INFRASTRUKTURA I EKOLOGIA TERENÓW WIEJSKICH Nr 4/1/2006, POLSKA AKADEMIA NAUK, Oddziađ w Krakowie, s. 249–267
Komisja Technicznej Infrastruktury Wsi
Leszek Ksiæľek
MORFOLOGIA KORYTA RZEKI SKAWY
W ZASIùGU COFKI ZBIORNIKA ĦWINNA PORùBA
Streszczenie
W pracy przedstawiono prognozú zmian morfologicznych na rzece Skawie w zasiúgu cofki zbiornika Ħwinna Porúba (obecnie w trakcie realizacji). Podnoszenie siú dna koryta cieku w wyniku odkđadania ru-mowiska moľe mieè wpđyw na poziom zwierciadđa wody w czasie przej-ħcia fali powodziowej i zwiúkszenia zagroľenia powodziowego terenów przylegđych.
W latach 2003-2006 przeprowadzono pomiary geodezyjne odcinka rzeki Skawy, analizú skđadu granulometrycznego rumowiska, profile prúdkoħci oraz pomiar poziomu zwierciadđa wody w czasie przejħcia fali powodziowej. Prognozú zmian morfologicznych przeprowadzono z wyko-rzystaniem dwuwymiarowego modelu CCHE2D opracowanym w Uni-wersytecie Mississippi. Umoľliwia on symulacjú zmian konfiguracji dna koryta cieku w wyniku transportu rumowiska.
Symulacje przeprowadzono dla historycznych fal powodziowych oraz przepđywów o prawdopodobieēstwie wystæpienia od p = 50% do p = 0,1% dla wybranych rzúdnych piútrzenia zwierciadđa wody w zbior-niku w zakresie od 304,56 m n.p.m – brak efektu piútrzenia na bada-nym odcinku do 309,60 m n.p.m. – piútrzenie normalne. Przypadki obliczeniowe obejmowađy równieľ przepđywy wody z rumowiskiem wle-czonym i unoszonym. Zasiúg cofki, a tym samym miejsce, gdzie moľe odkđadaè siú rumowisko, w zaleľnoħci od poziomu piútrzenia wody w zbiorniku búdzie przesuwađo siú w pasie o dđugoħci 1,5 km w górú i dóđ cieku, a modelowanie numeryczne zmian morfologicznych wskazuje, ľe gospodarka wodna na zbiorniku powinna uwzglúdniaè warunki zmian konfiguracji dna w rejonie cofki zbiornika.
Sđowa kluczowe: fala powodziowa, konfiguracja dna, modelowanie numeryczne, warunki poczætku ruchu, zasiúg cofki
WSTùP
Budowa zapory wodnej powoduje przeciúcie doliny rzecznej. Ru-mowisko unoszone zatrzymywaè siú búdzie w cađej czaszy zbiornika, zaħ rumowisko wleczone w zasiúgu cofki zbiornika. Materiađ denny transportowany i odkđadany w korycie rzeki w zasiúgu cofki zbiornika búdzie powodowađ podnoszenie siú dna [Đajczak 1995], a tym samym podniesienie siú zwierciadđa wody. Moľe to wpđynæè na zwiúkszenie zagroľenia powodziowego na terenach przylegđych. Problem zmian konfiguracji dotyczy w równym stopniu innych dopđywów do zbiorni-ka. Okreħlenie przekrojów, gdzie depozycja materiađu dennego moľe mieè miejsce ma znaczenie dla ekosystemu rzecznego ze wzglúdu na moľliwe odkđadanie siú zwiæzków chemicznych transportowanych w dóđ cieku.
W praktyce inľynierskiej nieodzowna jest znajomoħè warunków poczætku ruchu rumowiska wleczonego. Warunki poczætku ruchu moľna okreħliè poprzez okreħlenie parametrów granicznych, których przekroczenie powoduje wprowadzanie w ruch pojedynczych ziaren, a nastúpnie masowy transport cađej warstwy rumowiska. Parame-trami pomocnymi do wyznaczenia warunków poczætku ruchu mogæ byè prúdkoħè graniczna vgr, napeđnienie hgr, spadek graniczny Igr,
gra-niczne naprúľenia styczne (naprúľenia gragra-niczne) Wgr lub Wcr, czy siđa
wleczenia pojedynczych ziaren FD [Michalik, Ksiæľek 2000]. Poprawne
wyniki obliczeē intensywnoħci transportu uzyskuje siú, stosujæc na-prúľenia graniczne Wgrjako kryterium poczætku ruchu rumowiska:
w m m
gr f d
J
W
(1) gdzie: dm – ħrednica miarodajna rumowiska, fm – bezwymiarowenaprúľenia styczne, które zostađy wyznaczone dla rzek podkarpackich w pomiarach radioznacznikowych prowadzonych w Katedrze Inľynie-rii Wodnej. W przypadku, gdy naprúľenia styczne Wo>Wgr warunki
po-czætku ruchu sæ przekroczone i naleľy spodziewaè siú transportu ru-mowiska wleczonego. W rejonie cofki zbiorników ze wzglúdu na spadek prúdkoħci wody malejæ naprúľenia styczne, a tym samym siđy poruszajæce i utrzymujæce w ruchu rumowisko. Miejsce odkđadania siú rumowiska wleczonego transportowanego w fali wezbrania moľe przesuwaè siú w górú i dóđ rzeki w zaleľnoħci od poziomu piútrzenia wody na zbiorniku.
Model matematyczny obiektu fizycznego, np. odcinka rzeki, jest to abstrakcja matematyczna wiæľæca z sobæ zmienne charakteryzujæce
stan obiektu (warunki poczætkowe), oddziađywanie zewnútrzne na obiekt (warunki brzegowe) i jego reakcjú na to oddziađywanie. Modele matematyczne stanowiæ zawsze uproszczenie w stosunku do obiektów rzeczywistych. W praktyce model jest kompromisem pomiúdzy kosz-tem uzyskania rozwiæzania i pozyskania wystarczajæcej iloħci para-metrów charakteryzujæcych obiekt, a dokđadnoħciæ wyniku. W przy-padku przepđywów wody w rzekach zadowalajæce rezultaty uzyskuje siú stosujæc modele dwuwymiarowe.
OBSZAR BADAĒ
Badaniami zostađ objúty obszar odcinka rzeki Skawy w zasiúgu cofki zbiornika Ħwinna Porúba, pođoľony w gminie Zembrzyce (tab. 1).
Tabela 1. Charakterystyka obszaru badawczego
Table 1. Physical characteristics of site Opis
Parameter
Rzeka Skawa The Skawa River
Odcinek badawczy Research reach Opad [mm]
Powierzchnia zlewni [km2]
Dđugoħè rzeki / Kilometraľ [km] Spadek zlewni 850 1177,70 97,77 0,005 850 618,4+79,55 37,1 0,0041
Zlewnia Skawy graniczy od zachodu ze zlewniæ Sođy, od wschodu ze zlewniæ rzeki Raby, a od pođudnia ze zlewniæ Orawy, naleľæcej do dorzecza Dunaju. Ponadto, wododziađ rzeki Skawy czúħciowo stanowi granice paēstwa ze Sđowacjæ. Skawa wypđywa kilkoma potokami poniľej Przeđúczy Spytkowickiej, na wysokoħci okođo 680 m n.p.m. w Beskidzie Ľywieckim. Skawa ma ujħcie w Dolinie Górnej Wisđy, na wysokoħci 225 m n.p.m. powyľej wsi Smolice. Ħredni spadek doliny w górnym biegu 7,2‰, natomiast w dolnym 2,2‰, ħredni spadek rzeki to 5‰.
Lasy stanowiæ 48,9% cađkowitej powierzchni zlewni i wartoħè ta znacznie przewyľsza ħredni wskaļnik lesistoħci dla terenów Polski, który wynosi ok. 28% i Europy równej 32%.
Rzeka Skawa jest prawym dopđywem Wisđy, jej dđugoħè wynosi 97,77 km [Czarnecka 2005]. Do Skawy uchodzæ dopđywy o powierzch-ni zlewpowierzch-ni wiúkszej od 50 km2: Bystrzanka – kilometr ujħcia do Skawy
(górny bieg Jađowiec) – odpowiednio 50+970, 24,57 km, 148,88 km2,
Stryszawka – 41+800, 17,45 km, 140,60 km2, Paleczka 36+920,
14,58 km, 79,55 km2, Kleczanka – 18+640, 20,14 km, 67,14 km2,
Wie-przówka– 7+880, 29,36 km, 151,94 km2.
W tabeli 2 zestawiono podstawowe informacje dotyczæce zbiorni-kaĦwinna Porúba. Búdzie to zapora ziemna z rdzeniem iđowym o wy-miarach 50u620 m usytuowana w km 26+840 biegu rzeki Skawy. Do przyszđej czaszy zbiornika wpđywajæ potoki Paleczka, Tarnawka, Dæbrówka, Ħleszówka, Stryszówka, Dopđyw z Đúkawicy, Jaszczurówka oraz Bystrz. Powierzchnie zlewni ww. potoków wynoszæ od 3,25 km2
do 22,21 km2 (oprócz Paleczki). Przepđywy o okreħlonym
prawdopodo-bieēstwie wystæpienia zestawiono w tabeli 3.
Tabela 2. Charakterystyka zbiornika wodnego Ħwinna Porúba Table 2. The Ħwinna Porúba water reservoir characteristics
Opis / Parameter Wartoħè / Value
Powierzchnia zlewni do przekroju zapory [km2]
Powierzchnia zalewu – max / normalna / min. [km2]
Pojemnoħè zbiornika – cađkowita / martwa [mln m3]
Rzúdna piútrzenia – max / min. [m n.p.m.] Piútrzenie normalne [m n.p.m.]
Przepđyw p = 1% / ħr. roczny / min. obserwowany [m3s-1]
Przepđyw biologiczny / upust zapory [m3s-1]
794,74 10,35 / 8,2 / 0,24 161 / 15 312,00 / 288,50 309,60 1150 / 11,5 / 0,77 ok. 6 / 2168
Tabela 3. Przepđywy prawdopodobne, rzeka Skawa, Zembrzyce, km 37+00 Table 3. The probability flows for Skawa River, Zembrzyce, km 37+00
P [%] 0,01 0.1 1 5 10 20 50
Q [m3/s] 1005 758 548 370 288 205 113
Podstawowymi zadaniami zbiornika to ochrona powodziowa do-liny rzeki, moľliwoħè redukcji kulminacji fali powodziowej w prze-kroju Kraków o okođo 0,5 m [Hennig 1995] oraz stworzenie warunków dla oľywienia gospodarczego regionu.
POMIARY TERENOWE I ICH ANALIZA
W latach 2003–2006 przeprowadzono pomiary terenowe, które obejmowađy pomiary geodezyjne odcinka rzeki Skawy wraz z jej dopđywem potokiem Paleczkæ, analizú skđadu granulometrycznego
rumowiska metodæ tradycyjnæ i zamraľania próby, profile prúdkoħci oraz pomiar poziomu zwierciadđa wody w czasie przejħcia fali powo-dziowej.
Pomiary geodezyjne wykonywano po przejħciu wezbrania. W ta-beli 4 zestawiono wybrane wezbrania na rzece Skawie oraz daty pomiarów. Wartoħci przepđywów zostađy transponowane do przekroju Zembrzyce 37+00 z wodowskazu Wadowice.
Tabela 4. Wybrane wezbrania na rzece Skawie
Table 4. Selected floods events on the Skawa River Pomiary Wezbranie Geodezyjne Zw. wody Przepđyw Q [m3s-1] wrz. 2003 28.07.2004 23,70 29-30.07.2004 29.07.2004 52,58 (87,40) 19.03.2005 172,26 paļ. 2005 10.10.2005 2,39 30.03.2006 29-30.03.2006 223,81 maj 2006* 05.05.2006 3,81 *wybrane przekroje
Wykonano 31 przekrojów poprzecznych na dđugoħci 1,9 km w ro-ku 2003, 45 przekrojów na Skawie i 3 na Paleczce w roro-ku 2005 oraz wybrane przekroje w 2006. Odlegđoħci pomiúdzy przekrojami po-przecznymi wynosiđy od 12 do 75 m.
Repery, które dowiæzano do ukđadu paēstwowego pozwoliđy na porównanie zmian konfiguracji terenu w kolejnych latach. W czasie przejħcia fal powodziowych znaczono maksymalny poziom zwierciadđa wody, uzyskujæc zasiúg powodzi historycznych.
Na rysunku 1 przedstawiono przykđadowy przekrój poprzeczny rzeki Skawy, km 37+240, poniľej mostu drogowego. Lewy brzeg jest stromy, brak jest pokrywy roħlinnej, widoczne sæ obsypujæce siú ka-mienie i fragmenty darni. Prawy brzeg jest đagodnie nachylony, poro-ħniúty trawæ i roħlinnoħciæ sztywnæ. W ħrodku koryta widoczna jest đacha.
Spadek wyrównany dna w roku 2003 na badanym odcinku rzeki Skawy wynosiđ 4,1 ‰ [Bartnik i in. 2005]. Lokalnie wystúpowađy spadki w granicach od 2,9 do 9,9 ‰ oraz spadki ujemne. Zaobserwo-wano tworzenie siú sekwencji spadków maksymalnych, minimalnych oraz spadku ujemnego, które tworzyđy ukđad bystrze-ploso. W roku
Rysunek 1. Przykđad przekroju poprzecznego, rzeka Skawa 37+240, maj 2006 Figure 1. An example of cross-section, the Skawa River 37+240, may 2006
2005 wyrównany spadek na badanym odcinku wynosiđ 3,3 ‰. Zmianú spadku na badanym odcinku naleľy tđumaczyè zmianæ konfiguracji dna w górnej czúħci badanego odcinka (rys. 2) – powyľej mostu drogowego, gdzie wykonano przesuniúcie đach na zakolach oraz niwelacjæ przegđú-bieē, które towarzyszyđy pracom przy umacnianiu brzegów. Zmiany kon-figuracji dna wywođane przejħciem fali wezbrania zaobserwowano w ħrodkowej czúħci odcinka, powyľej ujħcia Paleczki, gdzie dno ulegđo obni-ľeniu w wyniku przesuniúcia koryta gđównego w lewæ stronú doliny rzecznej. Sekwencje bystrze-ploso nie sæ wyraļnie wyksztađcone.
Rysunek 2. Profil podđuľny odcinka rzeki Skawy Figure 2. Longitudinal profile of a section of the Skawa River
Próby rumowiska byđy pobierane dwoma metodami: metodæ tra-dycyjnæ – materiađ byđ pobierany z powierzchni 1 m2 i przesiewany na
zestawie sit oraz metodæ zamraľania próby, która pozwala na uzy-skanie próby o nienaruszonej strukturze w ukđadzie warstwowym.
Ħrednice miarodajne rumowiska dm na badanym odcinku
przyj-mowađy wartoħci od dm= 0,053 m do dm = 0,078 m. Odpowiadajæce im
odchylenie standardowe krzywej przesiewu G miađy wartoħci G = 2,75 i G = 3,03 (minimalnie G = 1,93, dm= 0,064 m). Na rysunku 3
zamiesz-czono krzywe przesiewu dla 10-centymetrowych warstw rumowiska. Przebieg krzywych przesiewu dla warstwy powierzchniowej 0–0,1 m oraz warstwy znajdujæcych siú bezpoħrednio pod niæ wskazujæ na zróľnicowany skđad materiađu dennego. Warstwa powierzchniowa odznacza siú grubszym rumowiskiem niľ warstwy zalegajæce niľej. Wskazywaè to moľe na obrukowanie dna w miejscu poboru próby.
Rysunek 3. Warstwowe krzywe przesiewu, rzeka Skawa, próba 2
Figure 3. Layered grain size distribution, the Skawa River, probe 2
Analiza ksztađtu pojedynczych 1055 ziaren wskazuje na przewa-gú ziaren pđaskich – ziarna kuliste stanowiæ tylko 3% cađej próby [Bartnik i in 2004]. Wartoħè ħrednia wspóđczynnika ksztađtu wynosi 0,38, co potwierdza, ľe na badanym odcinku Skawy przewaľajæ ziarna pđaskie. Ma to wpđyw na warunki poczætku ruchu, które zaleľæ za-równo od wielkoħci ziarna, jak i jego ksztađtu.
Maksymalny poziom zwierciadđa wody w czasie przejħcia wez-brania w dniu 30 marca 2006 przedstawiono na rysunku 4. Wyrów-nany spadek zwierciadđa wody w czasie kulminacji wynosiđ 2,81‰, w czasie opadania fali 2,88 ‰, natomiast po przejħciu wezbrania
3,12‰ (tab. 5) i wykazywađ tendencjú do zbliľania siú do spadku doli-ny 3,3‰ po wykonaniu robót regulacyjdoli-nych. W roku 2004 wyrównadoli-ny spadek zwierciadđa wody, wraz ze wzrostem przepđywu zbliľađ siú do spadku 4,1‰. W cađym okresie badawczym wraz ze wzrostem prze-pđywu spadek zwierciadđa wody maleje. Od roku 2005 zauwaľalna jest natomiast tendencja zmniejszania siú spadku zwierciadđa wody w po-równaniu ze spadkiem doliny. Spowodowane to moľe byè zmianæ przebiegu koryta gđównego oraz akumulacjæ rumowiska wleczonego w rejonie ujħcia Paleczki.
Rysunek 4. Poziom zwierciadđa wody na badanym odcinku rzeki Skawy Figure 4. Measured water surface level on a section of the Skawa River
Tabela 5. Wyrównany spadek zwierciadđa wody, rzeka Skawa Table 5. Levelled slope of the water surface level, Skawa River
Data wezbrania Data Q [m3s-1] I [‰]
28.07.2004 23,7 4,91 29.07.2004 52,58 4,26 10.10.2005 2,39 3,33 30.03.2006 223,81 2,81 31.03.2006 117,8 2,88 05.05.2006 3,81 3,12
Rysunek 5 przedstawia zmiany ksztađtu przekroju poprzecznego rzeki Skawy 120 m powyľej ujħcia potoku Paleczka w latach 2003– –2006. Wezbrania, które wystæpiđy w okresie badawczym wyerodo-wađy lewy brzeg oraz przesunúđy nurt gđówny. Zmianie ulegđ poziom dna, który w lewej czúħci przekroju 37+050 obniľyđ siú o ok. 0,8 m, natomiast w prawej czúħci nastæpiđo nadbudowanie đachy – poziom dna podniósđ siú ok. 0,2–0,4 m.
Rysunek 5. Zmiana przekroju poprzecznego rzeki Skawy, km 37+050 Figure 5. Changes of the cross-section of the Skawa River, km 37+050
WYNIKI MODELOWANIA NUMERYCZNEGO
Prognozú zmian morfologicznych przeprowadzono z wykorzysta-niem modelu CCHE2D opracowanym na Uniwersytecie Mississippi. Model CCHE2D umoľliwiajæcy wykonanie obliczeē w warunkach przepđywu ustalonego lub nieustalonego oraz obliczeē transportu ru-mowiska wleczonego i unoszonego. Model ten umoľliwia równieľ okreħlenie zmian konfiguracji dna w wyniku odkđadania siú materiađu unoszonego i/lub wleczonego.
Model CCHE2D jest modelem dwuwymiarowym typu 2DH. W modelach tego typu nastúpuje uħrednienie wielkoħci hydraulicz-nych na gđúbokoħci.
Naprúľenia styczne na dnie obliczane sæ przy zastosowanu tur-bulentnego wspóđczynnika lepkoħci Qt. Wspóđczynnik ten moľe byè
okreħlany w równaniu zachowania púdu za pomocæ trzech metod: uħrednionej gđúbokoħci, drogi mieszania lub k-ɽ model. Przy okreħla-niu prúdkoħci dynamicznej moľliwe sæ dwie procedury. Pierwsza
to zastosowanie uħrednionej gđúbokoħci na podstawie krzywej loga-rytmicznnej, druga zaħ wykorzystuje wspóđczynnik Manninga n. Wykorzystanie wspóđczynnika n pozwala uwzglúdniaè w obliczeniach wpđyw form dennych, wystúpowanie roħlinnoħci, geometriú kanađu oraz wielkoħè materiađu dennego, đæczæc to w jeden wspóđczynnik. Istotne jest równieľ to, ľe wspóđczynnik Manninga n w czasie obliczeē zmian konfiguracji dna uwzglúdniađ nie tylko skđad granulometryczny rumowiska, ale i ich zmianú w czasie [Bartnik i in. 2001].
Model CCHE2D wykorzystuje równanie zachowania púdu. Skđa-dowa pionowa prúdkoħci z moľe byè pomijana, poniewaľ wiúkszoħè przepđywów w kanađach otwartych jest przepđywami ze stosunkowo niewielkæ gđúbokoħciæ, dlatego teľ dokđadnoħè modelu dwuwymiaro-wego moľe byè zaakceptowana w hydraulice koryt otwartych [Jia, Wang 2001]. Poziom zwierciadđa wody jest obliczany z równania ciæ-gđoħci, które jest szeroko stosowane w modelach dwuwymiarowych. Do rozwiæzywania równaē uľywa metody elementów skoēczonych.
W czasie symulacji model CCHE2D uwzglúdnia transport mate-riađu dennego spowodowany ruchem spiralnym wody oraz zmianú warunków krytycznych poczætku ruchu wywođanych zmianæ nachyle-nia dna koryta.
W modelu CCHE2D obliczenia transportu rumowiska oparte sæ na formule Van Rija, w której naprúľenia krytyczne sæ liczone na podstawie wzoru Yalina. Na rzekach górskich obliczanie transportu rumowiska moľna oprzeè na module SETRA [Wu 2001], w którym wystúpujæ równania: Laursen’a w zakresie ħrednic rumowiska od 0,01–0,15 m, Yang’a w zakresie od 0,15–0,2 mm oraz MPM w zakresie od 2–50 mm.
Obliczenia parametrów przepđywu wykonywane sæ przez model w wúzđach siatki, której wymiary powinny uwzglúdniaè rodzaj mode-lowanego zjawiska. Moľliwa jest zmiana gústoħci oraz ksztađtu ele-mentów siatki poprzez odpowiednie rozmieszczenie wúzđów brzego-wych, wybór procedury zagúszczania i wygđadzania siatki.
Na rysunku 6 przedstawiono obszar obliczeniowy odcinka rzeki Skawy. Siatka obliczeniowa skđada siú z 20u500 wúzđów. Odlegđoħci pomiúdzy pojedynczymi wúzđami siatki obliczeniowej wynoszæ od 4,8 m do 6,5 m, prostopadle do kierunku przepđywu i ok. 4 m, wzdđuľ osi rzeki. Symulacje przejħcia fal wezbrania przeprowadzono dla ustalo-nych warunków przepđywu.
Rysunek 6. Obszar obliczeniowy, odcinek rzeki Skawy
Figure 6. The computational domain, the research reach of the Skawa River
Kroki obliczeniowe uwzglúdniađy przepđywy Q = 35 m3s-1, Q50%,
Q20% oraz Q10% bez uwzglúdniania efektu piútrzenia wody na zbiorniku
oraz z efektem piútrzenia do rzúdnej 304,56, 306,50, 307,80 i 309,60 m n.p.m. Odtworzono przebieg fal historycznych: Skawa QS= 232 m3s-1,
Paleczka QP= 50 m3s-1, oraz odpowiednio QS= 162 m3s-1, QP= 36 m3s-1,
QS= 118 m3s-1, QP= 23,7 m3s-1, QS= 2,39 m3s-1, QP= 0,25 m3s-1.
Na rysunku 7 porównano pomierzony i obliczony poziom zwier-ciadđa wody dla przepđywu Q = 232 m3s-1, który zaobserwowano
30 marca 2006 r. Na znacznym odcinku rzeki uzyskano zgodnoħè obli-czonego poziomu zwierciadđa wody ze zwierciadđem pomierzonym w czasie fali wezbrania. Zauwaľalna róľnica poziomów wody, która wynosi maksymalnie okođo 0,4 m, wystúpuje powyľej ujħcia potoku Paleczka oraz w rejonie stabilnej đachy, tworzæcej wyspú, poniľej ujħcia Paleczki. Powstađe róľnice moľna tđumaczyè zmianami morfo-logicznymi dna. W rejonie ujħcia Paleczki stwierdzono przesuniúcie linii brzegowej i nurtu gđównego oraz obniľenie siú dna w wyniku transportu materiađu dennego. Skutkowađo to tym, ľe pomierzony
poziom zwierciadđa wody jest niľszy niľ symulowany. Inny przebieg procesów morfologicznych miađ miejsce poniľej ujħcia Paleczki, gdzie stwierdzono odkđadanie siú materiađu wleczonego. W tym przypadku pomierzony poziom zwierciadđa wody jest wyľszy niľ obliczony.
Rysunek 7. Pomierzony i obliczony poziom zwierciadđa wody, Q = 232 m3s-1,
Figure 7. Measured and simulated water surface levels (WSL), Q = 232 m3s-1
Rysunek 8 przedstawia obliczone poziomy zwierciadđa wody przy róľnym poziomie piútrzenia wody na zbiorniku Ħwinna Porúba. W zaleľnoħci od poziomu piútrzenia wody na zbiorniku zasiúg cofki búdzie przesuwađ siú w górú i dóđ rzeki. Przy zmianie rzúdnej piútrze-nia wody na zbiorniku Ħwinna Porúba w zakresie od 304,56 do 309,60 m n.p.m, przy przepđywie Q = 35 m3s-1 zmiana zasiúgu cofki
zauwaľalna jest na odcinku okođo 1,5 km.
Rysunek 9 przedstawia zmianú naprúľeē stycznych w przekroju 37+050 w zaleľnoħci od poziomu piútrzenia wody na zbiorniku dla róľnych przepđywów wody. Linie ciægđe obrazujæ zmianúWodla
wybra-nego punktu przekroju, linie przerywane wartoħci maksymalne w przekroju. Naprúľenia krytyczne na badanym odcinku wynoszæ
Wgr = 37 N·m-2 (dm= 0,078 m), na odcinkach, gdzie wystúpuje
obrukowa-nie dna naprúľenia krytyczne majæ wartoħèWgr = 70 N·m-2 (dm= 0,14 m).
Wartoħci te wyznaczajæ granice pomiúdzy obszarami: 1 – brak trans-portu, 2 – ruch pojedynczych ziaren, 3 – masowy transport rumowiska. Przy braku piútrzenia wody – rzúdna 304,56 m n.p.m, w wybranym przekroju, warunki krytyczne ruchu dla przepđywu Q = 205 m3s-1
Rysunek 8. Zasiúg cofki zbiornika Ħwinna Porúba dla przepđywu
Q = 35 m3s-1 i róľnych poziomów piútrzenia wody
Figure 8. Back-water reach of the Ħwinna Porúba for a discharge Q = 35 m3s-1 and different reservoir water levels
Rysunek 9. Zaleľnoħè naprúľeē stycznych od poziomu piútrzenia wody Figure 9. Relationship between shear stress and reservoir water surface level
sæ przekroczone i moľe wystæpiè masowy transport rumowiska. Moľ-liwoħè transportowania rumowiska zanika cađkowicie w przypadku piútrzenia normalnego 309,60 m n.p.m. Przy przepđywie Q = 112 m3s-1
przy braku piútrzenia moľliwy jest ruch pojedynczych ziaren, który zanika w przekroju 37+050 juľ przy piútrzeniu 306,50 m n.p.m. Prze-pđyw Q = 35 m3s-1 nie wywođuje transportu rumowiska wleczonego.
Na rysunku 10 przedstawiono poziomy dna: pomierzony i symu-lowane dla przepđywu Q = 205 m3s-1 oraz Q = 280 m3s-1, w warunkach
piútrzenia normalnego wody na zbiorniku. W wyniku transportu ru-mowiska dno Skawy na odcinku powyľej mostu ulegđo obniľeniu. Wy-erodowany materiađ búdzie transportowany w dóđ cieku. W miejscu, gdzie widoczny jest zasiúg cofki, ruch rumowiska ulega zahamowaniu. Stwarza to warunki do odkđadania siú rumowiska, które akumuluje, powodujæc podnoszenie siú dna. Akumulacja rumowiska w przypad-ku przepđywu Q = 280 m3s-1 jest widoczna na odcinku dwukrotnie
dđuľszym, niľ w przypadku przepđywu Q = 205 m3s-1 i wynosi okođo
700 m. W koēcowej czúħci odcinka badawczego nie stwierdzono zasad-niczych zmian poziomu dna.
Rysunek 10. Pomierzony i obliczony poziom dna, piútrzenie normalne Figure 10. Measured and simulated bed elevations, normal water surface
level (WSL)
Symulacje wskazujæ na intensywny transport materiađu wleczo-nego przy przepđywie Q = 280 m3s-1. Potwierdzeniem sæ zmiany
ħred-nicy d50 na dđugoħci badanego odcinka oraz np.: zawartoħè procentowa
frakcji di> 0,08 m. Powyľej mostu, ħrednica charakterystyczna
a zawartoħè procentowa frakcji najgrubszych ulega zwiúkszeniu z pi= 40%
do pi= 7 5%. W miejscu odkđadania rumowiska (rejon cofki zbiornika)
maleje zarówno zawartoħè procentowa najgrubszej frakcji jak i ħredni-ca d50, które wynoszæ odpowiednio okođo pi= 20%, d50= 0,04 m
[Bart-nik i in. 2005].
W przekrojach z wystúpujæcæ erozjæ lub przewagæ akumulacji nastúpujæ zmiany skđadu granulometrycznego rumowiska, co obra-zujæ krzywe przesiewu na rysunku 11. W rejonie mostu w wyniku dziađania strumienia wody drobne frakcje búdæ wymywane, co dopro-wadzi do wytworzenia siú obrukowania dna. W rejonie cofki zbiornika transportowane rumowisko búdzie odkđadane, co spowoduje wzrost drobnych frakcji w próbie rumowiska (krzywa oznaczona krzyľykami).
Rysunek 11. Pomierzone i obliczone krzywe przesiewu
Figure 11. Measured and calculated grain size distributions
Na rysunku 12a przedstawiono redukcjú intensywnoħci transpor-tu rumowiska wleczonego na badanym odcinku rzeki Skawy, spowo-dowanæ piútrzeniem wody na zbiorniku do poziomu normalnego. W rejonie cofki zbiornika nastúpuje cađkowite zatrzymanie rumowiska wleczonego. Zdolnoħè zatrzymywania rumowiska unoszonego do zbiornika obrazuje rysunek 12b. Stwierdzono spadek koncentracji w przypadku frakcji 0,079 mm po dotarciu w rejon cofki zbiornika do wartoħci bliskich zero. Frakcje drobniejsze búdæ ulegađy sedymentacji w cađej czaszy zbiornika.
Rysunek 12. Zdolnoħè zatrzymywania rumowiska przez zbiornik wodny
przy przepđywie Q = 205 m3s-1, a) redukcja intensywnoħci transportu rumo-wiska wleczonego b) spadek koncentracji rumorumo-wiska unoszonego – frakcja
0,079 mm
Figure 12. The water reservoir ability to retain the bed material for discharge Q = 205 m3s-1, a) reduction of the bedload transport intensity
b) concentration of suspended material decrease – fraction 0.079 mm
Proces obrukowania dna zostađ symulowany z wykorzystaniem procedury ARMOUR. Wytworzenie siú obrukowania dna nastæpi przy napeđnieniu okođo h = 2,5 m, co odpowiada naprúľeniom wynoszæcym Wo= 81 [Nm-2]. Przy napeđnieniu wiúkszym od h = 2,75 m nastæpi
ze-rwanie warstwy tworzæcej obrukowanie i masowy transport rumowi-ska. Wartoħci ħrednic d50 warstwy tworzæcej obrukowanie uzyskane
z wykorzystaniem modelu CCHE2D i procedury ARMOUR wynoszæ odpowiednio 0,101 m i 0,104 m. Uzyskane wyniki potwierdzajæ po-prawnoħè przeprowadzonych obliczeē.
WNIOSKI
Obliczenia przeprowadzono dla odcinka rzeki Skawy, na którym spadki lokalne wynoszæ od 1‰ do 7‰. Spadek wyrównany zmniejszyđ siú w wyniku dokonanych zmian w korycie z 4,1‰ do 3,3‰. Wartoħci ħrednicy miarodajnej dm na badanym odcinku majæ wartoħci od 0,05 m
do 0,093 m. Wartoħè ħrednia wspóđczynnika ksztađtu ziaren na bada-nym odcinku wynosi Sf= 0,38 ħwiadczy, ľe ziarna na badanym
odcin-ku sæ pđaskie.
Na podstawie symulacji stwierdzono, ľe:
1. Spadek zwierciadđa wody w czasie przejħcia fali powodziowej dæľy do spadku cađej doliny na badanym odcinku.
2. Na znacznym odcinku rzeki uzyskano zgodnoħè obliczonego poziomu zwierciadđa wody ze zwierciadđem pomierzonym w czasie fali wezbrania. Zauwaľalne róľnice poziomów wody moľna tđumaczyè zmianami morfologicznymi dna, które obniľyđo siú o okođo 0,8 m.
3. Zasiúg cofki, a tym samym miejsce, gdzie moľe odkđadaè siú rumowisko, przy zmianie poziomu piútrzenia wody w zbiorniku búdzie przesuwađo siú w pasie o dđugoħci okođo 1,5 km w górú i dóđ cieku przy zmianie piútrzenia wody na zbiorniku Ħwinna Porúba o 5 m.
4. Symulacje wskazujæ na intensywny transport materiađu wle-czonego przy przepđywie Q = 280 m3s-1. Zdolnoħè transportowania
rze-ki zanika cađkowicie w przypadku piútrzenia normalnego 309,60 m n.p.m, i przepđywie Q = 112 m3s-1.
5. Przy przepđywie Q20% = 205 m3s-1 stwierdzono obniľenie siú
poziomu dna w wyniku wymywania drobnych ziaren powyľej mostu: w tym przypadku ħrednica d50 zwiúkszyđa siú o ok. 0,035 m. Obecnoħè
zbiornika silnie wpđywa na warunki poczætku ruchu rumowiska. Zmniejszenie prúdkoħci przepđywu wody powoduje odkđadanie siú transportowanego w fali wezbrania rumowiska wleczonego. Zjawisko to zaobserwowano powyľej ujħcia potoku Paleczka, gdzie stwierdzono zarówno podnoszenie siú dna, jak i zmianú skđadu granulometryczne-go rumowiska: d50 zmniejszyđo siú o 0,02 m.
6. Intensywnoħè transportu rumowiska wleczonego zanika w re-jonie cofki zbiornika Ħwinna Porúba przy przepđywie Q = 205 m3s-1.
W przypadku rumowiska unoszonego w rejonie cofki zbiornika odkđa-dane búdæ tylko wybrane frakcje. W przypadku frakcji di = 0,079 mm symulacje wskazujæ, ľe koncentracja w rejonie cofki zbiornika spada do wartoħci bliskiej zero.
7. Wartoħci ħrednic d50 warstwy tworzæcej obrukowanie uzyskane
z wykorzystaniem modelu CCHE2D i procedury ARMOUR majæ podobne wartoħci, które wynoszæ okođo 0,10 m.
Prezentowana praca jest kontynuacjæ projektu finansowanego przez US State Department Agency for International Development (US_AID) under Agreement No. EE-G-00-02-00015-00 oraz The Uni-versity of Mississippi, National Center for Computational Hydro-science and Engineering (NCHE).
BIBLIOGRAFIA
Bartnik W., Banasik K., Ksiæľek L., Radecki-Pawlik A., Struľyēski A. Forecasting of
Fluvial Processes on the Skawa River Within Back-Water Reach of the Ħwinna Porúba Water Reservoir. Publs. Inst. Geophys. Pol. Acad. Sc., Warszawa 2005,
E–5 (387), p. 57–85.
Bartnik W., Florek J, Ksiæľek L., Struľyēski A. Zmiana szorstkoħci dynamicznej
w czasie fali powodziowej w rzekach i potokach górskich. Zesz. Nauk AR w Krakowie 2001, nr 21, 129–138.
Bartnik W., Ksiæľek L., Michalik A., Radecki-Pawlik A., Struľyēski A. Modeling of
fluvial processes along a reach of the Skawa River using CCHE2D model. Zesz. Nauk. AR we Wrocđawiu 2004, nr 481, s. 155–165.
Hennig J. Koncepcja techniczna poprawy zabezpieczenia Krakowa przed powodziæ, Zagroľenie powodziowe miasta Krakowa. Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN, Warszawa 1995, z. 10, s. 43–54.
Czarnecka H., pra. zbior. Atlas podziađu hydrograficznego Polski. Zakđad Hydrografii
i Morfologii Koryt Rzecznych IMGW, Warszawa 2005, t. I i II.
Jia Y., Wang S.S.Y. CHE2D:Two-dimensional Hydrodynamic and Sediment
Trans-port Model For Unsteady Open Channel Flows Over Loose Bed, Technical Report No. NCCHE-TR-2001-1, 2001, National Center for Computational Hydroscience and Engineering, The University of Mississippi, USA.
Đajczak A. Studium nad zamulaniem wybranych zbiorników zaporowych w dorzeczu
Wisđy. Monografie Komitetu Gospodarki Wodnej PAN, Warszawa 1995, z. 8.
Michalik A., Ksiæľek L., 2000, Drag force on individual particles on turbulent flow
conditions, 10th Inter. Conf. on „Transport and sedimentation of solid parti-cles”, Zesz. Nauk. AR we Wrocđawiu, nr 382, s. 205–215.
Wu W. CCHE2D Sediment Transport Model. Technical Report No NCCHE-TR-2001-3, 2001, National Center for Computational Hydroscience and Engineering, The University of Mississippi, USA.
Dr inľ. Leszek Ksiæľek Katedra Inľynierii Wodnej Wydziađ Inľynierii Ħrodowiska i Geodezji Akademia Rolnicza w Krakowie Recenzent: Prof. dr hab. inľ. Wojciech Bartnik
Leszek Ksiæľek
THE MORPHOLOGY OF THE SKAWA RIVER BED WITHIN BACK-WATER REACH OF ĦWINNA PORùBA WATER RESERVOIR
SUMMARY
The aim of the paper is to predict a morphological changes of the riverbed on a section of the Skawa River within back-water reach of Ħwinna Porúba water reser-voir. The increasing bed level which is a result of deposition of bed material, have influence on water surface elevation during flood and can threaten surrounding areas.
Between spring 2003 and summer 2006 carried out measurements which con-sist of: survey measurements of a section of Skawa River, granulometric composition of the bed material, velocity profiles and measurements of the water surface elevation during flood events. Prediction of the morphological changes was possible using two-dimension CCHE2D model developed by the University of Mississippi.
The numerical modeling focused on the simulation of historical flood events, t-year discharges with probability between p=50% and 0.1% under different water levels in the reservoir ranged between 304.56 m a.s.l without back-water effect and 309.60 m a.s.l. normal water surface level. The simulation runs included bedload and suspended load transport which caused of bed elevation changes.
Back-water reach, where deposition take place, depends on reservoir water sur-face level can extend up to a distance about 1.5 km. Numerical results of forecasting of fluvial processes on the studied reach yields that exploitation of water reservoir should take into consideration morphological changes within back-water reach of the water reservoir.
Key words: flood events, river bed configuration, numerical modeling, incipient motion, back-water reach
