KÖZÉP-TISZA -VIDÉKI VÍZÜGYI IGAZGATÓSÁG SZOLNOK

Átírás

1 KÖZÉP-TISZA -VIDÉKI VÍZÜGYI IGAZGATÓSÁG SZOLNOK HIDRODINAMIKA VIZSGÁLATOK A ZAGYVA JÁSZFELSŐSZENTGYÖRGYI SZAKASZÁN KÉSZÍTETTE: TÓTH PÉTER VÍZRAJZI OSZTÁLY 2016.

2 Tartalomjegyzék 1. Előzmények, a terv tárgya A szimulációk előkészítése A modell kalibrálása Modelleredmények bemutatása, változatok kiértékelése A megnyitás hatásának vizsgálata a jásztelki vízmércére Összefoglalás Ábrajegyzék 1. ábra: Átnézetes helyszínrajz a vizsgált területről ábra: A vizsgált terület digitális terepmodellje ábra: Területhasználatok aránya a vizsgált szakaszon ábra: Georeferlált elöntési képek összehasonlítása a modellezett eredményekkel ábra: Áramlási mezők a hídszelvény környezetében (sebesség m/s-ban) ábra: Beavatkozások hatása a tetőző felszíngörbékre ábra: Vízszintkülönbségek a megnyitás hatására m-ben ábra: A beavatkozások hatásának vizsgálata a tetőző vízszintekre

3 1. Előzmények, a terv tárgya A évi, Zagyva-Tarna vízrendszerben levonult árhullám során számos problémával szembesült a KÖTIVIZIG védelemvezetése. Ezek közül egyik volt a Jászfelsőszentgyörgy belterületén található hullámtéri bekötőút (terepből kiemelt) zagyvai árhullámra gyakorolt hatása. A hullámtéren található út illetve híd Jászfelsőszentgyörgy és Pusztamonostor között teremt kapcsolatot. A Zagyva e szakaszán nyílt ártér található.(1. ábra) Az úgynevezett Barátság út közel merőleges az áramlási irányra. 1. ábra: Átnézetes helyszínrajz a vizsgált területről A folyón levonuló árhullámok a híd szelvényén illetve a bekötőútban elhelyezett körszelvényű átereszeken keresztül tudnak csak levonulni. Ezen okból kifolyólag jelentős visszaduzzasztó hatást gyakorol erre a szakaszra, amely a település szempontjából potenciális elöntés veszélyt jelent, jellemzően gazdasági épületekre. A évi árhullám során is ez a folyamat játszódott le, ezért a település önkormányzata a jelentősebb belterületi elöntések elkerülése érdekében engedélyt kért a KÖTIVIZIG-től a hullámtéri út átvágására. (1.kép) - 3 -

4 1. kép: A évi árvízvédekezés során átvágott út A tanulmány fő célja megvizsgálni a korábban említett bekötőút visszabontása esetén miként változik a terület árvízlevezető képessége. Biztosan kijelenthető, hogy a lefolyási akadályt jelentő út terepszintig történő visszabontása jelentősen javítaná a folyószakasz árvízlevezető képességét. A másik feladat megvizsgálni azt, hogy a visszabontás által várhatóan gyorsabban levonuló árhullámok, milyen hatással lesznek az alvízi folyószakaszra. Jelentős kérdés, hogy a Zagyva illetve Tarna árhulláma miként és mikor találkozik a jásztelki szelvényben, jelenleg az esetek többségében a Zagyva árhullámának akár egy napos késése is megfigyelhető. Ez többek között köszönhető a korábban említett hullámtéri út lefolyásra gyakorolt hatásának. A vizsgálat során 2D hidrodinamikai modellezéssel, különböző tervváltozatok összehasonlításával próbálom igazolni a beavatkozás eredményességét. A szimulációkat a HEC-RAS 5.0 szoftverrel végeztük, melyet a US Army Corps of Engineers mérnökcsoportja fejleszt. A modell végleges verzióját nemrégen adták ki a felhasználóknak és számos hasznos tulajdonságának köszönhetően a vízügyi gyakorlatban széles körben használható

5 2. A szimulációk előkészítése A modellezett terület a szentlőrinckátai vízmérceszelvénytől (87,82 fkm) a pusztakerekudvari hídszelvényig (mintegy 100 m-el alatta) (77,57 fkm) terjed. A modellhez szükséges terepmodellt két részből állítottam össze: ÁKK keretében elvégzett LIDAR mérésekből a hullámtéri részekre, illetve keresztszelvényekből épített medermodellből. 2. ábra: A vizsgált terület digitális terepmodellje A felső peremfeltételt szentlőrinckátai vízhozam idősorral írtam elő, míg az alvízi peremre esés határfeltételt definiáltam mivel nem rendelkeztem megfelelő vízrajzi adatokkal (tetőző felszíngörbe, vízállás idősor stb.). Az alsó peremfeltétel számszerűsíthető az adott folyószakasz fenékesésével. A modellépítés során az egymástól lényegesen eltérő érdességű területeket a TOPO térképek illetve műholdfelvételek alapján le tudtam határolni, ezáltal kellő pontossággal tudja a modell számítani a vízmélység illetve a fajlagos vízhozamok térbeli eloszlását. A korábbi légi felvételek (2. kép) összehasonlításából megállapítható, hogy a területhasználatok - 5 -

6 változása a területen viszonylag gyors. Természetes és ültetett erdők illetve szántó/rét tájhasználatok váltják egymást, melyből fakadóan mozaikos tájszerkezet alakult ki. A lehatárolt területhasználatok a következőek: 3. ábra: Területhasználatok aránya a vizsgált szakaszon 2. kép: Légi felvétel ben illetve 2005-ben egyazon területről - 6 -

7 3. A modell kalibrálása A területen az egyetlen vízmérce a jászfelsőszentgyörgyi hídnál található árvizes vízmérce, amely alapjául szolgálhat a kalibrálásnak. Kisebb kutatás után sikerült némi értékelhető vízállás értéket beszereznem, melyet tudtam használni a kalibráció folyamatához. Ezen kívül más vízrajzi adat nem állt rendelkezésre. Kalibráláshoz csak a tetőző vízállás állt rendelkezésre, melynek értéke 49 cm volt, amelyet ismerve a mérce 0 pontját abszolút értékben 104,04 mb.f. míg a modell által számított tetőző vízszint 104,02 mb.f. A kalibrációhoz ezen kívül felhasználtam még a évi árhullám során készült légi felvételeket, melyek alapján a területi elöntési kép (4. ábra) alapján tudtam arányosítani a modellt. 1. táblázat: A területkategóriák kalibrált simasági értékei ssz. Területkategória k {m 1/3 s -1 } 1 erdő 10 2 nyílt terep 22 3 szántó 18 4 vizenyős terület 20 5 vízfolyás és parti sáv ábra: Georeferlált elöntési képek összehasonlítása a modellezett eredményekkel - 7 -

8 4. Modelleredmények bemutatása, változatok kiértékelése A szimulációkat nem-permanens állapotokra vizsgáltam, konkrétabban a évi májusi árhullámra. A Zagyván a szentlőrinckátai vízmérce szelvényben 1%-tól kisebb előfordulási valószínűségű árhullám vonult le a tetőző vízhozam tekintetében. Ezt fenntartásokkal kell kezelni, mivel a feldolgozott, észlelt adatsor hossza nem érte el a 100 évet. 2. táblázat: Vízhozamok összehasonlítása Vízfolyás/szelvény Q 1% (m 3 /s) (Pearson eloszlás) Q max_2010 (m 3 /s) Zagyva / Szentlőrinckáta 92,2 95,6 A felépített alapmodellből létrehozott különféle tervváltozatokat könnyedén össze tudtam hasonlítani az áramlás néhány fő jellemzőin keresztül (tetőző vízszintek eloszlása, áramlási sebességek mezője, stb.), illetve a tetőző felszíngörbék vizsgálatával. A feladat első szakaszában megvizsgáltam, hogy a bekötőút átvágásával mekkora vízszintcsökkentés érhető el az adott megnyitási szélességhez, valamint azt, hogy ez miként változtatja meg az áramlás struktúráját. Három átvágási szélességet vizsgáltam rendre 10, 15 illetve 20 m. Mivel az átvágás küszöbszintjét nehezen tudjuk pontosan kialakítani kotrógéppel, így ezt minden tervváltozatnál azonosan a környező terep átlagos magasságával definiáltam 103,2 mb.f. szinten. A következő néhány ábra a jelenlegi illetve a beavatkozások hatását mutatja be: 5. ábra: Áramlási mezők a hídszelvény környezetében (sebesség m/s-ban) - 8 -

9 Jászfelsőszentgyörgyi híd ~ 82,0 fkm A híd okozta szűkítés hatására a vízfelszín hossz-és keresztirányú esésében növekedést figyelhetünk meg, melyet a felszíngörbén is jól megfigyelhetünk. Gyakorlatig felvízen úgy viselkedik, mint egy konfúzor illetve alvizen mint egy diffúzor. A tetőző felszíngörbéket megvizsgálva tisztán látszik, hogy már 10 m es átvágással is 7-10 cm körüli felvízszint csökkentést lehet elérni a tetőző szintek tekintetében. Látható még az is, hogy mivel a teljes vízhozam egy része (10-20%)- függően a megnyitási szélességtől nem a hídszelvényen folyik át, hanem az átvágáson, ezért a híd alatti szakaszon a vízhozam növekmény miatt lokálisan vízszintemelkedések (3-5 cm maximum) figyelhetőek meg, melyek néhány száz méter után besimulnak az eredeti felszíngörbébe. 6. ábra: Beavatkozások hatása a tetőző felszíngörbékre nyitás szélessége (m) küszöbszint (mb.f.) 3. táblázat: Eredmények összefoglalása dh (cm) Qmax_átvágás (m 3 s -1 ) Qtotal/Qátvágás Természetesen a híd okozta visszaduzzasztás ugyanúgy fennáll, ám az átvágott bekötőút tehermentesíti a mögöttes területeket, ezáltal érhető el a felvízszint csökkentése

10 7. ábra: Vízszintkülönbségek a megnyitás hatására m-ben A helyszínrajzon is látható, ami a felszíngörbék vizsgálatából is kiderült, miszerint a felvízen jelentős vízszintcsökkenés érhető el az átvágásnak köszönhetően és mivel a vízhozam egy része már az megnyitott úttöltésen folyik le, ez indukálja az alvízen látható vízszintnövekedést. A 3. táblázatban összefoglaltam az egyes változatokban vizsgált eredményeket, természetesen a nagyobb nyitás, nagyobb leszívást idéz elő, de a 20 méteres megnyitás kivitelezhető ugyan, de nem túl szerencsés. Jelentős helyreállítási költség jelentkezik, illetve az átjárhatóság biztosítása sem egyszerű feladat. Mindenképpen a legkisebb olyan megoldás javasolt, amellyel már biztosítható, az hogy a település árvíz által fenyegetett területein csökkenjenek az elöntések

11 5. A megnyitás hatásának vizsgálata a jásztelki vízmércére A tanulmány másik célja, hogy megvizsgálja milyen hatást jelent a fent tárgyalt megnyitás a jásztelki vízmércén mért vízszintekre. A KÖTIVIZIG működési területén a Zagyva teljes szakaszán e vízmérce vízállásai alapján rendelik el az árvízvédelmi fokozatokat, illetve a jásztelki és borsóhalmi tározók üzembe helyezése is ennek a mércének a vízállásához igazítják. Mivel az átvágás által meggyorsítjuk az árhullám levonulást, lényeges információ az, hogy milyen hatással bír a tetőző vízszintekre illetve a tetőzés idejére. A Zagyvának ezen szakaszára jellemző, hogy az árhullámok viszonylag nehezen tudnak lefolyni, a nyílt ártér jellege és a sok kanyarulat miatt akár egy nap is eltelik anélkül, hogy a jászberényi vízmércén intenzív vízszintemelkedés jelentkezne, holott Szentlőrinckátán már apadó ágba fordult az árhullám. Természetesen ez függ attól is, hogy volt-e megelőző árhullám illetve, hogy milyen vegetációs periódusban alakul ki árhullám. 8. ábra: A beavatkozások hatásának vizsgálata a tetőző vízszintekre A 8. ábrán látható a jásztelki vízmércén kialakuló vízszint idősorok, melyek bemutatják a Jászfelsőszentgyörgynél elvégzett beavatkozások milyen hatást jelentenek az árhullámképekre. Gyakorlatilag elmondhatjuk, hogy a jásztelki vízállásokra illetve a tetőzések időpontjára a modelleredmények alapján nincs számottevő hatása a beavatkozásnak. Az ábrán

12 látható különbség az egész időszakban kb. 1 cm körül van, amely véleményem szerint annak tudható be, hogy a beavatkozások hatását 1D- és 2D modellek összekapcsolásával számítottam, míg az alapmodell szimplán 1D leképezéssel határozza meg a áramlás jellemzőit

13 6. Összefoglalás A dolgozatomban a Zagyva felső szakaszának egyik problémájával árvízvédelmi szempontból- foglalkoztam, amely a Jászfelsőszentgyörgyi nyílt ártéren található bekötőút árvizekre gyakorolt visszaduzzasztó hatásának vizsgálata. Arra kerestem a választ, hogy a bekötőút átvágásának milyen hatásai vannak az árvizekre. Konkrétan vizsgáltam azt, hogy mekkora szélességű átvágást alakítsunk ki, annak érdekében, hogy a mögöttes területeken belterületi ingatlanok gazdasági épületei- csökkenjenek az elöntések, károk. Az elemzéseimet 2D-s hidrodinamikai vizsgálatokra alapoztam, melyhez a HEC-RAS 5.0 szoftvert alkalmaztam, egyben teszteltem annak alkalmazhatóságát az ágazati problémák megoldására, megválaszolására. Az eredmények azt mutatták, hogy amennyiben átvágásra kerül sor, már 10 m-es megnyitás is jelentős 7-10 cm-es felvízszint csökkentést eredményezhet. Vizsgáltam azt is, mekkora szakaszon érvényesül a beavatkozás hatása, e téren elmondható az, hogy a megnyitás hatása lokálisan jelentős, viszont a folyón lefelé illetve felfelé haladva gyorsan eliminálódik. A másik lényeges információ, amivel a modellvizsgálatok szolgáltak, az hogy a jásztelki vízmércén mért vízállásokra milyen hatást fejt ki a beavatkozás. Elmondható, az hogy szinte ugyanazok a vízállások illetve tetőzési időpontok alakulnak ki mintha nem történt volna megnyitás. Számottevő hatást nem jelent az alvízi folyószakaszokra. Természetesen az eredményeket össze lehetne vetni további 2D-s modellek által adott eredményekkel, igazolni annak pontosságát. Az viszont tisztán bebizonyosodott, hogy a HEC 2D-s verziója - hasonlóan a 4.1-hez - kiválóan alkalmas az ágazatban jelentkező problémák, kérdések megválaszolására