Parametry fal wezbraniowych - michal_wasilewicz.users.sggw.plmichal_wasilewicz.users.sggw.pl/ochr-pp/Ochrona_ppow_2_2017.pdf · Parametry fal wezbraniowych Czasy wznoszenia fal wezbraniowych

Zagadnienia:

• Klasyfikacja wezbrań i powodzi

• Charakterystyka wezbrań i powodzi

• Parametry fal wezbraniowych

• Wpływ zagospodarowania zlewni

na wielkość wezbrań

Wykład 2

Klasyfikacja wezbrań i powodzi

Ze względu na genezę wezbrania dzielimy na:

Opadowe wywołane deszczami:

• rozlewnymi

• frontalnymi

• nawalnymi („oberwanie chmury”)

Roztopowe – wywołane gwałtownym tajaniem

śniegu

Zimowe zatorowe:

• lodowe

• śryżowe

Sztormowe – wywołane wiatrem wiejący od morza

i powodującym podniesienie się poziomu wody

w ujściowych odcinkach rzek

Regiony dominacji określonego typu wezbrań

Płock, 13-14 kwiecień 2011


Okresy występowania różnych typów powodzi

w Polsce

Typ

powo

-dzi

Miesiące

XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X

On

Of

Or

Okres możliwego pojawiania się powodzi

Okres najczęstszego pojawiania się powodzi

Charakterystyka wezbrań i powodzi

Okresy występowania różnych typów powodzi

w Polsce

Typ

powo

-dzi

Miesiące

XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X

R

Sz

Zś

Zz

Okres możliwego pojawiania się powodzi

Okres najczęstszego pojawiania się powodzi

Charakterystyka wezbrań i powodzi

Ilość i rozkład przestrzenny wezbrań opadowych w latach 1946 - 2001


Ilość i rozkład przestrzenny wezbrań roztopowych i zatorowych w latach 1946 - 2001


Klasyfikacja wezbrań na podstawie Qmax wg IMGW

Q20%

Q20%


SQ

Q50%

Q20%

Q5%

(SQ + Q50%)/2

Czas

Q [m3/s]

Wezbranie zwyczajne

Wezbranie wielkie

Wezbrania i powodzie opadowe

Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: • powierzchni obszaru objętego opadami, • intensywności opadów, • stanu uwilgotnienia zlewni.

Rozkład opadów 9/10 lipca 2001 r. w rejonie Gdańska

Opad średni na obszarze 68 mm – tj. ok. 11 %

opadu średniego rocznego (600 mm)

Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych

Krzywe redukcyjne sumy opadu punktowego dla oszacowania opadu obszarowego o różnym czasie trwania deszczu

65 %

Przykład:

Wysokość opadu punktowego (na stacji opadowej) P1h = 40 mm

Wysokość opadu w zlewni o pow. 500 km2 P1h = 0,65·40 = 26 mm


Największe odpływy jednostkowe obserwowane w Polsce w małych zlewniach (A < 100 km2) po opadach katastrofalnych


Wezbrania i powodzie opadowe

Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: • powierzchni obszaru objętego opadami, • intensywności opadów, • stanu uwilgotnienia zlewni – wykres poniżej

P - opad [mm]


Maksymalne sumy opadów o prawdopodobieństwie wystąpienia 1 % i czasie trwania 60 minut

80

80

80

70

70

70

70

70 70

Mapy rozkładu opadów maksymalnych


Regiony maksymalnych opadów w czasie: a) 5 – 30 minut, b) 1 – 12 godzin, c) 12 –72 godziny

Pmax=1,42 t0,33 + (R,t)(-ln p)0,584

t – czas trwania opadu [min], (R,t) – parametr zależny od regionu (R) i czasu opadu (t), p – prawdopodobieństwo opadu (dla 1 % – p = 0,01).

Wyznaczanie wysokości opadów wg wzorów empirycznych


Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych

Wezbrania i powodzie zimowe

Charakteryzują się punktowym występowaniem i na ogół niewielkim zasięgiem. Mogą występować zarówno na rzekach górskich jak i nizinnych z tym, że najczęściej występują na dużych rzekach nizinnych.

Warunki sprzyjające zatorom: • duża krętość rzeki; • morfologia koryta – występowanie odsypisk, wysp,

bocznych odgałęzień koryta; • przekroje mostowe, • górne odcinki zbiorników zaporowych.

Widok koryta Wisły w rejonie Kępy Polskiej

Wod. Kępa Polska km 606



Parametry fal wezbraniowych

Schemat fali wezbraniowej

P [mm]

a) czas

czas

Q [m3.s-1]

b)

Qmax

1 2 3 4

Hietogram opadu

Hydrogram przepływu

Fala wywołana odpływem gruntowym

1 – początek zasilania rzeki wodami z odpływu powierzchniowego

2 – kulminacja wezbrania – maksymalne natężenie przepływu

3 – koniec okresu zasilania rzeki z odpływu powierzchniowego

4 – koniec okresu zasilania z odpływu bezpośredniego, początek zasilania rzeki wyłącznie z odpływu gruntowego.


Qdoz

Qdop

P [mm]

a) czas

czas

Q [m3.s-1]

b)

Qmax

1 2 3

SSQ – podstawa fali wezbraniowej

Schemat fali wezbrania opadowego: a) hietogram, b) hydrogram przepływu:

1 - 2 – czas wznoszenia fali ts ,

2 – kulminacja wezbrania – Qmax – przepływ kulminacyjny,

2 - 3 – czas opadania fali to

Qdop – podstawa fali powodziowej


Qdoz

Qdop

P [mm]

a) czas

czas

Q [m3.s-1]

b)

Qmax

1 2 3

SSQ – podstawa fali wezbraniowej

Schemat podziału objętości fali wezbrania

Qdop – podstawa fali powodziowej

Va – objętość fali powodziowej

Va

Vb

V = Va + Vb – całkowita objętość fali wezbraniowej


Czasy wznoszenia fal wezbraniowych ts

(Wartości szacunkowe wg Ciepielowskiego 2001)

Rodzaj zlewni

Pow. zlewni

[km2]

ts [h]

fali opadowej

ts [h] fali roztopowej lub roztopowo-

opadowej

Górskie bardzo małe

do 12 7 –

Wyżynne średniej wielkości

250 - 1265 66 79

Nizinne: - małe - średnie - duże

80

570 – 1230 ok. 50 000

30 80 120

30 92 –

Nizinne o dużej retencyjności (pojezierne, zabagnione, o dużej lesistości)

ok. 28 000

–

400


Kształty fal wezbraniowych

Przykładowe roczne hydrogramy wezbrań: a) rzeka nizinna, b) rzeka wyżynna


Kształty fal wezbraniowych

Wpływ kierunku przemieszczania się opadów:

A – od ujścia w górę rzeki B – od źródeł do ujścia

Wpływ kształtu zlewni: a) zlewnia wydłużona

b) zlewnia koncentryczna


Kształty złożonych fal wezbraniowych

Fale złożone opadowe powstają w wyniku:

• wystąpienia intensywnych opadów w odstępach czasu

• nałożenia się dwóch lub kilku fal uformowanych w cieku głównym i w jej dopływach

Retencja zlewni - pod tym pojęciem rozumiemy zdolność do gromadzenia i przetrzymywania wody opadowej (roztopowej) w środowisku biotycznym i abiotycznym zlewni rzecznych.

Ri - retencja szaty roślinnej (zwana intercepcją),

Rpn - retencja powierzchni nieprzepuszczalnych,

Rw - retencja stojących wód otwartych,

Rrz - retencja w korytach rzek i cieków,

Rd - retencja na obszarach depresyjnych,

Rgr - retencja gruntowa,

Rbo - retencja na obszarach bezodpływowych.

bogrgldrzwpnic RRRRRRRRR

Całkowitą retencję zlewni Rc można wyrazić następującym wzorem:

Rgl - retencja glebowa,

Wpływ zagospodarowania zlewni

Zmiana zagospodarowania zlewni powoduje zmiany jej retencyjności.

Ri – mniejszy udział powierzchni pokrytych roślinnością

Rpn – większy udział powierzchni nieprzepuszczalnych (drogi, place, dachy budynków) na których woda zatrzymuje się, ale z których szybciej paruje, a także szybciej odpływa do sieci kanalizacji deszczowej

Rgr – mniejszy odpływ wody do gruntu

W szczególności zmiany te są zauważalne w zlewniach zurbanizowanych, tj. w zlewniach w których udział powierzchni zabudowy jest > 5 %.

Rgl – mniejsza powierzchnia gleb

Całkowita retencja w zlewni zurbanizowanej zmniejsza się:


cR

Najważniejsze elementy retencji ulegające zmniejszeniu:

bogrgldrzwpn RRRRRRRRi

cR

Pozostałe elementy retencji również mogą ulegać zmniejszeniu (np. w wyniku likwidacji małych zbiorników wodnych, mokradeł, zagłębień terenu)

Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych

A – stan naturalny – druga połowa XIX w.:

• długość rzeki 28 km • parametry fali: Qmax = 5,3 m3/s V = 0,54 mln m3

Przykład małej zlewni w Niemczech – obserwacje wodowskazowe od połowy XIX wieku.

Analizowano zmian parametrów fal (przy takiej samej wysokości opadu) w 3 okresach:


B – początek XX w.: • długość rzeki 24 km • parametry fali: Qmax = 7,3 m3/s V = 0,62 mln m3



C – koniec XX w.: • długość rzeki 20 km • parametry fali: Qmax = 9,5 m3/s V = 0,69 mln m3

Zmiany w okresie ponad 100 lat: Qmax – z 5,3 m3/s do 9,5 m3/s wzrost o ok. 80 % V - z 0,54 do 0,69 mln m3

wzrost o ok. 28 %



30

Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego

Opad P = 65 mm/h

Wpływ gęstości pokrycia roślinnego na wielkość odpływu powierzchniowego

(Noble 1965 za Gregory, Walling 1987)

Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy


31

Wielkość odpływu powierzchniowego w ciągu roku (Ryszkowski i Kędziora 1987)

Rodzaj użytku Odpływ

powierzchniowy [mm]

Las iglasty 64

Łąka 88

Pole uprawne 102

Pole w ugorze 230

Teren zabudowy

wiejskiej

256

Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego

Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy wzrost retencji w zlewni R wzrost zasobów wodnych zlewni


Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ urbanizacji zlewni na elementy bilansu wodnego

E – ewapotranspiracja, Opow - odpływ powierzchniowy

Ip - infiltracja płytka, Ig - infiltracja głęboka

33

Zmiany parametrów bilansu wodnego niewielkiej zlewni na obszarze Moskwy w wyniku jej przekształcenia ze zlewni rolniczej na

zurbanizowaną (Wg Lvovich i Chernogaeva 1977, za Gregory, Walling 1987)

Wzrost odpływu powierzchniowego zmniejszenie się retencji i zasobów wodnych zlewni wzrost zagrożenia

powodziowego !

Opad Ewapotranspiracja

Odpływ powierzchniowy

Odpływ podziemny

Ewapotranspiracja Opad

Odpływ podziemny

Odpływ powierzchniowy


Zróżnicowanie odpływu jednostkowego q (dm3·s-1·km-2) w czasie T (h) dla typowej fali wezbraniowej wywołanej opadem ulewnym w zlewniach o różnym użytkowaniu - rzeki Sufraganiec i Silnica


Wielkość odpływu jednostkowego q (dm3·s-1·km-2) ze zlewni cząstkowych rzek Sufraganiec i Silnica o zróżnicowanym

zagospodarowaniu:


Udział pow. utwardzonych

Gęstość pow.dróg utwardzonych Gęstość sieci kanalizacji deszcz.

zlewnia leśna

zlewnia rolnicza

zlewnia zurbanizowana

36

Wpływ zagospodarowania zlewni na kształt i wysokość fali wezbraniowej: a) zlewnia zurbanizowana (o małej retencyjności), b) zlewnia użytkowana rolniczo c) zlewnia z dużym udziałem lasów (o dużej retencyjności).

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Czas (h)

Natę

żenie

prz

epły

wu Q

(m

3*s

-1)

a) b) c)

Qmax – przepływ kulminacyjny

Qmax

Qmax


37

W wyniku zmian zagospodarowania i zmniejszania się retencyjności zlewni:

• wzrasta wielkość przepływu kulminacyjnego Qmax fali wezbraniowej wywołanej opadem (roztopami),

• zwiększa się objętość wody odpływającej w czasie wezbrania,

• zmniejsza się czas między początkiem opadu a kulminacją fali (następuje przyspieszenie odpływu ze zlewni).

0

1

2

3

4

5

6

0 5 10 15 20

Czas (h)

Natę

żenie

prz

epły

wu Q

(m

3*s

-1)

a) b) c)

Qmax – przepływ kulminacyjny

Qmax

Qmax


38

Wielkość przepływu kulminacyjnego Qmax (m3.s-1) w czasie

wezbrania opadowego można obliczyć z następującego wzoru: gdzie: φ – współczynnik odpływu ze zlewni, (-), I – natężenie deszczu, (mm.min-1), A – powierzchnia zlewni, (km2), 16,67 – współczynnik przeliczeniowy wynikający z przyjętych

jednostek I i A.

AIQ 67,16max

Wartość współczynnika odpływu φ zależy od:

• rodzaju powierzchni (pokrycia terenu)

• średniego nachylenia zlewni Jz [‰] wyrażonego wzorem:

A

WJ z

∆W [m] - deniwelacja – różnica ekstremalnych wysokości (rzędnych) punktów terenowych w zlewni - ∆W = Wmax – Wmin

A - powierzchnia zlewni [km2]


39

Współczynniki odpływu φ wód deszczowych dla różnych powierzchni i średnich spadków zlewni

Rodzaj powierzchni Współczynnik odpływu φ (-) dla powierzchni o średnim spadku terenu Jz (%)

< 0,5 1,0 2,5 5,0 7,5 10,0

Lasy 0,01 0,02 0,04 0,06 0,10 0,15

Grunty orne, pola uprawne 0,05 0,08 0,10 0,15 0,20 0,25

Łąki, pastwiska, parki, ogrody 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30

Łąki z siecią rowów 0,20 0,22 0,25 0,30 0,40 0,45

Zabudowa willowa, wiejska 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60

Tereny miejskie z luźną zabudową

0,40

0,42

0,45

0,50

0,55

0,60

Dzielnice śródmiejskie

o luźnej zabudowie

0,60

0,62

0,65

0,70

0,76

0,80

Dzielnice śródmiejskie

o zabudowie zwartej

0,70

0,75

0,85

0,90

0,95

0,98

Dzielnice staromiejskie

o zwartej zabudowie

0,80

0,82

0,85

0,90

0,96

1,00

Aleje spacerowe, drogi żwirowe

0,20

0,22

0,25

0,30

0,35

0,40

Drogi tłuczniowe 0,25 0,28 0,33 0,42 0,52 0,60

Drogi z kostki Bauma, bruki zwykłe

0,50

0,52

0,55

0,62

0,65

0,70

Bruki szczelne 0,70 0,72 0,75 0,80 0,85 0,90

Drogi bitumiczne 0,80 0,82 0,85 0,90 0,92 0,95

Dachy kryte blachą lub papą 0,85 0,90 0,96 0,98 0,99 1,00


Wpływ zmian udziału powierzchni zabudowy w zlewni na kształt fali wezbraniowej


W zlewniach zurbanizowanych:

Wzrasta wielkość odpływu jednostkowego,

Ulega skróceniu czas dopływu wód opadowych do cieku – odbiornika (spływ powierzchniowy po gładkich powierzchniach nieprzepuszczalnych „wspomagany” przez system kanalizacji deszczowej)

Przebieg wezbrań w zurbanizowanej zlewni rzeki Białej w Białymstoku, na tle zmienności opadów zarejestrowanych

w miesiącu czerwcu 2009 roku


Potok Służewiecki / ul. Rosoła - lipiec 2007

20

30

40

50

60

70

80

90

100

110

120

130

140

150

01-07-07 02-07-07 03-07-07 04-07-07 05-07-07 06-07-07 07-07-07 08-07-07

Data

Sta

n w

od

y H

[c

m]

Stan wody

Pomiar o godz. 7:00

Hydrogram stanów wody – Potok Służewiecki w Warszawie (zlewnia zabudowana w ok. 60 % - Osiedla: Natolin, Ursynów,

Służew, część Wilanowa, lotnisko Okęcie)


Aktualne zalecane w projektowaniu częstotliwości występowania deszczu obliczeniowego i kontrolnego (PN-EN 752-4:2001)

Rodzaj zabudowy

Częstotliwość deszczu

obliczeniowego – 1 wystąpienie

na c lat

Częstotliwość przepełnienia – 1 wystąpienie

na c lat

Osiedla wiejskie 1 10

Osiedla mieszkaniowe 2 20

Zabudowa śródmiejska, tereny handlowe, przemysłowe:

z uwzględnieniem zjawiska wylania

bez uwzględnienia zjawiska wylania

2

5

30

-

Metro / przejście podziemne 10 50


Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi?

„Stare” zalecane częstotliwości deszczu obliczeniowego według Błaszczyka (1965) – stosowane w wielu istniejących sieciach

Rodzaj kanału

Częstotliwość deszczu obliczeniowego –

1 wystąpienie na c lat

Kanały boczne w płaskim terenie 1

Kolektory, kanały boczne przy większych spadkach terenu

2

Kolektory w głównych ulicach, kanały boczne przy dużych spadkach terenu

5

Kanały w szczególnie niekorzystnych warunkach (np. gęsta zabudowa)

10

Kanały otwarte na terenie miast 10


Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi?

Klasa drogi

Częstotliwość deszczu

obliczeniowego –

1 wystąpienie na c lat

Autostrada (A),

Ekspresowa (S)

10

Główna ruchu przyspieszonego

(GP)

5

Główna (G),

Zbiorcza (Z)

2

Lokalna (L),

Dojazdowa (D)

1

Częstotliwość deszczu obliczeniowego w projektowaniu odwodnienia dróg


Wnioski:

1. Kanalizacja deszczowa nie zapewnia skutecznej ochrony w przypadku opadów ekstremalnych – o małym prawdopodobieństwie wystąpienia;

2. Kanalizacja deszczowa przyśpiesza odpływ – wzrasta ryzyko powodzi.

Parametry fal wezbraniowych - michal_wasilewicz.users.sggw.plmichal_wasilewicz.users.sggw.pl/ochr-pp/Ochrona_ppow_2_2017.pdf · Parametry fal wezbraniowych Czasy wznoszenia fal wezbraniowych

Documents