Modelování průchodu povodňových průtoků mostními objekty a inundačním územím v povodí Odry a Opavy. Martin Kantor, Ing. Petr Sklenář, Ph.D. sklenarp@mat.fsv.cvut.cz; ČVUT v Praze, Fakulta stavební, katedra hydrauliky a hydrologie, Thákurova 7, Praha 6, 166 29, Úvod Při vzniku povodňových situací na tocích, kde dochází k jejich častému křížení s mostními objekty, závisí rozsah a charakter možného proudění v inundačním území na způsobu průchodu povodňových vln právě těmito mostními profily. Mosty jsou tak často překážkou nejen pro bezproblémové převedení vlastního průtoku, ale i pro hladký průchod velkého množství plovoucího materiálu neseného na hladině. Dochází tak často k vzniku zátarasů, které často usměrňují proud vody a zvyšují vylévání průtoku z koryta do inundačního území. Často je pak i charakter proudění mimo koryto značně odlišný od stavu, který bylo možno očekávat podle předchozích hydraulických výpočtů neuvažujících s alternativou chodu plovoucího materiálu. Předpokladem pro realistické zahrnutí chodu spláví z horních částí povodí do hydraulického výpočtu je dostatečné obeznámení se situací v horní části toku z hlediska odhadu množství materiálu, které může vstupovat do pohybu při výskytu povodně.důležité jsou i rozměry a tvarová členitost plovoucích předmětů, které přispívají k jejich zachycení v místech s omezenou průchodností. Tyto údaje jsou však jen málokdy podrobně známy a proto jejich zahrnutí do výpočtu se může opírat pouze o odborný odhad a předběžné posouzení situace, která může nastat v blízkosti objektu mostu. Potenciální zdroje spláví Případ, kdy dochází k pohybu zvýšeného množství plovoucího materiálu na hladině, souvisí se zvýšeným průtokem vody v systému koryto inundační území. Zdrojem plovoucího materiálu velkých rozměrů je v první řadě vegetace na březích koryta. V důsledku zvýšeného namáhaní nárazových břehů koryta dochází k podemílaní kořenů jednotlivých stromů a k jejich následnému pádu do koryta. K tomu přispívá často sama poloha vegetace, která nezřídka výrazně zasahuje do průtočného profilu a při vyšších rychlostech obtékání a tedy i zvýšeném odporu vůči proudění dochází k odlamování větví i celých částí kmenů. Části stromů mohou zvýšit množství plovoucích částic i v důsledku nárazu velkých plovoucích předmětů, nesených rozvodněným tokem z horních úseků toku, do břehové vegetace. Dalším zdrojem plovoucího materiálu v rozsahu vlastního koryta mohou být celé časti poškozených lávek a mostků nacházející se v horních částech toku. Po vybřežení průtoku a proudění mimo vlastní koryto se množství plovoucího materiálu může enormně zvýšit, neboť množství odplavitelného plovoucího materiálu může být výrazně větší než ve vlastním korytě (uložené palivové dříví, stavební řezivo, kupy sena, prázdné kontejnery, sudy a podobně). Při průzkumu inundačního území lze pro různé rozlivy hladin mimo koryto orientačně posoudit množství a velikost plovoucího materiálu. Z hlediska posouzení odnosu spláví z inundačního území do vlastního koryta jsou však údaje opravdu pouze čistě orientační, zejména tehdy, když jsou hydraulické podmínky proudění v inundačním území místně značně rozdílné. Je třeba vzít v úvahu, zda-li plovoucí materiál odplavený z jednoho místa mimo vlastní koryto se nezachytí nebo neusadí v místě proudové překážky v inundačním území ještě před dosažením proudu v hlavním korytě. K čistě
orientačnímu charakteru údajů o množství a velikosti spláví přispívá i fakt, že množství a prostorová distribuce materiálu, který může potenciálně vstoupit do pohybu, se mění v průběhu času. Tyto změny jsou jednak charakteristické, související se změnou ročního období v průběhu roku, tak i nesnadno předvídatelné, související s proměnami ve využívání inundačního území v průběhu delšího období. Samozřejmě v situaci, kdy posuzovaná povodňová situace není termínována, mohou být podmínky nejen v inundačním území, ale i v samotném korytě toku výrazně odlišné od stavu korespondujícího k okamžiku, v němž jsou posuzovány aktuální odtokové poměry. V případě vegetační porostů v blízkosti toku lze do předpokladu vzniku budoucí povodňové situace zahrnout například diferenciální model přirozeného růstu zcela neudržované nebo pravidelně udržované břehové a doprovodné vegetace. Tento způsob však vyžaduje aplikaci některých ze stochastických metod modelování. Není to však pouze z důvodu termínově nahodilé realizace povodně, ale pro samotný fakt, že interakce spláví s objekty na toku má jasnou stochastickou povahu. Pokud je však pro studii postačující pouhé získání přehledu o rozpětí všech řešení s uvážením interakce plovoucích částic v korytě a inundačním území, není stochastické modelování bezpodmínečně nutné. Místo toho je potřeba prověřit konečný počet možných scénářů proudění pro jinak shodná hydrologická a geometrická vstupní data. Zachycení a hydraulický účinek spláví K zachycení spláví může dojít buď vznikem bariéry postupným narůstáním ze břehů (prvotní iniciační prvek se zaklíní u břehu za vegetaci), zachycením na konstrukcích mostů, lávek, propustků apod. při nedostatečné průtočné šířce nebo podtokové výšce pod spodní hranou konstrukce. Konstrukce mostů a lávek lze rozdělit podle rizika zachycení spláví do kategorií nízké riziko - objekty kapacitní (dle normy převýšení mostovky nad Q 100 o 0,5 m), objekty o jednom poli nebo o více polích větších rozměrů (pole nad 15 m) střední riziko - u těchto objektů se vyskytují kombinace parametrů např. most kapacitní se středovým pilířem apod. vysoké riziko - objekty nekapacitní, s mezilehlými pilíři, objekty s členěnými podhledy mostovky Obdobně lze posoudit i riziko vzniku zátarasu nárůstem ze břehu - posouzení podle šířky koryta resp. vzdálenosti vegetace po obou březích koryta, podle míry drsnosti břehové vegetace na styku s hladinou, podle členitosti osy koryta a jejího nesouladu s hlavní proudnice při povodňovém průtoku Zachycené spláví v mostním nebo jinak průtočně méně kapacitním profilu může vést k vytvoření málo propustného bariéry a efekt zpětného vzdutí a v důsledku snížení kapacity profilu předčasné vybřežení z koryta; při podtékání bariéry morfologické změny ve dně koryta; vytvoření překážky, která usměrňuje proudění uvnitř koryta na některý z břehů a tím způsobuje jeho zvýšenou břehovou erozi; při vysokých vodních stavech značná část průtoku usměrněna mimo koryto; vznik zátarasu v místě mostu způsobuje zpětné vzdutí, při vysokých vodních stavech usměrnění průtoku mimo koryto; pokud je zátaras pouze u jedné strany mostu, vede to k zvýšené erozi koryta na profilu mostu. Porucha většinou u dna podtékáním zátarasu tzv. piping efekt (nelze většinou modelovat ani 2D modelem) nebo usměrněním proudu na konstrukci mostu (pilíře).
Modelování spláví v systému koryto-inundační území 1D model - zástupcem může být např. program Hec-Ras - umožňuje zahrnout do výpočtu hladiny přímo vliv zachyceného spláví na pilíři. Hydraulicky je tento případ modelován pomocí úbytku průtočné plochy v profilu mostu. Obr. 1 ukazuje, že uživatel programu zadává v profilu mostu plochu neprůtočné překážky odpovídající pouze ponořené části vzniklé bariéry. Z hlediska hydraulických odporů je zadání pouze té části čelní plochy bariéry, která blokuje proudění v profilu mostu, naprosto správné. Nicméně není zohledněna platnost zákonu plování, resp. že poměr vynořené výšky tělesa - schematicky nahrazující skutečnou bariéru spláví - k výšce ponořené části tělesa tento zákon respektuje. Ačkoliv vynořená část bariéry není důležitá z hlediska hydraulických odporů, je důležité ji porovnat s aktuální podchodnou výškou pod mostní konstrukcí (vzdálenost spodní hrany konstrukce od hladiny). Pokud bariéra nahromaděného spláví nemůže projít pod mostní konstrukcí a přísun dalšího plovoucího materiálu do profilu mostu pokračuje, může dojít k nárůstu bariéry pod úroveň hladiny podsouváním spláví, které je strženo z hladiny silou proudu. Protože před začátkem výpočtu není známa výsledná poloha hladiny vzhledem k mostní konstrukci, vyžaduje správné ohodnocení podílu ponořené a vynořené plochy iterační způsob řešení v těchto krocích. 1. Určit polohu hladiny před mostem bez vlivu bariéry; 2. posoudit polohu hladiny vůči spodnímu okraji mostovky a porovnat s výškovým rozměrem bariéry z plovoucího materiálu; 3. pokud se vynořená část bariéry nevejde pod konstrukci mostu, je třeba zohlednit nárůst čelní plochy bariéry pod hladinu; 4. započítat hydraulické odpory ponořené části bariéry a zaktualizovat výpočet hladiny. Vlastní zadání neprůtočné bariery se provádí v modulu geometrická data v návaznosti na existující popřípadě fiktivní pilíř, kde bariéra je určena svou šířkou a výškou. 1D model umožňuje vcelku reálně započítat výslednou průtočnou plochu v profilu mostu, neumožňuje však zohlednit usměrnění proudění. Elevation (m) 306 305 304 303 302 RS = 89.645 BR most 89.650.06.038.06 301 0 10 20 30 40 50 60 Obr. 1 Příklad definování neprůtočné bariery Station (m) Legend EG PF 3 WS PF 3 Crit PF 3 Ground Bank Sta Pier Debris 2D model zde demonstrován programem SMS pracujícím s průměrovanými rychlostmi ve svislici vyžaduje dostatečně podrobnou výpočetní síť. 2D model obecně dobře umožňuje zohlednit efekt usměrnění proudu bariérou, nikoliv však efekt podtékání bariéry (piping), které může souviset s postupným narůstáním bariéry pod hladinu a zvýšenou erozí koryta u dna. Špatně lze zohlednit, že bariéra u hladiny nezabírá celou průtočnou plochu na celou hloubku proudění v mostu. Existence bariery je definována neprůtočností určitých vypočetních elementů např. v blízkosti pilířů (Obr. 2). Zvýšení lokálních rychlosti ve zbývajících částech profilu pak může být značně nadhodnoceno.
Obr. 2 Rychlostní pole v okolí mostu vlevo bez bariery, vpravo s neprůtočnou barierou v okolí pilíře Případ chodu spláví na Odře 1997 Způsob analýzy proudění za významného chodu spláví může být dokumentován na příkladu části toku Odry při povodních v červenci 1997. V důsledku ztíženého průchodu spláví mostními objekty zde došlo ke změně proudění v okolních inundačních územích. Např. v ř. km 78,080 Odry došlo k nekontrolovatelnému ucpání silničního mostu (Obr. 4) splávím, vybřežující voda zaplnila levobřežní inundační prostor a následně destruovala jeden z inundačních propustků, který tak velkému tlaku vody neodolal. V ř. km 88,150 kombinace nevhodného umístění mostu za vrcholem oblouku a jeho částečného ucpání měla za následek podemletí levé podpory mostu a jeho částečnou destrukci. V mnoha případech došlo ke stržení lávek a drobných přemostění, tyto konstrukce dále putovaly i několik 100 metrů s proudem. Ve většině těchto případů se jednalo o konstrukce s vysokým rizikem zachycení spláví. Velkým problémem bylo rozplavování skládek kulatiny v inundačních územích. K obdobným problémům docházelo také na toku Opava v obci Krnov. Zachytávající se spláví na pilířích mostů způsobilo vzdutí vody a následné přelévání mostních konstrukcí a vybřežení vod do okolní zástavby. Matematickým 1D modelem bylo posuzováno několik mostních profilů za různých variant průchodu spláví. Cílem bylo zjistit vliv zachyceného spláví v těchto profilech na okolní inundační území a blízké okolí mostu. Situace 1 - silniční most v km. 90,026 Odry Nad tímto mostem došlo k usměrnění části proudu vlivem zahlcení mostního profilu A (Obr. 3), část povodňového průtoku proudícího levostranným inundačním územím Q 3 zaplavila závod Optimit Odry a městkou část Oder z levé strany. V tomto případě byl zjišťován poměr rozdělení průtoku Q 1 k Q 2 a Q 3, za průchodu povodně Q 50 a Q 100 ve dvou variantách. První varianta počítala s bezproblémovým chodem spláví a druhá se zachycením spláví na mostní konstrukci (v Tab. 1 označeno *). Možná velikost zátarasu zachyceného na mostní konstrukci byla odhadnuta na 20-25% celkové průtočné plochy mostu. Q 2 ( %Q 1 ) Q 3 (%Q 1 ) Q 50 97 3 Q 50 * 90 10 Q 100 84 16 Q 100 * 75 25 Obr. 3 Situace 1 Tab. 1 Průtokové poměry pro Situaci 1 (Obr. 3)
Situace 2 silniční most v km. 89,650 Odry Při povodni v roce 1997 se v tomto mostním profil zachytilo značné množství spláví (obr. 5). Matematickým modelem byl modelován přírůstek vzdutí způsobený zachycením spláví, opět za průchodu povodně Q 50 a Q 100. Možná velikost zátarasu zachyceného na mostní konstrukci byla odhadnuta na 20-25% celkové průtočné plochy mostu. Výsledný přírůstek vzdutí nad mostním profilem vlivem zachyceného spláví se pohyboval v rozmezí 5-15% oproti situaci bez zátarasu. Pro území charakteristická úzkou údolní nivou a tokem bystřinného charakteru (tok Odry nad CHKO Poodří) se účinek zachyceného spláví projeví především v usměrnění proudu do inundačních území vlivem vzdutí hladiny a ve zvýšení vymílacích rychlostí a případné eroze v mostních profilech. Obr. 4 Zcela zatarasený mostní profil na Odře km 78,080 Obr. 5 Částečně zatarasený mostní profil na Odře km 89,650 Vzhledem k omezenému rozsahu příspěvku budou doplňující informace dostupné na http://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/mosty.htm.
Shrnutí Řešení chodu spláví mosty vzhledem k stochastickému charakteru jevu nemůže být zcela uspokojivě řešeno deterministickými matematickými modely. Tento úkol náleží stochastickým metodám modelování, jejichž hlavní ambicí je především posouzení jevu z hlediska pravděpodobnosti vzniku konkrétních situací zátarasu v profilech mostů, které je pak možno následně využít v analýze rizik. Přesto lze použití deterministických modelů doporučit k základnímu ověření, zda hydraulický účinek vzniku konkrétní extrémní situace omezení průtočnosti v mostním nebo jiném málo kapacitním profilu koryta vlivem akumulace spláví je natolik závažný, aby mělo smysl se jím dále zabývat časově i modelově náročnějšími postupy. Přitom hlavním úkolem v procesu posouzení, ve kterém nám však matematický model proudění v korytě a v inundaci sám o sobě příliš nepomůže, je stanovení reálného rozsahu omezení průtočnosti mostních profilů po zachycení a akumulaci plovoucího materiálu. Fyzický rozsah zátarasu vzniklého z akumulace plovoucího materiálu v průtočně problematických místech by měl vycházet z kvantitativního stanovení potenciálních možností území podél toku pro přísun plovoucího materiálu (vyvrácené stromy a úlomky vegetace v příbřežních oblastech a splavený plovoucí materiál ze vzdálenějších zaplavených inundačních území) a z odhadu charakteristických rozměrů plovoucích částic jež mohou prvořadě iniciovat akumulaci dalšího připlavovaného materiálu. Tyto rozměry je samozřejmě třeba uvádět vždy ve vztahu k hlavním dimenzím (rozměry mostních polí, vzdálenost od hladiny k spodní hraně konstrukce, šířka koryta v zúžení) průtočně problematických míst. Je zřejmé, že tato část úkolu je nejnáročnější, vyžadující nejen velkou dávku zkušeností ale i obeznámení s územními specifiky posuzované oblasti. Musí se v prvé řadě opírat o odhad pravděpodobného scénáře povodně. Dále musí být intuitivním způsobem přihlédnuto ke všem okolnostem, kdy dochází k zachycení, akumulaci a vzniku zátarasu z plovoucího materiálu. Některé poznatky z terénu bylo možno podpořit i pozorováními provedenými v rámci modelového laboratorního výzkumu. Pro uživatele matematických modelů je lze shrnout do konstatování. Čím větší je intenzita chodu spláví, tím se při jinak shodných podmínkách povodňové situace (velikost průtoku, geometrie území) mohou výrazněji lišit projevy povodně právě v důsledku existence průtočně problematických míst. Chod spláví vnáší do průběhu povodně z hlediska hydraulického chování v těchto lokalitách prvek nahodilosti, a konkrétní výsledek matematického modelování je pouze jednou z mnoha možných realizací. Poděkování Tento výsledek byl získán za finančního přispění MŠMT, projekt 1M6840770001, v rámci činnosti výzkumného centra CIDEAS. Při řešení byly částečně využity teoretické výsledky dosažené v projektu GAČR 103/04/1328 Nejistoty hydraulických výpočtů na vodních tocích pro extrémní hydraulické jevy. Literatura: [1] Koncepce ochrany před povodněmi Moravskoslezského kraje [2] Horní Odra a Luha Studie odtokových poměrů a preventivní protipovodňová opatření, AQUATIS Brno, 2000 [3] Urbanisticko hydrotechnická studie zkapacitnění řeky Opavy přes město Krnov, AQUATIS a.s. Brno, 2001