Vodohospodářské řešení malých vodních nádrží

Transkript

1 Vodohospodářské řešení malých vodních nádrží 3. PŘEDNÁŠKA BS053 Rybníky a účelové nádrže

2 Vodohospodářské řešení malých vodních nádrží Základ pro efektivní návrh nádrže z hlediska jejího objemu a jeho rozdělení pro plnění jednotlivých požadavků ČSN Vodohospodářská řešení vodních nádrží ČSN Malé vodní nádrže TNV Posuzování bezpečnosti vodních děl za povodní TNV Suché nádrže (2006) ČSN Hydrologické údaje povrchových vod

3 Rozdělení prostorů v nádrži M max maximální hladina M m hladina mrtvého prostoru M s hladina stálého nadržení M z hladina zásobního prostoru M o hladina ovladatelného prostoru M r o hladina ovladatelného retenčního prostoru M r n hladina neovladatelného retenčního prostoru V c - celkový prostor V m - mrtvý prostor V s - prostor stálého nadržení V z - zásobní prostor V r - ochranný prostor V o ovladatelný prostor V n neovladatelný prostor V r o ovladatelný ochranný prostor V r n neovladatelný ochranný prostor

4 Rozdělení prostorů v nádrži - rybníky - půdní prostor - zásobní prostor - zálohový prostor - retenční prostor

5 Účel vodohospodářského řešení nádrže dle ČSN Stanovit objemy jednotlivých prostorů (podle funkce nádrže), vyřešit optimální způsoby řízení odtoku z nádrže (odběry, minimální zůstatkový průtok, energetický spád, jakost vody, míra ochrany před povodněmi), stanovit požadavky na parametry jednotlivých objektů a na jejich uspořádání, zjistit vliv nádrže na průtok vody ve vodním toku a na vodní díla pod nádrží (vodohospodářská bilance), poskytnout spolehlivé podklady pro návrh funkčních objektů nádrže a hráze z pohledu bezpečnosti a provozuschopnosti vodního díla, poskytnout podklady pro posouzení ekologických účinků nádrže (pokud to význam nádrže požaduje). U nově navrhovaných nádrží Vyřešit převádění vody přes staveniště během výstavby, první plnění nádrže, první prázdnění nádrže, ověřovací provoz.

6 Náplň vodohospodářského řešení Náplň musí odpovídat : Významu nádrže (u MVN lze připustit zjednodušení) Účelu, pro který je vodohospodářské řešení zpracováno (MVN nejčastěji retence, rybochovný, zásobování vodou) Rozsahu a složitosti vodohospodářské problematiky Rozsahu a spolehlivosti dostupných podkladů (hydrologických, geodetických, apod.) (MVN omezený rozsah a nižší spolehlivost hydrol. podkladů) Stupni dokumentace (studie, DÚR, DSP)

7 Stanovení významu a účelu nádrže Význam nádrže podle požadavků na : Zásobení vodou ( přímo určuje zabezpečenost odběru) potřeba závlahy Zajištění minimálních průtoků (kvalita vody) Kvalitu vody v různých úrovních hladiny (zásobní nádrže- závlaha) Zajištění minimální úrovně hladiny z důvodů ekologických, rekreace apod. Ochranu před povodněmi Nádrže podle účelu : Zásobní nádrže (závlaha) Nádrže upravující vlastnosti vody Hospodářské nádrže Asanační nádrže Krajinotvorné nádrže Ochranné (retenční) nádrže Rybochovné nádrže Speciální účelové nádrže Rekreační nádrže Nádrže na ochranu bioty

8 Rozsah podkladů Podklady pro řešení zásobní funkce nádrže Podklady pro řešení ochranné funkce

9 Podklady pro řešení zásobní funkce nádrže Informace o všech požadovaných odběrech z nádrže a z vodního toku, minimální zůstatkový průtok v korytě vodního toku pod nádrží, případně v dalších ovlivněných profilech, další nároky vyplývající z vydaných rozhodnutí o povolení nakládáni s vodami, údaje o požadované úrovni hladiny v jednotlivých obdobích roku (energetika, rekreace, protipovodňová ochrana, apod.) údaje o nárocích ochrany a tvorby životního prostředí. Hydrologické údaje: musí být zpracovány nebo ověřeny Českým hydrometeorologickým ústavem základní hydrologické údaje (plocha povodí, Q a, Q m,, Q N ), reálná nebo odvozená hydrologická řada průměrných měsíčních průtoků za reprezentativní období, resp. řada modelovaná. Délka řady odpovídá významu nádrže (u MVN nejčastěji rok). U řad průměrných měsíčních průtoků třídy spolehlivosti III. a IV. se vzhledem k významu zásobní funkce nádrže tyto údaje opravují koeficientem 0,9 pro třídu spolehlivosti III. a 0,8 pro třídu IV. Další hydrologické údaje, které jsou nutné zejména ke stanovení ztrát a kvality vody jsou údaje o teplotách vzduchu, resp. přitékající vody a tlaku vodní páry. Údaje o splaveninách (je-li předpoklad zanášení a ovlivnění celkového objemu)

10 Podklady pro řešení ochranné funkce Podklady, které umožní stanovit míru ochrany území pod nádrží Přítok vody do nádrže Hydrogramy povodňových vln. Z pohledu bezpečnosti díla - zásady uvedené v normě TNV návrhová a kontrolní povodeň. Suché návrže N-leté známé povodně převyšující návrhovou povodeň. Charakteristiky nádrže a parametry funkčních objektů (čára zatopených objemů a ploch, délka přelivné hrany, průměr a počet spodních výpustí). Požadavky provozu díla za průchodu povodně (MVN bez řízení) Požadavky z pohledu stability a bezpečnosti díla (max.bezpečná a přípustná hladina) Požadavek na neškodný odtok pod nádrží ( SOP)

11 Rozsah a obsah vodohospodářského řešení Určuje význam a funkce nádrže Musí být transparentní (přehlednost a možná kontrola) Obsah : úvodní část - identifikační údaje : Název vodního díla, kategorie vodního díla, název vodního toku a jeho identifikátor, staničení vzdouvací stavby, číslo hydrologického pořadí toku odpovídající umístění nádrže na vodním toku, názvy krajů a obcí, na jejichž území je zátopa včetně jejich identifikátorů, název katastrálního (katastrálních) území včetně identifikátorů, dále postupně : požadavky na nádrž jako celek, stupeň dokumentace, použité podklady, zdůvodnění použitého způsobu a rozsahu vodohospodářského řešení a popis metody (možno uvést odkaz na literaturu), odkazy na použité technické předpisy, normy, zákony, vyhlášky apod., seznam použitých značek (pokud jejich popis není uveden v přísl. normách nebo ve výpočtu), seznam software, seznam výsledků vodohospodářského řešení a jejich zhodnocení, závěry posouzení možnosti energetického využití jako vedlejšího účinku, seznam platných rozhodnutí, souvisejících s vodním dílem.

12 Metody řešení Zásobní funkce nádrže První naplnění nádrže Prázdnění nádrže Převádění vody přes staveniště během výstavby Retenční funkce nádrže

13 Zásobní funkce nádrže Řešení zásobní funkce nádrže vychází ze základní rovnice nádrže Q t t dv Ot ; dt O t O V t Q(t) značí přítok vody do nádrže v čase t O(t) značí odtok vody z nádrže v čase t dv(t)/dt značí okamžitou změnu objemu vody v nádrži Hledáme vztah mezi zásobním objemem nádrže V z, hodnotou nalepšeného odtoku O p a jeho zabezpečeností P, při známem přítoku do nádrže Q U malých vodních nádrží lze předpokládat roční, případně sezónní řízení odtoku

14 Zásobní funkce nádrže Pro předběžné návrhy Metoda, využívající čáru překročení m-denních průtoků v suchém roce ( pravděpodobnost překročení 60-80%). Omezení : roční řízení odtoku, konstantní odběr během celého roku.

15 Zásobní funkce nádrže Metoda simulační, postupně bilanční Postupná bilance přítok, odtok Krok Δt, ročního řízení odtoku jeden měsíc, krátkodobé řízení např. hodina, den apod. Pro roční řízení odtoku - vodohospodářský rok (začátek paušálně 1.duben, horské oblasti 1. květen), nejčastěji suchý, resp. rok, kdy je zabezpečenost přítoku Q r (průměrný roční průtok) rovna zabezpečenosti odběru. Zjednodušené uvažování ztrát. měsíc Přítok Q*Δt [m 3 ] Součet odběrů Op*Δt [m 3 ] MQ*Δt [m 3 ] Výpar Ovýp*Δt [m 3 ] (Op+MZP+Ovýp-Q) *Δt [m 3 ] Σ(Op+MZP+Ovýp-Q) *Δt [m 3 ] stav nádrže plná nádrž IV vynucený zvýšený odtok V vynucený zvýšený odtok VI vynucený zvýšený odtok VII prázdnění VIII prázdnění IX max. povyprázdnění X plnění nádrže XI vynucený zvýšený odtok XII vynucený zvýšený odtok I vynucený zvýšený odtok II vynucený zvýšený odtok III vynucený zvýšený odtok Posouzení výsledku s možnostmi lokality

16 Ztráty vody v nádrži Pro vodohospodářské řešení malých vodních nádrží uvažujeme Ztráty výparem z vodní hladiny a vodních rostlin, ztráty infiltrací do dna nádrže, ztráty průsakem hrází a podložím hráze, provozní ztráty, případně dočasná ztráta vody zamrznutím.

17 Ztráty výparem z vodní hladiny a vodních rostlin Z nomogramu, kde je denní výpar v určitém období funkcí průměrné teploty vzduchu a průměrného tlaku vodních par (klimatické stanice ). Celková ztráta za delší období se určí jako součet ztrát za dílčí období. Pokud je teplota vzduchu záporná, s výparem neuvažujeme. Podle vztahu: H d T 13,5 W r mm den 1 kde T je průměrná měsíční teplota vzduchu [ o C], (ČHMÚ, klimatický atlas) Wr je průměrná měsíční relativní vlhkost vzduchu [%].(ČHMÚ, podnebí ČR) Platnost vzorce je pro T > 5 o C, pro nižší teploty se uvažuje H d =0. Podle ČSN Zvýšení výparu v závislosti na procentu zarostlé plochy je možné zjednodušeně počítat přenásobením ročního výparu z volné hladiny opravným součinitelem a jeho rozdělením v období růstové fáze vegetace. podíl zarostlé plochy (%) opravný součinitel 1,03 1,08 1,14 1,22 měsíc % výparu , ,

18 Ztráty infiltrací do dna nádrže Ztrátu uvažujeme při prvním napouštění nádrže, resp. při opětovném napouštění, kdy byla nádrž delší dobu bez vody. U nádrží, které se po vypuštění opět ihned napouštějí, tuto ztrátu neuvažujeme. Ztráta závisí na ploše dna, morfologii nádržní pánve, hloubce vysušení půdního profilu dna, materiálu dna a na geologických podmínkách podloží. Za předpokladu, že hladina podzemní vody je rovnoběžně se dnem nádrže je možné určit ztrátu vsakem do dna Z d podle Isajeva : Z d P h h S m k kde P je pórovitost materiálu dna nad výškou kapilárního vzlínání [%], h je hloubka hladiny podzemní vody pod dnem nádrže, h k je kapilární výška odpovídající materiálu dna nádrže [m], S je plocha nádrže [m 2 ]. Nehomogenní dno - průměrná pórovitost dna po úroveň kapilárního zdvihu dle vztahu : P p1h1 p2h2 p h h h 1 2 n n h n % kde p n je pórovitost n-té vrstvy [%], h n je hloubka n-té vrstvy [m].

19 Ztráty průsakem hrází a podložím hráze Při řešení ztráty průsakem hrází a jejím podložím lze využít moderní metody výpočtu uvedené v odborné literatuře (např. Mucha, I. - Šestakov, V.: Hydraulika podzemných vod, ALFA Bratislava, 1987), resp. výpočetní programy (GeoStudio) Pro jednodušší případy lze využít následující zjednodušené postupy stanovení specifického průsaku, kdy rozlišujeme čtyři možné typy úloh : homogenní hráz na nepropustném podloží nehomogenní hráz na nepropustném podloží homogenní hráz na propustném podloží nehomogenní hráz na propustném podloží Při výpočtu průsaku vycházíme z předpokladu ustáleného proudění. Výpočet provádíme na jednotku šířky hráze.

20 Homogenní hráz na nepropustném podloží Specifický průsak stanovujeme podle vztahu : 2 H q K 2L m 3 s 1 m 1 m L H A B C kde λ se počítá podle vztahu : ke K je součinitel hydraulické vodivosti zeminy hráze (zhutněné) [m.s -1 ], H je výška vody v nádrži [m], L je počítáno podle vztahu : m 1 2m Veličiny uvedené v rovnicích odpovídají následujícímu schématu Rovnice depresní křivky má tvar : y 2 H L 2 x m

21 Nehomogenní hráz na nepropustném podloží Při řešení nehomogenní hráze s jádrovým těsněním hraje důležitou roli poměr součinitelů hydraulické vodivosti materiálu hráze K h a jejího těsnění K j. Je-li poměr : K K h j 100 nahrazuje se střední šířka jádra ekvivalentní šířkou hráze t n o součiniteli hydraulické vodivosti odpovídající materiálu hráze. Výpočet náhradní šířky hráze t n počítáme podle vztahu : t n K K h j t t j1 j2 2 Hráz je pak rozšířena o náhradní šířku těsnění t n a řeší se jako hráz homogenní. K K h j 100 q K j t j1 2 H t j2

22 Homogenní (nehomogenní) hráz na propustném podloží Řešíme odděleně dvě části průsaku. První je průsak homogenní (nehomogenní) hrází q 1 viz. předchozí Druhou část tvoří průsak podložím hráze q 2, který řešíme podle vztahu : q 2 K p H B D a m 3 s 1 m 1 kde K p je součinitel hydraulické vodivosti podloží [ms -1 ], H je hloubka vody v nádrži [m], B je šířka hráze v základové spáře [m], D je mocnost propustného podloží [m], a je součinitel charakterizující zakřivení trajektorie prosakující vody B/D a 1,15 1,18 1,23 1,30 1,44 1,87

23 Provozní ztráty Mezi tyto ztráty patří například ztráta proplachováním u rybochovných nádrží. Pro tyto nádrže je třeba zajistit stálý přítok vody v množství 0,5 až 1 l.s -1.ha -1, pro intenzivní chov ryb se tento přítok zvyšuje až na 5 l.s -1.ha -1. Dále je možné uvažovat ztráty netěsností provozních uzávěrů, které udává výrobce zařízení.

24 První naplnění nádrže Výpočet prvního naplnění nádrže je důležitou součástí vodohospodářského řešení nádrže. U méně důležitých nádrží je možné výpočet provést zjednodušenou metodou s využitím součtových čar m-denních průtoků ( problematické je zavedení ztrát do této metody a skutečnost, že nedávají představu o plnění v požadovaném období). Vhodnější je využít metody simulační postupně bilanční, případně metodu, která počítá plnění z jarních zvýšených průtoků (zde je nutné získat příslušné údaje od ČHMÚ).

25 Prázdnění nádrže Prázdnění dle typu spodních výpustí. Požerák - postupné vyjímání dluží, maximální výška přepadového paprsku je rovna dvojnásobku výšky dluže a minimální výška rovna jedné výšce dluže. Trubní spodní výpusti - otevřením uzávěru. Začátek prázdnění je z úrovně zásobní hladiny. Celkovou dobu prázdnění - zjednodušený výpočet z celkového objemu nádrže (omezená přesnost) nebo jako součet dílčích dob prázdnění t i dílčích objemů v nádrži. Výpusť požerákového typu Celková doba prázdnění : T n i1 t 0,132 S0 m b 2 S S Sn 2 1 0, z i 1 n1 5 0 kde S o-n jsou plochy nádrže odpovídající dělení podle výšky dluže [m 2 ], z je výška dluže [m], m je přepadový součinitel, b 0 je účinná šířka dluže [m] s Orientační výpočet : Trubní výpusť T n t i i1 0,132 V 1, mb z T 5 0 t i 2 S x 1 0,5 S 2g p 0,5 s 0,5 0,5 h h s i i1 kde S x je střední plocha hladiny v intervalu hloubek (h i h i-1 ), h je rozdíl hladiny v nádrži a osy výpustného potrubí [m], i a i-1 značí začátek a konec intervalu prázdnění t i, Sp je plocha výpustného potrubí [m 2 ], Σξ je součet součinitelů místních ztrát a součinitele tření

26 Převádění vody přes staveniště během výstavby viz TNV ochrana hráze proti přelití v průběhu výstavby stanovení kapacity objektu k převedení vody (u MVN nejčastěji spodní výpusť (pozor na kapacitu), resp. v úseku budování tohoto objektu rekonstrukce apod. ), možné využití SFB nebo bezp. přelivu Průměrná doba opakování návrhové povodně N - let N=T+1 kde T je doba výstavby v letech

27 Řešení retenční funkce nádrže Je základem pro efektivní návrh retenční nádrže (soustavy nádrží) z hlediska jejího objemu a jeho rozdělení, dále pak určení parametrů objektů (spodní výpusť, bezpečnostní přeliv) Rozbor současného stavu formulace zadání Návrh parametrů spodní výpusti a bezpečnostního přelivu Řešení retenční funkce optimalizace

28 Rozbor současného stavu formulace zadání Analýza podkladů (SOP, mapové, hydrogeologické a hydropedologické, požadavky na transformační účinek apod.) Výběr možných profilů hrází Doplnění podkladů (batygrafické čáry vytypovaných profilů nádrží) V závislosti na významu nádrže (soustavy) - výběr profilů pro hydrologické údaje (údaje by měly být minimálně ověřeny ČHMÚ)

29 Návrh spodních výpustí Typy spodních výpustí Výpusť požerákového typu (potřeba udržování SH) Výpusť hrazená kanalizačním šoupátkem (nehrazená) Bezobslužné výpusti (TNV Suché nádrže) Návrh parametrů bezpečnostního přelivu

30 Návrh optimálního rozdělení retenčních prostorů Volba modelu v závislosti na rozsahu a významu úlohy izolovaná nádrž soustava retenčních nádrží Rozbor hydrologických podkladů izolovaná nádrž (vstup návrhový hydrogram) soustava - profilech) (vstup návrhové hydrogramy v předem určených Schematizace povodí systém toků a nádrží systém ploch, toků a nádrží Kalibrace modelu posuzení shody zadaných ovlivnění nádržemi) průběhů a simulovaných (bez Výpočet variant řešení izolovaná nádrž ( hledání rozdělení ret. prostorů v závislosti na parametrech odtoku z nádrže přeliv, spodní výpusť) soustava nádrží (dtto + vliv polohy a počtu nádrží) Výběr optimální varianty (ekonomické hledisko,vliv na ŽP a další)

31 Volba modelu v závislosti na rozsahu a významu úlohy Izolovaná nádrž Jednoduché modely, které řeší numericky základní rovnici nádrže (možno využít např. MS-Excel) Klemešova metoda (dnes již málo nevyužívaná) Bratránkův diagram (prvotní odhady, pozor na předpoklady jeho využití pouze V rn, Gauss, konstantní plocha nad přelivnou hranou) Soustava nádrží simulační modely (složitost a dostupnost vstupních dat) Srážkoodtokové modely (nutnost měření srážek a odtoků) MIKE- BASIN, HEC-HMS, HYDROG, a další Zjednodušené bez uvažování simulace povrchového odtoku Ukaždého modelu je nutné podrobné seznámení s jeho stavbou, zjednodušeními, požadavky na vstupní data, vazbu na další možný software (např. GIS). Malá povodí rychlá odezva srážky, modelování short time events.

32 Rozbor hydrologických podkladů Izolovaná nádrž výběr profilu (ovlivnění případnými nádržemi nad řešenou nádrží) Soustava nádrží výběr profilů (ovlivňuje cenu podkladů) posouzení hlavních charakteristik hydrogramů povodně (specifický objem a kulminační průtok) konzultace s hydrologem (ČHMÚ) přítok z mezipovodí pro simulační srážkoodtokové modely doplnění srážek

33 Schematizace povodí Pouze pro soustavu nádrží srážkootokový model (plochy, toky a nádrže) zjednodušený model (toky a nádrže)

34 Kalibrace modelu volba kritéria shody (pokud není předepsáno v modelu) citlivostní analýza modelu (ukáže možnosti kalibrace) ovlivňujeme ztráty, dobu dotoku apod. posouzení výsledků kalibrace (subjektivně, objektivně)

35 Průtok (m 3 /s) Q (t) Ukázka kalibrace modelu Tvar hydrogramů pro jednotlivé profily A až E A a E podle ČHMÚ Průběh odtoku v jednotlivých profilech A E D C B t (hod) Přítoky do systému Schematizace povodí Výsledek kalibrace posouzení míry shody pro profil A čas (hod) P1 P2 P3 P4 P5 P6 P7 Profil Sedlečko ČHMÚ

36 Výpočet variant řešení Základní rovnice nádrže Q t t dv Ot ; dt O t Průtoku systémem toků (soustava nádrží) kinematická vlnová aproximace jednorozměrná úloha spojitost pouze průtoků O V t K1 i1 K2 Q V V O(V(t)) - odtok závisí na okamžitém plnění nádrže a parametrech přelivu a výpusti O(V)-křivka Runge-Kutta II. řádu (řád přesnosti h 3 ) Q i i 1 i h 2 O V i h OV K2 ERR h i 1 K1 h 2 3 Povrchový odtok metoda CN-čísel jednotkový hydrogram (UH) různě podrobné metody hydrologické transformace (definice ztrát efektivní odtok) Přehledné schéma transformace

37 VYUŽITÍ HEC-HMS

38 Celkový odtok (m 3 /s) H [m.n.m.] Výpočet variant řešení O(V(t)) - odtok závisí na okamžitém plnění nádrže a parametrech přelivu a výpusti O(V)-křivka (trubní výpusť) O(H) V r n počátek simulace V(t=0) V r o O (celkový) [m 3 s -1 ] H [m.n.m] Ov Op O(Ov+Op) [m 3 s -1 ] Vr(O) [m 3 ] V r (t=0) 25 O(V) křivka V r o Vr n Plnění retenčního prostoru (m 3 )

39 Q (m3/s) Q (m3/s) Výběr optimální varianty ukázka výsledků řešení odtoky - 3 nádrže zařené výpusti Q (m3/s) odtoky - 3 nádrže Q (m3/s) čas (min) čas (min) přítok Mlýny odtok Mlýny pod Mlýny s mezipovodím pod Pokojem pod soutokem od Brandlína pod Volsem s mezipovodím pod Sedlečkem přítok Mlýny odtok Mlýny pod Mlýny s mezipovodím pod Pokojem pod soutokem od Brandlína pod Volsem s mezipovodím pod Sedlečkem odtoky 5 nádrží čas (min) přítok Mlýny odtok Mlýny pod Mlýny s mezipovodím pod Pokojem pod soutokem od Brandlína pod Volsem s mezipovodím pod Sedlečkem odtoky 5 nádrží - zavřené výpusti čas (min) přítok Mlýny odtok Mlýny pod Mlýny s mezipovodím pod Pokojem pod soutokem od Brandlína pod Volsem s mezipovodím pod Sedlečkem

40 Řešení retenční funkce nádrže Podceňování tohoto řešení vede k návrhu konstrukcí, které mohou být pak příčinou velkých škod Nezapomenout na prověření návrhu z pohledu bezpečnosti díla (kontrolní povodeň, maximální bezpečná hladina, transformace pouze retenčním prostorem neovladatelným, SUCHÉ NÁDRŽE doložení transformace i známých historických povodní a u soustavy i transformaci jednotlivých izolovaných nádrží) Důležitou roli v tomto případě hrají jednak podklady, ale také volba metod řešení. Zvláště u soustav nádrží je nutné využívat modely, které dovolují simulovat časový průběh transformace. Tyto modely umožňují variantní návrh, což může ovlivnit celkové investiční náklady.