WARUNKI HYDRAULICZNE W PRZEPŁAWKACH HYDRAULICZNE W.pdf · 1 Katedra Inżynierii Wodnej i Geotechniki,…

  • Published on
    28-Feb-2019

  • View
    212

  • Download
    0

Embed Size (px)

Transcript

23

WARUNKI HYDRAULICZNE W PRZEPAWKACH RYGLOWYCH O POPRZECZNIE UOONEJ SZCZELINIE GWNEJ

Maciej Wyrbek1

1 Katedra Inynierii Wodnej i Geotechniki, Wydzia Inynierii rodowiska i Geodezji, Uniwersytet Rolniczy w Krakowie, al. Mickiewicza 24/28, 30-059 Krakw, e-mail: m.wyrebek@gmail.com

Inynieria Ekologiczna Ecological EngineeringVol. 43, 2015, 2329DOI: 10.12912/23920629/58895

STRESZCZENIEW ostatnich dziesicioleciach na skutek nadmiernej regulacji rzek objawiajcej si zabudow poprzeczn cigo korytarza ekologicznego rzek zostaa przerwana. Wpyno to niekorzystnie na spadek liczebnoci wielu gatunkw ryb. Obecnie w Polsce realizowane s programy renaturyzacji koryt rzecznych poczone z restytucj ryb dwurodowiskowych. Powodzenie tych programw uzalenione jest od przywrcenia cigo-ci ekologicznej koryt rzecznych. Przepawki s to urzdzenia umoliwiajce pokonanie przez ryby budowli poprzecznych o zbyt duym pitrzeniu. Najwiksz skutecznoci cechuj si przepawki bliskie naturze. Wystpuj w nich warunki hydrauliczne podobne do tych w potoku grskim. Minusem tego rozwizania s koszty konstrukcji oraz dua powierzchnia ktr zajmuj. Przepawki techniczne zajmuj mniejsz ilo miejsca, lecz cechuj si mniejsz skutecznoci w pokonywaniu budowli poprzecznych przez ichtiofaun. Poczeniem zalet obu rozwiza s przepawki ryglowe w ktrych w sztucznym korycie tworzy si sekwen-cje basenw przegrodzonych ryglami z naturalnego kamienia. W pracy przedstawiono wyniki modelowania numerycznego dla przepawki ryglowej o poprzecznie uoonej szczelinie gwnej rygla. W przepawce tej wystpuj dwa gwne kierunki przepywu poprzeczny odbywajcy si szczelinami gwnymi rygla oraz zgodny ze spadkiem przepawki szczelinami o mniejszej szerokoci. Na podstawie wynikw modelowania obliczono wydatek przepawki oraz wpyw zmiany szerokoci szczeliny gwnej i pozostaych szczelin w ryglu przepawki na warunki hydrauliczne.

Sowa kluczowe: przepawka ryglowa, modelowanie numeryczne.

HYDRAULIC CONDITION WITHIN ROCK RAMP FISHWAY WITH TRANSVERSE LOCATION OF THE MAIN SLOT

ABSTRACTIn the recent decades due to the technical river training which used hydrotechnical structures the rivers con-tinuity has been broken. It had a negative impact on the decline in many fish species. Currently, many restora-tion projects of river beds in Poland are combined with the restitution of anadromous fish were implemented. The success of these programs depend on the restoration of the ecological corridor of the river. A fishway is a structure on or around artificial and natural barriers, such as dams to facilitate fishes natural migration. The most effective fishway is the one close to nature. Hydraulic conditions within it are similar to mountain stream. The downside of this solution is the cost of construction and the large area its occupy. Technical fi-shways occupy less space but are less effective. A combination of the advantages of both solutions are rock ramp fishway where sequences of pools are made of natural stone. The results of numerical modeling for rock ramp fishway with the main slot located transverse to the bed slope were shown. Within such construction of fishway there are two main directions of flow transverse by the main slot and the consistent with the bad slope through the smaller slots. The impact of the changed width of the main slots and other slots on the hydraulic condition were calculated.

Keywords: rock ramp fishway, numerical modeling.

Inynieria Ekologiczna / Ecological Engineering Vol. 43, 2015

24

WSTP

Ramowa Dyrektywa Wodna wymusza po-praw stanu ekologicznego i potencjau eko-logicznego rzek i potokw grskich. O ocenie stanu ekologicznego cieku w gwnej mierze decyduj bariery migracyjne w postaci stopni wodnych, zapr przeciw rumowiskowych itp. W zwizku z tym istnieje konieczno przygoto-wania odpowiednich rozwiza dla moliwoci migracji ichtiofauny i makrozoobentosu w gr i w d cieku. Dotychczasowe rozwizania maj zdecydowany charakter rozwiza technicz-nych, ktre nie uwzgldniaj poprawnoci wa-runkw stabilnoci biologicznych dla poszcze-glnych gatunkw ichtiofauny.

Na podstawie przeprowadzonej analizy bu-dowli poprzecznych pod ktem migracji ichtio-fauny w regionie Maej Wisy oraz Grnej Wisy stwierdzono e z 7869 budowli poprzecznych 4332 to budowle mogce stanowi barier w mi-gracji ryb [Bartnik 2011].

Przepawki s to urzdzenia umoliwiajce pokonanie przez ryby budowli poprzecznych o zbyt duym pitrzeniu [Lubieniecki 2003]. Za-sadnicz funkcj jak musi spenia przepawka dla ryb jest umoliwienie rybom i innym organi-zmom wodnym wdrwki w przypadku przegra-dzania koryta rzecznego. Poprawnie dziaajca przepawka bdzie wwczas, jeeli bd spenio-ne odpowiednie warunki okrelane jako kryteria stabilnoci biologicznej [Winiewolski 2011]: kryterium prdu wabicego, kryterium prdkoci granicznych, kryterium dopuszczalnego napenienia w

przepawce i wielkoci basenw, kryterium wspczynnika rozproszenia energii

w basenach, kryterium dopuszczalnej wielkoci strat przy

przepywie wody przez rygiel.

Wane jest, aby speni wszystkie powysze kryteria. Nie spenienie jednego z nich moe powo-dowa wadliwe dziaanie przepawki lub nawet za-nik dziaania. Wartoci graniczne poszczeglnych kryteriw uzalenione s od gatunku ryb, ich ro-dowiska bytowania, wielkoci i stadium rozwoju.

Najpopularniejszym typem przepawek s przepawki techniczne (komorowe, szczelino-we). Wieloletnie obserwacje tych przepawek wykazay, e cechuj si one nisk sprawnoci dla migracji ichtiofauny. Duo lepsz sprawno maj przepawki w formie obej, w ktrych two-

rzony jest omijajcy przeszkod strumie [Mo-kwa 2008]. Minusem tego typu rozwizania jest dua powierzchnia jak zajmuj. Alternatyw czc ze sob zalety obu typw przepawek s przepawki ryglowe. W korycie tworzona jest se-kwencja basenw oddzielonych ryglami uoony-mi z naturalnych gazw. Pomidzy gazami po-zostawiony jest system rnej szerokoci szczelin [Winiewolski 2011]. W przepawkach tych wy-stpuj hydrauliczne warunki przepywu jak w potoku grskim wytworzone na duo mniejszej powierzchni jak w przepawkach technicznych.

Podczas konstruowania przepawek dla ryb naley speni kryteria stabilnoci biologicznej ryb przy rwnoczesnym dostosowaniu przepaw-ki do warunkw terenowych i sytuacji wasno-ciowej. Istnieje moliwo skrcenia dugoci przepawki poprzez zmian jej konstrukcji. Roz-wizanie takie rni si od tradycyjnego lokali-zacj szczeliny gwnej i uoeniem basenw: szczelina zlokalizowana jest poprzecznie do spad-ku dna przepawki, natomiast baseny po dwch stronach przepawki. Rozwizanie takie pozwala dwukrotnie zmniejszy dugo przepawki.

Na rysunku 1 przedstawiony jest schemat tradycyjnej przepawki ryglowej (a) oraz nowej konstrukcji (b). Przy zaoeniu dugoci basenu wynoszcej 3 m, dopuszczalnego spadu na ryglu 0,15 m i spadu na budowli pitrzcej (stopie wodny) wynoszcej np. 2,40 m przy rozwizaniu tradycyjnym dugo przepawki wynosi bdzie 48 m, natomiast dla nowej konstrukcji 25,5 m.

Taka konstrukcja przepawki powoduje zr-nicowanie hydraulicznych warunkw przepywu i podzia na dwa gwne kierunki przepywu: strumie gwny przez ktry ryby przepy-

waj pokonujc kolejne przegrody prze-pawki. Przepywa on szczelinami gwnymi rygla w kierunku poprzecznym do spadku dna przepawki. Konstrukcja przepawki wy-musza zmian kierunku pynicia strumienia co korzystnie wpywa na zmniejszajc si prdko przepywu wody (rys. 1b kolor ciemno niebieski)

woda przelewajca si szczelinami rygla o mniejszej szerokoci. Przepyw jest zgod-ny ze spadkiem dna przepawki, natomiast szeroko tych szczelin w ryglu wpywa na tworzce si strefy spokojnego przepywu w basenach, w ktrych ryby odpoczywaj przed pokonywaniem strefy zwikszonej prdkoci przepywajc do basenu pooonego wyej (rys. 1b kolor jasno niebieski).

25

Inynieria Ekologiczna / Ecological Engineering Vol. 43, 2015

W przepawce o takiej konstrukcji wystpuj zmienne wartoci rnicy poziomw zwierciada wody pomidzy ssiednimi basenami. Wzdu strugi gwnej spadek hy jest dwukrotnie mniej-szy od spadku pomidzy basenami liczonego zgodnie ze spadkiem dna przepawki hx. Przy zachowaniu staej wartoci prdkoci maksy-malnej pozwala to na dwukrotne zmniejszenie dugoci przepawki, albo dla staej dugoci na wytworzenie mniejszych prdkoci przepywu w przepawce.

METODYKA

Modelowanie numeryczne przeprowadzono za pomoc modelu CCHE2D. Jest to dwuwy-miarowy model sucy do oblicze ruchu wody. W modelu tym nastpuje urednienie wielkoci hydraulicznych na gbokoci. Do oblicze wy-korzystuje rwnanie cigoci (1) i rwnanie za-chowania pdu (2 i 3). Do rozwizywania rwna zostaa uyta metoda elementw skoczonych [Zhang 2006].

woda przelewajca si szczelinami rygla o mniejszej szerokoci. Przepyw jest zgodny ze spadkiem dna przepawki, natomiast szeroko tych szczelin w ryglu wpywa na tworzce si strefy spokojnego przepywu w basenach, w ktrych ryby odpoczywaj przed pokonywaniem strefy zwikszonej prdkoci przepywajc do basenu pooonego wyej (Rys. 1b kolor jasno niebieski).

W przepawce o takiej konstrukcji wystpuj zmienne wartoci rnicy poziomw zwierciada wody pomidzy ssiednimi basenami. Wzdu strugi gwnej spadek hy jest dwukrotnie mniejszy od spadku pomidzy basenami liczonego zgodnie ze spadkiem dna przepawki hx. Przy zachowaniu staej wartoci prdkoci maksymalnej pozwala to na dwukrotne zmniejszenie dugoci przepawki, albo dla staej dugoci na wytworzenie mniejszych prdkoci przepywu w przepawce. Metodyka

Modelowanie numeryczne przeprowadzono za pomoc modelu CCHE2D. Jest to dwuwymiarowy model sucy do oblicze ruchu wody. W modelu tym nastpuje urednienie wielkoci hydraulicznych na gbokoci. Do oblicze wykorzystuje rwnanie cigoci (1) i rwnanie zachowania pdu (2 i 3). Do rozwizywania rwna zostaa uyta metoda elementw skoczonych [Zhang 2006].

+

() +

() = 0

+

+

=

+

1 [

() +

() ]

+

+

+

=

+

1 [

() +

() ]

+

gdzie: u,v urednione prdkoci w kierunku x i y, g sia przycigania ziemskiego, Z poziom zwierciada wody, H lokalna gboko wody, fCor parametr Coriolisa, xx, xy, yx, yy urednione na gbokoci naprenia Reynoldsa, bx , by naprenia styczne na powierzchni dna. Numeryczny model przepawki ryglowej obejmowa 60 m odcinek. Zagszczenie siatki

obliczeniowej wynosi 0,03 m (33 wzw/mb, 1089 wzw/m2). Przepawka skada si z 33 basenw uoonych mijankowo. Dugo basenu w osi rygla wynosi 3,00 m (dugo wewntrzna 2,61 m), szeroko 3,00 m. Spadek poduny dna przepawki wynosi 5%. Powoduje to spad zwierciada wody hx = 0,15 m, hy = 0,075 m. W cianie odgradzajce przepawk na lew i praw cz zlokalizowana jest szczelina gwna rygla (B). Jej szeroko zmieniano w zakresie 0,15-0,45 m. W ryglach uoonych poprzecznie do spadku przepawki zlokalizowane s szczeliny o mniejszej szerokoci. Ich szeroko zmieniano w zakresie 0,03-0,18 m.

Rys. 2. Numeryczny model przepawki ryglowej, CCHE2D MESH Fig. 2. Numerical model of rock ramp fishway, CCHE2D MESH

Modelowanie przeprowadzono dla dwch wariantw zmiany konstrukcji przepawki:

Staa szeroko szczeliny gwnej (B) przy zmianie szerokoci dodatkowych szczelin (b) Zmienna szeroko szczeliny gwnej (B) przy staej szerokoci dodatkowych szczelin (b)

Na podstawie modelowania okrelono rozkad przepywu na strumie gwny przepawki przepywajcy szczelin gwn i warto przepywu przez dodatkowe szczeliny rygla. Cakowity wydatek przepawki obliczono jako sum przepywu szczelin gwn rygla oraz dodatkowymi szczelinami rygla po dwch tronach przepawki (4). Przy takiej konstrukcji przepawki naley rozrni wydatek cakowity od wartoci przepywu odbywajcego si w kierunku pokonywania przepawki przez ryby ktry liczony jest ze wzoru 5.

= + 4 + 4 (4) gdzie: QC cakowity wydatek przepawki [m3s-1]

qbL wydatek przez szczelin rygla znajdujc si po lewej stronie przepawki [m3s-1] qbP - wydatek przez szczelin rygla znajdujc si po prawej stronie przepawki [m3s-1]

= + 4 (5)

(1)

woda przelewajca si szczelinami rygla o mniejszej szerokoci. Przepyw jest zgodny ze spadkiem dna przepawki, natomiast szeroko tych szczelin w ryglu wpywa na tworzce si strefy spokojnego przepywu w basenach, w ktrych ryby odpoczywaj przed pokonywaniem strefy zwikszonej prdkoci przepywajc do basenu pooonego wyej (Rys. 1b kolor jasno niebieski).

W przepawce o takiej konstrukcji wystpuj zmienne wartoci rnicy poziomw zwierciada wody pomidzy ssiednimi basenami. Wzdu strugi gwnej spadek hy jest dwukrotnie mniejszy od spadku pomidzy basenami liczonego zgodnie ze spadkiem dna przepawki hx. Przy zachowaniu staej wartoci prdkoci maksymalnej pozwala to na dwukrotne zmniejszenie dugoci przepawki, albo dla staej dugoci na wytworzenie mniejszych prdkoci przepywu w przepawce. Metodyka

Modelowanie numeryczne przeprowadzono za pomoc modelu CCHE2D. Jest to dwuwymiarowy model sucy do oblicze ruchu wody. W modelu tym nastpuje urednienie wielkoci hydraulicznych na gbokoci. Do oblicze wykorzystuje rwnanie cigoci (1) i rwnanie zachowania pdu (2 i 3). Do rozwizywania rwna zostaa uyta metoda elementw skoczonych [Zhang 2006].

+

() +

() = 0

+

+

=

+

1 [

() +

() ]

+

+

+

=

+

1 [

() +

() ]

+

gdzie: u,v urednione prdkoci w kierunku x i y, g sia przycigania ziemskiego, Z poziom zwierciada wody, H lokalna gboko wody, fCor parametr Coriolisa, xx, xy, yx, yy urednione na gbokoci naprenia Reynoldsa, bx , by naprenia styczne na powierzchni dna. Numeryczny model przepawki ryglowej obejmowa 60 m odcinek. Zagszczenie siatki

obliczeniowej wynosi 0,03 m (33 wzw/mb, 1089 wzw/m2). Przepawka skada si z 33 basenw uoonych mijankowo. Dugo basenu w osi rygla wynosi 3,00 m (dugo wewntrzna 2,61 m), szeroko 3,00 m. Spadek poduny dna przepawki wynosi 5%. Powoduje to spad zwierciada wody hx = 0,15 m, hy = 0,075 m. W cianie odgradzajce przepawk na lew i praw cz zlokalizowana jest szczelina gwna rygla (B). Jej szeroko zmieniano w zakresie 0,15-0,45 m. W ryglach uoonych poprzecznie do spadku przepawki zlokalizowane s szczeliny o mniejszej szerokoci. Ich szeroko zmieniano w zakresie 0,03-0,18 m.

Rys. 2. Numeryczny model przepawki ryglowej, CCHE2D MESH Fig. 2. Numerical model of rock ramp fishway, CCHE2D MESH

Modelowanie przeprowadzono dla dwch wariantw zmiany konstrukcji przepawki:

Staa szeroko szczeliny gwnej (B) przy zmianie szerokoci dodatkowych szczelin (b) Zmienna szeroko szczeliny gwnej (B) przy staej szerokoci dodatkowych szczelin (b)

Na podstawie modelowania okrelono rozkad przepywu na strumie gwny przepawki przepywajcy szczelin gwn i warto przepywu przez dodatkowe szczeliny rygla. Cakowity wydatek przepawki obliczono jako sum przepywu szczelin gwn rygla oraz dodatkowymi szczelinami rygla po dwch tronach przepawki (4). Przy takiej konstrukcji przepawki naley rozrni wydatek cakowity od wartoci przepywu odbywajcego si w kierunku pokonywania przepawki przez ryby ktry liczony jest ze wzoru 5.

= + 4 + 4 (4) gdzie: QC cakowity wydatek przepawki [m3s-1]

qbL wydatek przez szcze...

Recommended

View more >