VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF WATER STRUCTURES HODNOCENÍ NÁVRHU PŘÍRODĚ BLÍZKÉ ÚPRAVY TOKU A PROTIPOVODŇOVÝCH OPATŘENÍ EVALUATION OF ENVIRONMENTALY FRIENDLY APPROACH TO THE RIVER TRAINNING BAKALÁŘSKÁ PRÁCE BACHELOR'S THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR LUBOMÍR PETRULA Ing. TOMÁŠ JULÍNEK, Ph.D. BRNO 2015
É Č í É Ě í í Í ň ář ý Ž ý Ář č ě Á í ÁŘ É Á í á ří ě í éú ň ý ř í í úř ó řá áš í č ě ď ý
Ú ý ď š É ňá í é ď ú íá ťž ó Í ý á ó á á ž óý í á á čř á Í ú ú Í é ý ň ý č ě ý ú ž é é ě Ý á Ýé ú Ú Ř í á í ý ý ň ú ě ý á ý čá áý č é é í ř á ř ý ý ú Ž ý ý ř ú Ž í é ě ý ň á éčá ý Ó á ň é ý éčáí ěáý Ú Í é ř á é é Š á ň á é á á ň úú š ý č Ú ň á á š Á Ť á Š é ě Ř Ř ď á ď á á š ý č í Ž í á á ý ř č ž ň ďá é á Š ň í áš ář é
ABSTRAKTY A KLÍČOVÁ SLOVA Abstrakt Úkolem této práce je vyhodnocení stávajícího stavu toku Opavy s využitím výpočetní techniky a následné vypracování projektu úpravy tohoto toku s ohledem na přírodní podmínky a ráz krajiny. Úprava bude navržena s využitím údolní nivy pro účely retence. Klíčová slova Hydraulika otevřených toků Stabilita koryta Údolní niva Abstract The goal of this work is to evaluate the current state of Opava river using computing technology, followed by developing a project focused to river regulation while respecting local nature conditions. The regulation will be designed with water retention in the meadow. Keywords Hydraulics of open channel flows The stability bed The meadow 3
BIBLIOGRAFICKÁ CITACE VŠKP Hodnocení návrhu přírodě blízké úpravy toku a protipovodňových opatření. Brno, 2015. 67 s., 99 s. příl.. Vysoké učení technické v Brně, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce Ing. Tomáš Julínek, Ph.D. 4
VYSOKÉ UČENÍ TECHNICKÉ V BRNĚ FAKULTA STAVEBNÍ POPISNÝ SOUBOR ZÁVĚREČNÉ PRÁCE Vedoucí práce Autor práce Ing. Tomáš Julínek, Ph.D. Škola Vysoké učení technické v Brně Fakulta Stavební Ústav Ústav vodních staveb Studijní obor 3647R015 Vodní hospodářství a vodní stavby Studijní program B3607 Stavební inženýrství Hodnocení návrhu přírodě blízké úpravy toku a protipovodňových Název práce opatření Název práce v Evaluation of environmentaly friendly approach to the river anglickém jazyce trainning Typ práce Přidělovaný titul Bc. Jazyk práce Čeština Datový formát elektronické PDF verze Anotace práce Anotace práce v anglickém jazyce Klíčová slova Klíčová slova v anglickém jazyce Úkolem této práce je vyhodnocení stávajícího stavu toku Opavy s využitím výpočetní techniky a následné vypracování projektu úpravy tohoto toku s ohledem na přírodní podmínky a ráz krajiny. Úprava bude navržena s využitím údolní nivy pro účely retence. The goal of this work is to evaluate the current state of Opava river using computing technology, followed by developing a project focused to river regulation while respecting local nature conditions. The regulation will be designed with water retention in the meadow. Hydraulika otevřených toků Stabilita koryta Údolní niva Hydraulics of open channel flows The stability bed The meadow 5
ÁŠ ď Ž á Ž ě ž š ž éď ď ú
ÁŠ Í Ě É ó Š ž Ť ó é á é í á á ó á
PODĚKOVÁNÍ Tato bakalářská práce byla zpracována s využitím infrastruktury Centra AdMaS. 8
OBSAH 1 ÚVOD... 11 2 CÍLE... 12 3 TEORETICKÁ ČÁST... 13 3.1 Vodní tok... 13 3.2 Proudění vody v korytech... 14 3.2.1 Rovnoměrné ustálené proudění vody v otevřených korytech... 14 3.2.2 Nerovnoměrné ustálené proudění vody v otevřených korytech... 18 3.2.3 Vícerozměrné metody výpočtu proudění vody... 19 3.2.4 Stanovení střední profilové rychlosti... 20 3.3 Popis programu Basement... 21 3.4 2D model proudění vody... 21 3.5 Zásady návrhu trasy a příčného profilu koryta toku... 22 3.5.1 Návrh nové trasy vodního toku... 22 3.5.2 Návrh příčného profilu koryta vodního toku... 23 3.6 Stabilita koryta a návrh opevnění... 23 3.7 Vegetační doprovod... 26 3.7.1 Hodnocení stávajícího vegetačního doprovodu... 28 3.8 Revitalizace vodních toků... 29 3.9 Přírodě blízká protipovodňová opatření... 30 4 ŘEŠENÍ... 32 4.1 Popis zájmového území... 32 4.1.1 Správní údaje... 32 4.1.2 Údaje o toku a povodí... 32 4.1.3 Hydrologické poměry... 33 4.1.4 Objekty na toku... 35 4.1.5 Geologické poměry... 36 4.1.6 Hydrogeologické poměry... 37 4.1.7 Pedologické poměry... 38 4.1.8 Klimatické poměry... 38 4.1.9 Údaje o zemědělství a lesnictví... 38 9
4.1.10 Údaje o průmyslu... 39 4.1.11 Energetické využití toku... 40 4.1.12 Požadavky na odběr, znečištění... 40 4.1.13 Čistota vod... 40 4.1.14 Rekreační využití... 40 4.1.15 Splavnost toku... 41 4.1.16 Životní prostředí... 41 4.2 Hydraulické řešení... 42 4.2.1 Preprocessing... 42 4.2.2 Vlastní řešení (solution) a kalibrace modelu... 45 4.2.3 Postprocessing (prezentace výsledků)... 50 4.2.4 Stabilita koryta... 51 4.3 Návrh opatření... 54 4.3.1 Úprava trasy a vzorové příčné profily... 54 4.3.2 Návrh vegetačního doprovodu... 57 4.3.3 Proveditelnost navržených opatření... 57 5 ZÁVĚR... 59 6 POUŽITÁ LITERATURA A DALŠÍ ZDROJE... 61 SEZNAM TABULEK... 62 SEZNAM OBRÁZKŮ... 63 SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ... 64 PŘÍLOHY... 67 10
1 ÚVOD Hlavním úkolem této práce je zhodnocení kapacity toku Opavy a následné vypracování jeho úpravy a návrhu protipovodňových opatření. Tok se nachází v Moravskoslezském kraji a prochází okresy Bruntál, Opava a Ostrava město. Jeho celková délka činí 110,7 km. Zájmový úsek toku se nachází u ústí toku do řeky Odry, a to v ř. km 3,050 7,690. Hydraulické posouzení je provedeno pomocí modelového řešení. Pro toto posouzení je použit 2D model koryta toku a přilehlé inundace. Zásahy v korytě a okolí toku jsou navrhovány při zohlednění možností použití přírodě blízkých opatření. Ve vhodných úsecích, kde nedojde k ohrožení majetku, ani obyvatel je snahou umožnit rozliv v celé šíři údolní nivy. Tímto se také úprava více přibližuje k přírodním podmínkám. Zvláštní ohled bude brán na ekologickou funkci toku, která by neměla být narušena. Naopak je možné novým návrhem ekologii toku zlepšit. Toto souvisí jak s navrženým tvarem koryta, tak s m-denními průtoky a vegetačním doprovodem. Na toku Opavy již bylo provedeno zhodnocení kapacity pomocí 1D modelování. Vstupní drsnosti modelu a výstupní výšky hladin byly použity jako základ 2D modelu, který je v této práci zpracován. Následující text je rozdělen do kapitol, které popisují dvě hlavní části práce. V první části je popsána teorie nutná k vypracování projektu. Druhá část práce je věnována rozboru zájmové oblasti a vlastnímu návrhu opatření. 11
2 CÍLE Cílem práce je podrobný rozbor zájmového úseku z hlediska kapacity a možné úpravy toku s maximálním využitím údolní nivy. Pro tyto účely byl vypracován 2D hydraulický model na celém zájmovém úseku. Dále pak práce obsahuje návrh stabilizace koryta za použití technických, biologických nebo biotechnických prvků. Součástí práce jsou: Výpočty Návrh úpravy, protipovodňová opatření se zachováním přírodních funkcí 12
5 ZÁVĚR Účelem práce bylo zhodnotit kapacitu toku a rozlivy a navrhnout variantu úpravy. Pro zhodnocení stávajícího stavu bylo možné použít 1D model v kombinaci s 2D modelem proudění vody, ale vzhledem ke složitosti kalibračního postupu byla zvolena jednodušší alternativa 2D modelu. Následně se pomocí programu QGIS sestavil digitální model terénu, který se použil jako základní vstup pro program Basement. V Basementu se za účelem kalibrace provedl výpočet tří variant parametrů drsností. Výstupní data z programu se pak porovnala s výsledky z výpočtu 1D modelu proudění z roku 1998. Následně byla jako výsledná varianta drsností zvolena varianta kalibračních parametrů č. 1. Nutno dodat, že nebylo snahou o získání výsledků, které by se přesně shodovaly s 1D modelem, protože k takové shodě by nedošlo prakticky nikdy. Pro tuto variantu byly sestaveny linie rozlivů a rastry rychlostí a hloubek, které jsou obsaženy v přílohové části této práce. Hlavním problémem při kalibraci byl nedostatek kalibračních a verifikačních dat. Ze zadání byly dostupné pouze průběhy hladin vypočtené pomocí 1D modelu. Tyto průběhy tedy byly použity ke kalibraci. Verifikace modelu nebyla z časových důvodů provedena. Pomocí mapy rozlivů byla poté navržena situace úpravy. Primárně se jedná o navržení protipovodňových hrázek v úsecích, kde se nacházejí stavby, a návrh rozšíření toku v místech, kde to dovoluje terén. V místě, kde nedochází ke škodám na majetku, je umožněn volný rozliv do okolí. V úseku toku, podél kterého se nachází rybník Štěpán, se nebude provádět žádná výraznější úprava. Objekty, kterých se úprava dotkne, budou upraveny tak aby nadále plnily svoji funkci. Dalším tématem, kterým se práce zabývá, je stabilita koryta. Pro posouzení bylo nejprve nutné zjistit střední profilové rychlosti v toku. Ty pak byly porovnávány s rychlostmi vymílacími a nezanášecími. Ve výpočtech byly použity vztahy dle Mayer-Petera a Šamova. Výsledky však mohly být ovlivněny tím, že se výpočet prováděl na nepravidelném tvaru koryta a též nehomogenitou krycí vrstvy dna toku. Pro lepší představu o změnách koryta se doporučuje provést matematickou simulaci např. v programu Basement. V návaznosti na sestavené vzorové příčné řezy bylo navrženo opevnění koryta. Opevnění však bude provedeno pouze místech s velkými sklony svahů a v místech s vyššími nároky na stabilitu koryta. Dále byl na úseku toku navržen vegetační doprovod sestavený z patra bylinného, křovinného i stromového. Stromy a keře jsou umístěny tak, aby se na toku vytvořil pohyblivý stín. Bylinné patro je tvořeno travním pásem o šířce 10 m a má mimo jiné také zabránit erozi půdy, která by v úseku mohla nastat. Z hlediska ochrany půdy se doporučuje sestavit mapu erozních smyvů a určit, zda někde v zájmovém úseku 59
úí á ř č ě ů ů ž ů á ů É á ž Ú ó á ý é á Ž ň č ýý ů ú í ť á é ý ú ý Ž ě ú Íú ý é íé š á é ú ó éý ú ž í á ý ž č ů ú á š č ÓÍ ě žď á ýá č íž é á č ř Ž Íá ě á á ř é á ž ú ě ý ň ýý Ó ó ě á á áá ěž ú ž é Í é žú é š é í ž á ě é ě ž ú áš ů é ř ř š é Íá é á í Í ř á í ý á é á ě ř ě š ý č Ž á ě ů ř ší é č íú ě á
6 POUŽITÁ LITERATURA A DALŠÍ ZDROJE [1] EKOTOXA S.R.O. a ŠINDLAR S.R.O. Přírodě blízká protierozní a protipovodňová opatření - možnosti jejich financování a realizace [online]. 2014 [cit. 2015-04-12]. ISBN 978-80-254-6829-6. Dostupné z: http://www.vodavkrajine.cz/files/zvyseni_protipovodnove_ochrany_pbppo_l aicka.pdf [2] JANDORA, Jan, ŠULC, Jan. Hydraulika: Modul 01. 2006, 178 s. [3] VESELÝ, Jaroslav. Vodohospodářské stavby: Modul 03: Vodní stavby. 2004. [4] ŠLEZINGR, Miloslav. Říční typy II: střední tok : úvod do problematiky úprav vodních toků. 1. vyd. V Brně: Mendelova univerzita, 2012, 284 s. ISBN 978-80-7375-604-8. [5] ČSN 75 2101. Úpravy vodních toků. Praha: Úřad pro technickou normalizaci, metrologii a státní zkušebnictví, 1991. [6] Plán oblasti povodí Odry [online]. 2007 [cit. 2015-04-12]. Dostupné z: http://www.pod.cz/plan-oblasti-povodi-odry/ [7] Český rybářský svaz [online]. 2015 [cit. 2015-04-12]. Dostupné z: http://www.rybsvaz.cz/ [8] Český hydrometeorologický ústav [online]. 2015 [cit. 2015-04-12]. Dostupné z: http://www.chmi.cz/portal/dt?portal_lang=cs&menu=jsptabcontainer/p1_0_ Home [9] VAW ETH ZURICH. System Manuals of BASEMENT. Zurich, 2014. [10] BRUNNER, Garry W. US ARMY CORPS OF ENGINEERS: HYDROLOGIC ENGINEERING CENTER. HEC-RAS River Analysis System: Hydraulic Reference Manual. 4.1. Davis, CA, 2010. [11] ŠLEZINGR, Miloslav, ÚRADNÍČEK Luboš. Vegetační doprovod vodních toků. Vyd. 1. V Brně: Mendelova zemědělská a lesnická univerzita, 2009, 175 s. ISBN 978-80-7375-349-8. [12] WMS - ZM 10 Český úřad zeměměřický a katastrální, www.cuzk.cz. [13] ŠLEZINGR, Miloslav. Hydrotechnické stavby I. Brno 2005 61
SEZNAM TABULEK Tab. 3.1 Návrhové průtoky pro výpočet stability [4]... 24 Tab. 3.2 Přípustné souvislé doby zaplavení dřevin [5]... 27 Tab. 4.1 Hodnoty průtoků v měrných profilech - [8] - data z ledna 2015... 34 Tab. 4.2 Údaje o historických povodních [2]... 34 Tab. 4.3 Průtoky použité pro výpočet 1D modelu... 35 Tab. 4.4 Zadání drsnostních součinitelů v 1D hydraulickém modelu... 48 Tab. 4.5 Varianty zadání drsnostních součinitelů pro 2D hydraulický model... 48 Tab. 4.6 Shrnutí rozdílů hladin 1D modelu proti 2D modelu... 49 Tab. 4.7 Výsledek posouzení vymílacích a nezanášecích rychlostí... 52 Tab. 4.8 Stabilita pat svahů a hloubky výmolů... 53 Tab. 4.9 Rozsahy použití vzorových příčných řezů... 56 62
SEZNAM OBRÁZKŮ Obr. 3.1 Určení hloubky hn ze zadaného průtoku Qn pomocí měrné křivky [2]... 17 Obr. 3.2 Rozmístění břehové vegetace [11]... 28 Obr. 4.1 Zvolená lokalita úpravy toku... 33 Obr. 4.2 Výřez z TIN (program QGIS)... 43 Obr. 4.3 Výřez z DMT a příklad číslování elementů a rozlišení atributu MATID... 44 Obr. 4.4 Dialogové okno programu Basement... 45 Obr. 4.5 Stromová struktura zadání výpočtu v programu Basement... 47 Obr. 4.6 Příklad příčného řezu a porovnání výsledných hladin pro 1D a 2D model... 50 Obr. 4.7 Příklad příčného řezu a určení střední profilové rychlosti... 51 63
SEZNAM POUŽITÝCH ZKRATEK A SYMBOLŮ A... průtočná plocha [m 2 ] Ai.. průtočná plocha i-tého profilu Bobrazec.. šířka obrazce [m] C... rychlostní součinitel [m 0,5 s-1 ] DMT. digitální model terénu DN vnitřní průměr potrubí Dxx, Dxy Dyy Dyx. podmínka rozptylu hybnosti [N m -2 ] ds.. průměr středního zrna (lze ho odečíst jako 55% hodnotu zrna z křivky zrnitosti krycí vrstvy v korytě ds.. velikost středního zrna [m] de.. velikost efektivního zrna [m] d90. velikost 90% zrna [m] g gravitační zrychlení [m s -2 ] h hloubka vody [m] H1D model nadmořská výška hladiny pro daný průtok Q v 1D modelu [m n.m.] H2D model nadmořská výška hladiny pro daný průtok Q v 2D modelu [m n.m.] ΔH rozdíl průběhů hladin [m] hi, hi+1.. hloubka vody v profilu i resp. i+1 [m] hzj.. celková ztráta energie [m] Δh. hloubka výmolu [m] i. sklon čáry energie [-] i0j. průměrný podélný sklon koryta [-] ih... sklon hladiny [-] K... modul průtoku [m 3 s-1 ] kstr. hodnota drsnosti podle Stricklera [m 1/3 s-1 ] 64
ks... vliv drsnosti [-] k3.. redukční součinitel [-] ΔLj délka úseku [m] n součinitel drsnosti dle Manninga [-] ni.. dílčí součinitel drsnosti [-] O... omočený obvod [m] Oi.. dílčí omočený obvod [m] Qkyneta průtok v kynetě [m 3 s-1 ] Qberma průtok v bermě [m 3 s-1 ] OV odpadní voda PPO.. protipovodňová opatření PBPO přírodě blízká protipovodňová opatření Q... průtok [m 3.s -1 ] R... hydraulický poloměr [m] Sobrazec... plocha obrazce [m 2 s-1 ] TIN.. triangulated irregular network u průměrná rychlost ve směru x [m s -1 ] v průřezová rychlost [m s -1 ], střední profilová rychlost [m s -1 ], rychlost proudění [m.s -1 ] v průměrná rychlost ve směru y [m s -1 ] vi, vi+1 průřezová rychlost v profilu i resp. i+1 [m s -1 ] vs.. celková střední svislicová rychlost [m s -1 ] vx.. střední svislicová rychlost ve směru x [m s -1 ] vy... střední svislicová rychlost ve směru y [m s -1 ] vv... vymílací rychlost [m s -1 ] vn.. nezanášecí rychlost [m s -1 ] vvs.. vymílací rychlost v patě svahu [m s -1 ] zb.. hloubka dna [m] 65
α Coriolisovo číslo [-],úhel sklonu svahů [ ; rad] ϕ... úhel vnitřního tření zeminy [ ; rad] ρs.. měrná tíha splavenin [kn m -3 ] ρv... měrná tíha vody [kn m -3 ] τbx, τby.. smykové napětí u dna [N m -2 ] τ xx, τ xy τ yy τ yx.. průměrné viskózní a turbulentní napětí [N m -2 ] 66
PŘÍLOHY A) GRAFICKÉ VÝSTUPY A.1. Lokalita úpravy toku širší souvislosti A.2.1 Situace úpravy toku Opavy List 1 A.2.2. Situace úpravy toku Opavy List 2 A.3. Mapa rozlivů A.4. Mapa hloubek při průtoku Q5 A.5. Mapa hloubek při průtoku Q20 A.6. Mapa hloubek při průtoku Q100 A.7. Mapa rychlostí při průtoku Q5 A.8. Mapa rychlostí při průtoku Q20 A.9. Mapa rychlostí při průtoku Q100 A.10. Příčné řezy a průběhy hladin A.11. Podélný profil toku porovnání hladin Q100 z 1D a 2D modelu A.12.1. Vzorové příčné řezy list 1 A.12.2. Vzorové příčné řezy list 2 A.12.3. Vzorové příčné řezy list 3 A.13. Stanovení středních profilových rychlostí B) TABULKY B.1. B.2. B.3. B.4. B.5. Příklady drsnostních součinitelů dle Manninga Výpis z katastru nemovitostí Rozdíly výšek hladin 1D modelu proti kalibračním variantám 2D modelu Výpočet středních profilových rychlostí Posouzení stability koryta C) OSTATNÍ MAPOVÉ PODKLADY C.1. C.2. C.3. Hydrogeologická mapa lokality Pedologická mapa lokality Geologická mapa lokality 67