Návrh a výpočet složeného koryta 3.12.2007 Návrh a výpočet složeného koryta Jan Krupička jan.krupicka@fsv.cvut.cz ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Obsah NÁVRH SLOŽENÉHO PROFILU HYDRAULIKA SLOŽENÉHO PROFILU 3.12.2007 Obsah NÁVRH SLOŽENÉHO PROFILU HYDRAULIKA SLOŽENÉHO PROFILU VÝPOČETNÍ METODY ŘEŠENÍ SLOŽENÉHO PROFILU ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Definice Koryto se složeným příčným profilem: 3.12.2007 Definice Koryto se složeným příčným profilem: z hlediska geometrie – profil nemá jednoduchý tvar z hlediska hydrauliky – velké rozdíly v rychlostech v jednotlivých částech profilu Umělá koryta - obvykle složený lichoběžníkový profil, který tvoří sekce: prohloubená kyneta jedna nebo dvě výše položené bermy ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Účel návrhu Hlavní účel návrhu: 3.12.2007 Účel návrhu Hlavní účel návrhu: zvýšení kapacity koryta při zachované poloze hladiny na tocích, kde hrozí vylití z břehů omezení šířky rozlivu při přelití břehů původního koryta Soustředění nízkých průtoků do menší průtočné plochy s větší hloubkou a rychlostí zmenšení rozdílu mezi hladinami při malých a velkých průtocích na tocích s časově nevyrovnanými odtokovými poměry (strmá křivka n-denních průtoků) způsob vytvoření ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Nevyrovnané odtokové poměry 3.12.2007 Účel návrhu Qn [l.s-1] Nevyrovnané odtokové poměry Proč nechceme velké rozdíly hladin? Kolísání hladiny podzemní vody na přilehlých pozemcích Malé hloubky při malých průtocích: malá rychlost proudění, zanášení a zarůstání nadměrné prohřívání vody v extrému i úhyn vodních živočichů n [dny] 360 ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Princip návrhu Koryta malých toků, revitalizační úpravy: 3.12.2007 Princip návrhu Koryta malých toků, revitalizační úpravy: vylití z kynety se předpokládá několikrát v roce, kyneta se navrhuje na n-denní průtok kyneta má zajistit dostatečnou hloubku a rychlost při nízkých průtocích (konkrétní čísla závisí na vodnosti toku a složení fauny) z hlediska zemědělského využití okolních pozemků se doporučuje: při Q210d hloubka min 0,4 m, rychlost min 0,4 m/s při Q180d by nemělo docházet k podmáčení pozemků ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Princip návrhu Zvýšení kapacity koryta při povodních: 3.12.2007 Princip návrhu Zvýšení kapacity koryta při povodních: vylití z kynety se předpokládá při povodních, kyneta se navrhuje pro N-leté průtoky, kde N je cca 1~3 bermy mají zajistit dostatečnou průtočnou plochu a tím i kapacitu koryta Právě dokončená úprava Ostravice v Ostravě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Příklady složených koryt 3.12.2007 Příklady složených koryt potok Modla Radbuza v Plzni Cidlina ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 Příčný profil Dno kynety pokud možno přirozené, u revitalizací co nejvíce členité (balvany, tůně, ...) Svahy kynety se opevňují – kamenné záhozy, rovnaniny, při větším namáhání i dlažba ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 Příčný profil Bermy mírném sklonu (min 1% - zanášení) ke kynetě, zatravněné Šířka bermy - pojezd techniky (sečení) Proudění bermou pro průtoky s dlouhou dobou opakování - možno i rekreační využití (hřiště, lavičky, cyklostezky) - Nesmí příliš zvyšovat drsnost a zachytávat spláví. ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Příčný profil Způsob provedení Vícenásobně složené profily 3.12.2007 Příčný profil Způsob provedení plně zahloubený provedení kynety ve stávajícím korytě hloubení bermy nákladné částečně zahloubený hráze - nebezpečí podmáčení pozemků za hrází – jen pro krátkodobé rozlivy do bermy Vícenásobně složené profily ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Vedení kynety Kyneta je rovnoběžná s bermami 3.12.2007 Vedení kynety Kyneta je rovnoběžná s bermami Osa kynety svírá s bermami úhel kyneta je přímá, mění se šířka levé a pravé bermy kyneta meandruje v pásu vymezeném břehem levé a pravé bermy umožňuje zmenšit sklon dna kynety oproti bermám a dosáhnout tak větších hloubek a členitosti stěhovavá kyneta – umožní se volný vývoj kynety mezi bermami – ekologicky hodnotné ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Příklady složených koryt 3.12.2007 Příklady složených koryt river Main v Irsku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Příklady složených koryt 3.12.2007 Příklady složených koryt river Main v Irsku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Proudění ve složeném profilu 3.12.2007 Proudění ve složeném profilu Nehomogenní proudění – velké rozdíly rychlostí v různých částech koryta Střetávání pomalých a rychlých proudů Složité trojrozměrné hydraulické jevy, vzájemné ovlivňování pomalých a rychlých proudů ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Jevy ve smykové vrstvě Přenos hybnosti: Reynodlsova turbulentní napětí 3.12.2007 Jevy ve smykové vrstvě Přenos hybnosti: Reynodlsova turbulentní napětí příčné proudění makrovíry se svislou osou Břehy kynety Fotografie hladiny ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 Důsledek těchto jevů Reynoldsova napětí ve svislici, příčné proudění, víry se svislou osou Přenos hybnosti napříč profilem: vyrovnávání rychlostí mezi sekcemi vyšší rychlosti v bermách vyšší ztráty třením v bermách vyšší tečné napětí v bermě (zvláště blízko kynety) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Nehomogenní proudění Výskyt: 3.12.2007 Nehomogenní proudění Výskyt: Právě zmíněná umělá složená koryta Přirozená koryta se složeným profilem Široká mělká koryta s výrazně se měnící drsností dna Všechna koryta při vylití z břehů Typické proudění záplavovým územím při povodních potřeba jevy spojené z nehomogenním prouděním zohlednit ve výpočetních postupech ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Výpočet složených koryt 3.12.2007 Výpočet složených koryt 2D a 3D modelování + přesný popis založený na fyzikálních vztazích velká výpočetní náročnost, vstupní data Empirické metody + jednoduché málo spolehlivé při jiných podmínkách, než pro které byly odvozeny Jednorozměrné metody + jednoduchý, zaběhnutý postup obtížné zahrnutí interakcí mezi proudy hrubá předpověď svislicových rychlostí 1,5D modelování - LDM + zohledňuje dění napříč korytem výpočetně náročnější ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Jednorozměrné metody Základem je dělení do sekcí pomocí: 3.12.2007 Jednorozměrné metody Základem je dělení do sekcí pomocí: svislic – jednoduché, u nás běžně používané diagonál – pod různými úhly horizontál – spíše pro případy, kdy je kyneta skloněna vůči bermám, nebo meandruje kombinované Výpočet průtoku každou sekcí jako u jednoduchého koryta, výsledný průtok - součet ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Dělení pomocí svislic Místo dělení: 3.12.2007 Dělení pomocí svislic Místo dělení: na rozhraní kyneta-berma v každém zaměřeném bodě příčného profilu (HEC-2) v bodech, kde se mění drsnost (HEC-RAS) Způsob zahrnutí interakce mezi proudy: žádný - svislice se nezapočítává svislice se započítá do omočeného obvodu kynety náhradní drsnost ve svislici může dávat dobré výsledky při výpočtu kapacity, ale je obtížné ji dobře odhadnou ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Bousmarova metoda - EDM 3.12.2007 Bousmarova metoda - EDM Vychází z obvyklého dělení profilu do tří sekcí Přenos hybnosti modeluje pomocí výměny proudů různé rychlosti mezi sekcemi, rozlišuje výměnu: turbulentní – v podstatě Reynodlsova napětí včetně vlivu makrovírů geometrickou – přetok vody mezi sekcemi při nerovnoměrném proudění vlivem změny kapacity umožňuje přímý výpočet nerovnoměrné proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Empirické metody Zpravidla vycházejí z dělení profilu do sekcí 3.12.2007 Empirické metody Zpravidla vycházejí z dělení profilu do sekcí Průtoky jednotlivými sekcemi opravují pomocí empirických vztahů a až následně sčítají Korekce založené na: ohodnocení tečného napětí v dělící svislici na základě rozdílu rychlostí v přilehlých sekcích (lze označit jako poloempirické) stanovení ryze empirických korekčních součinitelů na základě tvaru koryta – například Ackersova metoda UB UK UB t t t ~ (UK – UB) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 Ackersova metoda - AEM Odvozena na základě měření v HR Wallingford na složeném lichoběžníkovém profilu Dělení do 3 sekcí, dílčí průtoky sekcemi násobeny korekcí DISADF závislou na regionu proudění Reg. Koherence COH = míra homogenity proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 metoda James & Wark Zástupce metod pro kynetu meandrující mezi bermami. Dělí profil do čtyř částí: kyneta po úroveň břehů S1 pás berm ve kterém meandruje kyneta S2 zbývající části berm S3 a S4 pro vlnovitosti s = 1,1~2 Empirické vztahy pro zahrnutí jevů v meandrujícím korytě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Jevy v meanrující kynetě 3.12.2007 Jevy v meanrující kynetě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Jevy v meandrující kynetě 3.12.2007 Jevy v meandrující kynetě překrývání proudů různého půdorysného směru (kyneta po břeh X proud nad úrovní břehu) nutnost oddělit kynetu horizontální plochou, na které dochází ke tření Značné zvýšení odporů proudění při vylití ze břehů oproti přímé kynetě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

LDM Lateral Distribution Method – tzv. 1,5D metoda. 3.12.2007 LDM Lateral Distribution Method – tzv. 1,5D metoda. Řídící diferenciální rovnice řeší zákon zachování podélné složky hybnosti napříč korytem: (I) zdrojový (gravitační) člen (II) člen tření na dně koryta (III) člen turbulentních napětím ve svislici (IV) člen přenosu hybnosti konvekcí prostřednictvím sekundárních příčných proudů ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

LDM – vstupy a výstupy Vstupy: Výstupy: 3.12.2007 LDM – vstupy a výstupy Vstupy: příčný profil, drsnosti, poloha hladiny, sklon čáry energie vyznačení břehů kynety 1D výpočetní síť pro numerické řešení dif. rce. Výstupy: svislicové rychlosti v bodech sítě průtok, součinitel kinetické energie, tečná napětí na dně ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

LDM – výhody a nevýhody Nevýhody: Výhody: 3.12.2007 LDM – výhody a nevýhody Nevýhody: větší výpočetní náročnost než klasické 1D metody (řešení třídiagonální matice soustavy rovnic) zatím málo v praxi ozkoušená složitější na pochopení Výhody: větší přesnost popisu než klasické 1D metody, přičemž jsou náročnost na vstupní data stejná malá výpočetní náročnost oproti 2D modelování ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3.12.2007 Porovnání různých metod v programu SLOŽKOR http://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/koryta/ke_stazeni.html ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Složkor - metody SCM (Single Channel Method) – jako jednoduchý profil 3.12.2007 Složkor - metody SCM (Single Channel Method) – jako jednoduchý profil DCM (Divided Channle Method) – dělení do sekcí v uživatelem zadaných bodech, přičemž: DCM1 – svislice se započítají do omočeného obvodu s nulovou drsností DCM2 - svislice se nezapočítají do omočeného obvodu DCM3 – svislice se započítají s náhradní drsností SSGM (Sum of SeGment Method) – dělení profilu v každém bodě – jako starý HEC-2 DZD (Dělení Změnou Drsnosti) – jako poslední HEC-RAS AEM (Ackersova Empirická Metoda) LDM (Lateral Distribution Method) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Porovnání s fyzikálním modelem 3.12.2007 Porovnání s fyzikálním modelem ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Porovnání s fyzikálním modelem 3.12.2007 Porovnání s fyzikálním modelem AZZU – aktivní zóna záplavového území Zde jako oblast provádějící 80% celkového průtoku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

Porovnání s fyzikálním modelem 3.12.2007 Porovnání s fyzikálním modelem Součinitel kinetické energie – míra nehomogenity proudění Vystupuje v rychlostní výšce, tím ovlivňuje výpočet nerovno-měrného proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie