Duna 1840-1806 fkm szakasz Dunakiliti- Medve Fizikai kisminta-kísérleti vizsgálatok 2007 A modellek felépítése, kalibrálása, mérése
Modellkísérleti vizsgálatok A fizikai modell 1 A modell anyaga A modell anyaga zuzott homok, a mederanyag bearányosítása nem történt meg. A vizet kútból nyertük és visszaforgattuk. A víz természetes hordaléktartalmát a csillapítótérben elragadott mederanyag biztosítja, így az nem okoz medereróziót. Ugyanakkor a modellben kialakult töltődések és kimosódások csak a mederváltozások tendenciáit mutatják a különböző vízhozamok hatására. A torzítás miatt a partállékonyság nem biztosítható, ezért a partokat cementtejjel stabilizáltuk. A kövezések, vízépítési műtárgyak cementtejjel összefogott apró kavicsból készültek. 2 Modell felépítése A megfelelő torzítású keresztszelvények rajzait, melyeken jól láthatóan kerülnek jelölésre a csatlakozás pontok, farostlemezre kasírozzuk fel. A keresztszelvények jobb és bal partjának modellbeli X,Y, koordinátája acéllapokkal kerül kijelölésre. Az így meghatározott pontok magasságát a modellben meghatározott fix pont segítségével a méretaránynak megfelelően állítjuk be. A keresztszelvények ezekre az acéllapokra ülnek rá. A modellben kialakult változások visszamérhetők ill. a fix pontok folyamatos ellenőrzése után a keresztszelvények segítségével újra és újra visszaállítható a kiindulási állapot. 3 Vízhozam és vízszintbeállítások, a felszíngörbék rögzítése A modell a Froud féle modelltörvény alapján készült el. ( uralkodó erő a tehetetlenségi és a súlyerő) A beállítandó vízhozamok a λq=λv*λh 3/2 képlettel kerülnek meghatározásra. A számított vízmennyiség Thomson mérőbukó segítségével állítható be. Ez adja az egyik peremfeltételt. A másik peremfeltétel a záró szelvénynél a vízszint beállítása, segédvízmérce segítségével. A vízszint-meghatározás tűvel, a leolvasás WILD felsőrendű szintezővel történik A felszíngörbe a mindenkori fix pont aktuális magasságának ismeretében számítható. A vízszintrögzítést kisvizes állapot modellezésekor a sodorvonalban, árvizek modellezése során a főmeder sodorvonalában és a töltés mellett, az árvízi mércék helyén végeztük el. A főmederben végzett vízszintrögzítések során szem előtt kell tartani, hogy a vízfelszín a sodorvonalban v 2 /2g értékkel lejjebb van, ami 2 m/s sebességnél már 20 cm-es eltérést jelent a természetben rögzített értékhez viszonyítva, amit feltehetően a parton, tehát álló víztérben rögzítenek. A modell felszíngörbéit ezért soha nem olyan kisimultak, mint a természetben rögzített értékek, viszont sokkal élesebben mutatják a visszaduzzasztásokat, jelentős eséstöréseket Tehát azokon a szakaszokon, ahol nagy sebességek alakulnak ki, a modellben rögzített vízszintek értelemszerűen alacsonyabbak lesznek, mint a természetben a parton rögzített értékek. A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 2.oldal
4 Sebességmérések A vizsgálatok során a különböző vízhozamoknál a sebességeloszlások meghatározására a felszín közeli áramlások a víz-felszínre szórt konfettivel, a fenék közeli áramlási viszonyok hipermangán oldattal váltak láthatóvá és időexpozíciós fényképezéssel rögzíthetővé. A különböző szelvényekben egyidejűleg bejuttatott konfetti ill. színezőanyag expoziciós idő alatt történő elmozdulása '' modell-léptékű '' sebességeloszlás számszerűsítésével történik. Konfuzor szakaszon a számított maximum értéke nagyobb a ténylegesnél, míg diffuzor szakaszon kisebb. Egyenletes szélességű szakasznál a függély menti maximumok ténylegestől való eltérése nem haladja meg a 10-15 %-ot. Szeretném megjegyezni azonban, hogy ezek az értékek torzult szelvényeknél nem megbízhatóak. Elfajult kanyaroknál ugyanis a természetben végzett mérések szerint is a vízfelszín akár 2/3-a is visszaforgást mutathat a zátonyok felett, mégsem jelentős a vízszállítása, hiszen nincs mélység. A számítás ugyanakkor a felszíni áramképet veszi figyelembe, az elmozdulás területének és a mederszélességnek hányadosa adja a középsebesség értékét, a legnagyobb elmozdulás hosszúsága pedig a sebességmaximumot. Mivel a számítás a vízmélységet nem tudja figyelembe venni, az így számított sebességértékek nem megbízhatóak. Ilyen esetben a billentések jelentősége sokkal inkább a visszaforgó területek nagyságának összevetésében, az áramképek változásának értékelésében van. Könnyen belátható ugyanis, hogy amennyiben az áramlási viszonyokon javítani lehet, az magával vonja a sebességmaximumok értékének csökkenését és a medererózió mérséklését is. A modellkísérletek során végzett sebességeloszlások árvizes állapotban csak a sebességeloszlás alakjáról adnak tájékoztatást, mivel a főmederben lévő vízhozam ismeretlen. Ezért a kialakult sebességekre csak következtetni lehet. Mégis komoly segítséget jelent ez is, hiszen ahol a vízfelszínre szórt konfetti nem, vagy alig mozog, az a tér nem szállít, míg ahol jelentős vízmozgást észlelünk, ott feltehetően a hullámtér is részt vesz az árvizek levezetésében. 5 A hidraulikai jelenségek modellezésének feltételei, az eredmények értékelése A kisminta-kísérleti telepen a Froud féle modelltörvényt alkalmazzuk, tehát uralkodó erőnek a tehetetlenségi és a nehézségi erőt ismerjük el. Az átszámítási tényezők ekkor a következőképpen alakulnak λ= l valóság / l modell A Duna 1840-1806 fkm szakaszának mindkét modellje torzított, az átszámítási tényezők a következőképpen alakulnak. Megnevezés Torzított sebesség 1/2 λ v = λ h vízhozam λ Q = λ l * λ 3/2 h idő λ t = λ l * λ -1/2 h Mederérdesség λ n 2/3 λ n =λ R A valóságra történő átszámításnál az alábbi jelentős hibaforrások vannak: A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 3.oldal
Méretarányhatás Mérési pontosság, ami a modell méretével csökkenthető (magassági torzítás) Rá és elvezető szakaszok hiánya (vizsgálandó szakaszra már a valósághű áramlás alakuljon ki) Objektivitás hiánya Mosonyi Emil Hidraulikai hasonlóság, a kismintatörvények és a kísérletek értékelése, a várható eredmények c könyvében egyéb kísérleti tapasztalatokra is felhívja a figyelmet: Ha a folyószakasz nem éles kanyarok sorozatából áll, a modellben felvett sebességeloszlás alapján következtethetünk a valóságban kialakuló vízmozgás sebesség eloszlására, esetleg nagyságrendileg is megbízható eredményeket kapunk, a számszerű mennyiségek súlyát azonban nem szabad túlértékelnünk. Az eredmények minőségi megbízhatóságát is kétségbe vonhatjuk azonban abban az esetben, ha a torzított folyómodell- a valóságos viszonyokhoz hasonlóan- éles kanyarú szakaszokból áll. A megengedhető geometriai méretek átszámítási tényezőit (λ) az alábbi képletek segítségével oldottuk meg: (Mosonyi: Hidraulikai hasonlóság, a kismintatörvények és a kísérletek értékelése, a várható eredmények, 27. és 41. oldal) λ l =125(R*v) 2/3 λ 3/2 h =λ l (25/c 2 1/3 v )*Re v ahol : λl A helyszínrajzi torzítás mértéke λh A magassági torzítás mértéke R hidraulikus sugár V középsebesség Re Reynolds szám c v sebességtényező a valóságban A modell a számítások nagyobb torzítással készült el, mint a megengedhető, tehát hitelességét csak a Froude szám azonossága igazolhatja. (kialakult felszíngörbe egyezik-e a valóságban rögzítettel) A Bagaméri modell (Duna 1825-1806 fkm szakasz) felépítése 1. A modell helyszínrajzi elhelyezése, küszöbök A helyszínrajz, a mértékadó küszöbök és a modell-láda (40*9 m) méretének ismeretében a modell lehetséges méretaránya M=1:500/100. Nyitószelvénye a dunaremetei kikötő, zárószelvénye a medvei híd. A modellt 222 db. keresztszelvény, közel 6000 bemért pont feldolgozásának segítségével építettük fel. A főmedri és hullámtéri keresztszelvényeket a 2003 évi Duna VO mérés alapján szerkesztettük fel, az Ásványi és a Bagaméri ágat az 1997-ben végzett mederfelmérés szerint építettük be. A modellbe beépített keresztszelvények excel formátumban keresztszelvényenként megtalálhatóak a mellékletekben digitális formában. A modellezett területen található műtárgyak a Szigetközi hullámtéri vízpótló üzemeltetéséhez készült létesítményjegyzék szerint kerültek beépítésre. A főmederben található sarkantyúk A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 4.oldal
helyszínrajzi elrendezése a Duna 1848-1708 fkm szakaszáról készült digitális térkép, magassági elrendezése az 1997-ben végzett felmérés szerint készült el. A mellékágak a modellben A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 5.oldal
2. Bearányosítási vizsgálat Modellezésre került a hullámtéri növényzet is A modellbe a megfelelő kalibrálás beállítása érdekében (főmeder vízszállításának meghatározása) tájékoztató jelleggel először a 2003.07.17.-én végzett rendszermérés peremfeltételeit állítottuk be. A peremfeltételek az alábbiak voltak Főmeder érkező vízhozam 407 m 3 /s Alvízcsatorna 546 m 3 /s Sorjás bukó 46,7 m 3 /s Doborgaz 30 m 3 /s Medve híd vízállás 108,8 mbf mbf Duna 1825-1806 2003.07.17. állapot modellezése 115 114 113 112 111 110 109 108 1825 1823 1821 1819 1817 1815 1813 1811 1809 1807 1805 fkm K1 2003. JÚLIUS 17. K2 k3 Mint az az ábrán látható, a kalibráció csak részben sikerült, az 1819-25 fkm szelvények között a modellben rendre magasabb vízszintek alakultak ki. (mivel a modell anyaga homogén, ez nem okozhatta az eltérést, a geodézia adott volt, így csak a rávezetésen lehetett változtatni. Ezen változtatás hatására azonban a kisvízszintek érdemben nem változtak.) Ennek okára csak a modellkísérleti vizsgálatok során derült fény. A modellbe beépített mederfelmérés a 2002 évi árhullámok előtt készült. A vízszintrögzítés utána. A modellkísérletek során ezen a szakaszon nagyon jelentős eróziót tapasztaltunk, tehát feltehetően a 2002 évi árhullám ezen a szakaszon jelentős kimosódást okozott, ami kisvízszint-süllyedéshez vezetett. A következő lépésében a hullámtér kalibrálását már a 2002 augusztusában kialakult árhullámra végeztük el. A peremfeltételek az alábbiak voltak: Főmeder érkező vízhozam 6130 m 3 /s Alvízcsatorna érkező hozam: 3080 m 3 /s Medvei vízmérce 116,8 mbf A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 6.oldal
A 2005 évi PHARE modell tanulságait a kalibráció során felhasználtuk, így a főmeder zátonyainak növényesítését gondosan végeztük el. Az Ásvány állami vízmércéig a kalibráció azonnal sikeres volt, e szakasz alatt tovább kellett sűríteni a Bagaméri mellékág felső szakaszában kialakított erdőket és a Patkányosi ágrendszer növényzetét. mbf Duna 1825-1806 fkm szakasz árvizes modell 2007 Kalibrálás javított 119.5 119 118.5 118 117.5 117 26.000 24.000 22.000 20.000 18.000 16.000 14.000 tkm 12.000 Kalibrálás 2002.08.16 A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 7.oldal
A 2002 augusztusi árhullámkor rögzített felszíngörbén jól megfigyelhető a Bagaméri kanyar és a szapi torok visszaduzzasztó hatása. A modell jól érzékeltette, hogy milyen kedvezőtlen kanyarulatokat kénytelen követni egy-egy árhullám. A Bagaméri kanyar jobb partján egy kőmű kényszeríti a vizet a kanyarulat követésére, a bal parton benőtt zátony pedig erre a műre szorítja rá a vizet. A szigetközi hullámteret korábban jellemző hatalmas rétek emlékét lassan csak a Gyalapi rét őrzi. Mivel ez a rét is, mint korábban sok társa, az áramlás irányába esik, árhullámok idején jelentős víztömeget szállít. A 2005 évi PHARE modell és a kalibráció során tapasztaltak ismét felhívták a figyelmet arra, hogy a főmeder vízszállító képességének megőrzése elengedhetetlen. Továbbá ismét bebizonyosodott, hogy a hullámtér a nagyvízi meder része, tehát levezető képességének helyreállítása az árvízszintek csökkentése érdekében elengedhetetlen. A kalibráció tehát bebizonyította, hogy a Duna szigetközi szakasza alapos rekonstrukcióra szorul. A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 8.oldal
A Dunaszigeti modell (1819-1840 fkm szakasz)felépítése 1. A modell helyszínrajzi elhelyezése, küszöbök A helyszínrajz, a mértékadó küszöbök és a modell-láda (40*9 m) méretének ismeretében a modell lehetséges méretaránya M=1:700/100. Nyitószelvénye a dunakiliti duzzasztómű alvízi szelvénye, zárószelvénye Bős, az 1819 fkm szelvény. A modell erősen torzított, ezért a kisvizek vizsgálata csak tájékoztató jellegű. A modellt 87 főmedri és 210 db. hullámtéri keresztszelvény, közel 40.000 pont feldolgozásának segítségével építettük fel. A főmedri és hullámtéri keresztszelvényeket részben a 2003 évi Duna VO mérés alapján szerkesztettük fel, részben pedig a Szabálytalan háromszöghálóval közelített digitális terepmodell a Duna 1806,3-1848 fkm szakaszára a bal és jobb parti hullámtérrel együtt ÉDUKÖVIZIG 2007 Gombás Károly c. dokumentáció alapján. A modellbe beépített keresztszelvények excel formátumban keresztszelvényenként megtalálhatóak a mellékletekben digitális formában. A modellezett területen található műtárgyak a Szigetközi hullámtéri vízpótló üzemeltetéséhez készült létesítményjegyzék szerint kerültek beépítésre. A főmederben található sarkantyúk helyszínrajzi elrendezése a Duna 1848-1708 fkm szakaszáról készült digitális térkép, magassági elrendezése az 1997-ben végzett felmérés szerint készült el. 2. Bearányosítási vizsgálat Mellékágak és zárások a modellben A modellbe a megfelelő kalibrálás beállítása érdekében (főmeder vízszállításának meghatározása) tájékoztató jelleggel először a 2003.07.17.-én végzett rendszermérés peremfeltételeit állítottuk be. A peremfeltételek az alábbiak voltak Főmeder érkező vízhozam 386 m 3 /s Helena 62 m 3 /s Doborgaz 30 m 3 /s 1819 fkm szelvény vízállás 114.5 mbf, egy feltételezett fenékküszöb hatása. A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 9.oldal
A 2003.07.17.-én végzett vízszintrögzítés erre a területre nem terjedt ki, így csak az eséseket volt módunkban ellenőrizni. A vízszintrögzítés során a SziTE-Rácz-Lisicky javaslat 1819 fkm szelvényében kialakult vízszintet (114,5 mbf) állítottuk be és a hullámtéri vízpótlóágban és a főmederben kialakult felszíngörbét rögzítettük. A továbbiakban ezzel a felszíngörbével hasonlítottuk össze a különböző beavatkozások hatására kialakult vízszinteket. A felszíni sebességeket 1 s időléptékkel történő fotózással rögzítettük a főmederben, hogy később összevethető legyen a tervezett duzzasztások során kialakult sebességértékekkel. Az árvizes kalibrálást a 2002. augusztusában levonult árhullám tetőző vízszintjeire végeztük el. A peremfeltételek az alábbiak voltak: Főmeder érkező vízhozam 6130 m 3 /s 1819 fkm szelvény vízmérce 116,8 mbf A 2005 évi PHARE modell tanulságait a kalibráció során most is felhasználtuk, így a főmeder zátonyainak növényesítését gondosan végeztük el. Cikola modell 2007 : folyómederben kialakult vízszintek a kalibrálás során mbf 127 126 125 124 123 122 121 120 119 1840 1835 1830 1825 fkm 1820 1. próba 2002 augusztusi árhullám tetőzése Mértékadó árvízszint 51/1997 évi BM rendelet A 2005 évi PHARE modell és a kalibráció során tapasztaltak ismét felhívták a figyelmet arra, hogy a főmeder vízszállító képességének megőrzése elengedhetetlen. Eltérően azonban a Bagaméri modelltől azt tapasztaltuk, hogy a főmederben hamarabb alakultak ki a magasabb vízszintek és ezek az oldalbukókon csak buktak, ellentétben a Bagaméri modellel, ahol a töltőbukók az áramlás irányában voltak. A látottak alapján úgy tűnt, hogy a felső szakaszon az árvízi vízmegosztás a hullámtér és a főmeder között a jobb parton már a dunakilitii szelvény felett eldől és a Szigeti Duna hozza azt a vízhozamot, ami árhullámok idején a jobb parti hullámtéren a Denkpáli és a Bodaki kapuig levonul. A bal parton az 1838 fkm szelvényben lép ki kisebb víztömeg a hullámtérre. A Denkpálnál visszafolyó víztömeg ellensúlyozására az 1831 fkm szelvényben, a Bodaknál pedig a bal part A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 10.oldal
1826,5 fkm szelvényében kerül sor. A főmeder vízszállítása azonban ezen a szakaszon sokkal markánsabb, mint az alsó szakaszon. Ez érthető, hiszen ezen a szakaszon a folyó álkanyarokat ír le, ami az árhullámok levezetése szempontjából sokkal kedvezőbb, mint az alsó szakasz túlfejlett kanyarpárja. Az 1820 fkm szelvény kanyarját, mint azt már az előző modellben is tapasztaltuk, a folyó az Ásványi ágrendszer fokozott igénybevételével ellensúlyozza, ezért tapasztalható ezen a szakaszon a bukókon az ágrendszer áramlásirányú, nem pedig oldalbukó jellegű töltődése. mbf 127 126 125 124 123 122 121 120 Cikola modell 2007 kalibrálás a 2002. augusztusi tetőző vízszintre a jobb parti töltésen 119 51.50 46.50 41.50 36.50 31.50 tkm 26.50 2. próba 2002 augusztusi árhullám tetőzése Mértékadó árvízszint 51/1997 évi BM rendelet A kalibrálás során tapasztaltak felvetették annak a lehetőségét, hogy a Duna ezen szakaszán az érékes hullámtér ökológiai potenciáljának elérését az árvízi biztonság növelése mellett a főmeder kiszolgáló szerepének növelésével lehet megvalósítani. Tehát az árvízi hozamok jelentősbbik hányadát ezen a szakaszon a főmederben kell levezetni. A modellek felépítése, kalibrálása, mérése / 11.oldal