hidravliČne lastnosti reke save v breŽicah - vhodmvd20.com/leto2011/r26.pdf · da je po strugi...

mag. A. VIDMAR, A. ČOTAR, dr. L. GLOBEVNIK, prof. dr. M. BRILLY

- 203 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJAUPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA

22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011

mag. Andrej VIDMAR * Anton ČOTAR* dr. Lidija GLOBEVNIK** prof. dr. Mitja BRILLY

HIDRAVLIČNE LASTNOSTI REKE SAVE V BREŽICAH – MERITVE EKSTREMNIH PRETOKOV

POVZETEK

Decembra leta 2009 in v septembru 2010 sta se zgodila dva poplavna dogodka tudi v dolini reke Save pri Čatežu. Septembra 2010 je imel dogodek petdeset-letno povratno dobo. V času poplav so se merile profilne hitrosti z Acoustic Doppler Profiler (ADP). Izmerilo se je več kot šestdeset hitrostnih profilov z 20 cm ločljivostjo v navpični smeri. Vrednotenje podatkov o hitrosti je ločeno na določitev pretoka v glavnem toku reke Save, pretoka na poplavnem območju in pretoka v strugi reke Krke Najvišja izmerjena srednja hitrost v enem izmed vertikalnih profilov je presegla 4 m/s. Dogodek leta 2010 je bil prvi, kjer se je izmeril tako velik pretok na reki Savi. Istočasno je potekalo snemanje poplav z infrardečo kamero. Izmerjeni podatki kažejo na zapletene odnose med tokom v glavni strugi in na poplavnem območju. Zanimivo je, da so bile izmerjene hitrosti toka ob septembrski poplavi leta 2010 nižje glede na visoke vode decembra 2009, čeprav so bili pretoki višji.

UVOD

Merjenje pretoka z “Acoustic Doppler Profiler”-jem (ADP) je edina res primerna tehnika za merjenje visokih pretokov. Meritve s propelerskimi inštrumenti so namreč zelo težke, oziroma nemogoče zaradi velikih globin in hitrosti. V članku so predstavljeni rezultati in izkušnje dveh meritev visokih voda na reki Savi v Brežicah, to je v decembru 2009 in septembru 2010.

Meritve so se izvajale iz starega železnega mostu pod Brežiškim gradom (slika 1) na sotočju reke Save in Krke (slika 2) . Merski profil je dolg 490 m. Sestavljen je iz treh odsekov. Prvi je dolg 110 m in poteka preko reke Save. Drugi je dolg 300 m, poteka pa preko poplavnega območja na desnem bregu reke Save. Zadnji 80 m poteka preko reke Krke.

Slika 1: Na levi strani je na infrardečem posnetku (IR) v času poplave 19.9.201 prikazano sotočje reke Save in Krke (Naročnik ARSO; Izvajalec meritve Geoin, Maribor). Na desni strani je fotografija čolnička

* Mag. Andrej VIDMAR, univ. dipl. inž. gradb., *Anton ČOTAR, univ. dipl. inž. gradb., prof. dr. Mitja BRILLY, univ. dipl. inž. gradb., Univerza v Ljubljani Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Jamova 2, Ljubljana, ** dr. Lidija GLOBEVNIK, univ. dipl inž. gradb., Inštitut za vode Republike Slovenije, Hajdrihova 28c, Ljubljana




z ADP inštrumentom ko se je izvajala statična meritev iz starega železnega mostu.

Slika 2: Merski profil prikazan na DOF (GURS) in IR posnetku (ARSO).

OPIS METODE

Ob zelo velikih pretokih se pri dnu struge povečajo strižne napetosti, zato se gramozne in peščene strukture dna začnejo premikati. Standardno izvajamo meritev hitrosti na način, da se s konstantno hitrostjo premikamo iz ene brežine proti drugi (dinamična meritev). To v osnovi tudi ponuja ADP sistem. Za ta namen je treba sistemu izmeriti referenco, na katero se navežejo izmerjene hitrosti vode po vertikali. Zaradi premikajočega se dna je avtomatično ob meritvi izračunan pretok vedno manjši kot resnični. Kot primer naj navedemo, da je v primeru, da se rečno dno premika s hitrostjo 0.2 m/s, vodna hitrost je 1 m/s, ADP merilec pa se ne premika na vodni gladini, izmerjena vodna hitrost na ADP merilcu 0.8 m/s. Problem presežemo z uporabo metode »Lopp«, s katero popravimo in nadomestimo pojav premikajočega se dna. Meritve ADP se lahko izvajajo dinamično ali statično. Pri prvi čolniček z ADP merilcem zvezno premikamo čez merski profil od enega do drugega brega in nazaj. Inštrumenti merijo globine in hitrosti, ustrezen program pa z metodo integracije hitrosti in sproti izmerjeni geometriji struge izračuna skupen pretok v profilu reke. S statičnim pristopom meritev izvajamo stacionarno iz izbrane pozicije na merskem profilu tako, da inštrument vsakih pet sekund izmeri vrednosti hitrosti po vertikalnem profilu na vsakih 20cm globine.. V intervalu 40 sekund tako dobimo osem hitrostnih vertikalnih profilov na merski poziciji. V turbulentnem toku dolžino meritve ponavadi podaljšamo do dve minuti. S tem dobimo boljša povprečja oscilacij pretokov in hkrati boljše rezultate. Po uspešno izvedeni meritvi na eni lokaciji se s čolničkom, kjer je montiran ADP, nato premaknemo na naslednjo pozicijo. Razdalje med merskimi pozicijami morajo biti ustrezno majhne. Velja pravilo, da v enem merskem profilu izmerjen pretok naj ne bi bil večji od 10% celotno izmerjenega pretoka celotnega prečnega profila. Protokol stacionarne meritve je podoben protokolom meritve s klasičnimi propelerskimi merilci hitrosti in ustreza ISO merskim tehnikam določanja hitrostnih polj za integriranje pretokov po metodi hitrost-površina. Izmerjenih hitrosti v gibljivem delu sedimentov na dnu reke ne upoštevamo pri določanju pretokov, ampak hitrostni profil na globini kjer signal (SNR -Signal Noise Ratio) pade pod 10 dopolnimo do dejanskega dna v obliki parabolične funkcije. Za ta namen vedno ob meritvi izmerimo absolutno koto nadmorskih višin vode. Pomagamo si z meritvijo oddaljenosti vode od mostu (merski trak potegnjen od znane kote na mostu do vode) ali uporabimo geodetski prizmi na čolnu in na obali ali pa kar je najenostavneje odčitamo vodostaj na vodomerni lati, seveda če je le ta v bližini.. Prednosti statične metode so naslednje:




Enostavna za uporabo in razumevanje. Metodologija meritve je enaka tradicionalnim tehnikam. Negotovost pri meritvi pretokov je lahko izračunana s pomočjo metod ISO in USGS [1];

Možna je kontrola izmerjenih podatkov že med samo meritvijo. Če pride do motnje ali prekinitve meritve v posamičnem profilu, se le-ta lahko ponovi. Motnje so lahko plavajoča drevesa, ko je treba ADP merilec umakniti, da ga plavajoči predmet ne poškoduje;

Meritve so možne tudi v močno zaraščeni strugi, kjer z dinamično metodo ne moremo meriti, ker dobimo nepravilne odboje signala od zarasti. S statično metodo pa lažje poiščemo "odprtine" v zarasti. [2];

Profiliranje tokov in izdelavo izotah za preverbo 3D hidravličnih modelov z izmerjenimi podatki [3]; Meritve možne tudi v turbulentnem toku, ker z poprečenjem izničimo hitrostne pulzacije; Meritve nizkih voda, ko zaradi premajhnih hitrosti vode dinamične metode ne moremo uporabiti

zaradi prevelike hitrosti vetra, ki premika čolniček. Velja namreč pravilo, da se mora čolniček premikati počasneje kot tok vode.

Meritve nad rangom zmogljivosti inštrumenta. Pod neko globino vode inštrument ne meri več hitrosti, ker doplerjev odboj že zelo opeša. Hitrosti do dejanskega dna lahko dodamo kasneje z znanimi podatki o geometriji struge. Krivuljo spodnjega dela hitrostnega profila vertikale podaljšamo z uporabo parabolične funkcije z eksponentom 1/6 (sliki 5 in 6).

V primeru Save smo uporabili 3000 KHz ADP z največjim rangom zaznave 6.5 m.. Dinamična metoda na profilu reke Save v Brežicah septembra 2010 ni bila uporabna.

Slika 3: Izpis meritve v decembru 2009.




Slika 4: Izpis meritve v septembru 2010.

REZULTATI Slika 3 prikazuje izpis izmerjenega pretoka na reki Savi 26.12.2009. Slika 4 prikazuje izpis izmerjenega pretoka na reki Savi 19.9. 2010. Na sliki 5 sta za mersko pozicijo, ki je 85 m oddaljena od leve brežine, prikazana hitrostna profila ob meritvah 12.12.2009 in 19.9.2010.

Slika 5: Meritev v profilu, ki je 85 m oddaljen od leve brežine (levo: december 2009; desno: 19. september 2010; 17:49). Na tem mestu Izmerjene hitrosti na spodnji tretjini profila niso realne (debelejša črta s krogi), ker doplerjev signal že opeša.. Iz slike 3 in 4 vidimo, da je v reki Savi dne 26. 12. 2009 ob 10:41 teklo 1855 m3/s vode, 19.9.2010 ob 13:35 pa 1848 m3/s. Konica septembrskega vala 2010 je bila dosežene ob 17:00, ko je bil pretok v reki Savi (pred Krko in brez vode v poplavnem območju) velik 1930 m3/s. Prikaz meritve na poziciji leta 2009 in 2010, kjer ima voda v Savi največje hitrosti in globine (85 metrov od levega brega) je dan na sliki 6. Dne 19.9.2010 ob 17:50 je bila vodna gladina za 1.65 m višja od tiste leta 2009. Povprečna hitrost vertikalnega profila je bila v letu 2009 4.0 m/s, maksimalna na površini 4.7 m/s, globina vode 7.5 m. Povprečna hitrost vertikalnega profila (85 m od levega brega) v letu 2010 je bila 3.52 m/s, maksimalna na površini 3.8 m/s, globina vode pa kar 9.13 m. Preglednica 1 prikazuje izmerjene pretoke v profilu pod železnim mostom 19.9.2010. Skupno je čez celotni merjeni profil teklo 3504 m3/s. Od tega je po reki Savi teklo 1931 m3/s, v strugi reke Krke 1045 m3/s, po vmesnem poplavnem območju pa 528 m3/s.




Preglednica 1: Povzetek rezultatov meritve 19.9.2010 Odsek Čas

(GMT+2) Srednja hitrost

(m/s) Skupna

pretočna površina

(m2)

Skupni pretok (m3/s)

Sava 17:00 2.3 849 1931 Krka s Savo 17:00 2.0 517 1045 Poplavno območje (vmesno območje)

17:00 0.8 697 528

Slika 6: Hitrostni vertikalni profili na poziciji meritve 85 m od levega brega.




Slika 7: IR posnetek »ne-mešanja« poplavne vode reke Save (zgoraj) in vode v reki Krki.

RAZPRAVA

Pretočne lastnosti na območju sotočja reke Save in reke Krke so kompleksne. Iz slike 5 vidimo, da je bila srednja hitrost izmerjena v letu 2009 ob pretoku 1855 m3/s večja kot srednja hitrost izmerjena v letu 2010 ob pretoku 1931 m3/s. Reka Sava je bila ob tem pretoku septembra 2010 »zajezena«, kar potrdi oblika vertikalne krivulje hitrosti v profilu 85 m od levega brega. Ta je pri pretoku 1855 m3/s leta 2009 sledila obliki parabolične funkcije z eksponentom 1/6 (slika 5), kar kaže na stalni enakomerni tok. Ob pretoku 1931 m3/s pa vidimo, da je zgornji del krivulje obrnjen nazaj, kar potrdi teorijo o »zajezitvi« reke Save pri višjih pretokih od 1900 m3/s. Zajezitev nastaja zaradi zoženega pretočnega profila približno 100 m pod sotočjem Save in Krke. Ob zajezitvi leta 2010 je bila gladina reke Save pod železnim mostom nesorazmerno glede na pretok višja za 1.6 m od tiste leta 2009. To je bil tud vzrok, da je po strugi reke Krke tekla tudi voda reke Save (slika 7), celotna višina vode v reki Krki gor-vodno pa je bila seveda tudi ustrezno višja. Slika 7 prikazuje oster rob med vodo reke Save in Krke. lahko vidimo, da se je voda reke Krka na območju železnega mostu slabo mešala z vodo reke Save. Ugotovitev, da v primeru višjih pretokov pod železnim mostom (Sava in Krka skupaj) prihaja do zajezitve reke Save, je pomembna za analizo hidravličnih lastnosti na reki Savi gor-vodno.

ZAKLJUČEK Meritve pretokov z »Acoustic Doppler Profiler« so primer sodobne metode meritev in dajejo vredne rezultate. V preteklosti smo take podatke lahko modelirali s fizičnimi modeli ali z 2D hidravličnim numeričnim modeli. Zares primerne podatke o hitrostih vode ob izrednih razmerah lahko dobimo le z meritvami na terenu. Stacionarna metoda daje dobre rezultate. Z njo lahko ocenimo negotovosti meritev po ISO ali po statistični USGS metodi, kar nam daje višjo stopnjo zaupanja v rezultate. S takimi meritvami se tudi zavemo kaj pomeni negotovost v modeliranju. Meritve hitrosti oziroma pretokov v izjemnih razmerah, ko so hitrosti lahko višje od 4 m/s ali celo do 5 m/s, so nevarne, zato je treba biti izjemno pazljiv. Meritev lahko izvaja le usposobljen in vešč tim. Pomembno je tudi, da se v času meritve ves čas kontrolirajo tudi višine vode.

Viri: [1] Kiang J. E., Cohn T. A. and Mason R. R.(2009). Quantifying Uncertainty in Discharge

Measurements: A New Approach, U.S. Geological Survey, Office of Surface Water, 12201 Sunrise Valley Drive MS415, Reston, VA 20192, USA. ISBN:978-0-7844-1036-3

[2] Martin N. (2007). RiverSurveyor’s Stationary Method Used in Unseasonal Summer Flood Conditions - A sign of climate change?, A case study in Derby, United Kingdom, 2007. http://www.sontek.com

[3] R. Rajar, M. Četina, A. Sirca, M. Krzyk and A. Vidmar (2011), Calibration of a 3D Model with Measurements in a fully 3D Flow in the Sava River, Proc. of the 34th IAHR World Congres 2011, Brisbane, Australia.

[4] ARSO. Infrardeči posnetki poplavnega dogodka 2010. Izvajalec: GeoIn.

hidravliČne lastnosti reke save v breŽicah - vhodmvd20.com/leto2011/r26.pdf · da je po strugi...

Documents