Manningův drsnostní součinitel Seminární práce z předmětu Morfologie a říční inženýrství

Podobné dokumenty
Proudění s volnou hladinou (tj. v otevřených korytech)

p gh Hladinové (rovňové) plochy Tlak v kapalině, na niž působí pouze gravitační síla země

(Aplikace pro mosty, propustky) K141 HYAR Hydraulika objektů na vodních tocích

Hydrologie cvičení Měření průtoku hydrometrickou vrtulí

VÝPOČET PRŮTOKU V OTEVŘENÝCH KORYTECH

Revitalizace vodního toku. 2. cvičení

ČESKÁ ZEMĚDĚLSKÁ UNIVERZITA V PRAZE Fakulta životního prostředí Katedra biotechnických úprav krajiny

Úvodní list. Prezentace pro interaktivní tabuli, pro projekci pomůcka pro výklad

Průtoky. Q t Proteklé množství O (m 3 ) objem vody, který proteče průtočným profilem daným průtokem za delší čas (den, měsíc, rok)

1141 HYA (Hydraulika)

HYDROTECHNICKÝ VÝPOČET

Nástroje krajinného plánování ZÁSADY REVITALIZACE KRAJINY

Výpočet hltnosti odvodňovačů

Základy hydrauliky vodních toků

1141 HYA (Hydraulika)

Splaveniny. = tuhé částice přemísťované vodou anorganický původ organický původ různého tvaru a velikosti

enýrství Hydraulika koryt s pohyblivým dnem I 141RIN 1

Tlumení energie 7. PŘEDNÁŠKA. BS053 Rybníky a účelové nádrže

HYDROTECHNICKÉ VÝPOČTY

MODELOVÁNÍ PROUDĚNÍ VODY V OTEVŘENÝCH KORYTECH

L.E.S. CR, spol. s r.o. Areál VÚLHM Jíloviště-Strnady, Praha 5 Zbraslav Tel.: ,

PŘÍRODĚ BLÍZKÁ POP A REVITALIZACE ÚDOLNÍ NIVY HLAVNÍCH BRNĚNSKÝCH TOKŮ 2.část

VIAQUA FOREST 100B. Popis výrobku

PUDIS a.s., Nad Vodovodem 2/3258, Praha 10 tel.: , fax: ,

Projekt 1 malé vodní nádrže 4. cvičení

CVIČENÍ č. 11 ZTRÁTY PŘI PROUDĚNÍ POTRUBÍM

POSOUZENÍ KAPACITY MALÉHO VODNÍHO TOKU

IDENTIFIKAČNÍ ÚDAJE AKCE...

Vyhodnocení reprezentativnosti profilů pro měření minimálních průtoků

POHYB SPLAVENIN. 8 Přednáška

(režimy proudění, průběh hladin) Proudění s volnou hladinou II

MOŽNOSTI ODVOZENÍ PRŮTOKŮ VYSOKÝCH VODNÍCH STAVŮ NA VYBRANÝCH PROFILECH KFGG

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY ÚPRAVA TOKU LUHA V JESENÍKU N/ODROU

MRATÍNSKÝ POTOK ELIMINACE POVODŇOVÝCH PRŮTOKŮ PŘÍRODĚ BLÍZKÝM ZPŮSOBEM

VYHLÁŠKA ze dne 30. dubna 2018 o způsobu a rozsahu zpracovávání návrhu a stanovování záplavových území a jejich dokumentace

3. HYDRAULICKÝ VÝPOČET

koryta ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie 1 Jan Krupička jan.krupicka fsv.cvut.czcz

KMA/MM. Luděk Sequens V Plzni 2009 Povodně

VIZP Vodohospodářské inženýrství a životní prostředí

CVIČENÍ 4: PODÉLNÝ PROFIL, NÁVRH NIVELETY, VÝPOČET PŘÍČNÉHO PROFILU.

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VODNÍ HOSPODÁŘSTVÍ KRAJINY ZÁSADY ÚPRAV DROBNÝCH VODNÍCH TOKŮ

ČVUT v Praze Fakulta stavební Katedra Technických zařízení budov. Modelování termohydraulických jevů 3.hodina. Hydraulika. Ing. Michal Kabrhel, Ph.D.

Proudění viskózní tekutiny. Renata Holubova Viskózní tok, turbulentní proudění, Poiseuillův zákon, Reynoldsovo číslo.

PŘÍRODĚ BLÍZKÁ POP A REVITALIZACE ÚDOLNÍ NIVY HLAVNÍCH BRNĚNSKÝCH TOKŮ 2.část

BR 52 Proudění v systémech říčních koryt

Hydrotechnické posouzení průběhu Q5, 20, 100 a aktivní zóny u č.p.353 kú Březová u Sokolova

Měření na povrchových tocích

STANOVENÍ AKTIVNÍ ZÓNY ZÁPLAVOVÉHO ÚZEMÍ BOTIČE v úseku ř. km

Modelování hydrologických procesů II 3. Parametrizace přímého odtoku. 3. část. HEC-HMS parametrizace přímého odtoku

Univerzita obrany. Měření na výměníku tepla K-216. Laboratorní cvičení z předmětu TERMOMECHANIKA. Protokol obsahuje 13 listů. Vypracoval: Vít Havránek

Hydromechanické procesy Obtékání těles

Univerzita obrany. Měření součinitele tření potrubí K-216. Laboratorní cvičení z předmětu HYDROMECHANIKA. Protokol obsahuje 14 listů

Hydrologie povrchových vod. Hana Macháčková, Roman Pozler ČHMÚ Hradec Králové

STANOVENÍ SOUČINITELŮ MÍSTNÍCH ZTRÁT S VYUŽITÍM CFD

Měření a výpočet průtoků II

Výpočet svislé únosnosti a sedání pilot vyšetřovaných na základě zkoušek CPT

4. cvičení- vzorové příklady

Návrh výměníku pro využití odpadního tepla z termického čištění plynů

1141 HYA (Hydraulika)

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

Revitalizace vodního toku. Petr Koudelka, HK: Út 9:30 11:30 B607,

8 Střední hodnota a rozptyl

A - TECHNICKÁ ZPRÁVA

HEM. Hydroekologický monitoring. Hodnocení ukazatelů. Metodika pro monitoring hydromorfologických ukazatelů ekologické kvality vodních toků

6. Mechanika kapalin a plynů

LIMITY VYUŽITÍ ÚZEMÍ UŽÍVÁNÍ POZEMKŮ PODÉL KORYTA VODNÍHO TOKU. Objekt limitování. Důvody limitování. Vyjádření limitu

Vnitřní vodovod. Ing. Stanislav Frolík, Ph.D. Thákurova 7, Praha 6 Navrhování systémů TZB 1

Opatovická Citadela. Studie srážkoodtokových poměrů ZPRACOVATEL: Vodárenská společnost Chrudim, a.s. Novoměstská Chrudim

PROPUSTKY NA POZEMNÍCH KOMUNIKACÍCH. Michal Radimský

Hydrotechnické posouzení průběhu Q5, 20, 100 a aktivní zóny na p.č. 1226/94 v kú Kynšperk nad Ohří

Proudění vody v potrubí. Martin Šimek

A - TECHNICKÁ ZPRÁVA

A B C D E F 1 Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace 2 Vzdělávací obor: Matematika 3 Ročník: 8. 4 Klíčové kompetence. Opakování 7.

3. SPLAVENINY VE VODNÍCH TOCÍCH. VZNIK SPLAVENIN (z povodí, z koryt v. t.) Proces vodní eroze

Výpočet skořepiny tlakové nádoby.

Povrchové odvodnění stavební jámy. Cvičení č. 8

Revitalizace vodního toku

MOCNINY A ODMOCNINY. Standardy: M M PYTHAGOROVA VĚTA. Standardy: M M

Tok ř.km záznam č. č. úseku/profilu: Dne : hod Délka úseku (m): Provedl


MRATÍNSKÝ POTOK ELIMINACE POVODŇOVÝCH PRŮTOKŮ PŘÍRODĚ BLÍZKÝM ZPŮSOBEM

Zásady křížení vodních toků a komunikací Doc. Ing. Aleš Havlík, CSc.

Návrh signálního plánu pro světelně řízenou křižovatku. Ing. Michal Dorda, Ph.D.

Proudění podzemní vody

Mechanika tekutin. Hydrostatika Hydrodynamika

Vodní skok, tlumení kinetické energie

Návrh managementu dřevní hmoty v přirozených korytech vodních toků

Záplavová území podle vyhlášky 79/2018 Sb. Ing. Josef Dohnal Povodí Vltavy, státní podnik

dq/dt+da/dt=q a rovnice o zachování hybnosti dq/dx+d(ß*q*q/a)/dx+gady/dx+gai(f)=gai(b)

Příloha č. 1. Pevnostní výpočty

Vodohospodářské stavby BS001 Vodní toky a jejich úprava Hrazení bystřin

Určení hmotnosti zeměkoule vychází ze základního Newtonova vztahu (1) mezi gravitačním zrychlením a g a hmotností M Z gravitačního centra (Země).

Fakulta stavební ČVUT v Praze Katedra hydrauliky a hydrologie. Předmět VIZP K141 FSv ČVUT. Vodní toky. Doc. Ing. Aleš Havlík, CSc.

TECHNIKA VYSOKÝCH NAPĚŤÍ. #4 Elektrické výboje v elektroenergetice

Neštěmický potok - studie záplavového území, ř. km A Technická zpráva

ANALYTICKÁ GEOMETRIE LINEÁRNÍCH ÚTVARŮ V ROVINĚ

Neustálené proudění v otevřených korytech. K141 HY3V (VM) Neustálené proudění v korytech 0

VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ

A B C D E F 1 Vzdělávací oblast: Matematika a její aplikace 2 Vzdělávací obor: Matematika 3 Ročník: 8. 4 Klíčové kompetence. Opakování 7.

Transkript:

Manningův drsnostní součinitel Seminární práce z předmětu Morfologie a říční inženýrství Vypracoval: Pavel Maňák Datum: 15. 5. 2017 Úvod Proudění v říčních korytech je bezpochyby hydraulicky velmi složitý a velmi rozmanitý proces, který nejde bohužel matematicky moc přesně vystihnout. Největší neznámou je Manningův drsnostní koeficient, který se vyskytuje v Manningově rovnici pro výpočet rychlosti, resp. průtoku vody v říčním korytě. Tato rovnice byla formulována roku 1889 irským inženýrem Robertem Manningem. Tato práce shrnuje většinu relevantních způsobů, jak lze Manningův koeficient určit. Manningova rovnice zní v = 1 n R2 3i 0 1 2 [m/s] kde v je rychlost proudění [m/s], R je hydraulický poloměr [m] a i o je sklon dna [-]. Porovnáním Manningovy rovnice s Chézyho rovnicí lze odvodit Chézyho rychlostní součinitel podle Manninga Tvar Chézyho rovnice je C = 1 n R1 6 [m 0,5 s 1 ] v = C R. i [m/s] Součinitel drsnosti je jak v české, tak celé angloamerické literatuře značen malým n a charakterizuje odpor koryta působící na proudící vodu. Případně analogicky vyjadřuje i odpor potrubí, to však není zájmem této práce. Odpor koryta je možné vyjádřit i jinými způsoby než je Manningův součinitel a ty jsou vyjmenovány na konci této práce. Vlivy působící na velikost drsnosti n [3] Povrchová drsnost drsnost samotného koryta Vegetace Nepravidelnosti koryta Půdorys koryta Zanášení a vymílání Překážky Velikost a tvar koryta Vodní stav a průtok Sezonní změny Splaveniny

Možné způsoby určení Tabulky Cowanova metoda Porovnávání skutečnosti s fotografiemi Empirické vzorce na základě charakteristického zrna Empirické vzorce na základě charakteristického zrna a dalších parametrů Přímé změření Tabulky V běžné praxi, například při revitalizaci toků, se v rámci zjednodušení setkáme nejpravděpodobněji s určováním drsnosti koryta v tabelární formě. Chow (1959) Ven Te Chow stanovil velmi obsáhlý a podrobný soubor tabulek, který je uveden v Příloze 1. Tento soubor stanovuje n tak že jsou různé hodnoty tohoto součinitele přiřazeny slovnímu popisu koryta. Tento způsob určení je velmi subjektivní, neboť je zaprvé velmi složité přiřadit reálnému úseku správný popis (nelze předpokládat že uvedené hodnoty jsou bezchybné, neboť sám autor byl omezen svými zkušenostmi a možnostmi) a za druhé, každému popisu koryta připadají tři hodnoty a to pro dobrý stav, průměr a špatný stav přičemž tyto hodnoty se často liší tak, že jejich poměr dosahuje až hodnoty 2. Dále je navíc uváděno, že hodnoty jsou předpokládány pro vyšší vodní stavy. Tabulkové hodnoty vztažené ke konkrétním veličinám Zde například tabulka uváděná Coonem (1998) v poněkud doplněné a modifikované podobě, kdy je součinitel n přiřazen na základě velikosti zrna materiálu koryta. Tabulka 1 Součinitel drsnosti v závislosti na zrnitosti substrátu (Coon - 1998) Dále tabulka, kde Herschy (1995) uvádí n v závislosti na zrnitosti substrátu dna Tabulka 2 - Součinitel drsnosti v závislosti na zrnitosti substrátu (Herschy, 1995) Je patrné, že hodnoty udávané Herschym jsou výrazně nižší než hodnoty podle Coona. Obdobnou tabulku vztahující n k velikosti substrátu, podélnému sklonu a průtoku zpracoval pro horské toky Nosov (1979)

Tabulka 3 Součinitel drsnosti horských a podhorských řek podle Nosova (1979)

Cowanova metoda Pan Cowan vynalezl standardizovaný postup, dnes běžně používaný, který vychází z určení několika parametrů, které mají na hodnotu n zásadní vliv. Vztah vytvořený Cowanem zní n = (n 0 + n 1 + n 2 + n 3 + n 4 )m 5 kde n o je dáno materiálem koryta, n 1 zohledňuje vliv nerovností povrchu, n 2 závisí na četnosti změn příčného profilu, n 3 vyjadřuje vliv překážek, n 4 vliv vegetace a m 5 je korelační faktor který zohledňuje meandrování koryta. Hodnoty jednotlivých parametrů jsou uvedeny v následující tabulce. Tabulka 4 - Hodnoty dílčích součinitelů drsnosti podle Cowana [4] Porovnávání skutečnosti s fotografiemi K určení součinitele drsnosti je možno také využít tzv. katalog hydraulických drsností, který zpracovala řada autorů. Jedni z prvních byli určitě Ramser (1929) a Scobey (1939), kteří prezentovali fotografie závlahových a odvodňovacích kanálů. Část jejich práce dále šířili Chow (1959) a Fasken (1963). Jedním z těch známějších autorů byl například Barnes (1967), který prezentoval 50 fotografií konkrétních míst Spojených Států Amerických, kdy každému na základě měření přiřadil hodnotu n. Dále napříkad Aldrige a Garrett (1973) zveřejnili fotografie 35 koryt v Arizoně, aridním regionu, kde je

základním materiálem písek, a pro 6 z těchto míst hodnotu n určili početně a pro zbývajících ji určili na základě odhadů zkušených hydrologů. Empirické vzorce na základě charakteristického zrna Strickler provedl první pokusy zavedení charakteristického rozměru zrn do výpočtu Chézyho součinitele, který lze následně porovnáním s Manningovou rovnicí převést do tvaru vyjadřující drsnostní součinitel n n = 1 a d1/6 kde a je konstanta a d je charakteristické zrno. Multiplikační konstanty a příslušná charakteristická zrna podle různých autorů udává následující tabulka. Tabulka 5 Vzorce Stricklerova typu [4] Další vzorce odvozené dle Stricklera: Subramanya (1982) 1 6 n = 0,047d 50 Kde d 50 je zadáno v metrech. Tato rovnice je ekvivalentní k rovnici podle Garde a Raju viz Tabulka 1. Stricklerovu vzorci jsou též podobné vzorce Braye Bray (1979) 0,179 n = 0,0593d 50

0,179 n = 0,0561d 65 0,16 n = 0,0495d 90 a dále Mattas provedl analýzu, která vedla k výrazům podobným vzorcům Braye Mattas (1998) 0,196 n = 0,097d 50 0,376 n = 0,115d 84 Rozmanitost všech těchto vzorců by měla dokazovat ne, že by se jednotlivý autoři snažili uvést v omyl výsledky práce svých předchůdců a kolegů, spíše ale složitost a neurčitost hodnoty n, kterou je možno určit mnoha způsoby, které lze navzájem jen těžko zpochybňovat. Empirické vzorce na základě charakteristického zrna a dalších parametrů [4] Tyto vztahy byly vždy odvozeny empiricky. Oproti Stricklerovu přístupu zahrnují nejen charakteristické zrno materiálu dna, ale i další parametry, nebo vycházejí z hydraulických parametrů a velikost charakteristického zrna vůbec neobsahují. Jobson a Froehlich (1988) n = 0,245R 0,14 ( R 0,44 ) ( R 0,30 d 50 B ) kde B je šířka koryta v břehové linii a R je hydraulický poloměr. Obdobný vzorec udává Griffiths Griffiths (1981) n = 0,104R 1/6 ( R 0,297 ) ( R 0,103 d 50 B ) několik autorů použilo ve vyjádření hodnoty drsnosti sklon hladiny, či čáry energie Bray (1979) Sauer (1998) Jarrett (1984) n = 0,11i 0,177 n = 0,11i 0,18 R 0,08 Vytvořil na základě vlastních měření následující vztah Mattas (1998; 2003) n = 0,32i e 0,38 R 0,16 Odvodil následující vztah na základě vlastních měření a dat uvedených v literatuře n = 0,267i 0,323 R 0,152 Vzorce Jarretta a Mattase jsou platné v tocích s hrubozrnným substrátem (hrubý štěrk a větší) a větších gradientů (i > 0,002 0,005).

Limerinos (1970) Vztáhnul n k hydraulickému poloměru a rozměru částic takto. n = 0,0926R 1/6 1,16 + 2,0log R d 84 Přímé změření V případě potřeby vědět konkrétní hodnotu n pro konkrétní úsek toku je samozřejmě možné provést měření in situ, když zaměříme všechny veličiny vystupující v Manningově rovnici a hodnotu koeficientu takto dopočítáme. Tento postup je však vhodný právě pro stanovení nových výrazů či drsnostních katalogů a pro inženýrskou praxi, navrhování a úprava vodních toků, je samozřejmě nepoužitelná. Koryto se složenou drsností Takto lze nazvat jednoduchá koryta (bez širších berem či inundačních prostorů), která mají po různých částech omočeného obvodu různou drsnost, ale střední průřezovou rychlost lze určit z Chézyho rovnice pro celý průřez, bez nutnosti dělit na více částí. [4] Potom postupujeme tak že stanovíme jakousi náhradní drsnost koryta, což jsou všechny dílčí drsnosti vztažené do jedné, kterou již dosadíme do Manningovy rovnice. Způsobů, jak tuto náhradní hodnotu určit bylo v minulosti odvozeno několik, dodnes však bohužel není známo, který z nich nejvíce odpovídá realitě a který je tedy ten správný. Zde uvádím některé z nich. Nejjednodušší vztah je prostý vážený průměr (Gordon, McMahon a Finlayson, 1992) n = N i=1 O in i O

Vztah původně odvozen Hortonem nebo Einsteinem uvažuje, že ve všech částech průtočné plochy je stejná rychlost rovná střední průřezové rychlosti n = ( N O 1,5 i=1 in i ) 2/3 O 2/3 Další předpoklad může být, že celkový odpor, který musí proudění překonat, je roven součtu odporových sil v dílčích částech koryta. Pak lze užít vztah odvozený Pavlovským, Muhlhoferem, či Einsteinem a Banksem n = ( O in i 2 ) 1/2 O 1/2 Předpokládáme-li že celková síla vyvolaná tangenciálním napětím na omočeném obvodu je rovna součtu dílčích sil lze odvodit, jak uvádí Yen (1992) vzorce n = N n 1/3 i=1 io i R i OR 1/3, resp. n = N O n i i i=1 O R 1/6 R 1/6 Dále zde existuje celá řada dalších vzorců, z nichž lze vybrat na základě vlastního uvážení a inženýrského citu. Závěr Tato práce zdaleka neposkytuje úplný detailní výčet jednotlivých metod a vzorců pro určení Manningova drsnostního součinitele. Otázkou zní, zda je vůbec možné všechny postupy týkající se této problematiky shrnout do jedné práce, neboť jak je vidět, rozmanitost je zde veliká a zabývalo se tímto problémem mnoho lidí. Závěrem této práce bych tedy rád konstatoval, že v rámci inženýrské činnosti můžeme chtít být jakkoliv přesní ve výpočtech a návrzích, ale je třeba si zachovat rozumný odstup, neboť jak je vidět, i když budeme mít všechna ostatní vstupní data maximálně věrohodná, tak hodnota součinitele n bude vždy velkým otazníkem, který však bohužel zásadně ovlivňuje hodnoty které jím určujeme.

Přílohy Příloha 1. Hodnoty součinitele drsnosti n pro otevřená koryta podle Chowa [4]

Zdroje: [1] CHOW, V.T.: Open channel hydraulics. London 1959 [2] Larry W. Mays: Hydraulic Design Handbook. HYDRAULICS OF OPEN CHANNEL FLOW, Chapter (McGraw-Hill Professional, 1999), AccessEngineering [3] https://cs.wikipedia.org/wiki/sou%c4%8dinitel_drsnosti [4] MATTAS, D. (2014): Výpočet průtoku v otevřených korytech. Práce a Studie 205, VÚV T.G.M. Praha. ISSN 1211-3727, ISBN 978-80-87402-27-6 [5] U. S. Geological Survey: Estimation of Roughness Coefficients for Natural Stream Channels with Vegetated Banks, dostupné z: https://pubs.usgs.gov/wsp/2441/report.pdf