Návrh a výpočet složeného koryta

1. Návrh a výpočet složeného koryta Jan Krupička jan.krupicka@fsv.cvut.cz ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

2. Obsah • NÁVRH SLOŽENÉHO PROFILU • HYDRAULIKA SLOŽENÉHO PROFILU • VÝPOČETNÍ METODY ŘEŠENÍ SLOŽENÉHO PROFILU ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

3. Definice • Koryto se složeným příčným profilem: • z hlediska geometrie – profil nemá jednoduchý tvar • z hlediska hydrauliky – velké rozdíly v rychlostech v jednotlivých částech profilu • Umělá koryta - obvykle složený lichoběžníkový profil, který tvoří sekce: • prohloubenákyneta • jedna nebo dvě výše položené bermy ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

4. Účel návrhu • Hlavní účel návrhu: • zvýšení kapacity koryta při zachované poloze hladiny na tocích, kde hrozí vylití z břehů • omezení šířky rozlivu při přelití břehů původního koryta • Soustředění nízkých průtoků do menší průtočné plochy s větší hloubkou a rychlostí • zmenšení rozdílu mezi hladinami při malých a velkých průtocích na tocích s časově nevyrovnanými odtokovými poměry (strmá křivka n-denních průtoků) způsob vytvoření ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

5. Účel návrhu Qn [l.s-1] Nevyrovnané odtokové poměry • Proč nechceme velké rozdíly hladin? • Kolísání hladiny podzemní vody na přilehlých pozemcích • Malé hloubky při malých průtocích: • malá rychlost proudění, zanášení a zarůstání • nadměrné prohřívání vody • v extrému i úhyn vodních živočichů n [dny] 0 360 ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

6. Princip návrhu • Koryta malých toků, revitalizační úpravy: • vylití z kynety se předpokládá několikrát v roce, kyneta se navrhuje na n-denní průtok • kyneta má zajistit dostatečnou hloubku a rychlost při nízkých průtocích (konkrétní čísla závisí na vodnosti toku a složení fauny) • z hlediska zemědělského využití okolních pozemků se doporučuje: • při Q210d hloubka min 0,4 m, rychlost min 0,4 m/s • při Q180d by nemělo docházet k podmáčení pozemků ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

7. Princip návrhu • Zvýšení kapacity koryta při povodních: • vylití z kynety se předpokládá při povodních, kyneta se navrhuje pro N-leté průtoky, kde N je cca 1~3 • bermy mají zajistit dostatečnou průtočnou plochu a tím i kapacitu koryta Právě dokončená úprava Ostravice v Ostravě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

8. potok Modla Cidlina Příklady složených koryt Radbuza v Plzni ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

9. Příčný profil • Dno kynety pokud možno přirozené, u revitalizací co nejvíce členité (balvany, tůně, ...) • Svahy kynety se opevňují – kamenné záhozy, rovnaniny, při větším namáhání i dlažba ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

10. Příčný profil • Bermy mírném sklonu (min 1% - zanášení) ke kynetě, zatravněné • Šířka bermy - pojezd techniky (sečení) • Proudění bermou pro průtoky s dlouhou dobou opakování - možno i rekreační využití (hřiště, lavičky, cyklostezky) - Nesmí příliš zvyšovat drsnost a zachytávat spláví. ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

11. Příčný profil • Způsob provedení • plně zahloubený • provedení kynety ve stávajícím korytě • hloubení bermy nákladné • částečně zahloubený • hráze - nebezpečí podmáčení pozemků za hrází – jen pro krátkodobé rozlivy do bermy • Vícenásobně složené profily ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

12. Vedení kynety • Kyneta je rovnoběžná s bermami • Osa kynety svírá s bermami úhel • kyneta je přímá, mění se šířka levé a pravé bermy • kyneta meandruje v pásu vymezeném břehem levé a pravé bermy • umožňuje zmenšit sklon dna kynety oproti bermám a dosáhnout tak větších hloubek a členitosti • stěhovavá kyneta – umožní se volný vývoj kynety mezi bermami – ekologicky hodnotné ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

13. Příklady složených koryt river Main v Irsku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

14. Příklady složených koryt river Main v Irsku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

15. Střetávání pomalých a rychlých proudů • Složité trojrozměrné hydraulické jevy, vzájemné ovlivňování pomalých a rychlých proudů Proudění ve složeném profilu • Nehomogenní proudění – velké rozdíly rychlostí v různých částech koryta ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

16. Břehy kynety Fotografie hladiny Jevy ve smykové vrstvě Přenos hybnosti: • Reynodlsova turbulentní napětí • příčné proudění • makrovíry se svislou osou ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

17. Důsledek těchto jevů • Reynoldsova napětí ve svislici, příčné proudění, víry se svislou osou • Přenos hybnosti napříč profilem: • vyrovnávání rychlostí mezi sekcemi • vyšší rychlosti v bermách • vyšší ztráty třením v bermách • vyšší tečné napětí v bermě (zvláště blízko kynety) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

18. Nehomogenní proudění • Výskyt: • Právě zmíněná umělá složená koryta • Přirozená koryta se složeným profilem • Široká mělká koryta s výrazně se měnící drsností dna • Všechna koryta při vylití z břehů • Typické proudění záplavovým územím při povodních • potřeba jevy spojené z nehomogenním prouděním zohlednit ve výpočetních postupech ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

19. 2D a 3D modelování +přesný popis založený na fyzikálních vztazích velká výpočetní náročnost, vstupní data Empirické metody +jednoduché málo spolehlivé při jiných podmínkách, než pro které byly odvozeny Jednorozměrné metody + jednoduchý, zaběhnutý postup obtížné zahrnutí interakcí mezi proudy hrubá předpověď svislicových rychlostí 1,5D modelování - LDM + zohledňuje dění napříč korytem výpočetně náročnější Výpočet složených koryt ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

20. Jednorozměrné metody • Základem je dělení do sekcí pomocí: • svislic – jednoduché, u nás běžně používané • diagonál – pod různými úhly • horizontál – spíše pro případy, kdy je kyneta skloněna vůči bermám, nebo meandruje • kombinované • Výpočet průtoku každou sekcí jako u jednoduchého koryta, výsledný průtok - součet ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

21. Dělení pomocí svislic • Místo dělení: • na rozhraní kyneta-berma • v každém zaměřeném bodě příčného profilu (HEC-2) • v bodech, kde se mění drsnost (HEC-RAS) • Způsob zahrnutí interakce mezi proudy: • žádný - svislice se nezapočítává • svislice se započítá do omočeného obvodu kynety • náhradní drsnost ve svislici • může dávat dobré výsledky při výpočtu kapacity, ale • je obtížné ji dobře odhadnou ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

22. Bousmarova metoda - EDM • Vychází z obvyklého dělení profilu do tří sekcí • Přenos hybnosti modeluje pomocí výměny proudů různé rychlosti mezi sekcemi, rozlišuje výměnu: • turbulentní – v podstatě Reynodlsova napětí včetně vlivu makrovírů • geometrickou – přetok vody mezi sekcemi při nerovnoměrném proudění vlivem změny kapacity • umožňuje přímý výpočet nerovnoměrné proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

23. Empirické metody • Zpravidla vycházejí z dělení profilu do sekcí • Průtoky jednotlivými sekcemi opravují pomocí empirických vztahů a až následně sčítají • Korekce založené na: • ohodnocení tečného napětí v dělící svislici na základě rozdílu rychlostí v přilehlých sekcích (lze označit jako poloempirické) • stanovení ryze empirických korekčních součinitelů na základě tvaru koryta – například Ackersova metoda UB UK UB t t t~ (UK – UB) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

24. Ackersova metoda - AEM • Odvozena na základě měření v HR Wallingford na složeném lichoběžníkovém profilu • Dělení do 3 sekcí, dílčí průtoky sekcemi násobeny korekcí DISADF závislou na regionu proudění Reg. Koherence COH = míra homogenity proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

25. metoda James & Wark • Zástupce metod pro kynetu meandrující mezi bermami. Dělí profil do čtyř částí: • kyneta po úroveň břehů S1 • pás berm ve kterém meandruje kyneta S2 • zbývající části berm S3 a S4 • pro vlnovitosti s = 1,1~2 • Empirické vztahy pro zahrnutí jevů v meandrujícím korytě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

26. Jevy v meanrující kynetě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

27. Jevy v meandrující kynetě • překrývání proudů různého půdorysného směru (kyneta po břeh X proud nad úrovní břehu) • nutnost oddělit kynetu horizontální plochou, na které dochází ke tření • Značné zvýšení odporů proudění při vylití ze břehů oproti přímé kynetě ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

28. LDM • Lateral Distribution Method – tzv. 1,5D metoda. • Řídící diferenciální rovnice řeší zákon zachování podélné složky hybnosti napříč korytem: • (I)zdrojový (gravitační) člen • (II) člen tření na dně koryta • (III) člen turbulentních napětím ve svislici • (IV) člen přenosu hybnosti konvekcí prostřednictvím sekundárních příčných proudů ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

29. Vstupy: příčný profil, drsnosti, poloha hladiny, sklon čáry energie vyznačení břehů kynety 1D výpočetní síť pro numerické řešení dif. rce. Výstupy: svislicové rychlosti vbodech sítě průtok, součinitel kinetické energie, tečná napětí na dně LDM – vstupy a výstupy ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

30. LDM – výhody a nevýhody • Nevýhody: • větší výpočetní náročnost než klasické 1D metody (řešení třídiagonální matice soustavy rovnic) • zatím málo v praxi ozkoušená • složitější na pochopení • Výhody: • větší přesnost popisu než klasické 1D metody, přičemž jsou náročnost na vstupní data stejná • malá výpočetní náročnost oproti 2D modelování ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

31. Porovnání různých metodv programu SLOŽKORhttp://hydraulika.fsv.cvut.cz/vyzkum/nejistoty/koryta/ke_stazeni.html ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

32. Složkor - metody • SCM (Single Channel Method) – jako jednoduchý profil • DCM (Divided Channle Method) – dělení do sekcí v uživatelem zadaných bodech, přičemž: • DCM1 – svislice se započítají do omočeného obvodu s nulovou drsností • DCM2 - svislice se nezapočítají do omočeného obvodu • DCM3 – svislice se započítají s náhradní drsností • SSGM (Sum of SeGment Method) – dělení profilu v každém bodě – jako starý HEC-2 • DZD (Dělení Změnou Drsnosti) – jako poslední HEC-RAS • AEM (Ackersova Empirická Metoda) • LDM (Lateral Distribution Method) ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

33. Porovnání s fyzikálním modelem ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

34. Porovnání s fyzikálním modelem • AZZU – aktivní zóna záplavového území • Zde jako oblast provádějící 80% celkového průtoku ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie

35. Porovnání s fyzikálním modelem • Součinitel kinetické energie – míra nehomogenity proudění • Vystupuje v rychlostní výšce, tím ovlivňuje výpočet nerovno-měrného proudění ČVUT v Praze, Katedra hydrauliky a hydrologie