Stavební objekty PSZ. Petr Kavka

Stavební objekty PSZ Petr Kavka

Návrh.. Umístění prvku Tvar prvku Materiál Stabilita a bezpečnost stavby a okolí Návrh = > variantní řešení = > model 5/20/2016 2

Vodohospodářská opatření - tok Úpravy na tocích Ochrana před regionálními povodněmi V jiných případech - širší vztahy než jen K. Ú. záplavová území, rozlivy, plán oblasti povodí, atp. Tok = možnost ekologického využití, často napojení na prvky ÚSES, návrh úpravy Malé vodní nádrže prokázat efektivnost, bezpečnost hydraulické posouzení - vstupní data na základě ČSN 75 1400 5/20/2016 3

Typy opatření na toku Rybníky a účelové nádrže Suchá nádrž Úpravy toku Mosty Zkvalitnění ekologické funkce 5/20/2016 4

(projekt), tento semestr Většinou sypaná hráz < 9m výšky < 2 mil. m 3 vody Q 100 < 60m 3 /s Základní prvky: Hráz Výpustní objekt Bezpečnostní přeliv Rybníky 5/20/2016 5

Zdroj: Dostál

Rybník 5/20/2016 8

Suchá nádrž Poldr x suchá nádrž Většinou sypaná hráz Hydraulické posouzení efektivity nádrže SW dostupný na stránkách katedry Základní prvky Hráz Výpustní objekt Bezpečnostní přeliv Posouzení transformačního efektu 5/20/2016 9

Suchá nádrž / poldr

Úpravy toku Revitalizace Rozlivy Trasa Splaveninový režim a stabilita dna 5/20/2016 11

Kapacita Hydraulický návrh Stabilita Mosty Zajištění průchodnosti plaveným materiálem při povodni 5/20/2016 14

Zkvalitnění ekologické funkce Migrační propustnost Úkryty Tůně Doprovodná zeleň 5/20/2016 15

Trocha nutné legislativy Vazby na vodní zákon (254/2001 Sb.) a stavební zákon ČSN 75. ČSN 75 2410 Malé vodní nádrže TNV 75 2415 Suché nádrže ČSN 73 6109 Projektování polních cest ČSN 75 2130, ČSN 754030 Křížení a souběhy s. ČSN 75 4210 Hydromeliorace, odvodňovací kanály 5/20/2016 16

Úpravy na vodních tocích Navrhování objektů na vodních tocích a suché nádrže je doporučeno navrhovat podle normy ČSN 75 1400 Hydrologické údaje povrchových vod Zpracování studií, variantní předrealizační řešení, atp. modelování??role vodoprávního úřadu????závaznost norem?? 5/20/2016 17

Úpravy na vodních tocích M denní průtoky N leté průtoky 5/20/2016 18

Úpravy na vodních tocích M denní průtoky (hygienické) N leté průtoky (návrhové bezpečnostní) 5/20/2016 19

a. 5/20/2016 20

a pozemkové úpravy Možnost záboru území pro tyto prvky KPÚ významná příležitost implementace těchto opatření (někdy jediná) 5/20/2016 21

V povodí = mimo tok Součástí širšího posouzení Eroze Cestní síť ÚSES Funkční využití území Zvýšení retence krajiny 5/20/2016 22

Trocha nutné legislativy Objekty mimo tok nejsou předmětem normy ČSN 75 1400 Hydrologické údaje povrchových vod => Nutno modelovat, navrhovat a dimenzovat 5/20/2016 23

Nástroje pro návrh Hydrologie Eroze Hydraulika => modelovat danou situaci 5/20/2016 24

Normy a bezpečnost ČSN 75 1400 Hydrologické údaje povrchových vod ČSN 75 2935 (2014) Posuzování bezpečnosti vodních děl při povodních Metodika TPEO (2014)

TPEO Metodika TPEO (2014)

Třída Orientační charakteristika Orientační hodnoty střední kvadratické chyby v % Q a Q 30d Q 300d Q 300d Q 364d Q 1 Q 10 Q 20 Q 100 I II III IV Hydrologické údaje zpracované z hodnot dlouhodobě kvalitně pozorovaných přímo v daném profilu nebo v jiném velmi blízkém profilu na témže toku Hydrologické údaje zpracované na základě dlouhodobých pozorování, která svojí délkou nebo kvalitou nevyhovují třídě I. Hydrologické údaje odvozené pro jiný profil na témže toku, pokud to připouští charakter odvozované veličiny, vodního toku, délka a kvalita pozorování, aj. Hydrologické údaje odvozené na základě krátkodobých pozorování přímo na daném profilu nebo v těsné blízkosti na témže toku. Hydrologické údaje odvozené z pozorovaných profilů pro profil na témže toku, pokud nejsou splněny požadavky třídy II, nebo odvozené pro profil na jiném blízkém toku s obdobnými fyzickogeografickými poměry a obdobným hydrogeologickým režimem. Hydrologické údaje odvozené z pozorovaných hodnot do profilu mimo požadovaný vodní tok nebo mimo jeho povodí pokud je nelze zařadit do třídy III. Charakteristiky maximálních průtoků odvozené ze srážek. 8 10 20 10 15 12 15 30 20 30 20 25 45 30 40 30 40 60 40 60

MODEL VSTUP VÝSTUP DÉŠŤ ODTOK VEGETACE LAND USE PROCES MORFOLOGIE PŮDA EROZE TRANSPORT. 5/20/2016 29

MODELY POPIS VELIČIN PROSTOROVÉ DĚLENÍ DÉLKA ČASOVÉHO KROKU VELIKOST ŘEŠENÉHO ÚZEMÍ VYUŽITÍ MODELU PROSTOROVÉ DĚLENÍ FYZIKÁLNĚ ZALOŽENÉ CELISTVÉ EPIZODNÍ GLOBÁLNÍ VÝZKUMNÝ JEDNOROZMĚRNÝ KOMBINOVANÉ ČÁSTEČNĚ DĚLENÉ KONTINUÁLNÍ VELKÉ ÚZEMNÍ CELKY APLIKAČNÍ DVOUROZMĚRNÝ EPIRICKÉ GEOMETRICKY DĚLENÉ MALÁ POVODÍ TROJROZMĚRNÝ KONKRÉTNÍ POZEMKY 5/20/2016 30

MODELY? JAKÝ POPIS VELIČIN PROSTOROVÉ DĚLENÍ DÉLKA ČASOVÉHO KROKU VELIKOST ŘEŠENÉHO ÚZEMÍ VYUŽITÍ MODELU PROSTOROVÉ DĚLENÍ MODEL POTŘEBUJI? FYZIKÁLNĚ ZALOŽENÉ KOMBINOVANÉ CELISTVÉ ČÁSTEČNĚ DĚLENÉ EPIZODNÍ KONTINUÁLNÍ GLOBÁLNÍ VELKÉ ÚZEMNÍ CELKY VÝZKUMNÝ APLIKAČNÍ JEDNOROZMĚRNÝ DVOUROZMĚRNÝ EPIRICKÉ GEOMETRICKY DĚLENÉ MALÁ POVODÍ TROJROZMĚRNÝ KONKRÉTNÍ POZEMKY GARBAGE IN GARBAGE OUT 5/20/2016 32

Typy prvků Odvádím x Akumuluji Průtok Objem Hydraulické Geometrická / posouzení transformační úloha 5/20/2016 33

Princip návrhu - odváděcí Výpočet kapacity Chézyho rovnice: hydraulická drsnost průlehu / příkopu / údolnice? zemní koryta nebo technické opevnění hydraulické tabulky zatravněné vodní cesty problematické určení, proměnná hodnota Q S 2 1 R 3 i n 1 2 v v kr návrhová [ft 2 s -1 ]

Hydrologické modely Viz metodiky Vzorce intenzitního typu SCS CN -> objem odtoku. V kombinaci např. s jednotkovým hydrogramem i hydrogram Q = f(řešené plochy) Fyzikálně založené modely Popis procesů SMODERP WEPP Erosion3D? Metody ČHMÚ GARBAGE IN GARBAGE OUT 5/20/2016 35

Návrhové srážky Problematické jejich definování Bezpečnost prvku je definována na pravděpodobnosti výskytu USLE R faktor

Doba opakování návrhové srážky > Době opakování návrhového průtok Oboje statistické hodnoty, ale různé veličiny. U fyzikálních veličin 5/20/2016 39

Dostupná data o srážkách ČR Trupl, 1958 Maximální intenzity návrhových dešťů. Šamaj - Valovič, 1986 24 hodinové návrhové srážky + redukce na kratší časy Vyhodnocení novějších datových řad (ČHMU dostupné ale pouze koupitelné) ČHMU návrhové srážky (denní)/ průtoky 5/20/2016 40

Návrhové srážky Hydrologické výpočty odvození návrhové srážky z dostupných hydrologických údajů - doba opakování - stanoví příslušná norma podle předmětu ochrany (OP, intravilán ) - běžně 2 10 let doba trvání kritická doba trvání deště je rovna době koncentrace posuzované části povodí, výpočet např. viz metodika k PEO (Janeček, 2007) srážkový úhrn v literatuře dostupné hodnoty maximálních 24-hodinových N-letých úhrnů pro cca 600 srážkoměrných stanic v ČR (Šamaj, 1984), 98 stanic maximálních intenzit, Trupl (1958) přepočet srážkového úhrnu metodou redukce dle doby trvání (z 24h): H t [min] 10-40 40-120 H a t 1 c t, N 1d, N, kde H t,n N-letý úhrn srážky o době trvání t H 1d,N N-letý 24-hodinový úhrn srážky N a, c koeficienty dle metodiky [roky] 2 10 20 50 100 t doba trvání srážky [min] a 0.166 0.163 0.169 0.174 0.173 1-c 0.299 0.344 0.352 0.362 0.625 a 0.237 0.280 0.300 0.323 0.335 1-c 0.197 0.197 0.197 0.197 0.197 Tab.1 Koeficienty pro redukci 24-hodinových úhrnů

Současný stav řešení Vliv variability krátkodobých srážek a následného odtoku v malých povodích České republiky na hospodaření s vodou v krajině ČVUT v Praze Ústav fyziky atmosféry AV ČR Sweco Hydroprojekt Cíle Analýza srážek (doby opakování, vnitřní tvary srážek, ) Citlivost modelů Dopady na realizaci staveb 5/20/2016 42

Datové zdroje - půda Fyzikální vlastnosti půd KPP (1:200 000) převodní kód pro půdní druhy KPP zrnitost (1:50 000) zatřídění půdy a podorničí (VÚMOP) Hydrologické skupiny půd (převodní tabulka BPEJ), Janeček, 2012 Průzkum, vlastní vzorkování 5/20/2016 46

Datové zdroje Vegetace/Land Use ZABAGED CORINE LAND COVER DPZ Snímkování povrchu LPIS detailně na zemědělské půdě => osevní postupy ÚHUL les, stav, růstové fáze, hospodářské plány,

MODELY? JAKÝ POPIS VELIČIN PROSTOROVÉ DĚLENÍ DÉLKA ČASOVÉHO KROKU VELIKOST ŘEŠENÉHO ÚZEMÍ VYUŽITÍ MODELU PROSTOROVÉ DĚLENÍ MODEL POTŘEBUJI? FYZIKÁLNĚ ZALOŽENÉ KOMBINOVANÉ CELISTVÉ ČÁSTEČNĚ DĚLENÉ EPIZODNÍ KONTINUÁLNÍ GLOBÁLNÍ VELKÉ ÚZEMNÍ CELKY VÝZKUMNÝ APLIKAČNÍ JEDNOROZMĚRNÝ DVOUROZMĚRNÝ EPIRICKÉ GEOMETRICKY DĚLENÉ MALÁ POVODÍ TROJROZMĚRNÝ KONKRÉTNÍ POZEMKY GARBAGE IN GARBAGE OUT 5/20/2016 51

Hydrologické modely Vzorce intenzitního typu SCS CN -> objem odtoku. V kombinaci např. s jednotkovým hydrogramem i hydrogram Fyzikálně založené modely Popis procesů SMODERP WEPP Erosion3D 5/20/2016 52

Intenzitní vzorec - spočívá v redukci srážkové intenzity odtokovým součinitelem Q = o i. i N. P, kde Q N-letý návrhový průtok (m 3 s -1 ) o i...odtokový součinitel (-) i N náhradní intenzita návrhové srážky (ms -1 ) získána vztažením úhrnu návrhové srážky na dobu trvání P plocha povodí (m 2 ) - odtokový součinitel podle různých autorů, např. dle O.Härtela: o i = o 1. o 2. o 3. o 4, kde o 1 součinitel vlivu délky údolí zasaženého deštěm o 2 součinitel vlivu zalesnění o 3 součinitel sklonitosti území o 4 součinitel vlivu propustnosti půdy

Intenzitní vzorec - odtokový součinitel podle různých autorů, např. dle O.Härtela o 1 - pro elementární odtokové plochy uvažujeme hodnotu 1,0 Stupeň zalesnění spádové plochy 100% 75% 50% 25% 0% o 2 0,6 0,7 0,8 0,9 1,0 Průměrný sklon odtokové dráhy 5% 10% 20% 30% o 3 0,40 0,57 0,80 1,0 o 4 - součinitel vlivu propustnosti půdy např dle M.Čermáka: Typ půdy z hlediska propustnosti o 4 Velmi prospustná (pískovce vnějšího flyše, hnědé půdy, zadrnované písky a štěrky, černozem s pískem) 0,45 Propustná (písky, písčité slínovce, vápnité černozemě, hnědé hlinitopísčité půdy 0,65 Méně propustná (písky, písčité větrající horniny, písky a štěrky teras, váté písky, šedé lesní půdy, hlinité šedé půdy) 0,80 Nepropustná (rašeliny, slatiny, horské louky, horniny, krystalické jíly a spraše, zbahnělá půda a močály) 0,95

METODA CN výpočet objemu efektivní srážky metodou SCS CN (CN křivky) 1) Výpočet maximální potenciální retence A 1000 25,4 10 [ mm] CN 2) Výpočet efektivní srážkové výšky H e a H Ia H I 2 A [ mm]; platí pro H 3) Výpočet objemu efektivní srážky výpočet z efektivní srážkové výšky a rozlohy sběrné oblasti kde CN průměrné číslo odtokové křivky území I a kde H srážková výška [mm] I a počáteční ztráta intercepcí a povrch.retencí volíme hodnotu rovnou I a =0,2. A

FAKULTA STAVEBNÍ ČVUT V PRAZE KATEDRA HYDROMELIORACÍ A KRAJINNÉHO INŽENÝRSTVÍ SMODERP Simulační model povrchového odtoku a erozního procesu Petr Kavka, Karel Vrána

SMODERP Slouží pro výpočet plošného povrchového odtoku a k navrhování a dimenzování protierozních opatření. Posouzení erozní ohroženosti (porovnáním vypočtených hodnot rychlosti a tečného napětí s limitními hodnotami) Návrh změny osevních postupů (plodin) Výpočet návrhových charakteristik pro navrhování technických protierozních opatření V současnosti používané metody kombinace USLE, SCS-CN, intenzitní vzorec Cíl: jednoduše uchopitelný model pro navrhování protierozních opatření 5/20/2016 57

Využití modelu Posouzení erozní ohroženosti návrh změny osevních postupů umístění ochranných travních pásů návrh pásového střídání plodin Výpočet charakteristik protierozních opatření záchytné a odváděcí prvky zasakovací prvky prvky měnící podélný sklon dráhy soustředěného odtoku ochranné nádrže 5/20/2016 58

Výška hladiny v elementu Základní vztahy Bilanční rovnice Infiltrace Efektivní srážka H i,t = H i-1,t + ES + O i,t i-1,t-1 - O i,t - Inf i,t Přítok (Odtok z předchozího elementu v čase t-1 ) Výška hladiny v předchozím časovém kroku Odtok 5/20/2016 59

Základní vztahy Kinematická vlna q i,t = [10l.s -1 ] ah b [cm] a = x y Průtok Výška hladiny a b parametr závislý na půdním typu a sklonu parametr závislý na půdním typu 5/20/2016 60

Historie modelu Model je od roku 1989 vyvíjen na katedře hydromeliorací a krajinného inženýrství První verze modelu vyvinuta v programovacím jazyce Fortran (Verze 04.89) Navazující Verze IV. I/11 96 - jedna z nejrozšířenějších verzí Přepracování uživatelského rozhraní v jazyce Visual Basic (verze 1.01 z roku 1999 až po verzi 5.1 z roku 2011) 2011 - verze 10.01 rekalibrace odtokových parametrů, distribuovaný přístup výpočtu 2013 2D (3D) verze modelu 2014 - rekalibrace odtokových parametrů a vnitřních proměnných na SI http://storm.fsv.cvut.cz/smoderp/ 5/20/2016 61

SMODERP 1D Morfologie geometrie svahu (profilová metoda) Fyzikální vlastnosti půd součinitel hydraulické vodivosti sorptivita (počáteční vlhkost) Vliv vegetace Srážka potenciální intercepce poměrná plocha listová povrchová drsnost návrhová epizodní srážka dané doby opakování

http://storm.fsv.cvut.cz/smoderp/ 5/20/2016 63

Návrh odváděcích prvků Vzorová oblast Oblast Šířka svahu 520 [m] Typ svahu Jednoduchý Srážková stanice Česká Republika / Návrhová srážka / 5 let Vzdálenost přerušení od počátku Vzdálenost přerušení dílčí Maximální výška hladiny Max. průtok celkový odtok [m] [m] [mm] [l.s -1 ) (l) 258 258 4.0 241 2 011 691 657 399 4.7 242 2 682 180 5/20/2016 64

1D model 5/20/2016 65

1D model 5/20/2016 66

Smoderp 2DFormou Python skriptu pro ArcGIS Oddělený výpočet plošného odtoku a soustředěného odtoku v rýhách Dynamický časový krok Jednosměrný / vícesměrný výpočet směrů odtoku 5/20/2016 67

MODEL VSTUP PROCES VÝSTUP DÉŠŤ Q (m 3 /s) V (m 3 ) VEGETACE NÁVRH OPATŘENÍ MORFOLOGIE PŮDA 5/20/2016 68

Odváděcí Příkop Průleh Zatravněná údolnice Polní cesta s protierozní funkcí Propustky a křížení Konkrétní prvky Zasakovací Příkop Průleh Suché nádrže& Poldery 5/20/2016 69