ÁRVÍZVÉDELMI TÖLTÉSEK ÉS ALTALAJÁNAK HIDRODINAMIKAI MODELLEZÉSE A SEEP2D MODULLAL

Átírás

1 A Miskolci Egyetem Közleménye, A sorozat, Bányászat, 81. kötet (2011) ÁRVÍZVÉDELMI TÖLTÉSEK ÉS ALTALAJÁNAK HIDRODINAMIKAI MODELLEZÉSE A SEEP2D MODULLAL Zákányi Balázs 1, Nyiri Gábor 2 1 egyetemi tanársegéd, 2 BsC hallgató 1,2 Miskolci Egyetem, Környezetgazdálkodási Intézet, Hidrogeológiai-Mérnökgeológiai Intézeti Tanszék, hgzb@uni-miskolc.hu 1. A gáttesten átszivárgó vízhozam számítása modellezéssel A gáttesten átszivárgó vízhozamot kétféleképpen határozhatjuk meg: analitikus, illetve numerikus módon (Völgyesi, 2008.). Analitikus számítással csak úgy oldhatjuk meg az egyenletet, hogy valamely paramétert a teljes rendszerben állandónak veszünk, és kihasználjuk valamely speciális tulajdonságát (Imre, 2009). Az analitikai megoldások jellemzője, hogy egy egzakt képlettel, formulával meghatározható az eredmény. A numerikus módszerek ezzel szemben közelítő megoldások. Lehetővé teszik, hogy a képződmény jellemzők tér és időbeli változásait figyelembe vegyük a megoldásoknál. A numerikus megoldások általában egy egyenlet-rendszer vagy mátrix-egyenlet iteratív megoldására vezetik vissza a vizsgált problémát (Szucs et. al, 2006) A megoldás nemcsak közelítő, hanem numerikus hibákkal is terhelt. A szivárgás alapegyenletének legismertebb numerikus megoldásai a véges differencia módszerrel és a végeselem módszerrel való megoldás (Szucs et al., 2009). 2. A Groundwater Modelling System 7.1-es program A modellezés során a Groundwater Modelling System 7.1-es program SEEP2D modulját használuk. Rézsűk esetében fontos szerepet játszanak a különböző víznyomás szintek a rézsűk-jelen esetben árvízvédelmi töltések- állékonyságában. Ez a modul alkalmas arra, hogy ezeket a nyomásszinteket, áramlási vonalakat modellezze a gáttest belsejében, illetve az altalajban is. A program megnyitása után első dolgunk beállítani a megfelelő mértékegységeket. Ezt az Edit Units alpont alatt tehetjük meg. Ezután a geometria felvétele a következő lépés (Zákányi, 2004). A geometria felvétele során 271

2 Zákányi Balázs, Nyiri Gábor pontokat viszünk fel a Create point gomb segítségével, majd a megfelelő koordináták betáplálása után a Create arcs gomb segítségével összekötjük ezeket a pontokat (Zákányi, Szűcs 2010.). Ezt követően beállítjuk a gát osztásait a rácsháló elkészítéséhez, majd a különböző anyagtípusokat felvesszük. Az osztások finomsága, durvasága adja meg a rácsháló elemeinek a számát és méreteit. Az elemek száma egy-egy anyagtípuson belül más és más lehet. A rácshálót ezek után a program elkészíti. A rácsháló után következő lépés a belépési, és a kilépési oldal megadása, ahol megadhatjuk az árvízszintet a töltéslábhoz viszonyítva (1.ábra). 1. ábra. A rácsháló, az árvízszint, és az anyagtípusok megadása. Ezután a számítási opciókat állítjuk be, majd az anyagtípusok jellemző értékeit, végül következhet a számítás. A program kiszámítja a fajlagos hozamot, a vízszint alakulását és az áramvonalakat a gáttesten és az altalajon belül, a síkszivárgás potenciál vonalait, valamint a sebesség vektorokat. 3. A modellezés eredményei A GMS 7.1-es program segítségével a gátak, és azok altalajának modellezése könnyen kivitelezhető. A program nem csak ábrák elkészítésére alkalmas, hanem számításokat is végez, melyre munkánk során kisebb hangsúlyt fektettünk, a szemléltetést tartva szem előtt. 272

3 Árvízvédelmi töltések és altalajának hidrodinamikai modellezése a SEEP2D modullal Vizsgálatainkat három árvízvédelmi töltés szelvényre végeztük el. Modellezés során úgy vettük fel a paramétereket, hogy a vízszint a töltéskorona alatt egy méterrel legyen. Az 1. táblázatban láthatóak a gátak anyagának és az altalajnak a tulajdonságai. A 2. ábra pedig a töltések jellemző keresztszelvényeit mutatja. 1. táblázat. A vizsgált három jellemző gátszelvény jellemző adati. Gátak paraméterei Megnevezés Betűjel Mértékegység Érték az alábbi szelvényekben (tkm) Árvízi terhelés magassága a mentett oldali töltésláb felett A töltés magasság a mentett oldali terep felett Tisza jobb part (Cigánd) Altalajadottságok Tisza jobb part (Révleányvár) Bodrog bal part (Halászhomok) H m 5,5 4,9 4,5 m t m 5,5 4,9 4,5 Töltés talpszélessége B m 50,3 39,1 30,4 Töltés korona szélessége b k m 6,5 4 4 Vízoldali rézsűhajlás ρ v 1\3 1\3 1\3,5 Mentett oldali rézsűhajlás ρ m 1\4 1\3 1\3,7 Vízvezető réteg vastagsága d 0 m Vízvezetőréteg k-ja k 0 m/d 0,43 0,034 0,086 Vízvezető réteg rétegzettségi λ mutatója Fedőréteg vastagság d f m 2,3 3,8 Fedőréteg k-ja k f m/d 0, , Altalaj anyagáank kohéziója c a kn/m Töltéstest anyagának belső súrlódási szöge φ t Töltés anyagának kohéziója c t kn/m Töltés térfogatsúlya (telített) φ t kn/m ,5 273

4 Zákányi Balázs, Nyiri Gábor 2. ábra. Jellemző töltésszelvények Cigánd, Révleányvár és Halászhomok térségében. A programot lefuttatva először az áramlási vonalakat kapjuk meg a gáttesten belül, erre mutat példát a 3. ábra a Cigánd gátra vonatkozóan. A program meghatározza az áramlási, és ekvipotenciális vonalakat, valamint kiszámítja a mentett oldalon kilépő fajlagos vízhozamot, amely a három szelvényben a 2. táblázat szerint alakul. 3.ábra. A Cigánd térségében jellemző töltésszelvényben kialakuló áramlási vonalak. 274

5 Árvízvédelmi töltések és altalajának hidrodinamikai modellezése a SEEP2D modullal 2. táblázat. A különböző szelvényekbena mentett oldalon kilépő fajlagos vízhozam. Tisza jobb part Bodrog bal part Tisza jobb part Gátszelvény (Cigánd) (Révleányvár) (Halászhomok) Fajlagos hozam,q [m 3 0,0032 0,0108 0,0188 /m s] A program kiszámítja a nyomás (4. ábra, Révleányvár), és sebességviszonyokat (5. ábra, Halászhomok) is. 4. ábra. Nyomásviszonyok alakulása a töltésben, és az altalajban a Révleányvár környéki gátszelvényben. 5. ábra. A sebességviszonyok alakulása a Halászhomoki keresztszelvényben. 275

6 Zákányi Balázs, Nyiri Gábor 4. A modellezési eredmények összegzése, összefoglalás A modellezés során három Tisza menti töltés szivárgását vizsgáltam, figyelembe véve az altalaj adottságait is. Mindhárom esetben megfigyelhető volt, hogy az áramlási vonalak helyzete nagymértékben függ az altalaj adottságaitól: a vastagságtól, és a szivárgási tényezőtől. A nyomásviszonyok vizsgálatánál megállapíthatjuk, hogy két esetben is a töltés altalajának vízvezető rétegében találhatók a legnagyobb nyomásértékek. Ez a tény a töltés állékonyságának szempontjából érdekes, mivel ebben a zónában magas pórusvíznyomás alakulhat ki, ezzel nagymértékben rontva a töltés árvíz elleni támasztóerejét. A sebességviszonyokra jellemző, hogy a mentett oldali töltéslábnál a legnagyobbak a sebességértékek, illetve jelentős az áramlási sebesség növekedése az altalaj vízvezető rétegében. Összegzésként megállapítható, hogy a töltések hidraulikai, és hidrodinamikai modellezése nagymértékben segítséget nyújthat a vízügyi szakembereknek. A modellezési eljárás sokkal egyszerűbb és szemléletesebb számítási mód, mint az analitikus megoldások és sokkal kevesebb idő alatt ad a valósághoz közeli eredményt akármilyen belső szerkezet esetében is. 5. Köszönetnyílvánítás A kutatómunka a TÁMOP B-10/2/KONV jelű projekt részeként - az Új-Magyarország Fejlesztési Terv keretében az Európai Unió támogatásával, az Európai Szociális Alap társfinanszírozásával valósult meg. Felhasznált irodalom Imre E. (2009.): Az árvízvédelmi gátakban lejátszódó vízáramlás modellezése, Hidrológiai közlöny, 89. évf. 2. szám (2009. március-április) P. Szucs, F. Civan, M. Virag: Applicabbility of the most frequent value method in groundwater modeling, Hydrogeology Journal (2006) Szucs, P., Madarasz, T., Civan, F., Remediating over-produced and contaminated aquifers by artificial recharge from surface waters. DOI: /s , Springer Environmental Modeling & Assessment, Vol. 14, Völgyesi I. (2008.): Árvédelmi töltések szivárgáshidraulikai modellezése. Hidrológiai Közlöny, 88. évf. 1. szám (2008. január-február) Zákányi B. (2004.): Gáttesten átszivárgó vízhozam számítási módszereinek összehasonlítása, TDK dolgozat, Miskolc Zákányi B., Szűcs P. (2010.) Völgyzáró gát és árvízvédelmi töltések hidraulikai vizsgálata SEEP2D modullal, Hidrológiai közlöny, 90. évf., 4. szám, (2010. júliusaugusztus) 276