
Vlastnost týkající se rychlosti výpoþtu pĜi použití natrénované neuronové sítČ najde svoje
uplatnČní pĜi Ĝešení problémĤ, jejichž matematický model je znám a existují modely umožĖující
jeho Ĝešení. Vlastní výpoþet však pĜi jejich použití vyžaduje i pĜi souþasné úrovni rozvoje výpoþetní
techniky znaþnou spotĜebu strojového þasu. Trvání výpoþtu pak znehodnocuje dosažené výsledky
- 188 -
z hlediska jejich aktuálnosti. Ve vodním hospodáĜství se nabízí využití této vlastnosti právČ
pĜi operativním Ĝízení vodohospodáĜských objektĤ a soustav. Zde je použití neuronové sítČ
pro aproximaci matice cílového chování možným Ĝešením. Výpoþty na natrénovaných neuronových
sítích probíhají ĜádovČ v milisekundách.
Dosažené výsledky byly ve všech uvedených aplikacích hodnoceny individuálnČ a je možno
je považovat za velmi nadČjné. ZávČry však nedoporuþuji pĜeceĖovat. PĜedevším je tĜeba mít
na mysli, že neuronové sítČ nevynikají pĜesností pĜi extrapolaci, tj. použijeme-li natrénovanou
neuronovou síĢ pro vstupní údaje, které leží mimo tréninkovou oblast.
ýlánek byl zpracován v rámci Ĝešení výzkumného projektu GACR 103/07/1620 „Predikþní
a simulaþní modely v teorii operativního Ĝízení vodohospodáĜských soustav“.
Literatura
[1] DRBAL, K., STARÝ, M., Modelování hydrogramĤ povodĖových vln v systému stanic.
Výzkumná zpráva RÚ 43-210, Praha, 1996, s. 17-25, 96 s. pĜíloh.
[2] LAWRENCE, J., Introduction to Neural Networks. Nevada City. California Scientific
Software, 6th Edition, July 1994, 348 s.
[3] NACHÁZEL, K., STARÝ, M., ZEZULÁK, J. a kol., Užití metod umČlé inteligence ve vodním
hospodáĜství. ACADEMIA, Praha, 2004, 320 s, ISBN 80-200-0229-4.
[4] STARÝ, M., HYDROG. Software pro simulaci, predikci a operativní Ĝízení odtoku vody
z povodí. Brno. 1991-2009.
[5] STARÝ, M., Analýza kvantitativních a kvalitativních dat vodního zdroje BĜezová pro úþely
prognózy. Studie, Brno, þerven 1993, 31 s.
[6] STARÝ, M., Neuronové sítČ a pĜedpovČć kulminaþních prĤtokĤ a objemĤ povodní v povodí
Ĝeky Ostravice - uzávČrový profil Šance. In: Vodohospodársky þasopis, Vol. 46, No. 1, 1998,
str. 45-61, ISSN 0042-790X.
[7] STARÝ, M., BLAŽEK, J., Operative Forecast of Flood Discharge in Gauging Network.
In: XI.mezinárodní vČdecká konference, VUT Brno, 1995, str. 157-162.
[8] STARÝ, M., DIVIŠ, L., Neural Networks and Prediction of Run-off from Small River Basin.
In: Presentation referats of International Forum on Problems of Science, Technology
and Education, Moskow, May 19-23, 1997, s. 50-53.
[9] STARÝ, M., DOLEŽAL, P., Srovnání pĜístupĤ k sestavení Ĝídících algoritmĤ pro operativní
Ĝízení odtoku vody nádrží za prĤchodu povodnČ. In: Vodní toky, Hradec Králové, 2003, 7 s.
[10] STARÝ, M., JACOBSEN, P., DAHL, A., Operativní Ĝízení vodohospodáĜských systémĤ
za použití neuronových sítí. In: Sborník referátĤ z 6.symp.VodohospodáĜské soustavy,
LáznČ Bohdaneþ, ýVTS, 1993, s. 173-183.
[11] STARÝ, M., ŠEBLOVÁ, H., Neural networks applied to the flood warning system in basins
with reservoirs, In.: Sborník mezinárodního workshopu Optimalizace inženýrských úloh
ve stokování, VUT FAST, Brno, duben 2000.
[12] STARÝ, M., ŠEBLOVÁ, H., TUREýEK, B., The operative control of the passage of floods.
In: Proceedings of the third international conference on hydroinformatics, CopenhagenDenmark, 24-26 August1998, str. 831-836, ISBN 90-5410-985-8.
[13] STARÝ, M., TUREýEK, B., Operative control and prediction of floods in the River Odra
basin. In. Flood Issues in Contemporary Water Management, NATO Science Series,
2.Enviromental Security – Vol.71, Kluwer Academic Publishers, 2000, s. 229-236,
ISBN 0-7923-6452-X.
[14] STARÝ, M., DOLEŽAL, P., JAROŠ, L., Operative Control of Outflows from System
of Reservoirs during the Flood Passage and Use of Artificial Intelligence Methods.
In: 3rd International Congress for Flood Prevention, Consequences of Climatic Change
and Disaster Management, 13.9.2006, Hamburg, Germany, DE 811214125, p. 2.
- 189 -
BIOTECHNICKÉ ZPģSOBY STABILIZACE BěEHģ
ÚDOLNÍ NÁDRŽE BRNO
BIOTECHNICAL STABILIZATION OF BANK OF BRNO
RESERVOIR
Miloslav Šlezingr*
Bank erosion (sometimes called bank abrasion) occus at some extent almost at each
reservoir as a result of wave and wind action, changed regime of groundwater flof,
surfaĜe runoff and bank soil unstability.
Unfavourable combination of mentioned effect with orginal steep slope configuration can
impair stability of the originál slope and cause so called bank erosion.
Úvod
Téma stabilizace bĜehĤ je na tomto vodním díle Ĝešeno již Ĝadu let. Po roce 1997 a následnČ
po roce 2002, kdy bylo výraznČ prohloubeno poškození bĜehĤ pĜedevším v oblasti Osada, jsme
pĜistoupili ve spolupráci s Povodím Moravy s .p. k pĜípravným pracem na stabilizaci bĜehového
území. Základem bylo provedení podrobného geodetického zamČĜení lokality a následnČ posouzení
stávajícího stavu pobĜeží. Konstatován byl stav havarijní, abrazní sruby místnČ dosahují 5 – 6 m
výšky, patrny jsou rozsáhlé pĜevisy, zaznamenáno bylo Ĝícení obnažené zeminy. V roce 2003 byla
provedena první a v roce 2005 druhá etapa sanaþních prací. V roce 2009 bylo pĜikroþeno k nejvČtší
þásti stabilizace bĜehĤ v rozsahu cca 2 km.
Obr. 1 Poškození bĜehĤ údolní nádrže Brno
*
Miloslav Šlezingr, Ústav vodních staveb, Fakulta stavební, Vysoké uþení technické v BrnČ, [email protected],
Ústav tvorby a ochrany krajiny, Mendlova zemČdČlská a lesnická univerzita v BrnČ
- 190 -
Návrh Ĝešení
Navrženy byly tĜi základní druhy biotechnické stabilizace bĜehĤ. V následném rozboru
možných Ĝešení došlo k výbČru dvou zpĤsobĤ stabilizace, a to pro oblasti s nevýrazným
poškozením bĜehĤ (abrazní srub do výšky cca 1 m) a pro oblasti výraznČ poškozené (abrazní sruby
do výšky 5 – 6 m).
Pro Ĝádnou stabilizaci poškozených bĜehĤ je kromČ vlastního návrhu stabilizace dĤležité její
výškové umístČní ve svahu (v bĜehu). Toto umístČní je nutno zjisti výpoþtem. Prvním krokem
je stanovení nejþetnČjší maximální hladiny Mnmax. Tu urþíme statistickým vyhodnocením denního
mČĜení výšek hladin v nádrži za období alespoĖ 10 let (pro údolní nádrž Brno - obrázek 2).
Obr. 2 Stanovení maximální nejþetnČjší hladiny
Pro údolní nádrž Brno je tedy Mnmax = 228,83 m n.m. Hodnotu této nadmoĜské výšky
je pro naše úþely nutno zvýšit o:
ǻ H……náklon hladiny závislý pĜedevším na rychlosti vČtru a délce rozbČhu vČtru po hladinČ
½ hn……polovina návrhové výšky vlny
h0 ……...stĜednice vlny
Platí tedy rovnice urþující hodnotu Va jakožto základní výšku pro návrh umístČní bĜehové
stabilizace:
Va = ½ hn + ǻ H + h0 .
- 191 -
Pro údolní nádrž Brno a pro konkrétní þást sledovaného pobĜeží je výšková hodnota
smČrodatná pro další návrh stabilizace i zpracování prognózy ústupu bĜehové þáry:
Va = 229,00 m n.m.
Problémem v dané lokalitČ tedy není urþení základních parametrĤ umístČní bĜehové stabilizace
a návrh konkrétní stabilizaþní konstrukce, ale dle posledních vyjádĜení správce toku (Povodí
Moravy, s.p.) a odboru Životního prostĜedí Magistrátu mČsta Brna vlastní zpĤsob sanace abrazního
srubu (obr. 1).
PĜedstava správce toku je jednoznaþná – nutná je úprava poškození bĜehu za minimálního
ovlivnČní nad bĜehovou þarou prosperujícího lesního porostu. Tedy realizace kamenné paty
do výšky cca 1/3 až 1/2 výšky abrazního srubu a následné sesvahování bĜehu ve sklonu cca 1:1,5.
(tomuto tématu se podrobnČji vČnují pĜíspČvky Ing. Širokého a Ing. Foltýnové) Takto bude nutno
odstranit dĜeviny nalézající se pĜímo na hranČ abrazního srubu a tČsnČ za ní do vzdálenosti 2 – 3 m.
Zde rostoucí dĜeviny mají z velké vČtšiny poškozený koĜenový systém, hrozí vývraty a následné
další poškození bĜehu.
VýraznČ odlišný názor mají pĜedstavitelé odboru Životního prostĜedí, kteĜí ve vzniklém
abrazním srubu vidí pĜírodní útvar hodný ochrany, bez ohledu na následky – bezpeþnostní situaci
v rekreaþní oblasti, možnost postupu abraze a dalšího ohrožení objektĤ, ztrátu lesní pĤdy, aj.
Ke stabilizaci bĜehového poškození se staví rezervovanČ a probíhající jednání nenaznaþují v oblasti
Osada ú.n. Brno výrazný pokrok.
I z tohoto dĤvody jsme se rozhodli navrhnout nové, netradiþní Ĝešení dané situace, které
do znaþné míry eliminuje další poškození paty abrazního srubu, což je základní požadavek, jehož
splnČní vede k dlouhodobé stabilizaci bĜehu. Návrh však bezprostĜednČ neĜeší bezpeþnostní situaci,
neboĢ není navržen žádný zásah do „tČla“ abrazního srubu.
Podstatou návrhu je kamenná pata, která však neslouží jako pĜímá bĜehová stabilizace, ale jako
vlnolam. Funkce navrženého vlnolamu je podtržena jeho oživením vrbovými Ĝízky ve smČru
do nádrže i do bĜehu. Navrženy jsou dvČ Ĝady vrbových ĜízkĤ vrby poĜíþní (Salix fluviatilis).
Schéma celé stabilizaþní konstrukce ukazuje obrázek 3.
Stávající bĜehové porosty
abrazní srub
Vlnolam tvoĜený
kamennou patou a 4
Ĝadami vrbových ĜízkĤ
Va
Mn max
Obr. 3 Schématické znázornČní bĜehové abraze a stabilizace paty abrazního srubu pomocí
vlnolamu
- 192 -
ZávČr
Navržené Ĝešení bude propracováno a pĜedloženo jako variantní možnost pokud nebude
schválena pĤvodní stabilizace bĜehového území za pomoci stabilizaþních pat kamenných, pĜípadnČ
pat tvoĜených gabiony.
DĤležité je provést v roce 2009 alespoĖ þásteþnou úpravu bĜehĤ, jelikož se poþítá se snížením
hladiny vody v údolní nádrži, a to celoroþnČ. Jedná se výjimeþnou situaci, která nastala poprvé
za 70 let provozu nádrže. PĜirozenČ stabilizovaná abrazní plošina umožĖuje jízdu nákladním
automobilĤm, stejnČ jako práce na realizaci stabilizace na suchu.
Literatura
[1] ŠLEZINGR, M., Abrasion der Ufer, Brno – Dresden 2002
[2] ŠVECOVÁ, A., M., ZELENÁKOVÁ, M., Vodné stavby, Košice 2005
[3] URADNÍýEK, L., ŠLEZINGR, M., Stabilizace bĜehĤ za využití armované zemní konstrukce
s podporou koĜenových systémĤ dĜevin, Brno, 2007
- 193 -
MEZE PODOBNOSTI PěEPADU PěES PěELIV
SE ZAOBLENOU KORUNOU
LIMITS OF ROUND CRESTED WEIR MODELLING
Jan Šulc*, Robert ŠafáĜ**, Daniel Picka***
The requirements to expertise the capacities of existing spillways with rounded crest
for increased flows are extending at the present time. These structures were built since
1960 mainly as side emergency spillways of dams and weirs. Multiple increasing
of transferred flows in comparison with primary design discharge significantly change
hydraulic conditions of capacity and pressure distribution on the spillway surface.
At present, allows physical modelling satisfactory determination of hydraulic
characteristics at high flow rates. Limits of similarity are reliably established
for modelling of the sharp-crested weir nappe. For streamline spillways are till this time
these limits defined rather broadly. Article presents the results of processed measurements
on a systematic series of three scaled models with rounded crest spillway. Impact
of spillway width, headwater level and roughness on capacity and pressure conditions
on surface of weir structure is analyzed in this article.
V souþasné dobČ se množí požadavky na posouzení proudových pomČrĤ u stávajících pĜelivĤ,
které mohou být vystaveny nČkolikanásobnČ vČtším prĤtokĤm v porovnání s pĤvodními
návrhovými hodnotami. Je pochopitelné a ekonomicky zdĤvodnitelné, že je snaha o provČĜení
tČchto pĜelivných konstrukcí nejjednodušší cestou. Matematické modely pro pĜípady prostorového
proudČní s pĜechodem režimu prokazují nižší pĜesnost. V pĜípadČ ovlivnČnosti dolní vodou
je simulace proudČní doprovázeného odtržením tranzitního proudu dosud prakticky neschĤdná.
Komplikovanost hydraulických pomČrĤ mĤže být doprovázena v nČkterých pĜípadech výraznou
bistabilitou pĜi stĜídavém zavzdušĖování prostoru pod odtrhávajícím se pĜepadovým paprskem
od vzdušního líce. Jev je charakteristický nízkými frekvencemi výrazných zmČn pĜepadového
množství a tlakĤ po pĜelivné ploše. Tyto komplikované pomČry jsou a dlouho ještČ budou dĤvodem
pro využívání zmenšených hydraulických modelĤ k posuzovacím úþelĤm.
Meze modelové podobnosti
Hydraulický jev na pĜelivné konstrukci je urþen silami zpĤsobenými vlivy povrchového napČtí,
viskozity kapaliny a dominantnČ gravitace. Pro korektní návrh mČĜítka modelu je nutné vyjít
z prostorových možností, kapacity hydraulického okruhu a dolní meze ohraniþující pásmo
automodelovosti jevu. V odborné literatuĜe byla problematice dolní meze vČnována pozornost
u pĜepadu pĜes ostrou hranu na svislé tenké stČnČ s doporuþením limitní výšky pĜepadového
paprsku h = 60 mm [2, 3]. Pro geometricky obecnČjší pĜípad proudnicovČ zaobleného pĜelivu
se uvádí pro tuto výšku hodnota h = 50 mm. Vyšší hodnota v porovnání s mezí doporuþovanou
pro proudnicové pĜelivy je logická vzhledem k pĤsobení povrchového napČtí i na spodním líci
pĜepadového paprsku.
*
**
***
Jan Šulc, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
Robert ŠafáĜ, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
Daniel Picka, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ, ,
[email protected]
- 194 -
Doporuþené hodnoty svČtlých šíĜek pĜelivných polí jezĤ nebo pĜehrad jsou pro zachování
dominantního podílu gravitaþních sil b > 60 mm. V pĜípadČ použití výsekových modelĤ se šíĜka
hydraulických žlabĤ doporuþuje b t 200 mm pro potlaþení vlivu drsnosti boþních stČn [2].
PĜi rozhodování o volbČ mČĜítek modelĤ nás v posledních letech uvedené meze nepĜíjemnČ
omezovaly z prostorového a tím ve smČru k zákazníkovi i cenového hlediska. ByĢ „dolní“ hodnoty
modelovaných rozsahĤ prĤtokĤ zpravidla neomezují pomČry pĜi návrhových nebo kontrolních
stavech, shodu mezi proudČním na modelech a dílech lze zpravidla relativnČ pohodlnČ a bezpeþnČ
monitorovat právČ pĜi nich. Uvedené potĜeby byly pĜíþinou provedení systematického výzkumu
pro nalezení mezních hodnot uplatĖování omezujících vlivĤ povrchového napČtí a viskozity
na proudové charakteristiky (hladinové pomČry a tlaky na obtékaném povrchu).
Popis použité systematické Ĝady modelĤ
Pro potĜeby hledání mezí modelové podobnosti byly použity tĜi výsekové geometricky
si podobné objekty proudnicové pĜelivné plochy s geometrickými mČĜítky M 1:1, 1:2 a 1:4. StupeĖ
drsnosti povrchu n = 0,008 ÷ 0,009. Na obr. 1 jsou znázornČny charakteristické rozmČry konstrukce
s oznaþením piezometrických odbČrĤ pro mČĜení prĤbČhĤ tlakĤ na pĜelivné ploše. Geometrické
tvary modelu lze charakterizovat v Ĝezu hodnotami t1/s = 0,467; t/s = 0,283; t2/s = 0,184.
Zde s je svislá odlehlost koruny pĜelivu od dna. Jednotlivé polomČry zaoblení koruny R = 35,00;
17,50; 8,75 mm.
Prototyp modelu pĜi šíĜce pĜelivu b = 412 mm byl postupnČ vystavován prĤtokĤm v rozsahu
od 5,0 do 40,0 l/s s krokem 5,0 l/s. K tČmto hodnotám byly následnČ stanoveny odpovídající
prĤtoky pro jednotlivé testované šíĜky a mČĜítka pĜelivu (dle Froudova kriteria mechanické
podobnosti).
Veliþiny byly mČĜeny pĜi následujících pĜesnostech (údaje v závorkách) – prĤtok indukþním
prĤtokomČrem (0,1 l/s), tlaky na piezometrických trubicích pĜípadnČ membránovým snímaþem
(10 Pa) a úrovnČ hladin elektronickým hrotovým mČĜítkem (1 mm).
Obr. 1 ěada modelĤ pĜelivu umísĢovaných v hydraulickém žlabu
Výsledky experimentĤ
Na uvedené modelové ĜadČ byly monitorovány modelovČ podobné proudové podmínky.
PĜi vlivu promČnné šíĜky byly výsledky pĜepoþteny na „rovinný problém“ charakterizovaný
specifickým prĤtokem. Výsledky i vstupní hodnoty byly pĜi použití Froudova kriteria pĜepoþteny
na zvolený prototyp. Porovnány byly vždy stavy za dokonalých proudových pomČrĤ pĜi a) plném
zavzdušnČní prostoru pod odtrženým paprskem od vzdušního líce a b) zcela pĜisátém paprsku k líci.
- 195 -
Vliv šíĜky (délky koruny pĜelivu) na kapacitu pĜelivné plochy
Na prototypu pĜelivné plochy byla provedena experimentální mČĜení pĜi šíĜkovém omezení
boþními stČnami b = 412 mm, 352 mm a 310 mm. ŠíĜka je vyjádĜena, pomČrem b/R, b je šíĜka
a R polomČr koruny pĜelivu. Na prototypu pro R = 35 mm þinily hodnoty b/R = 11,77; 10,06 a 8,86.
Štíhlostní pomČr s/t = 3,571, relativní polomČr zaoblení R = t/2.
PrĤbČh souþinitelĤ pĜepadu m na prototypu pro rĤzné šíĜky pĜelivného pole pro sobČ navzájem
si odpovídající specifické prĤtoky se nacházel v mezích chyby mČĜení. Maximální a ojedinČlý
extrémní rozdíl v experimentálnČ stanovených souþinitelích je 1,5% vĤþi základnímu nastavení
(prototyp b = 412 mm). Vliv šíĜky na kapacitu pĜelivu reprezentovanou souþinitelem pĜepadu
se pĜi výše uvedených kombinacích u prototypu, jak jsme oþekávali, neprojevil.
Vliv šíĜky na souþinitel pĜepadu m se prakticky neprojevil dokonce ani pĜi experimentech
na modelu s mČĜítkem M 1:4 a šíĜkách b = 412 mm; 197 mm; 104 mm (b/r = 47,09; 22,51 a 11,89).
Automodelovost souþinitele pĜepadu z hlediska vlivu šíĜky je dle výsledkĤ mČĜení potvrzena
pro prĤtoky q 0,0046 m2/s. Jak je patrné z obr. 2, došlo k ovlivnČní hodnoty pĜepadového
souþinitele m na nejmenším modelu pĜi specifických prĤtocích q 0,0030 m2/s, tedy pĜi výškách
pĜepadového paprsku h 16 mm. V tomto pĜípadČ se již zaþíná uplatĖovat vliv povrchového napČtí
na pĜepad, jak je popsáno dále. Pouze pro upĜesnČní nutno uvést, že k odtrhávání paprsku
pĜi zavzdušnČní (aĢ samovolném þi umČlém) docházelo na tomto modelu pĜi q > 0,0090 m2/s.
Vliv šíĜky pĜelivného pole b na pĜepadový souþinitel m modelu 1:4
pĜelivné plochy, pĜi nezavzdušnČném pĜepadovém paprsku
0,600
m [-]
0,550
0,591
0,588
0,572
0,565
0,559
0,543
0,535
0,518
0,528
0,579
0,570
0,567
0,554
0,569
0,552
0,536
0,509
0,508
0,500
0,494
0,450
0,450
0,435
q = 0.0015 m2·s-1
0,406
q = 0.0030 m2·s-1
0,400
q = 0.0046 m2·s-1
q = 0.0061 m2·s-1
0,356
q = 0.0076 m2·s-1
0,350
q = 0.0091 m2·s-1
q = 0.0106 m2·s-1
q = 0.0121 m2·s-1
0,300
5,0
10,0
15,0
20,0
25,0
30,0
35,0
40,0
45,0
b/R [-] 50,0
Obr. 2 Graf vyhodnocených souþinitelĤ pĜepadu pro rĤzné specifické prĤtoky q
Vliv modelového mČĜítka na hodnotu pĜepadového souþinitele m
Hodnoty pĜepadových souþinitelĤ m byly vyjádĜeny jako funkce modelového mČĜítka
f (M ) pro konkrétní specifické prĤtoky.
V rozsahu prĤtokĤ q 0,0364 m2/s (pĜepoþteno na prototyp), lze potvrdit automodelovost
pĜepadového jevu na pĜelivu. Uvedenému specifickému prĤtoku odpovídá na modelu s mČĜítkem
M 1:4 pĜepadová výška pĜibližnČ h = 16 mm ,v relativní hodnotČ h/R = 1,8, viz obr. 3.
m
- 196 -
Vliv mČĜítka délek M na pĜepadový souþinitel m pĜi nezavzdušnČném
pĜepadovém paprsku (q pĜepoþteno na prototyp)
m [-]
0.600
0.575
0.543
0.550
0.556
0.538
0.515
0.518
0.525
0.526
0.509
0.500
q = 0.0121 m2?s-1
0.475
q = 0.0243 m2?s-1
0.450
q = 0.0364 m2?s-1 0.435
0.490
0.477
0.458
q = 0.0485 m2?s-1
0.425
0.400
5.0
4.0
3.0
2.0
1.0
M [-]
0.0
Obr. 3 Graf souþinitelĤ pĜepadu m v závislosti na mČĜítku M pro rĤzné prĤtoky q
Vliv drsnosti pĜelivné plochy na její pĜepadovou kapacitu
Na modelech byl také simulován vliv zvýšené drsnosti na Q-h charakteristiku pĜelivu.
Pro zvýšení drsnosti byl na model pĜilepen smirkový papír s oznaþením P 40 dle ISO 6344
s prĤmČrnou velikostí zrna 425 Pm. Po instalaci smirkového papíru na prototyp došlo
k maximálnímu snížení kapacity pĜelivu pĜibližnČ o 4 % pro nezavzdušnČný a o 1,5 %
pro zavzdušnČný pĜepadový paprsek. Na modelu s mČĜítkem 1:4 došlo ke snížení kapacity pĜibližnČ
o 9 % pro nezavzdušnČný a 4,7 % pro zavzdušnČný pĜepadový paprsek. Uvedená snížení kapacit
byla pozorována v celém zkoušeném rozsahu prĤtokĤ. Tedy vliv drsnosti povrchĤ bČžnČ
používaných materiálĤ k výrobČ modelĤ proudnicových pĜelivĤ se pĜi výškách pĜepadového
paprsku h > 20 mm projeví prakticky v rozsahu chyb mČĜení, kdy vliv vazkosti na pĜepadový jev
lze zanedbat.
Shrnutí
Výsledky uvedených experimentĤ byla potvrzena do hodnoty b = 107 mm neovlivnČnost
pĜepadové kapacity šíĜkou pĜelivného pole, zjištČní je v souladu s údaji v [2]. U testované modelové
Ĝady þiní hodnota mezní pĜepadové výšky h = 16 mm pro zajištČní automodelovosti kapacity
pĜelivu. Pro nižší pĜepadové výšky dochází k ovlivnČní pĜepadu zejména vlivem sil povrchového
napČtí kapaliny. Drsnost bČžnČ používaných materiálĤ k výrobČ modelĤ pĜelivĤ se pĜi výškách
pĜepadového paprsku h > 20 mm na hodnotČ pĜepadového souþinitele projeví pouze v rozsahu chyb
mČĜení. Uvedená zjištČní rozšiĜují poznání v oblasti hydraulického modelování a zejména
navrhování modelĤ pĜelivných objektĤ se zaoblenou korunou.
Veškeré experimenty byly doplĖovány mČĜením rozložení tlakĤ po obtékaném povrchu, která
po vyhodnocení potvrdila uvádČné hodnoty mezí automodelovosti jevu.
Práce byly provedeny s podporou projektĤ GAýR þ. 103/09/0977 a FRVŠ þ. 301/2009.
Literatura
[1] STARA, V., KOUTKOVÁ, H., Souþinitel pĜepadu pĜelivu s kruhovČ zaoblenou korunou
z fyzikálních experimentĤ, pĜíspČvek na konferenci 3. VodohospodáĜská konference,
ISBN 80-86433-26-9, Ústav vodních staveb, Brno, 2004
[2] ýÁBELKA J., GABRIEL P., Matematické a fyzikální modelování v hydrotechnice I, Praha,
SNTL-SVTL, 1987
[3] SMETANA J., Meze modelového výzkumnictví v hydrotechnice. Sborník ýeské akademie
technické Praha, roþník XVII, 1943, sešit 7, þ. 101
- 197 -
THE EFFECT OF NEW TENDENCIES IN THE PLANNING
AND THE MARKET WITH ELECTRICAL ENERGY
ON THE OPERATION OF THE HYDROPOWER PLANTS
IN THE ELECRIC SUPPLY SYSYTEM OF SLOVAKIA
Peter Šulek*
A considerable attention has been paid to the optimal utilization of the dynamic
characteristics of the hydropower plants in electric supply system of Slovakia. For more
than 20 years, simplified optimization solutions have been used for the operation planning
as well as the real time operative control. The issue of the assuring the support services
in the field of the primary, secondary and tertiary regulation of power output has been
increasingly occurring by the operation of the hydropower plants in the last years.
The article describes suitable methods for the solutions of the problems of the hydropower
plant control related to the new tendencies in the planning and the market with electrical
energy, while primary taking into account their generality in the aspect of the planning
and providing the support services.
To generate and to supply the electrical supply system (ESS) with as much power as is being
demanded at the same moment (including transmission losses) is important mainly because
the electric power can not be stored in a larger scale and subsequently used in the time of increased
power demand. The sources, which are assuring the balance of the energy system between
the power generation and the power demand, provide the so-called support services (PpS)
to the electric supply system.
The support services can be divided into:
- the primary power regulation (PRV),
- the secondary power regulation (SRV),
- the tertiary power regulation (TRV),
- the quick and the cold dispatch backup.
The power in the ESS which is reserved for the support services assuring is called
the regulation (power) backup. Whether at the production of the base power or the assuring
of the PpS, the objective of the power producer should be to maintain the maximum operational
effectiveness of the power system. The simplest and the most common criterion for the optimal
allocation of the load between the power sources of the system is the achievement of the minimal
production costs with the respect to the limiting conditions, which are linked to this criterion
in the specific time and space [2]. Based on the previous, for a hydropower-thermal system, which
consists of m thermal and n hydropower plants, can be the total fuel costs Nc in a regulation period
T expressed as following:
T
Nc
m
¦¦ N
s
i, j
( s Pi , j ) PpS N i , j ( s Pi , j , PpS Pi , j , PpS Pi , j ) ĺ min
(1)
j 1 i 1
where:
j
i
s
Ni, j
s
Pi, j
PpS
Ni,j
*
the index of the time interval of the solution within the total regulation time T, j = 1 2, .., T
the index of the thermal power plant, i = 1, 2, .., m
the fuel costs of the i thermal power plant during the j hour at the base power generation
the power output (base power) of the i thermal power plant (TPP) during the j hour [MW]
the fuel costs of the i thermal power plant during the j hour, related to the providing
of the PpS [costs/hour]
Peter Šulek, Dept. of Hydraulic Engineering, Faculty of Civil Eng., SUT in Bratislava, [email protected]
- 198 PpS+
Pi,j positive regulation power output of the i thermal power plant during the j hour [MW]
Pi,j negative regulation power output of the i thermal power plant during the j hour [MW].
For the balance of the power outputs (base power) in the j hour of the regulation period T can
be written:
PpS-
m
s
¦
Pj
n
s
i 1
Pi , j ¦ s Pk , j
(2)
k 1
where:
k
the index of the hydropower plant (HPP), k = 1, 2, .., n
s
Pj
the total required base power during the j hour [MW]
s
Pk, j
the base power of the k hydropower plant during the j hour [MW].
For the balance of the power backup during the j hour stands in the positive or negative course
of the deviation following:
m
PpS Pj
¦
n
PpS i 1
Pi , j ¦ PpS Pk , j
k 1
m
or
PpS Pj
¦
i 1
n
PpS Pi , j ¦ PpS Pk , j
(3)
k 1
where:
Pj the total required positive regulation backup during the j hour [MW]
PpS+
Pk,j the positive regulation backup of the k hydropower plant during the j hour [MW]
PpSPj the total required negative regulation backup during the j hour [MW]
PpSPk, j the negative regulation backup of the k hydropower plant during the j hour [MW].
The diversion of the load between thermal and hydropower plants with the respect
to all of the boundary water management and energetic conditions and fulfilling the criterion ( 2 )
will be optimal and the total fuel costs in the energetic system will be minimal. The system
of the energetic sources of the Slovenské elektrárne company, which operates 2 nuclear, 2 thermal
and 34 hydropower plants, can also be considered as a hydropower-thermal system. Apart from
the complicated analytic expression of the costs related to the providing of the support services,
the complexity of the optimal distribution of the load between the TPPs and the HPPs is caused
mostly by the operation of the hydropower plants in the cascade (the Váh Cascade), where
the hydropower plants are interconnected between themselves by complicated hydraulic links.
The complexity of the support services distribution is also caused by the fact that the ability
of providing support services for the ESS depends on the type of the hydropower plant, as well.
To express the suitability of the particular types of the hydropower plants for the PpS providing
is a very complex and complicated task. In the real process of the planning of the energetic system’s
operation, the distribution of the support services between particular sources is rather based
on the experience of the dispatch operators. In the first step, the percentage of the generation unit’s
ability to provide power backup with taking into account the backup’s use for the providing
of the support services of a higher rank is specified (e.g., for estimating the ability of the unit
to provide the power backup for the tertiary regulation, the backup for the primary
and the secondary regulation is taken into account). In the next step, the base power load
distribution between the HPP and the TPP is based on the regime efficiency criterion expressed
as follows:
PpS+
k 1
·
Pj ¦ s Pk , j ¸.s Pk , j ĺ max
(4)
k 1
j 1 k 1
¹
where bj is the relative increase of the fuel costs during the j hour for all of the TPP [costs/MWh].
The values of the sPk,j are determined by the maximization of the objective function F
supplemented by the limiting conditions, which are mostly based on the constraints in the operation
manuals of the water structures or given by the constructional and operational parameters
of the HPPs.
T
F
n
§s
¦¦ b ¨©
j
min
max
min
Pk , j PpS Pk , j d sPk , j d Pk , j PpS Pk , j ( 5 )
HN k ,T
poz
HN k ,T
- 199 -
max
HN k , j d HN k , j d HN k , j
Vk , j 1 Vk , j
(7)
prítok
Vk , j odber
(6)
Vk , j
(8)
where:
min
max
the min and the max attainable power output of the k HPP during the j hour [MW]
Pk , j , Pk , j
min
max
HN k , j , HN k , j the min and the max operational water level in the reservoir of the k HPP during
HNk,j
HNk,T
poz
HNk,T
Vk,j
prítok
Vk,j
odber
Vk,j
the j hour [m a.s.l.]
the water level in the reservoir of the k HPP in the end of the j hour [m a.s.l.]
the water level in the reservoir of the k HPP in the end of the T [m a.s.l.]
the required water level in the reservoir of the k HPP in the end of the T [m a.s.l.]
the storage volume of the reservoir of the k HPP in the end of the j hour [m3]
the total volume of water flown into the reservoir of the k HPP in the j hour reduced
by the evaporation losses, leakage and other not energetic withdrawals [m3]
the total volume of water withdrawn for energetic purposes from the reservoir of the k HPP
during the j hour [m3].
PRV+
Qk,j
SRV+
Pk,j
SRV+
Ek,j
Pk,j
SRV+
Qk,j
TRV+
TRV+
max discharge
PRV+
max power output
Pk,j
SRV+
Ek,j
Vk,j
TRV+
Qk,j
TRV+
Vk,j
TRV-
Qk,j
TRV-
Vk,j
total volume of water
withdrawn from the reservoir
due to activation of PpS+
base power
output
TRV-
Pk,j
SRV-
SRV-
Pk,j
PRVPk,j
Ek,j
SRV-
Ek,j
min power output
j-1
j
duration
discharge
power output
TRV-
Qk,j
PRVQk,j
SRV-
j-1
without activation of PpS+
due to activation of PpSmin discharge
Vk,j
j
duration
Fig. 1 The estimation of the water volume withdrawn for the energetic
purposes of the k HPP’s reservoir during the j hour
The scheme in the fig. 1 shows that the value of the odberVk,j is based on the nature
of the provided PpS. Based on its nature, for the primary power regulation is the PRV+ or the PRVvolume equivalent neglected. For its planning, only the assigning of the required power backup
is taken into account. For the secondary power regulation, the volume of water required
for the SRV+ or SRV- can be expressed as follows:
j
SRV ( )
Vk , j
³
SRV ( )
Qk (t ).dt
(9)
j 1
the actual discharge equivalent of the SRV+(-) of the k HPP [m3/s].
where: SRV+(-)Qk
For the providing of the tertiary power regulation is also necessary to take into account
the volume change of the water withdrawn from the reservoir. The expression for the TRV+
or TRV- volume equivalent is as follows:
j
TRV ( )
Vk , j
³
TRV ( )
k .TRV ( ) Qk (t ) . dt
j 1
where:
TRV+(-)
Qk
the actual TRV+(-) discharge equivalent of the k HPP [m3/s].
( 10 )
- 200 TRV+(-)
k
the TRV’s utilization coefficient, expressing the uncertainity rate
of the moment of the tertiary power regulation load in the total regulation
period T. It can acquire values in the range <0~1>. If the TRV+(-)k value equals
1, it means that the TRV is assumed to be activated in every hour of the T [-]
Then, for the computation of the odberVk,j stand following:
odber
Vk , j
0
Vk , j SRV Vk , j SRV Vk , j TRV Vk , j or
odber
Vk , j
0
Vk , j SRV Vk , j SRV Vk , j TRV Vk , j
( 11 )
The described methodology of the planning of the support services on the hydropower plants
has been implemented into the model of the planning and operative control of the operations
of the hydropower plants since 2007. The model is a part of the complex information system
of the operations planning of the energetic sources of the Slovenské elektrárne, Co.. In the model,
the solution of the optimization objective, which is described by the criterion function ( 4 ), is based
on the modified simplex method with the corrective algorithm enabling a quick convergence
to the optimal result. Although the behaviour of the criterion function is nonlinear, for the selection
of this method has been the determining criterion the request of the shortest computational time
of the optimization as possible. The methodology of the optimal load allocation between
the thermal and the hydropower plants with the reserving of power backup for the support services
assuring, which is based on the energy producer so called regime efficiency, is universal only
in the case that the ESS operator is identical to the power producer or the case that the power
producer’s capacity totally covers the demands of the whole ES. In other cases, the conditions
of the optimal load allocation much more complicated. It is caused mostly by the fact that the base
power and the support services have a substitute character. It means that the increased production
of the one product requires the decrease of the production of the second product. Thus a situation
may occur that some sources with low marginal costs (e.g. hydropower plants) will be allocated
from the base power generation to the providing of the PpS. This will decrease the system
operator’s costs but at the same time it will lead to the increase the prices in the energy market,
because these sources will be replaced by the ones with higher costs. The decrease of the PpS costs
of the system operator would be at the expense of the consumers in the energy market. The situation
is complicated also by the facts that the price for the particular types of the support services is not
defined and the support services market, which would generate their prizes, is not created. The prize
for particular types of the support services is defied by a temporary apparatus, which is based
on the amount of the finances available to the supplier of the PpS - the operator of the electric
supply system after the confirmation from the regulatory office.
This work was supported by Science and Technology Assistance Agency under the contract
No. APVT 20-046602.
References
[1] KOLCUN, M. a kol., Riadenie prevádzky elektrizaþných sústav. Bratislava, 2001
[2] SEEWALD, V., Riadenie hydroenergetického systému SE, a.s. – Vodné elektrárne Trenþín.
EE - Odborný þasopis pre elektrotechniku a energetiku, þíslo 1, roþník III, február 1997
[3] NEDOROST, J., Spolupráca výrobných zdrojov ES SR pri krytí potreby. Výskumná správa,
VUPEX Bratislava, Bratislava 2004.
[4] ŠULEK, P., DUŠIýKA, P., Popis algoritmov hydromodelovania navrhnutých pre SW model
prípravy prevádzky VE - þasĢ Hydromodel pre operatívne riadenie prevádzky VE (Model B –
Simulaþný model) - technická dokumentácia, STU Bratislava, 2008
- 201 -
RISK ANALYSIS OF URBAN WATER SUPPLY SYSTEMS
Ladislav Tuhovþák*, Jan Ruþka**, Tomáš Kuþera***
The risk analysis represents a modern approach of determining the level of provision
of drinking water supplies for the consumers and the safety of the whole water supply
system. The authors of this paper present a methodology of risk analysis of drinking water
supply systems and they deal with identification of qualitative as well as quantitative risks
posted by the individual system components, the evaluation methods and interpretation
of results. Problems relating to uncertainty and poor input data quality are solved
by application of a FMEA/FMECA technique. The presented methodology has been
developed in the frame of currently running Czech national research project “WaterRisk”
whose basic approaches are also presented in the paper.
Introduction
The safety of drinking water depends on a number of factors, including quality of source water,
effectiveness of treatment and integrity of the water distribution system that transports water
to costumers. The current practice of designing and operating the water systems very often employs
methods of mathematical modelling. However, the risk theory is applied for development and use
of the models only seldom.
The risk analysis of water supply systems (WSS) has only been used for a relatively short
period abroad and in the Czech Republic it is at its very beginning, using experience, methods and
findings from other branches of industry. Due to extreme floods affecting Central Europe in 1997
and 2002, greater attention started being paid to the safety of drinking water supplies in the Czech
Republic during these crises. Another major impulse implementing the risk analysis for the design,
construction, and operation of WSS are failures of the individual elements and, above all,
endangering and interventions in the system from the outside. In particular, after the events
of 11th September 2001 in the USA, issues related to estimating, assessing and managing risks
associated with drinking water supplies to the inhabitants have started being formulated
and addressed mainly in large municipal agglomerations and extensive WSS.
It is important to divide the risks into quantitative and qualitative. Quantitative risks
in the process of drinking water supplying are mainly represented by a lack, i.e. water supply
interruption. Qualitative risks are mainly represented by poor drinking water quality,
the determination of which requires implementation of a risk analysis method into the drinking
water production, which will keep the water quality under permanent control.
Methodology for risk analysis of water supply systems
Terminology of risk analysis and general theory
At the very beginning of the WaterRisk project [4] a uniform terminology defining the exact
meaning of some special terms was established. Probably the most frequented term in this article
is “Undesired event” (UE) which means a state when an element (system, part, or product) loses
its required property or ability to fulfil the required function in specific conditions. Undesired event
*
**
***
Ladislav Tuhovþák, Institute of Municipal Water Management, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno,
[email protected]
Jan Ruþka, Institute of Municipal Water Management, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno, rucka.j@ fce.vutbr.cz
Tomáš Kuþera, Institute of Municipal Water Management, Faculty of Civil Eng., BUT in Brno,
kucera.t@ fce.vutbr.cz
- 202 -
is followed by undesired consequences. Some other terms that have been established are
e.g. “Hazard”, “Risk”, “Risk analysis” and so on. For the purposes of the WSS risk analysis
the methodology uses the definition of risk in concordance with IEC 300-3-9 [1]
to as a combination of the frequency, or probability, of occurrence and the consequence
of an undesired event” and expresses it as follows:
R=PxC
(1)
Risk analysis under uncertainty
The major problem is always how to calculate or estimate the values of C and P under
uncertainty - lack of data, insufficient historical records and/or unreliable data, uncertainty of failure
detection, uncertainty of employed methodology of risk analysis and proper interpretation, etc. This
problem may be effectively solved by using frequency instead of mathematical probability
of occurrence of undesired event and also by employing the FMEA/FMECA methodology [2].
FMEA uses categorization of probability of occurrence, severity of consequences and all other
potential inputs into categories. For instance, categories of frequency of occurrence may
be as follows: almost certain – likely – moderate – unlikely – rare. The category is then represented
by its point-score only, e.g. almost certain 5, rare 1. Each analyzed element is to be assigned
into one of the categories. This is done based on some chosen factors or indicators and, of course,
based on limits of categories. Limits are set up by expert with sound knowledge of the system. This
is a very efficient approach especially in the situation where hard data is missing and the analysis
has to be based on “soft” data. A semi-qualitative model is constructed where experts’ qualitative
information is very effectively used together with quantitative (statistical or empirical) hard data.
Risk structuring
The concept of risk structuring has been well known and has been presented at specialized
conferences many times [3]. Principally, for the purpose of risk analysis the WSS is divided into
four subsystems, overall consequences are considered as multidimensional vector, which
is composed of its four basic parts, and also hazards are divided according to its origin into three
basic categories. The overall structuring is shown in Figure 1.
WSS parts
Origin of hazard
Consequences
Water source
Natural hazards
Health
Water treatment
Manmade threads
Economic
Water distribution
Technical and
technological hazards
Socio - economic
Service connections
and plumbing
Environmental
Fig. 1 Risk structuring
Water supply system description
The very first step is always decomposition, detailed description and technical audit
of the analyzed WSS from the catchment area to the tap including water resources, treatment
technologies etc. The end-user does it himself using the advantages of the database of WSS
elements that contains all predefined theoretically possible elements of a conventional WSS.
The end-user is only supposed to pick those parts that are present in his WSS and describe their,
from the risk analysis point of view, important properties like dimensions, age, functionality,
operating conditions, known problems and so on.
- 203 -
The contemplation on the aim of the analysis should be done in this initial phase of analysis.
It is important to clarify what will be analyzed (part x unit), what sort of WSS
it is (simple x complex) and what level of detail will be distinguished (water tank = 1 unit x water
tank = 15 particular parts). When the WSS is defined and described, the next step of analysis can
be performed – the hazard identification.
Hazards identification
The aim of this procedure is to compile a comprehensive list of all practically possible hazards
that may occur in the WSS and generate list of potential undesired events that may occur. Hazards
are identified by the end-user who takes advantage of the catalogue of hazards which is a hundreditems-database serving as a checklist. Each hazard is followed by conditions of its relevance
and comments on impending consequences. Each item in the list has also its numerical ID
and attributes indicating parts of the WSS where the hazard is relevant.
Catalogue of undesired events
It is a specific list of undesired events or failures of particular parts of the WSS with interaction
to the formerly identified hazards that may cause them. UE is defined for a certain part
of the system; there may be more then one UE for each part and each of them must be properly
described (what, when, how - scenario). The content of the catalogue is generated ad-hoc
by the software application according to the type of WSS, its parts and formerly identified hazards.
The risk is analysed separately for each UE – consequences and frequency of occurrence
is estimated by means of a tailored methodology.
Frequency analysis
Frequency analysis aims to estimate the probability of occurrence of each analyzed UE.
A tailored methodology has been developed for each UE separately. Generally, water utilities fight
against a lack of input data for qualitative analysis techniques. That’s why the FMEA/FMECA
semi-qualitative technique has been chosen and implemented for that procedure, because FMECA
makes it possible to assign the analyzed UE according to the frequency to one of defined reference
categories K1- low/no probability up to K3 – very high probability using a set of specified
subsidiary indicators (e.g. technical indicators). Boundaries between the categories must
be set up uniformly before the analysis by expert.
Consequence analysis
The aim of the consequence analysis is to estimate the severity of UE consequences.
Consequences of all UEs in the whole WSS are analysed by means of a unified methodology that
takes into account four basic categories of consequences. These are personal injuries and deaths,
economic losses of water utility, socio-economic losses (e.g. amount of non-revenue water,
presence of sensitive customer, duration of water delivery interruption, number of affected
consumers, lack of fire-purpose water, inadequate pressure in the network, etc.), and environmental
damages.
For each of the four consequence categories there has been described certain dimensions that
will be evaluated (e.g. duration of water-supply interruption). Although there are many options
to express and structure risks, origin of hazards and consequences; the above described structuring
has been used in the WaterRisk project with success.
- 204 -
Risk quantification and evaluation
After the frequency and consequences for each UE have been estimated, the quantification
of risk for each UE is processed. For that purpose a standardized risk matrix is used where basically
three levels of risk are distinguished: None or negligible risk – there are no risks to be reduced,
As low as reasonable possible risks (ALARP) – the risks in this area are dedicated to more detailed
discussions (usually cost/benefit analysis is processed and trade-off values are quantified),
and Intolerable risk – no doubt that risk reducing measures must be taken for the risk in this area.
Database of risk reducing measures
Those undesired events that generate highest risk are determined to take some risk reduction
measure. The risk can be reduced by decreasing its components – probability and/or consequences.
WaterRisk provides a database of risk reducing measures to the end-user that are defined
specifically for each undesired event. The end-user can choose the best one for his case and
reanalyse (simulate) the risk after the measure has been taken.
The risk analysis finds weak spots in the WSS and estimates potential risks. Subsequently,
the risk reducing measures are designed on that basis. The final step is a compilation of a Water
Safety Plan that utilizes the risk analysis results and follows up on its findings.
Conclusion
The theory of risk analysis and risk management has started being implemented in a wider
spectrum of human activities in recent years. In the water industry it is being used for creating flood
maps where areas are assessed according to the level of risk generated by floods at different
frequency-rate. In the water-supply sector, the first idea of the HACCP principle implementation
appeared in 1994 (Havelaar). Since the second half of the 1990’s, it has been legally introduced
in several states. Since 2000, many large utilities have applied the RA-RM principles voluntarily
(similarly to ISO 9001 etc.). Since 2004, the system of risk analysis and risk management has been
the so-called “Water Safety Plans” and has represented the WHO’s official strategy when it became
a part of the 3rd Guidelines for drinking-water quality [5]. In the coming years it is envisaged
that the RA-RM principles will be legally introduced and obligatorily used by water utilities
in the process of drinking water abstraction, production and distribution in all EU countries.
Along with this European trend of increasing drinking water safety and quality goes also
the Czech national research project WaterRisk that aims at developing a methodology
for implementation of risk analysis and risk management principles in the public water supply
systems.
References
[1] IEC 300-3-9, “Dependability Management – Part 3: Application guide – Section 9: Risk
analysis of technological systems”
[2] IEC 812, “Analysis techniques for system reliability – Procedure for failure mode and effects
analysis (FMEA)”
[3] TUHOVCAK, L., RUCKA, J., Risk Analysis of Water Distribution Systems, NATO Advanced
Research Workshop “Security of Water Supply Systems: from Source Tap”, Murter, Croatia,
5/2005
[4] www.WaterRisk.cz; official website of the Czech national research project “Identification,
quantification and management of risks of public water-supply systems – WaterRisk”
[5] World Health Organization, “Guidelines for drinking-water quality 3rd edition”,
WHO Geneva, (2004), ISBN 92 4 154638 7
- 205 -
MÍRA EROZNÍHO OHROŽENÍ V ZÁVISLOSTI
NA R-FAKTORU
THE MEASUREMENT OF EROSIVE RISK TO PLOTS
DEPENDING ON R-FACTOR
Jana Uhrová*, Veronika Hošková**, František Pavlík***
The subject of article is comparing soil erosion quantities for whole river-basin LubČ with
different R factor (rainfall factor). The value of R factor are 20, 50, 60, 70.
For calculation soil erosion is advised to use The Universal Soil Loss Equation
(Wischmeier and Smith). Particular results of article was made out using software
Arc GIS. LS factor was generated by using software USLE 2D in modification of method
grid.
Úvod
Eroze je jev, se kterým se setkáváme velmi þasto, a který v celosvČtovém mČĜítku nejvíce
pĜispívá k degradaci pĤdy. Výskyt, rozdČlení a intenzita srážek je jeden ze základních faktorĤ
ovlivĖujících erozní procesy. Cílem pĜíspČvku je podat srovnání mezi rozdílnou výší erozního
ohrožení povodí LubČ analyzovanou pomocí vlivu zmČny klimatického faktoru.
Charakteristika Ĝešeného území
K vyhodnocování bylo vybráno povodí LubČ, povodí IV. Ĝádu, ležící v okresech Blansko
a Brno-venkov. Tok délky asi 22 km je levostranným pĜítokem Ĝeky Svratky. PĜi ploše povodí
asi 65 km2 zahrnuje šest dílþích povodí: 415011200, 415011210, 415011220, 415011240,
415011250, 415011260.
Obr. 1 Hydrologické þlenČní povodí LubČ
*
**
***
- 206 -
Tab. 1 Plošné zastoupení jednotlivých druhĤ pozemkĤ [ha] dle ýHP
pokryv 415011200 415011210 415011220 415011220 415011220 415011220
716
252,7
134,5
1252,3
504,8
43,8
ZPF
486,8
161
193,4
1160,8
194,1
8,6
lesy
236,6
104,6
108,9
615,5
395,3
4,3
ostatní
Suma [ha]
2904,1
2204,7
1468,2
Metoda stanovení erozního smyvu
Pro výpoþet erozní ohroženosti povodí s variantními hodnotami R faktoru (20, 50, 60, 70) bylo
využito prostĜedí Arc Map, pĜesnČni zde vygenerovaný digitální model terénu (DMT) tvoĜící základ
dalším zde vznikajícím vrstvám. Ke stanovení erozního smyvu byla použita, v praxi bČžnČ
používaná, univerzální rovnice ztráty pĤdy autorĤ Wischmeiera a Smithe s využitím programu
USLE 2D v modifikaci gridu, která stanovuje smyv v t.ha-1.rok-1 v závislosti na šesti faktorech
ovlivĖujících jeho hodnotu. Viz rovnice (1).
G
R K L S C P ,
(1)
kde faktor R oznaþuje erozní úþinek deštČ, K faktor je pĤdní faktor stanovený podle BPEJ, faktor L
znaþí délku svahu, faktor S sklon svahu, faktor C je faktor protierozního úþinku plodin a faktor P
protierozních opatĜení.
Topografické faktory LS byly poþítány spoleþnČ v programu USLE 2D, kde došlo
vygenerování gridu faktoru LS dle Mc Coola.
Stanovení erozního smyvu na základČ DMT
Velikost gridové buĖky pro gridové vrstvy faktorĤ potĜebných pro výpoþet se volí s ohledem
na velikost území a podle podkladu s nejmenší pĜesností, zde to byly mapy BPEJ. Velikost gridové
buĖky tedy þiní 5 m. PotĜebnými vstupními daty pro výpoþet erozního smyvu je DMT (potĜebný
pro výpoþet rastru LS faktoru), rastr K faktoru a rastr C faktoru. Faktory R a P vstupují do výpoþtu
v podobČ konstant. Faktor P byl zvolen roven 1, pro faktor R byly navoleny hodnoty 20, 50, 60
a 70. Hodnoty byly navoleny z výzkumných dĤvodĤ k získání bližší pĜedstavy vlivu klimatického
faktoru na erozní ohroženost.
Program USLE 2D pro výpoþet LS-faktoru vyžaduje jako vstup kromČ DMT ještČ grid
tzv. „parcel“. Grid „parcel“ rozþleĖuje území na dílþí plochy, které pĤsobí jako pĜekážky plošného
povrchového odtoku a proto dochází k pĜerušení odtoku a následnému zkrácení délky odtokové
linie a délky svahu. Vrstva „parcel“ byla získána pĜevodem z vektorových dat udávajících hranici
povodí, vodních tokĤ, nádrží, lesĤ, zastavČného území, silnic, železnic a vegetaþního pokryvu.
Výhodou výpoþtu v programu je, že znázorĖuje erozní smyv plošné v každé þásti jednotlivých
blokĤ zemČdČlského pĤdního fondu (ZPF). V následující tabulce je znázornČna zmČna intenzity
eroze v závislosti na volené výši faktoru R (Tab. 2).
- 207 -
Tab. 2 Souþtová tabulka erozních smyvĤ ze ZPF dle ýHP v závislosti na R-faktoru
R20
R50
R60
R70
HLGP – ZPF
3
3
3
ýHP
[ha] [t/rok] [m /rok] [t/rok] [m /rok] [t/rok] [m /rok] [t/rok] [m3/rok]
415011200
415011210
415011220
415011240
415011250
415011260
suma
708
247
133
1237
504
44
2873
2082
1490
487
5431
1970
91
11551
1301
931
304
3394
1231
57
7219
5205
3725
1218
13577
4924
227
28876
3253
2328
761
8486
3078
142
18048
6246
4471
1462
16292
5909
273
34653
3904
2794
914
10183
3693
171
21658
7287
5216
1705
19007
6894
318
40427
4554
3260
1066
11879
4309
199
25267
Z tabulky je patrný velký narĤst erozního smyvu pĜi navýšení hodnoty pouze jednoho faktoru
vstupujícího do rovnice, a to klimatického faktoru. PĜi jeho hodnotČ dnes pro ýeskou republiku
prĤmČrnČ používanou, hodnotČ 20, þiní erozní smyv na povodí LubČ asi 11,5 t/rok. PĜi navýšení
R-faktoru na 50 vzrostla eroze o více jak 17 t/rok, což je témČĜ o 150%. U R 50, 60 a 70 dochází
k rovnomČrnému navyšování asi o 6 t/rok. Místní zmČny v míĜe erozní ohroženosti mezi R 20 a 70
jsou znázornČny na následujících detailech þásti povodí LubČ (Obr. 2).
Obr. 2 ZnázornČní výskytu erozního smyvu pro R 20 a R 70
- 208 -
Tab. 3 Hodnoty všech ploch [ha] pĜekraþující pĜípustný erozní smyv [t.ha-1.rok-1]
do 4,0
4,1 - 10,0
10,1 - 15,0
15,1 - 20,0
nad 20,0
[ha]
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
-1
[t.ha .rok ] [t.ha .rok ] [t.ha .rok ] [t.ha .rok ] [t.ha-1.rok-1]
R20
R50
R60
R70
1 848,2
960,4
826,0
726,9
784,3
887,8
826,4
767,3
156,8
422,2
436,5
428,0
47,7
226,9
272,1
301,9
36,0
375,7
512,1
648,9
Zatím co u R20 je vČtšina ploch ZPF pod limitní hodnotou pĜípustného smyvu, pĜi hodnotách
klimatického faktoru 50, 60 a 70 nepĜekraþuje pĜípustný smyv 4 t.ha-1.rok-1 již jen asi tĜetina výmČr
ploch ZPF.
ZávČr
Urþit skuteþnou intenzitu eroze a místo jejího výskytu je velmi dĤležité proto, aby bylo možné
mírnit její úþinky pomocí ideálnČ aplikovaných protierozních opatĜení. Vliv klimatického faktoru
na erozní ohroženost lokalit je znaþný, a proto je jeho správné stanovení nezbytné pro následný
optimální návrh protierozní ochrany.
Literatura
`
[1] HOLÝ, M., a kol., Eroze a životní prostĜedí. Praha: ýVUT, 1994, 383 s. ISBN 80-01-01078-3.
[2] JANEýEK, M., a kol., Ochrana zemČdČlské pĤdy pĜed erozí. Praha: ISV, 2005, 195 s.
ISBN 80-86642-38-0
[3] Manuál USLE2D - http://geo.kuleuven.be/geography/modelling/erosion/usle2d/index.htm
[4] WISCHMEIER, W. H., SMITH, D. D., Predicting Rainfall Erosion Losses – A Guide
to Conservation Planning. U. S. Department of Agriculture, Washington, D. C., 1978,
Agr. Handbook No. 537
- 209 -
PROJEKT ESF ROZŠÍěIL MOŽNOSTI LABORATORNÍ
VÝUKY VE VŠECH FORMÁCH STUDIA
ESF PROJECT EXTENDED POSSIBILITIES OF
LABORATORY EDUCATION IN ALL FORMS OF STUDY
Jaroslav Veselý*, Jana PaĜílková**, ZbynČk Zachoval***
Laboratory education has un-fungible role in understanding of complex hydrodynamic
problems, their successful mathematical modelling and calibration of the models. Interest
about this teaching is not only from the site of students of civil engineering in all forms
of study, but also from different universities form Czech Republic (e.g. Mendel University
of Agriculture and Forestry Brno, Masaryk University Brno, Palacký University
Olomouc) and from the foreign countries (e.g. TU Luzern, CH). The information about
the clusters WTA and CREA or cooperation with practice is discussed in second part
of the paper.
Úvod
Výuka stavebních inženýrĤ, práce absolventĤ a vČdcĤ v oboru vodohospodáĜském na Vysokém
uþení technickém v BrnČ se již po vybudování vlastního areálu na VeveĜí 95 v roce 1911 zásluhou
Prof. Antonína Smrþka mohly jako první v tehdejším Rakousko-Uhersku opĜít o poznatky, získané
z fyzikálního modelování Ĝešené problematiky. Již od samého zaþátku práce LaboratoĜe vodních
staveb (LVS) nebyla jen na poli vČdecko-výzkumném, ale spojeném s výukou studentĤ a nových
odborníkĤ. Tato tendence, pĜes nČkteré pokusy oddČlit výzkum od výuky, vždy nacházela
pĜedevším díky zájmu studentĤ své nezastupitelné místo ve výuce a jejím sepČtí s laboratoĜí a praxí.
Obor vodní stavby a vodní hospodáĜství je pro stavebnictví, ale i další obory a jejich rozvoj velmi
dĤležitý.
VodohospodáĜská problematika ve stavebnictví
PĜi projektování, urbanistickém rozvoji a využití území se Ĝeší otázky úzce specializované
na vodohospodáĜské zhodnocení území, ovlivnČní hladiny podzemních vod, jejich kvality, ale také
zásobení vodou, odvodnČní, protipovodĖová ochrana, odvedení odpadních vod a jejich þistČní.
Revitalizace území a zajištČní životních podmínek pro ostatní živoþichy, územní plánování
a zemČmČĜické práce se neobejdou bez vodohospodáĜských bilancí a hydrologických podkladĤ
a dat. Z toho plyne potĜeba zavést do výuky stavebních inženýrĤ disciplíny a pĜedmČty, potĜebné
pro budoucí práci absolventĤ. Jsou to pĜedmČty typu hydraulika a hydrologie, vodní stavby
a poznatky, týkající se zaĜízení staveništČ, plánĤ organizace výstavby, pĜípadnČ protipovodĖové
ochrany, jakosti vod, ale také mČĜení a mČĜicí techniky. PĜi zásobení energiemi je významným
obnovitelným zdrojem vodní energie, pĜi pČstování energeticky využitelných plodin má významné
místo voda pro jejich rĤst. PĜi transferu osob, vČcí, surovin a energií se v dopravČ, a to nejen
*
Jaroslav Veselý, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
**
Jana PaĜílková, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ
v BrnČ, [email protected]
***
ZbynČk Zachoval, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ
v BrnČ,, [email protected]
- 210 -
nákladní, ale rekreaþní, sportovní, pĜi rybolovu se prosazuje vodní doprava jako ekologicky vhodná
forma, zpravidla využívající již vytvoĜenou síĢ tokĤ a nádrží. VždyĢ samotná skladba této planety
nám toto uspoĜádání dává jako základní stavební prvek.
Laboratorní výuka a fyzikální modelování
Vlastní laboratorní prostor je vymezen jako výukový, dále pro fyzikální modelování a pĜípravu
modelĤ, mČĜení a zpracování výsledkĤ. V LaboratoĜi vodohospodáĜského výzkumu (LVV) Ústavu
vodních staveb (ÚVST) jako souþasné formČ pokraþování tradice LaboratoĜe vodních staveb,
probíhá laboratorní výuka studentĤ v laboratorním prostoru B 112, kde jsou umístČny výukové
modely. Tyto modely byly rozšíĜeny o nové úlohy a modernizovány v rámci Ĝešení projektĤ
ESF CZ.04.1.03/3.2.15.2/0292.
Výukové modely
Výukové modely je možno rozdČlit do kategorií základních laboratorních úloh, praktických
úloh a modelĤ zamČĜených na hydrauliku objektĤ, analýzu a výzkum hydraulických jevĤ, studium
a konstrukþní Ĝešení stavebních i technologických þástí a prvkĤ.
Základní laboratorní úlohy, specifikované v [1], jsou úlohy typu:
- Relativní klid kapaliny.
- Plavání tČles.
- Režim proudČní – Laminární a turbulentní – ReynoldsĤv pokus.
- Výtok otvorem.
- PĜepady, vodní skok a vývar.
- Ztráty pĜi proudČní - Bernoulliho vČta.
Praktické úlohy, specifikované v [1], [4], a jsou to napĜ.:
- Propustek.
- PĜepad, vodní skok a vývar.
- ProudČní podzemní vody, odvodnČní stavební jámy.
- Výukový žlab pro studium proudČní v nČkterých typech rybích pĜechodĤ, procesĤ
pĜi transportu þástic v korytech v závislosti na zmČnČ podélného sklonu.
- MČĜení a mČĜicí techniky [4], napĜ. s využitím metody EIS [2].
Objektová hydraulika, analýza a výzkum hydraulických jevĤ i konstrukþních prvkĤ
navazují na pĜedchozí þásti, které využívají a rozvíjejí, aĢ již v podmínkách výukových prostor
laboratoĜe, ale pĜedevším v prostorách s výzkumnými žlaby a recirkulaþními okruhy pro Ĝešení
rovinných a prostorových úloh, blíže specifikováno v odborné literatuĜe a v [1], [4] a [5].
Fyzikální modelování
V tomto pĜíspČvku jsou uvažovány vodní modely, i když LVV ÚVST FAST VUT je vybavena
2 aerodynamickými okruhy, vhodnými pro Ĝešení úloh typu obtékání urbanistických prvkĤ þi celkĤ
vČtrem a navrhování opatĜení pĜedevším vegetaþního typu k jejich úþinnému tlumení
þi ovlivĖování, ale také zatížení napĜ. mostních konstrukcí vČtrem nebo vodou atd.,
ale pro modelování velkých objektĤ þi konstrukþních prvkĤ, kde by modelování na vodních
modelech bylo velice nákladné a nároþné na zajištČní potĜebného množství vody na vodní modely.
Modelování na fyzikálních modelech vodních využívá Newtonova zákona modelové
podobnosti, a to pro pĜevažující síly, charakterizované kritérii modelové podobnosti:
a) Reynoldsovo kritérium pro pĜevažující síly tĜení (napĜ. pohyb splavenin),
b) Froudovo kritérium pro pĜevažující síly tíže (napĜ. pĜepady, objekty),
c) dalších specifických podmínek (stavĤ, þi spolupĤsobení více sil, apod.).
- 211 -
Využití pro praxi
Fyzikální modelování a získané poznatky jsou prezentovány ve výuce ve všech formách studia
a publikovány na konferencích, þasopisech a další literatuĜe, dostupné zájemcĤm (i cizojazyþnČ).
Doktorské práce
VČtšina modelĤ je rozpracovávána do detailĤ právČ zapojením doktorandĤ a využita pro jejich
odborná témata. SouþasnČ pĜitom navazují pĜímé kontakty na praxi a kriticky pĜejímají jejich
poznatky þi je precizují.
VodohospodáĜská a stavební problematika oporou souþasného rozvoje
V této þásti chceme pouze pĜipomenout nČkteré Ĝešené problémy a úkoly v LVV a jejich
význam. Jejich Ĝešení se promítá do dotaþních programĤ MŽP OZE, revitalizací, ale OPŽP napĜ.
osa 1, 6 a další, PPO II v rámci MZE, projektĤ EUREKY koordinovaného MŠMT, KLASTRY
nebo SPOLUPRÁCE v rámci MPO þi projektĤ mezinárodní spolupráce napĜ. INTERREG.
Obnovitelné zdroje energie
Zájem o odzkoušení optimalizace nátokĤ a další specifické otázky, které jsou fyzikálnČ
modelovány v LVV, jako pĜíklad lze uvést MVE ŠtČtí na Labi, zkoušená v mČĜítku délek 1:50,
ale také celá Ĝada vakových jezových konstrukcí s MVE, realizované v Rakousku, Polsku a dalších
zemích.
ProtipovodĖová ochrana
Po povodních v letech 1997 a 2002, ale hlavnČ po zvýšení þetnosti lokálních povodní
se uplatĖují protipovodĖová opatĜení, z nichž celá Ĝada nebo jejich prvky jsou a byly zkoušeny
laboratornČ, je tĜeba uvést fyzikální model bezpeþnostního pĜelivu nejvČtšího poldru v ýR
na Moravské SázavČ v lokalitČ Žichlínek, v mČĜítku délek 1:17. Nelze opomenout laboratorní
odzkoušení uspoĜádání norných stČn pro jejich instalaci pĜi likvidaci havárií na tocích.
Vodní doprava
Pro projekci a mČĜení mají význam jak terénní práce spojené se studiemi transportu sedimentĤ
a stanovení jejich množství, optimalizace konstrukcí tlaþných þlunĤ, vývoje vln od plavby
v kanálech a tocích, ale hydraulické aspekty vymČĜovacích plavidel þi nástavcĤ pro remorkéry.
Výzkumy plavebních komor a jejich vrat v lokalitách Kopytov nebo PĜelouþ. ýeská republika
je v této oblasti již historicky hodnČ dlužna.
Využití druhotných surovin a odpadĤ
Nejen LVV, ale také další fakultní laboratoĜe, ústavy a pracovištČ se zabývají využitím
druhotných surovin, ale také odpadĤ. K mČĜení úrovnČ uložených odpadĤ pĜi pĜípravČ pitné vody
pro Prahu a okolí v nádrži Rýzmburk byla úspČšnČ využita v LVV vyvinutá metoda EIS [2].
Rozvoj fakulty a propagace studia
LVS i LVV byly vždy þasto navštČvovaným pracovištČm a o modely i Ĝešené úkoly
projevovali zájem spolupracovníci z jiných ústavĤ i mimo obor, studenti, firmy a veĜejnost. Za dobu
- 212 -
95 let fungování laboratoĜe ji shlédlo velké množství lidí a s pýchou lze Ĝíci, že se nejen
neokoukala, ale o její práci je trvalý zájem. Po roce 1989 se zvČtšilo množství návštČvníkĤ
ze zahraniþí a také laboratoĜ více svoje aktivity smČĜuje do zahraniþí a mezinárodních projektĤ.
Dny otevĜených dveĜí
Dny otevĜených dveĜí, které se konají v listopadu a v lednu jsou pro mnohé zájemce o studium
nejen vhodnou pĜíležitostí prohlédnout si laboratoĜ, þasto s rodiþi, kteĜí jsou bývalými absolventy
a mnohdy právČ laboratoĜ rozhodne o zamČĜení a budoucím povolání studenta.
Exkurze a propagace studia
Modely, inovované a rozšíĜené úlohy v rámci ESF si pravidelnČ prohlíží studenti z nČkterých
škol, napĜ. SPgŠ v Boskovicích, VOŠS a SŠS ve Vysokém MýtČ, odkud pravidelnČ pĜichází velice
dobĜe pĜipravení studenti na naši fakultu, ale i studenti a žáci z dalších škol. TČší nás tradiþní zájem
o exkurze z MZLU v BrnČ nebo ekologických odborníkĤ z PĜF Olomouc.
NČkteré formy zapojení do projektĤ a dotaþních programĤ
Projekty KLASTRY a SPOLUPRÁCE
VUT v BrnČ, fakulty, ústavy a LVV se zapojuje spoleþnČ s firmami do projektĤ klastry,
a to napĜ. v klastru WTA nebo CREA i dalších. Navazující programy pro klastry jsou spolupráce
a dále mezinárodní spolupráce klastrĤ.
Další projekty
Mezi další projekty, zde dosud nezmínČné, patĜí granty GA ýR, FRVŠ, kde je rovnČž
využíváno laboratorní zaĜízení LVV, bližší informace lze získat na stránkách www.lvv.cz a z prací
i literatury LVV.
Literatura
[1] PAěÍLKOVÁ, J., VESELÝ, J., ZACHOVAL, Z., Laboratorní úlohy pĜedmČtu "Hydraulika
a hydrologie" - BR05. Brno UT, Czech Republic, 2008, str. 1-87
[2] PAěÍLKOVÁ, J. a kol., Research, Development and Processing of Computerized Measuring
System of Soil Moisture with EIS Method. Oponovaná prĤbČžná zpráva projektu OE240
za rok 2008, LVV ÚVST FAST VUT v BrnČ, ýeská republika, 2008, str. 1-142
[3] PAěÍLKOVÁ, J., VESELÝ, J., ZACHOVAL, Z., Vybrané laboratorní úlohy, fyzikální
modelování jevĤ. Studijní texty projektu ESF, LVV ÚVST FAST VUT in Brno, Czech
Republic, 2008, str. 1-65
[4] PAěÍLKOVÁ, J., UHMANNOVÁ, H., Hydraulika - Laboratorní cviþení. CERM,
ISBN 80-214-2026-X, Brno, 2001, str. 1-70
[5] PAěÍLKOVÁ, J., VESELÝ, J., Nabídka laboratorních úloh z vodohospodáĜského inženýrství
LVV ÚVST FAST VUT v BrnČ, (A, D, R), 2007
[6] VESELÝ, J. a kol., PĜístroj k ovČĜení hydraulických parametrĤ a funkþnosti dvojitého
dešĢového separátoru, klastr WTA, z.s.p.o., 2008
[7] VESELÝ a kol., Souhrnné hodnocení splaveninového prĤzkumu hlavních tokĤ
v Povodí Odry, s.p., Brno, LVV ÚVST, 2002
- 213 -
VYUŽITÍ RECYKLÁTģ PRO VÝROBU VLÁKNOBETONU
A JEJICH UPLATNċNÍ V ZEMNÍCH KONSTRUKCÍCH
THE USE OF RECYCLED AGGRAGATES FOR
PRODUCTION OF FIBRE CONCRETE AND THEIR
APPLICATION IN EARTH STRUCTURES
Vladimíra Vytlaþilová*, Jan Vodiþka**, Hana Hanzlová***, Jaroslav Výborný****
The combination of recycled construction waste, fibers and binder creates an unusual
fiber concrete; new composite, which offers a wide field of possible use in construction
industry. The experimental program includes a model example of using this composite
material in civil engineering. The paper shows a model of flood dike which is stiffened
by several layers of fibre concrete plates using the brick recycled aggregate and synthetic
fibres. The fibre concrete plates increase the stability of the flood dike in the case
of its overflowing during a high flood.
Úvod
Tento þlánek prezentuje myšlenku využití vláknobetonových desek s recykláty v praktických
aplikacích. V pĜíspČvku je prezentována jedna z možností využití recyklovaného materiálu,
ze stavebního a demoliþního odpadu, v zemních konstrukcích. Byly zhotoveny dva modely zemních
hrází, jeden s vloženými deskami vyrobenými z vláknobetonu s plnou náhradou pĜírodního
kameniva cihelným recyklátem a druhý bez tČchto desek. Cílem modelových zkoušek bylo prokázat
zvýšení odolnosti zemní hráze pĜi pĜelití vodou v pĜípadČ povodní, což pĜispívá k záchranČ majetku
a pĜedevším lidských životĤ.
PĜíprava modelu zemní hráze
Jednou z možných variant uplatnČní vláknobetonového kompozitu jsou ztužující vrstvy
v zemních tČlesech. Vložení vláknobetonových desek do zemního svahu pĜispívá k získání
maximální subtilnosti, þímž lze získat znaþnou úsporu objemu zemních prací. Vložené desky
do zemního tČlesa zároveĖ pĜispívají k jeho stabilitČ a odolnosti pĜenášet vČtší zatížení. V pĜípadČ
zemní hráze pĜispívají vláknobetonové desky k prodloužení její životnosti v pĜípadČ pĜelití vodou
pĜi povodni. Další výhodou mĤže být možnost pĜikotvení protierozních matrací þi výztužné
geosyntetiky k deskám.
Samotné výrobČ modelu v laboratoĜi pĜedcházelo ovČĜení chování vložených desek
z vláknobetonu pomocí poþítaþové simulace. Byl Ĝešen pĜíklad zemního svahu vyztužený
1-3 vrstvami a pro porovnání pak svah bez vyztužení. Výpoþet modelového pĜíkladu zemního
svahu probČhl v programu Plaxis 8.2, který využívá metodu koneþných prvkĤ (MKP). Na základČ
pĜedbČžných výpoþtĤ byl zaznamenám pozitivní vliv vložených desek. Podrobnosti v literatuĜe [3].
Pro ovČĜení pĜedpokládaných úþinkĤ vložených vláknobetonových desek do zemní hráze
v aplikaci, která by mČla zvýšit její odolnost v pĜípadČ pĜelití vodou pĜi povodních, byly v rámci
*
Vladimíra Vytlaþilová, Katedra betonových a zdČných kcí., FSv, ýVUT v Praze, [email protected]
Jan Vodiþka, Katedra betonových a zdČných konstrukcí, Fakulta stavební, ýVUT v Praze, [email protected]
***
Hana Hanzlová,Katedra betonových a zdČných konstrukcí, FSv, ýVUT v Praze, [email protected]
****
Jaroslav Výborný, Katedra materiálového inženýrství a chemie, FSv, ýVUT v Praze, [email protected]
**
- 214 -
experimentálního programu vytvoĜeny dva laboratorní modely zemní hráze dle níže uvedených
schémat. První model je zhotoven pouze ze zeminy (byla použita drobná frakce recyklátu).
Na korunu hráze byla umístČna deska z vláknobetonu, která by mČla reprezentovat komunikaci
v praktických aplikacích umístČné v její korunČ (obr. 1).
Obr. 1 Model þ. 1 – Vyztužení pouze koruny hráze deskou D1 (kóty v mm)
Druhý model byl vyztužen kromČ vláknobetonové desky na korunČ hráze dalšími tĜemi
deskami v konstrukci hráze, vyrobenými ze stejného vláknobetonu jako deska v korunČ hráze
(obr. 2). U tohoto modelu se pĜedpokládalo vytvoĜení jakési „kaskády“ pĜetékající vody pĜes
vláknobetonové desky. SouþasnČ se pĜedpokládalo i postupné vymílání zeminy pod deskami
v rozsahu, které by nemČlo ohrozit stabilitu vložených vláknobetonových desek. Funkcí této
kaskády se jednoznaþnČ prodlouží odolnost hráze v pĜípadČ jejího pĜelití pĜi povodních.
Obr. 2 Model þ. 2 – Vyztužení koruny hráze a další výztužné vrstvy (kóty v mm)
Vláknobetonové desky byly pĜedem vyrobené v laboratoĜi. Poté byly umístČny do tČlesa
konstrukce zemní hráze, zhotovené v proskleném korytu (tunelu) ve vodohospodáĜské laboratoĜi,
fakulty stavební, ýVUT v Praze. Koryto umožĖovalo sledovat prĤbČh erozí zemní hráze skrze
prosklené stČny. Oba modely byly zatČžovány vodou s daným nárĤstem zvyšování hladiny vody.
Oproti nákresĤm došlo k menší úpravČ hráze. Návodní strana byla nahrazena svislou stČnou, jelikož
podstatou problému je prokázání efektu vložených vláknobetonových desek do konstrukce hráze
na vzdušné stranČ hráze. Svislou stČnou byl zjednodušen model o stranu návodní a tím zmenšen
rozsah prací.
- 215 -
PrĤbČh experimentu
Model þ. 1 – hladina vody ve zkušebním tunelu se zvyšovala postupnČ ze 2mm až postupnČ
na 3cm nad korunu hráze. K destrukci hráze došlo po cca 7 minutách. BČhem zatČžování zvyšující
se hladinou vody bylo patrné postupné rozrušování hráze, tvorba rýh a postupná degradace hráze
až k jejímu odplavení. Je zĜejmé, že zjednodušení modelu náhradou návodní strany ocelovou stČnou
zkresluje výsledky, ale pĜi stejné úpravČ i v pĜípadČ modelu vyztužené hráze lze postup pokusĤ
porovnávat. Deska umístČná na korunČ hráze vydržela zatČžování vodou a celá se po vymletí hráze
sesunula do prostoru za hrází, k její destrukci nedošlo.
Obr. 3 Model zemní hráze bez vyztužení – pohled þelní
Model þ. 2 – ve druhém modelu byly umístČny tĜi desky z vláknobetonu. Hráz byla zatČžována
za stejných podmínek jako u modelu þ. 1. Hladina se opČt ze 2 mm nad korunou hráze zvedla
až na 3,4 cm. Rozdíl mezi konstrukcemi hrází byl patrný již bČhem pár minut (cca 2 min 30 sec
po pĜelití), kdy se postupnČ zaþaly vytváĜet pĜedpokládané kaskády doprovázené vznikem kaveren
podmíláním zeminy pod deskami. Materiál byl vyplavován z pod desek pĜibližnČ do hloubky
1,5 násobku výšky mezi deskami. Vrchní deska po cca 50 minutách po pĜelití zaþala pozvolna
klesat až se opĜela o desku umístČnou pod ní. Hráz však ještČ i po více jak dvou hodinách plnila
svou funkci.
Obr. 4 Model zemní hráze s vyztužením vláknobetonových desek – pohled boþní
- 216 -
Obr. 5 Model zemní hráze s vyztužením vláknobetonových desek – pohled þelní na kaskády
s pĜetékající vodou
ZávČr
Na základČ provedeného experimentu lze konstatovat, že se prokázalo pĜedpokládané chování
zemních hrází s vloženými vláknobetonovými deskami. Srovnání þasu odolnosti obou hrází vĤþi
zatČžování vodou jasnČ ukázalo pĜíznivý vliv výztužných desek umístČných v tČle hráze. Pozitivním
jevem je zachování celistvosti desek po zatížení vodou i vlastní vahou – nedošlo k jejich porušení,
nejsou kĜehké, voda podstatnČ neovlivnila jejich mechanické vlastnosti. Vymletí materiálu
z prostoru mezi deskami nezpĤsobuje jejich vyplavení. Naopak v pĜípadČ vČtší podemletí desek
mĤže dojít k jejich sklopení a vzájemnému opĜení mezi sebou. I toto má pozitivní výsledek, neboĢ
dojde k uzavĜení zbylého materiálu mezi deskami. CelkovČ lze pokus s vložením desek považovat
za velmi zdaĜilý a je otázkou dalšího výzkumu modely precizovat, tj. je optimalizovat poþet
a tloušĢky vložených desek
Každá aplikace vláknobetonu pĜispČje k Ĝešení problému stále se hromadícího stavebního
odpadu, pro který dosud není dostatek uplatnČní a je proto nezbytné rozšiĜovat možnosti
praktických aplikací, kde lze pĜebyteþný stavební a demoliþní odpad ekologicky zhodnotit.
PodČkování
PĜíspČvek byl vypracován za podpory projektu 1M0579 MŠMT ýR v rámci CIDEAS
s využitím poznatkĤ z výzkumného zámČru VZ 04 Udržitelná výstavba MSM 6840770005.
Literatura
[1] VodiþKA, J., VYTLAýILOVÁ, V., VÝBORNÝ, J., HANZLOVÁ, H., HRUBÝ, V.,
Vláknobetony s plnou náhradou pĜírodního kameniva recykláty pro využití v praxi, Sborník
pĜednášek konference Betonárské dni 2008, Bratislava 2008
[2] HRUBÝ, V., Modelový pĜíklad aplikace vláknobetonových desek s recykláty v zemních
konstrukcích, sborník pĜednášek 6. konference Speciální betony: vlastnosti – technologie –
aplikace, Beroun 2009
- 217 -
INOVACE ýERPACÍ STANICE LABORATOěE ÚSTAVU
VODNÍCH STAVEB FAKULTY STAVEBNÍ VUT V BRNċ
INNOVATION OF PUMPING STATION
IN THE LABORATORY OF INSTITUTE OF WATER
STRUCTURES, FACULTY OF CIVIL ENGINEERING,
BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY
Michal Žoužela*, Markéta Šnelerová**
As part of the BUT Development Project for the year 2008, the pumping station of Water
Management Research Laboratory at the Institute of Water Structures, Faculty of Civil
Engineering, BUT was innovated. The innovation consisted of a complete replacement
of existing tanks, distribution pipes and pumping units with the aim of independent
operation of always two out of four hydraulic circuits. The works also included
the modernization of measurement and control of operating variables in the pumping
station. A modern method of control using touch screen or remote computer was designed
too. Thanks to proportional–integral–derivative (PID) control, the pumping station can
be used also for simulation of unsteady flow.
Úvod
LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb FAST pro svou výzkumnou
þinnost v oblasti hydrotechnického modelového výzkumu využívá Ĝadu na sobČ nezávislých
hydraulických okruhĤ, které se sestávají vždy z nČkolika mČrných tratí. Nejstarším z hydraulických
okruhĤ, který byl založen prof. Smrþkem v období let 1914 – 1917 a v 30. letech minulého století
dobudován do souþasné podoby, je systém tĜí mČrných tratí napájených primárnČ dvČma
þerpadlovými agregáty. ýerpací stanice spoleþnČ se systémem rozvodných potrubí nebyla
od uvedených dat výraznČ inovována. Vzhledem k þastČjším technickým výpadkĤm nČkterých
prvkĤ þerpací stanice za poslední období jejího provozu, bylo v roce 2006 rozhodnuto o její
výraznČjší rekonstrukci. Ta se vzhledem k požadavkĤm na souþasný hydrotechnický výzkum
a provoz laboratoĜe projevila i ve zmČnČ její celkové koncepce. V roce 2008 byly z Rozvojového
projektu VUT v BrnČ získány pĜíslušné finanþní prostĜedky ve výši 2,2 mil. Kþ.
Stav pĜed rekonstrukcí ýS
Jak bylo popsáno v úvodu pĜíspČvku, hydraulický okruh, který se nachází v budovČ B FAST,
sestává z pĜíslušné þerpací stanice a tĜí hydraulických mČrných tratí. Souþástí systému je i podzemní
nádrž s celkovým provozním objemem vody 60 m3. V následujících odstavcích jsou jednotlivé
prvky hydraulického okruhu popsány podrobnČji.
*
**
Michal Žoužela, LaboratoĜ vodohospodáĜského výzkumu Ústavu vodních staveb, Fakulta stavební, VUT v BrnČ,
[email protected]
Markéta Šnelerová, Pöyry Environment a.s., Botanická 834/56, Brno, ýR, [email protected]
- 218 -
ýerpací stanice
ýerpací stanice hydraulického okruhu (obrázek 1) se svými dvČma primárními þerpadlovými
agregáty byla situována v úrovni podzemního podlaží laboratoĜe. PĜipojení þerpacích agregátĤ
na podzemní nádrž s vodou bylo realizováno prostorovČ uspoĜádanými sacími rourami. Ty byly
zaústČny pod úroveĖ hladiny v místČ prohloubené þerpací jímky. Odhadovaný výkon þerpacích
agregátĤ byl 20 kW, resp. 15 kW. Vedle tČchto dvou þerpadel byla používána i þerpadla o menších
výkonech, která byla do systému þerpací stanice pĜipojena v pozdČjších letech. Výtlaþná potrubí
všech tČchto þerpadel byla vyústČna do tzv. stabilizaþní nádrže, která se nacházela v prostoru
nejvyššího místa laboratoĜe pĜímo nad þerpacími agregáty. Sloužila pro stabilizaci distribuovaného
prĤtoku do mČrných tratí pĜi zachování jednoznaþné a nemČnné energetické bilance mezi hladinou
na tzv. dlouhé pĜelivné hranČ instalované v nádrži a hladinou pĜed nátokem do pĜíslušné mČrné tratČ
(gravitaþní systém). Velikost požadovaného prĤtoku pak byla regulována za pomoci klínových
šoupat. Pro pĜedstavu uvećme, že svČtlé prĤmČry rozvodných potrubí dosahovaly až 350 mm.
Celková kapacita laboratoĜe pĜi popsané sestavČ þinila teoreticky až 180 l/s.
Obr. 1 Pohled na þerpací agregáty a rozvodná potrubí pĜed rekonstrukcí ýS
Nevýhodou výše uvedené koncepce byla nemožnost nezávislého souþasného chodu více
mČrných tratí (pouze jedna stabilizaþní nádrž) a již zmínČná, v þase se zvyšující poruchovost
þerpacích agregátĤ, zasekávání sacích košĤ i regulaþních armatur. Z hlediska mČĜení a regulace
(MaR) neelektrických veliþin byla þerpací stanice na velmi nízkém stupni souþasného technického
poznání.
Hydraulické mČrné tratČ
Popisovaný hydraulický okruh laboratoĜe je vybaven celkem tĜemi mČrnými tratČmi. Jedná
se o hydraulické mČrné žlaby s vodorovným dnem a svČtlými šíĜkami 3,5 m, a dvakrát 1,0 m,
pĜiþemž oba dva užší žlaby mají prosklené stČny. Úþinná délka žlabĤ, do kterých jsou osazovány
- 219 -
výzkumu podrobované þásti hydrotechnických staveb, se pohybuje od 5,0 m do 18,0 m. Z hlediska
nátoku vody do mČrných tratí (žlabĤ) je dodržena pro všechny jedna spoleþná koncepce, kdy jsou
pĜed nátoky situovány nádrže s osazenými mČrnými pĜelivy Thomsonova typu. ProtiproudnČ pĜed
nimi jsou pak za pomoci ultrazvukových snímaþĤ registrovány hodnoty pĜepadových výšek, které
jsou následnČ vyhodnocovacími jednotkami transformovány na prĤtoþné množství. Rekonstrukce
se zmiĖovaných mČrných tratí dotkla jen v oblasti MaR.
Nové technologické þásti ýS
Již v poþátcích úvah nad inovací þerpací stanice, bylo rozhodnuto o zásadní zmČnČ její
hydrotechnické koncepce, pĜi požadavku na radikální zlepšení podmínek mČĜení a regulace celého
systému. Inovovaná þerpací stanice se tak svou úrovní strojnČ a elektro-technologického vybavení
dostala na svČtovou úroveĖ. Gravitaþní systém byl nahrazen systémem tlakovým, kdy je voda
od nových ponorných þerpadel dopravována nerezovými rozvodnými potrubími k jednotlivým
mČrným tratím, pĜiþemž prĤtok vody je Ĝízen a regulován automaticky.
Obr. 2 Pohled na inovovanou ýS, dvČ výtlaþná potrubí, napájení þtyĜ mČrných tratí
StrojnČ-technologická þást
Inovovaná strojnČ-technologická þást ýS zahrnuje dvČ nová ponorná odstĜedivá þerpadla firmy
Flygt (instalovaná do pĤvodní þerpací jímky), dále nerezová potrubí osazená šesti klapkovými
uzávČry a jedním indukþním prĤtokomČrem instalovaným na novČ zĜízené, þtvrté tzv. rezervní
mČrné trati. Každé z þerpadel je na trubní systém napojeno pĜes patkové koleno a výtlaþné potrubí
se zpČtnou kulovou klapkou. Vedení rozvodných potrubí spolu s osazením uzavíracích klapek
je Ĝešeno s ohledem na možnost souþasného nezávislého provozu až dvou mČrných žlabĤ. Klapky
ovládané skrze Ĝídicí systém jsou osazeny vždy pĜed nátokem do mČrné trati. Pro možnost
dopravování velmi malých prĤtokĤ do všech þtyĜ mČrných tratí jsou trubní rozvody doplnČny
o 4 bypassy (obtokové potrubí DN 25 s ruþnČ ovládaným kulovým ventilem). Zbývající
dva klapkové uzávČry jsou do systému rozvodĤ osazeny s ohledem na co nejvČtší variabilitu
provozu laboratoĜe. Limitujícím faktorem byla pĜi návrhu strojnČ-technologické þásti pĤvodní
prostorová dispozice ýS spolu s polohou pĜipojovacích pĜírub do jednotlivých žlabĤ. Pro úplnost
dodejme, že prĤmČry hlavních rozvodných potrubí se pohybují od DN 150 až k DN 300.
- 220 -
Elektro-technologická þást
Elektro-technologickou þást inovované þerpací stanice je z technického hlediska možné
rozdČlit na systém kabelových tras EE, kabelĤ MaR a na vlastní Ĝídicí a vizualizaþní systém.
Ten je osazen ve dvou polích skĜíĖového rozvadČþe, ve kterém jsou umístČny i mČniþe frekvence
ponorných þerpadel s pĜíslušenstvím. ěídicí systém od firmy B&R, který je souþástí vizualizaþního
dotykového 10” panelu, slouží ke kompletnímu Ĝízení, monitoringu i archivaci všech neelektrických
provozních veliþin, celkem je jich systémem registrováno 15. PatĜí mezi nČ mČĜení úrovní hladin
ve všech mČrných tratích (žlabech), mČĜení a regulace þtyĜ prĤtokĤ vody, mČĜení tlakĤ
na výtlaþných potrubích þerpadel, mČĜení teploty vody a okolí, záznam výstupní frekvence mČniþĤ
þerpadel.
MČĜení a regulace provozních veliþin
Inovace zajistila nezávislý provoz i dvou mČrných tratí souþasnČ, kdy každou z nich je možné
jedním z þerpadel zásobovat maximálním þerpaným množstvím cca 75 l/s. PĜi provozu pouze jedné
mČrné trati lze dosáhnout maximální kapacity ýS až 150 l/s a to pĜi podstatnČ nižší spotĜebČ EE
oproti pĤvodní ýS. PĜíkon obou naplno provozovaných þerpadel se pohybuje okolo 2 x 9,5 kW.
K ovládání Ĝídicího systému ýS je možné použít 10” dotykový displej þi vzdálený poþítaþ. Pracovní
plocha zobrazuje zjednodušené schéma ýS a laboratoĜe, ve kterém je možno zvolit režim provozu
(automatický þi ruþní), vybrat provozované mČrné žlaby, zadávat požadované prĤtoky þi provozní
frekvenci þerpadel pomocí numerické klávesnice. UmožnČna je i kontrola hladin, práce s grafy,
parametry systému þi provedení servisních nastavení. PĜi provozu pak vlastní Ĝízení þerpání
zajišĢují a regulují mČniþe frekvence s PID regulaþní zpČtnou vazbou na skuteþné prĤtoþné
množství pĜed mČrnou tratí. To je stanovováno za pomoci Thomsonových pĜelivĤ popsaných
v kapitole „Hydraulické mČrné tratČ“ rezervní trati zmínČným indukþním prĤtokomČrem. Použití
PID regulace dovoluje v hydraulickém okruhu simulovat i neustálené proudČní, napĜ. prĤbČh
povodĖové vlny.
ZávČr
PĜíspČvek popisuje témČĜ roþní úsilí pracovníkĤ LVV a kolegĤ z externích pracovišĢ o inovaci
þerpací stanice laboratoĜe Ústavu vodních staveb. Poznamenejme, že veškeré projekþní práce
strojnČ-technologické þásti byly zpracovány v rámci Ĝešení diplomové práce. PĜi návrhu byly
využity i výsledky grantového úkolu GAýR 129/S002/2600. Dodavatelem strojní technologie byla
firma AQUAS vodní díla s.r.o., dodavatelem elektro þásti pak firma Redis spol. s r.o. Realizací
inovace þerpací stanice se Fakulta stavební za pĜispČní Rozvojového projektu VUT v BrnČ stala
vlastníkem dalšího funkþního systému svČtové úrovnČ. Došlo tak ke zkvalitnČní výuky ve všech
studijních programech FAST a k zefektivnČní práce základního a aplikovaného výzkumu.
Literatura
[1] CICHRA, R., ŠNELEROVÁ, M., ŽOUŽELA, M., Inovace þerpací stanice LaboratoĜe
vodohospodáĜského výzkumu, ProvádČcí projekt strojnČ technologické þásti, LVV – FAST –
VUT v BrnČ, 2008
Authors Index
Asheesh M.
9
KováĜík K.
89
Bajtek Z.
13, 37
Kozumplíková A.
69
Bálintová M.
17
Králová H.
129
Baroková D.
21
Kriška M.
93
De Benedictis F.
29
KĜíž L.
73
Cabadaj R.
25, 105
Kuþera T.
201
Caputo M.C.
29
Kunc J.
97
Cipovová K.
33
KvČton R.
101, 105
ýistý M.
37, 13
Lagová M.
109, 65
ýubanová L.
41
Laine E.
9
Danko M.
45
Lázniþka V.
113
Dumbrovský M.
61
Macura V.
117
Ćurćová L.
49
Malá J.
65, 109
Dušiþka P.
101
Marton D.
121
DvoĜák L.
81
Matoušek V.
125
Foltýnová L.
53
Märki A.
137
Fries W.
137
Michelþíková B.
129
Hakáþ J.
57
Milerski R.
133
Hanzlová H.
213
Miracapillo C.
137
Hlavþová K.
45
Niemiec à.
141
Hošková V.
61, 157, 205
Olbricht V.
145
Hrich K.
65, 109
Ozábal M.
25
HrĤza P.
69
Pána P.
153
Hulík F.
105
PaĜílková J.
149, 153, 209
Chaloupka D.
73
Pavlík F.
157, 205, 61
Jalþovíková M.
117
Pavlík J.
149
Janál P.
77
Picek T.
161
Jandora J.
81
Picka D.
193
Jaroš B.
181
PĜíhoda J.
165
Junáková N.
17
Ruþka J.
201
Kameníþková I.
85
Rumann J.
25, 101, 105
Kohnová S.
45
ěíha J.
169, 153
- 221 -
- 222 -
Salihagic A.
9
Sázel J.
173
SedláĜ M.
165
Singovszká E.
17
Siroginová M.
177
Skalová J.
181
Sobotková B.
113
Srna J.
169
Starý M.
185, 77, 121, 141
Szolgay J.
45
ŠafáĜ R.
193
Široký P.
53
Škrinár A.
117
Škrovinová M.
117
Šlezingr M.
189, 145
Šnelerová M.
217
Šoltész A.
21
Špiþáková H.
69
Šulc J.
193, 165
Šulek P.
197, 101
Tuhovþák L.
201
Uhrová J.
205, 61, 157
Veselý J.
209, 149
Vitková J.
181
Vodiþka J.
213
Vurro M.
29
Výborný J.
213
Vytlaþilová V.
213
Wittlingerová Z.
73
Zachoval Z.
149, 153, 209
Zubík P.
165
Žoužela M.
217
XII. mezinárodní vČdecká konference
u pĜíležitosti 110. výroþí založení FAST VUT v BrnČ
a XIV. výroþí založení Stavebních veletrhĤ Brno
XIIth International Scientific Conference
on the Occasion of the 110th Anniversary of the Founding
of the Faculty of Civil Engineering of Brno University of Technology
and the XIVth Anniversary of Building Fairs Brno
20.– 22. duben 2009
April 20–22, 2009
Vodní stavby, vodní hospodáĜství a ekologické inženýrství
Water Structures, Water Management and Environmental Engineering
Sekce 3/Section 3
Sborník pĜíspČvkĤ/Proceedings
EditoĜi/Editors Jan Jandora, Luboš Pazdera
Vydavatel/Publisher AKADEMICKÉ NAKLADATELSTVÍ CERM®, s.r.o. Brno
PurkyĖova 95a, 612 00 Brno, www.cerm.cz
Návrh obálky/Cover design Pavel KĜepela
Tisk/Print FINAL TISK s.r.o. Olomuþany
Vyšlo/Published 2009
První vydání/First edition
ISBN 978-80-7204-629-4
Tato publikace neprošla redakþní ani jazykovou úpravou.
The book has not been edited or proofread by the publisher.

international scientific conference

Transkript

Podobné dokumenty

rok 2006 - Povodí Ohře, státní podnik

Soukup – Schweigstillová – Válek – Sedláčková – Mayo 2012

„Mezinárodní plán oblasti povodí Labe“ (část A) na období 2016

Stáhnout toto PDF - Trends Economics and Management

výroční zpráva 2015

Zpráva o povodni v 6/2013

PLÁN PRO ZVLÁDÁNÍ POVODĖOVêCH RIZIK V

Horka nad Moravou + Chomoutov