BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY

VYSOKÉ UENÍ TECHNICKÉ V BRN BRNO UNIVERSITY OF TECHNOLOGY FAKULTA STAVEBNÍ ÚSTAV VODNÍCH STAVEB FACULTY OF CIVIL ENGINEERING INSTITUTE OF WATER STRUCTURES METODY STANOVENÍ HYDRAULICKÝCH PARAMETR RÁZOVÝCH VLN V SOUVISLOSTI S PROVOZEM MVE ESTIMATION OF HYDRAULIC PARAMETERS OF SURGE WAVES CAUSED BY THE SMALL HYDROPOWER PLANTS OPERATION DIPLOMOVÁ PRÁCE DIPLOMA THESIS AUTOR PRÁCE AUTHOR VEDOUCÍ PRÁCE SUPERVISOR BC. JAN BRŽEK doc. Ing. ALEŠ DRÁB, Ph.D. BRNO 2015

Abstrakt: Cílem diplomové práce je ovit zvolenou metodiku stanovení parametr rázových vln a porovnat možnost užívání softwaru pi posuzování rázových vln pi manipulaci na MVE. Práce se dlí na nkolik ástí, které zahrnují odvození analytického ešení, popis numerického ešení, verifikaci zvolených metodik a využití na reálném píkladu. Klíová slova: neustálené proudní, rázové vlny, stední výška vlny, doba dobhu Abstract: The objective of this thesis is verifying estimation of hydraulic parameters of surge waves and compare the possibility to use software in assesing the surge waves caused by small hydropower plants operation. The study is divided to several parts which includederivation of analytic solution, description of numerical solution, verification of selected estimations and aplication on real example. Keywords: unsteady flow, surge waves, medium high wave, deceleration time

Bibliografická citace VŠKP Bc. Jan Bržek Metody stanovení hydraulických parametr rázových vln v souvislosti s provozem MVE. Brno, 2015. 62 s. Diplomová práce. Vysoké uení technické v Brn, Fakulta stavební, Ústav vodních staveb. Vedoucí práce doc. Ing. Aleš Dráb, Ph.D

Prohlášení: Prohlašuji, že jsem diplomovou práci zpracoval samostatn a že jsem uvedl všechny použité informaní zdroje. V Brn dne 16.1.2015 podpis autora Bc. Jan Bržek

Podkování Rád bych podkoval panu doc. Ing. Aleši Drábovi, Ph.D., vedoucímu mé diplomové práce, za odborné vedení, cenné pipomínky, rady a vstícnou spolupráci. Podkování patí i panu Ing. Aleši Makovskému, který ochotn poskytl podklady MVE Železný Brod. Dále bych rád podkoval své rodin za podporu pi studiu.

Obsah: 1. Úvod... 9 2. Cíle práce... 10 3. Výchozí podklady...10 3.1 Seznam podklad...10 3.2 Zhodnocení výchozích podklad... 11 4. Metoda a nástroje ešení... 12 5. Souasné metody ešení rázových vln...12 5.1 Analytické ešení prbhu rázových vln...14 5.1.1 Matematická formulace problému... 14 5.1.2 Zhodnocení faktor ovlivujících prbh rázové vlny... 18 5.1.3 Kladná zptná vlna ástešné uzavení prtoku... 20 5.1.4 Kladná zptná vlna úplné uzavení prtoku...25 5.2 Numerické ešení prbhu rázových vln... 30 6. Posouzení využitých metod na vzorových píkladech... 31 6.1 Fyzikální model... 33 6.2 Analytické ešení...33 6.3 Numerické ešení... 34 6.4 Verifikace výsledk...35 6.4.1 ástené uzavení prtoku z 90 l/s na 60 l/s...37 6.4.2 Úplné uzavení prtoku 60 l/s...40 6.4.3 ástené uzavení prtoku z 90 l/s na 30 l/s...46 6.4.4 Úplné uzavení prtoku 90 l/s...46 6.4.5 Závr verifikace zvolných metod...49 7. Praktická aplikace v lokalit Železný Brod...49 7.1 Popis zvolené lokality... 49 7.2 Posuzované provozní stavy... 52 7.3 Analytické ešení...54 7.4 Numerické ešení... 55 7.5 Výsledky ešení...55 7.6 Zhodnocení aplikovaných metod...59 8. Závr a diskuse...60 9. Seznam tabulek... 60 10. Seznam obrázk...60

1. Úvod Vliv lovka na životní prostedí se v posledních letech má stále vtší spoleenský význam v hodnocení stát a s tím souvisí vtší draz na využití obnovitelných zdroj energie. V souvislosti s tímto trendem narostl poet malých vodních elektráren (dále jen MVE). Výstavba energetických staveb v blízkosti toku pináší i problémy, které mohou nastat pi jejich budování i provozu. Jedním ze zmínných problém je výskyt rázových vln pi manipulaci na MVE a urování jejich charakteristik. Tématem diplomové práce jsou metody stanovení hydraulických parametr rázových vln v souvislosti s provozem MVE. Rázové vlny jsou extrémním pípadem neustáleného proudní, kdy dochází k náhlé zmn prtoku v pivadi pop. odpadu MVE zpsobené náhlou odstávkou nebo spuštním do provozu. Diplomová práce je zamena na aplikaci metod urování hydraulických parametr rázových a metody urování kladné zptné vlny, která je z hlediska možných nepíznivých dopad nejzávažnjší z rázových vln. Pi spouštní MVE je zvtšování odbru vody pozvolné a plynulé na základ manipulaního (pop. provozního) ádu. Tím dochází k omezení rázových vln na pípustné hodnoty. Narozdíl od náhlého uzavení prtoku MVE, který vyvolá vlnu pohybující se pivadem ve smru proti proudu toku (kladná zptná vlna). Vznik samotné vlny nelze píliš pedvídat, nebo je ve vtšin pípad zpsobena náhlým uzavením soustrojí elektrárny, které není plánované a vychází z krizových situací. Z toho dvodu charakteristiky probíhajícího jevu nabývají extrémních hodnot, jelikož prbh rázových vln je zásadn ovlivnn asovým intervalem uzavení resp. otevení. Výpoet velikosti a prbhu rázových vln vzniklých v derivaních kanálech je nezbytný zejména pro urení parametr souvisejících s návrhem tchto kanál, jako nap. výšky kanál pop. hrází, opevnní a tsnní svah. Kolísání hladin v dsledku rázového jevu mže mít negativní vliv nap. na plavbu. Rázové vlny pedstavují pomrn složitý hydraulický jev. Jeho prbh lze urit analytickým ešením nebo využitím numerických metod.

2. Cíle práce Náhlé podstatné zmny prtoku vody turbínami MVE mají za následek vznik rázových vln v pivadích a odpadních kanálech tchto vodních dl. ešení uvedených jev je i v souasnosti nároným problémem hydrauliky. Hlavním cílem zkoumání uvedených jev je pedevším stanovení základních hydraulických parametr rázových vln, které zahrnují výšku ela vlny a jeho postupové rychlosti. K danému úelu lze v zásad použít metody fyzikálního modelování (experimentální výzkum), matematického modelování pop. mení in situ. Diplomová práce bude sestávat ze dvou ástí. První teoretická ást je zamena na ešerši dostupných podklad v oblasti metod pro stanovení hydraulických parametr rázových vln, které vznikají v souvislosti s výskytem havarijních stav bhem provozu MVE. V druhé, navazující praktické ásti, je provedeno srovnání výsledk vybraných metod. Souástí praktické ásti je verifikace analytického ešení dle Gabriela [1] a numerického ešení pomocí 1D modelu s experimentálním pokusem na fyzikálním modelu [1]. Po ovení vhodnosti použití jsou metody aplikovány na již realizované MVE Železný Brod. 3. Výchozí podklady 3.1 Seznam podklad [1] GABRIEL, Pavel. Rázové vlny v derivaných kanáloch vodných elektrární. Bratislava: Slovenské vydavatestvo technickej literatúry, 1961. [2] PUZANOV, Alexander. ešení pohybu rázových vln v otevených korytech. Praha: SAV. Laborato pro vodní hospodáství, 1954. [3] BOOR, B., KUNŠTÁTSKÝ, J., PATOKA, C. Hydraulika pro vodohospodáské stavby. SNTL. Praha. 1968. [4] BARKAU, R.L. One-Dimensional Unsteady Flow Through a Full Network of Open Channels. Davis, CA, 1996. [5] ŠULC, J., JANDORA, J. Hydraulika. Brno: Akademické nakladatelství CERM, 2007. [6] ABELKA, Jaroslav. Využití vodní energie I. Bratislava: Slovenské vydavatestvo technickej literatúry, 1958. [7] KRATOCHVÍL, Stanislav. Využití vodní energie I. Praha: Nakladatelství eskoslovenské akademie vd, 1956.

[8] BROŽA, V. a kol. Využití vodní energie. Praha: eské vysoké uení technické, 1990. [9] ŠTOLL,., KRATOCHVÍL, S.,HOLATA, M. Využití vodní energie, Praha: SNTL, 1977. [10] P YRY ENVIRONMENT a.s., Geometrie pivade, pdorys stavidlového jezu, výkresová dokumentace MVE Železný Brod, Brno, 2010. [11] KNAP, J. Manipulaní ád MVE Železný Brod, Nová Paka, 2010. [12] ERTOUSOV, M.D. Gidravlika, specialnyj kurz, Gosenergoizdat, Moskva, 1957. [13] FORSCHHEIMER, PH. Wasserschwall und Wassersunk, Leipzig, 1924. [14] FAVRE, H. Étude théorique et experimentale des ondes de translation dans les canaux décourverts, Dunod, Paris, 1935. [15] GROVER, P., NAUMOV, A. a KHAYER, Y. Comparison of 1D and 2D models for Dam Break flow: Simulations for Two Different River Systems. XXth TELEMAC- MASCARET User Conference. 2013. s. 47-52, ISBN 978-3-939230-07-6. [16] GOUTAL, N., MAUREL., F., A Finite Volume Solver for 1D Shallow-Water Equations Applied to an Actual River, Int. J. Numer. Meth. Fluids 2002; 38:1-19. [17] SEZNAM. Mapy.cz. [online]. 5.1.2015 [cit. 2015-01-05]. Dostupné z: www.mapy.cz. [18] VODNÍ ELEKTRÁRNA ŽELEZNÝ BROD, a.s.. Malá vodní elektrárna Železný Brod. [online]. 5.1.2015 [cit. 2015-01-05]. Dostupné z: http://www.vezb.cz/cz/galerie/historie/#/ [19] BRŽEK, J. Místní šetení : Fotodokumentace, Železný Brod, 2015. [20] CEREMA, MASCARET v8.0 Note de principe, Paris, 2014. [21] REICHSTETTER, Hydraulic Modelling of Unsteady Open Channel Flow: Physical and Analytical Validation of Numerical Models of Positive and Negative Surges, Australia: The University of Queensland, 2011. 3.2 Zhodnocení výchozích podklad V dostupných materiálech je téma neustáleného proudní smováno hlavn do odvtví tlakového proudní [5], kde pi vzniku rázových jev vznikají výrazné škody. V domácí literatue se mžeme setkat se zpracováním uvedené problematiky pedevším od

Gabriela [1], který odvodil výpoet pro rázové vlny v pivadích vodních elektráren. Ve svém díle se pímo odkazuje na práci Puzanova [2], jenž se zabýval fyzikálním principem celého jevu. Postupy výpotu uvádné ostatními autory (viz. abelka [7], Kratochvíl [8] a Broža [9]) se odkazují na práci Gabriela [1] nebo jsou jím pímo zpracovány. Z hlediska aplikace numerického ešení je práce zamena na využití voln dostupných softwar zabývajících se ešením vodohospodáských úloh v 1D proudní, a to softwar TELEMAC- MASCARET [16] a HEC-RAS [4]. Odvozený postup stanovení prbhu rázových vln Gabriel [1] porovnal na experimentálním pokusu na fyzikálním modelu, jenž je souástí publikace [1]. Výsledky provedeného pokusu jsou využity pro verifikaci zvolených softwar. Následným vyhodnocením vzájemného porovnání zvolených charakteristik rázové vlny je urena vhodnost použití na vodohospodáských úlohách. Verikované metody jsou aplikovány na již realizované MVE Železný Brod [10] se zamením na kritické stavy provozu [11] a zptnou kladnou vlnu. 4. Nástroje ešení Není pedmtem veejné ásti práce. 5. Souasné metody ešení rázových vln Není pedmtem veejné ásti práce. 6. Verifikace metod ešení na fyzikálním modelu Není pedmtem veejné ásti práce. 7. Praktická aplikace v lokalit MVE Železný Brod Není pedmtem veejné ásti práce.

8. Závr a diskuze Není pedmtem veejné ásti práce. 9. Seznam tabulek Tab.1 Porovnání vypotených hodnot pro snížení prtoku z 90 na 60 l/s Tab.2 Porovnání vypotených hodnot pro úplné uzavení prtoku 60 l/s Tab.3 Porovnání vypotených hodnot pro snížení prtoku z 90 na 30 l/s Tab.4 Porovnání vypotených hodnot pro úplné uzavení prtoku 30 l/s 10. Seznam obrázk Obr. 5.1 schéma rázových vln pi zvtšení prtoku [1] Obr. 5.2 schéma rázových vln pi poklesu prtoku [1] Obr. 5.3 Schéma pro odvození pohybových rovnice dle A.Puzanova [2] Obr. 5.4 Typy rázových vln [1] Obr. 5.5 Schéma kladné zptné vlny [1] Obr. 6.1 Schéma hydraulického žlabu [1] Obr. 6.2 Vyhodnocení experimentálního pokusu snížení prtoku z 90 l/s na 60 l/s dle Gabriela [1] Obr. 6.3 Grafické porovnání vypotených hodnot pi snížení prtoku z 90 na 60 l/s Obr. 6.4 Grafické porovnání absolutních výšek pi snížení prtoku z 90 na 60 l/s Obr. 6.5 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 6 pi snížení prtoku z 90 na 60 l/s Obr. 6.6 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 4 pi snížení prtoku z 90 na 60 l/s Obr. 6.7 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 2 pi snížení prtoku z 90 na 60 l/s Obr. 6.8 Grafické porovnání vypotených hodnot pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.9 Grafické porovnání absolutních výšek pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.10 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 6 pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.11 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 4 pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.12 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 2 pi úplném uzavení prtoku 60

l/s Obr. 6.13 Grafické porovnání vypotených hodnot pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.14 Grafické porovnání absolutních výšek pi úplném uzavení prtoku 60 l/s Obr. 6.15 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 6 pi snížení prtoku z 90 na 30 l/s Obr. 6.16 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 4 pi snížení prtoku z 90 na 30 l/s Obr. 6.17 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 2 pi snížení prtoku z 90 na 30 l/s Obr. 6.18 Grafické porovnání vypotených hodnot pi úplném uzavení prtoku 90 l/s Obr. 6.19 Grafické porovnání absolutních výšek pi úplném uzavení prtoku 90 l/s Obr. 6.20 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 6 pi úplném uzavení prtoku 90 l/s Obr. 6.21 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 4 pi úplném uzavení prtoku 90 l/s Obr. 6.22 Grafické porovnání prbhu vlny v profilu 2 pi úplném uzavení prtoku 90 l/s Obr. 7.1 Situace širších vztah s vyznaením MVE Železný Brod [17] Obr. 7.2 Derivaní kanál MVE [19] Obr. 7.3 Vtokový objekt a strojovna MVE Železný Brod [19] Obr. 7.4 Stavidlový jez na ece Jizee vpravo vtokový objekt derivaního kanálu [19] Obr. 7.5 Nátok do derivaního kanálu MVE, proplachovací propust I (vlevo) [19] Obr. 7.6 Podélný ez strojovnou MVE Železný Brod [10] Obr. 7.7 Prbh rázové vlny v podélném profilu (TELEMAC-MASCARET) Obr. 7.8 Hladina v píném profilu ve zvoleném asovém kroku (TELEMAC- MASCARET) Obr. 7.9 Výsledné ešení pro uzavení prtoku a následného otevení proplachovací propusti II Obr. 7.10 Výsledné doby dobhu pro uzavení prtoku a následného otevení proplachovací propusti II Obr. 7.11 Výsledné doby dobhu pro uzavení prtoku bez otevení proplachovací propusti II Obr. 7.12 Výsledné ešení pro uzavení prtoku bez otevení proplachovací propusti II