Eötvös József Főiskola Zsuffa István Szakkollégium Szakmai beszámoló A Vén-Duna 1D hidraulikai modellezése Készítette: Vas László Tamás BZHYVM 2015.01.29.
A dolgozatomban az Eötvös József Főiskola oktatói és hallgatói által végzett dunai mérések egy részének eredményeit mutatom be. Dunai mérésekre a Főiskolán 2013-ban és 2014-ben került sor. A vizsgálatok célja a Vén-Duna (piros nyíl) mellékág rehabilitációjának vizsgálata volt. A folyószabályozások során a Bajától északra található kanyart szerették volna lerövidíteni, ezért nyitottak egy vezérárkot a Duna mai nyomvonala mentén. A folyószabályozások célja a hajózási vízmélység biztosítása és a kanyarok állandósítása volt. Mivel az átvágás nem fejlődött rendesen, ezért az akkori főágat (a mostani Vén-Dunát) egy mederelzáró keresztgáttal lezárták. A mellékág rehabilitációjának során megnyitották a mederelzáró keresztgátat, majd később ezt a megnyitást tovább bővítették a legkisebb hajózási vízszint szintjéig. A megnyitás után a Vén- Duna két részre szakad. Közvetlenül a kőgát után az átbukó víz kimossa a medret, a mederanyagot a bal oldali mellékágba szállítja, és ott lerakja. A felmérések során: A Vén-Duna elhelyezkedése - kilométerenként vízszintet rögzítettünk, - 100 méterenként mederfelmérést végeztünk, - vízhozamot mértünk ADCP-vel, - hordalékmintavételeket végeztünk. A felmérések során alkalmazott módszerek: - vízszintrögzítéshez vonalszintezés - mederfelméréshez ultrahangos mélységmérővel összekapcsolt GPS - vízhozamméréshez ADCP - lebegtetett hordalék mintavételezése szivattyús mintavevővel - görgetett hordalék mintavételezése Helley Smith mintavevővel - mederanyag mintavétele serleges mintavevővel -1-
A feldolgozás: - digitális medermodell építése - vízhozamadatok feldolgozása - hordalékadatok feldolgozása - HEC RAS modell felépítése Részletesebben a HEC RAS modell felépítésével fogok foglalkozni. A HEC RAS 1 dimenziós folyómodellező szoftver. Azért 1 dimenziós, mert a hidraulikai jellemzőkből keresztszelvényenként egy kerül kiszámolásra. A HEC RAS által megoldott egyenletek: - anyagmegmaradás törvénye (a folytonossági egyenlet írja le) - energia megmaradás törvénye (Newton II. törvénye alapján) Alapvető vízfelszíngörbe számításokhoz a szoftver az energiaegyenletet oldja meg iterálással. Az energiaegyenlet: 2 2 Z1,Z2 a keresztszelvény legmélyebb pontja abszolút magasságban Y1,Y2 vízmélység a keresztszelvényben v1,v2 átlagos sebesség a keresztszelvényben (összes vízhozam / teljes áramlási terület) α1,α2 sebesség súlyozási tényezők g gravitációs gyorsulás he energiaveszteség Az energiaegyenlet értelmezése -2-
A modell általános leírása: A modell felépítéséhez szükséges egy geometria. A folyó geometriáját itt a középvonalával és keresztszelvényekkel lehet megadni. A középvonalát szabadkézzel lehet rajzolni, mivel az nem befolyásolja a számításokat. A keresztszelvények egymástól való távolságát meg kell adni, így a rajzolt vízszintes vonalvezetésnek semmilyen hatása nincs a számításokra. A geometria szerkesztésekor lehet beépíteni a modellbe különböző szerkezeteket (átereszek, hidak, oldalbukók ). A geometria definiálásakor kell megadni, a jobb és a bal partéleket. Az érdességi értékeket meg lehet adni a bal parti hullámtérre, a főmederre, és a jobb parti hullámtérre külön. A geometria definiálása után a hidraulikai adatokat kell bevinni. A HEC RAS háromféle hidraulikai számítást tud elvégezni: - permanens - kvázi nem permanens - nem permanens Permanens állapotnál a modellben futtatott vízhozam időben nem változik. Kvázi- nem permanens állapotban a nem permanens állapotot permanens állapotok sorozatával lehet közelíteni. Nem permanens futtatásnál a futtatott vízhozam időben változik. A hidraulikai adatok beviteléhez szükségesek határ- és kezdeti feltételek. A felső határfeltétel a legfelső szelvény hidraulikai állapotát írja le. Permanens futtatásnál ez jellemzően vízhozam, nem permanens futtatásnál pedig vízhozam idősor. Az alsó határfeltétel a legalsó szelvény hidraulikai állapotát írja le. Permanens futtatásnál lehet normál mélység vagy ismert vízszint. Nem permanens futtatásnál lehet vízhozamgörbe, vízállás idősor, vízhozam idősor, vagy lejtés. A határfeltételeket megválasztásánál körültekintően kell eljárni, mert a határfeltétel oda húzza az eredményeket. Tehát ha alsó határfeltételnek vízhozamgörbe van megadva, akkor az alsó határfeltétel körül nem tud kialakulni hurokgörbe, vagy azt módosítja az alsó határfeltétel, mivel ott rögzítve van a vízhozamgörbe. Szintén módosul az alsó határfeltétel körül a hurokgörbe, ha lejtés az alsó határfeltétel. A határfeltételek megválasztásánál tehát figyelemmel kell lenni a modellezés céljára. Kezdeti feltételként a rendszer t = 0 időpontban lévő állapotát kell definiálni. A felépített modell: A felépített modell tartalmazza a Dunát az 1477 és az 1484 folyamkilométerek között, továbbá a teljes Vén-Dunát. A geometriát kiegészítettem a bajai Duna híddal és a Vén-Duna keresztgátjával. Mivel a felmérés középvíznél volt, ezért a partéleket nem tudtuk megmérni. A modellben ezért a partéleket a keresztszelvények szélére raktam, tehát a hullámtéri érdességekkel nem számol a modell. Mivel az ultrahangos mélységmérő másodpercenként mért egy pontot, ezért rengeteg adatot gyűjtöttünk. Az adatok száma még szűrés után is nagyon sok volt. Ezért a geometria építés során a keresztszelvények távolság-magasság adatait még át kellett nézni, és a fűrészes részeket eltávolítani. -3-
A geometria axonometrikus megjelenítése A permanens állapot hidraulikai adatai: A kőgát axonometrikus megjelenítése - Dunán és a Vén-Dunán mért vízhozamok (3600 és 135 m 3 /s) - alsó határfeltételként a szelvény normál mélységéhez tartozó lejtés - felső határfeltételként ismert vízszint A vízfelszíngörbe pontjait nem egyidőben mértük, így azokat előbb a mérés kezdőidejére kellett redukálni. A kezdőidőre történő redukálás után át kellett számítani a vízszinteket a vízhozammérés időpontjára. A modell kalibrálása: A modell kalibrálását, csak az érdesség változtatásával lehet végezni. Az érdességértékek kiindulóértékeit Ven Te Chow Open Channel Hydraulics [1959] könyvéből lehet felvenni. Az általunk felmért vízfelszíngörbére, permanens állapotban kalibráltam a modellt. A kalibrálás során a szakasz alsó keresztszelvényétől indulva a főmeder érdességeit addig változtattam (három tizedes élességgel), amíg a megmért vízfelszíngörbét el nem érte. -4-
Felszíngörbe permanens állapotban A képen a világoskék a számolt vízfelszín, a piros pontok az általunk mért magasságok. A kalibráció után egy másik megmért állapotra (ismert vízhozamhoz tartozó vízfelszíngörbe) validálni kell a modellt. A modell szükségességének indokoltsága: A jól felépített és kalibrált modellel előre lehet jelezni a mederváltozási folyamatokat a mellékágban (lehet vizsgálni a sebességek eloszlását a hossz-mentén). Alkalmas lenne továbbá, hogy a későbbi műtárgyak és beavatkozások együttes hatásait vizsgáljuk. A modellben a különböző tervváltozatok könnyen összehasonlíthatóak (grafikusan és numerikusan is), így egyszerűbben meg lehet találni a legoptimálisabb beavatkozásokat és/vagy műtárgyakat. A modell építése közben szerzett tapasztalatok: A modell építése közben rengeteg problémával találkoztam, amiknek csak kis részét lehetett számításokkal kiejteni. A problémák egy része a digitális terepmodell rossz felépítéséből adódtak. Érdemes a terepmodell felépítésére több időt szánni, mivel a keresztszelvények lekérdezése és HEC RAS-ba történő importálása annak segítségével gyorsabb, azonban kisebb utófeldolgozások szükségesek. A modellépítés során észre lehet venni a felmérés hiányosságait is. Mivel a keresztszelvényeket csak vízről mértük, ezért az akkor mért 3600 m 3 /s-os térfogatáramnál nagyobbat nem kezeli pontosan a modell. A keresztszelvények kiterjesztése egy függőleges vonallal automatikusan megtörténik. Nagyobb vízhozamtartományok vizsgálatához tehát érdemes ultrahangos mélységmérővel nagyvíznél mérni, vagy a vízről történt méréseket földi mérésekkel kiegészíteni. A nagyobb pontosság miatt érdemes inkább a vízi méréseket legalább partélig földi mérésekkel kiegészíteni. Ehhez a Duna és a Vén-Duna mentén alappontok szükségesek. Hogy ne a mérés közben kelljen keresni az alappontokat, érdemes lomb nélküli időszakban GPS-el előre megkeresni. Földi mérés alatt a száraz szelvényrész robot mérőállomással történő felmérését lehet érteni. Kisebb folyókon a nedves szelvényrész pontosságát is lehet növelni robot mérőállomás használatával. -5-
Sziget a Vén-Dunán A mérőállomás használatát indokolja a kőgát alatti sziget (piros nyíl) is. A sziget keresztszelvényként való pontos leképezéséhez feltétlenül szükséges a száraz szelvényrészek megmérése is. A modell folyamatos ellenőrzéséhez szükséges, hogy legyen vízhozamméréssel egyidőben történő vízszintrögzítés. Érdemes a modell geometriáját kibővíteni a Vén-Duna mellékágaival, azokat keresztszelvényekkel mederszakaszként, vagy tározótérként definiálni. A HEC RAS képes hordalék- és vízminőségi számítások elvégzésére is. Az általunk mért hordalékadatokkal mindenképp érdemes lenne a már jól kalibrált modellt kiegészíteni. A hordalékszállítás 1D modellezésnek az a hátránya, hogy nagy az adatigénye. A szükséges adatokat a lassú laborálás miatt sok idő előállítani. Hosszabb távon lehet gondolkodni a vízminőség modul alkalmazásán is, de annak az adatigénye még a hordalékmodellezésnél is nagyobb. Több meteorológia állomás idősora szükséges órás bontásban, valamint ugyanilyen felbontásban vízminőség adatok. 2015.01.29. Vas László Tamás Források: - HEC RAS Hydraulic Reference Manual (4.1) - Műholdképek a Google Earth-ről - Fénykép: Bandur Dávid -6-