uporaba hibridnega hidravličnega modeliranja pri načrtovanju
asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 193 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA asist. Gašper RAK* asist. Matej MÜLLER* mag. Sašo ŠANTL* prof.dr. Franci STEINMAN* UPORABA HIBRIDNEGA HIDRAVLIČNEGA MODELIRANJA PRI NAČRTOVANJU BODOČE HE BREŽICE POVZETEK Na področju spodnje Save je bil v okviru izgradnje bodoče pretočne hidroelektrarne Brežice izdelan hibridni hidravlični model. Tovrsten model združuje prednosti fizičnega in matematičnega modeliranja: fizični model natančneje opiše pojave turbulence in druge tridimenzionalne pojave, ki se pojavljajo na obravnavanem območju; matematični model pa nadgrajuje fizični model, ko je potrebno izdelati veliko število simulacij pri različnih spremembah v fazi projektiranja elektrarne in nudi boljši pregled rezultatov, kar pomembno koristi za podporo odločanju. Tovrstno modeliranje omogoča tudi primerjavo rezultatov v fazi kalibracije in verifikacije modela, kar privede do zmanjšane stopnje negotovosti v rezultate, predvsem pri obravnavi dogodkov z visoko povratno dobo. Tak pristop je bil izbran zaradi negotovosti razpoložljivih podatkov ter zavoljo precejšnje kompleksnosti primera, saj je na območju Krško-brežiškega polja treba obravnavati vrsto hidroloških, hidravličnih in morfoloških dejavnikov, ter antropoloških vplivov in zahtev, med katere spada tudi zagotavljanje varnega delovanja nuklearne elektrarne Krško. V prvi fazi je bil izhodiščni model uporabljen za namen analize sedanjega stanja (preučitev odtočnega režima, trenutnih retenzijskih sposobnosti in poplavne nevarnosti v vplivnem območju načrtovane elektrarne), v drugi fazi pa so se z modelom analizirale in optimizirale variante zasnove HE Brežice ter drugi načrtovani posegi in ukrepi za zagotavljanje poplavne varnosti v vplivnem območju. UVOD Projektiranje hidroenergetske izrabe reke Save v območju med Krškim in državno mejo s Hrvaško je zaradi mnogih vpletenih morfoloških, hidroloških, hidravličnih in antropogenih dejavnikov zelo zapleteno. Poleg urejanja odtočnega režima, vezanega na obratovanje načrtovane hidroelektrarne, je treba upoštevati tudi ohranjanje stanja pri jezu Nuklearne elektrarne Krško in obstoječega odtočnega režima iz obravnavanega območja dolvodno od sotočja s Krko. Ker ni bilo na voljo dovolj meritev iz preteklih visokovodnih dogodkov, se je k obravnavi območja pristopilo z izvedbo hibridnih hidravličnih modelov. Pri tem gre za hkratno simulacijo razmer na fizičnem in na matematičnem modelu, s čimer je možno dovolj zanesljivo simulirati dinamično dogajanje na obravnavanem območju pri višjih pretokih, tudi pri tistih, ki se na obravnavanem območju do sedaj še niso pojavili. Modeliranje območja HE Brežice je le ena od nalog izdelanih v sklopu naloge Izvedba hibridnih hidravličnih modelov za območje spodnje vode HE Krško, območje HE Brežice in območje HE Mokrice. Celotni obseg raziskav naloge zajema območje od HE Krško do državne meje s Hrvaško in je zajet v 3 območja obdelave, kot to prikazuje 0. Prvi, zgornji del območja, kjer se gradi HE Krško je bil simuliran z nedistorziranim fizičnim modelom. Območje dolvodno od Krškega, kjer se Sava v času visokih pretokov razlije po obsežnih poplavnih površinah, do meje s Republiko Hrvaško je bilo razdeljeno na dva dela, kot sta deljena tudi DPN za HE Brežice in HE Mokrice. Večja natančnost in boljše ujemanje rezultatov na stiku obeh območij se je doseglo z prekrivanje obeh modelov. Hidravlični model območja HE Brežice oz. Krško-Brežiškega polja in HE Mokrice sestavljata fizični in matematični model, ki oba pokrivata enako prostorsko območje. Modela se medsebojno dopolnjujeta in skupaj omogočata simulacijo vseh merodajnih hidroloških situacij in različnih variant gradbenih ukrepov ter njihovih kombinacij. * assist. Gašper RAK, univ. dipl. inž. VKI., asist. Matej MÜLLER, univ. dipl. inž. gradb., *Sašo ŠANTL, univ. dipl. inž. gradb., *prof.dr.Franci STEINMAN, univ. dipl. inž. gradb., Univerza v Ljubljani, Fakulteta za gradbeništvo in geodezijo, Hajdrihova 28, 1000 Ljubljana 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 194 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA Slika 26: Območja obravnave s hidravličnimi hibridnimi modeli, kot podlaga je uporabljena »opozorilna karta poplav – katastrofalne poplave« - vir: ARSO Pri fizičnem modelu narekuje modelno merilo dolžin predvsem nabor hidravličnih parametrov, ki predstavljajo načrtovani rezultat raziskave, velikost eksperimentalnega prostora (odprti del, laboratorijska dvorana), kapacitete instalacij ipd., merilo višin pa še dodatno sile površinske napetosti, viskoznosti idr., ki preprečujejo modeliranje pri (pre)majhnih globinah vodnega toka. Zato je bila pri obeh območjih za obravnavanje tako obširnega območja vodotoka in poplavnih površin nujna izbira ti. distorziranega hidravličnega modela, pri katerem imamo različni merili za dolžine (1:125) in višine (1:62,5). Tudi matematično modeliranje ima svoje omejitve, običajno glede velikosti računskega elementa, računskega časa, predvsem pa procesov (npr. vodni skok, obratovanje hidromehanske opreme itd.) ali elementov (npr. prelivi), oziroma notranjih robnih pogojev (npr. trasa AC čez poplavno območje), ki jih lahko zadovoljivo simulirajo. Uporabljen je bil matematični model MIKE Flood, ki omogoča modeliranje vseh hidravličnih razmer na obravnavanem območju (vodotok, prelivanje v inundacije, vodne zgradbe, obratovanje prelivov na HE idr.). Za nekatera območja (npr. razmere pri visokih vodah pri NEK) pa je bilo opravljeno podrobnejše modeliranje, z manjšo velikostjo računskih celic, kar omogoča še natančnejši vpogled v tokovne razmere na posameznih lokacijah. V članku je prikazan postopek povezovanja fizičnih in matematičnih modelov, ter umerjanja modelov in nato še verifikacija rezultatov matematičnega modela z izmerjenim stanjem ob poplavah leta 1990 in leta 2010. V prvi fazi je bilo modelirano obstoječe stanje ob različnih visokovodnih valovih, tako iz preteklih dogodkov kot pri statistično verjetnih pojavih, podanih s sintetičnimi hidrogrami. Analizirana so bila območja poplavljenosti, hitrostna polja toka vode, vpliv volumna retenzije, časovni zamik poplavnega vala med dotokom in odtokom z obravnavanega območja, ter izdelane karte poplavne nevarnosti v skladu s predpisi (Pravilnik, 2007). Umerjen matematični model HE Brežice, ki je bil namenjen izvajanju hidravličnih analiz za določitev obstoječega stanja, je bil izhodišče za pripravo hidravličnega matematičnega modela bodočega/načrtovanega stanja na območju HE Brežice. V nadaljevanju je podana tako vzpostavitev matematičnega modela za načrtovano stanje kot tudi optimizacija objektov HE Brežice. Na koncu so predstavljeni tudi rezultati optimizirane variante. Podana je tudi primerjava med obstoječim in bodočim stanjem optimizirane variante. HIBRIDNI MATEMATIČNI MODELI (HHM) Hibridni hidravlični model je dobil svoje ime zato, ker je v celoto povezal sistem fizičnih in matematičnih hidravličnih modelov. Tako je doseženo, da se procesi modelirajo s tistim orodjem, ki je za posamezen proces najprimernejši, hkrati pa je zagotovljena medsebojna primerjava, kar je nujno, kadar so razpoložljive meritve stanja iz preteklih dogodkov redke oz. pomanjkljive. Zlasti pri načrtovanju pomembnejših objektov vodne infrastrukture (npr. hidroelektrarne), ki bi zaradi neustreznega načrtovanja lahko povzročilo bistveno spremembo odtočnega režima in posledično 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, R asist. M. MÜLLER M mag. S. ŠA ANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 195 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA P UPRAVL LJANJA Z VOD DAMI IN UREJA ANJA VODA poplavno o nevarnost in ogroženosst večjih razssežnosti, se pogosto p istoččasno vzposstavita dva hiidravlična modela, ob matemattičnem mode elu še fizični model. Fizični modeli pri tem zlasti zagotavljajo predvsem p tiste info ormacije o procesih, ki jiih tudi sodob bni matemattični modeli še ne morejjo zadovoljiv vo opisati (predvse em turbulencca in razni z njo povezan ni 3D pojavi). Matematičn ni modeli pa fizične dopo olnijo tam, kjer je potrebno p veliko število variantnih v an naliz, s preve eritvijo velike ega števila p podatkov v postopku optimiza acije načrtova anja, ter ted daj, ko je po otreben izčrp pen in učinko ovit prikaz re ezultatov v postopkih p odločanja. Prav tako o matematičn ni modeli lahko omogoča ajo analize za a veliko večja območja, kot k fizični modeli, ki k so omejeni z zmogljivo ostjo laborato orija. Z izvedb bo dveh mod delov istega obravnavane ega območja a se prav takko zagotovi u ustrezno medsebojno umerjanjje modelov. Na primer, če je matematični mod del (MM), za aradi hitrejše e vzpostavitv ve in bolj obvladljivvega delovnega okolja, vzpostavljen v za večje poplavno obmo očje, je doda atni fizični mo odel (FM) potreben n predvsem zaradi ume erjanja matematičnega modela m pri višjih v pretokkih, za katerre se kot izhodišče e uporabijo rezultati fizzičnega mod dela. Zaradii tega se in nterval zaup panja v rezu ultate pri matemattičnem mode elu zmanjša oziroma se izboljša zaupanje v rezu ultate v obmo očju ekstrapo olacije, to je za do ogodke, za katere k obstajja majhna statistična ve erjetnost, da bi se v prih hodnosti lahk ko zgodili (Slika 27 7) (Šantl, 201 10). Slika 27: Shematski prrikaz umerjanjja in uporabee matematičneega modela (M MM) na podlaagi terenskih meritev m ob visokih vodaah (točke) in rezultatov fizzičnega modela (FM) ter posledičnega p zmanjševanja a intervala zaupanja, kii se doseže s hibridnimi h moodeli, za potreebe ekstrapolaacije: statističčno verjetnih dogodkov, d ki se še niso zgodili, vse do d verjetno najjvišjih pretoko ov (Probable Maximum M Floood – PMF) Kot mod deliranje z enim e samim orodjem, tu udi pri hibridnih modelih delo poteka a skozi več faz - od modela ter kalibracije in validacije modela. začetneg ga zbiranja in pregleda podatkov, vzpostavitve v Večina postopkov p m modeliranja s fizičnim in matematičn nem modelom poteka isstočasno. Po o končani kalibracijji na podatke e iz narave sledi primerjjava rezultattov. V primeru odstopanjj se poišče vzroke v in izvede potrebne p mo odifikacije enega ali dru ugega mode ela, čemur sledi fino u umerjanje. Ker K je pri matemattičnem mode elu možna veliko v lažja in n hitrejša sprememba modela, se je na njem izv vedla tudi analiza občutljivosti o na vhodne podatke. p Ko je j dosežena a želena oziroma zahteva ana stopnja zaupanja v rezulta ate modelov, se lahko začne z analiziiranje bodisi različnih do ogodkov, ki so se ali bi se lahko zgodili, bodisi b vplive različnih possegov v prosstor na odtoč čne razmere. Različne va ariante in mo odifikacije ter optim mizacije pose egov v prosstor se vrši z matematič čnem modelo om, končna varianta pa a se nato preveri še š s fizičnim modelom (Slika 28). 22. MIŠIČEV VODAR RSKI DAN 2011 asist. G. RA AK, asist. M. MÜ ÜLLER mag. S. ŠAN NTL, prof. dr. F. F STEINMAN - 196 - AKTUALNI P PROJEKTI S PO ODROČJA UPRAVLJJANJA Z VODA AMI IN UREJAN NJA VODA Slika 28: Prepletanje in povezovanjee pri vzpostavvitvi fizičnega in matematičnnega za primeer modeliranja a območja H Brežice. HE VZPOS STAVITEV V MODELA A OBMOČJ JA HE BREŽICE ZA A SEDANJE E STANJE E Velikost območja HE E Brežice je narekovala n p fizičnem modelu pri m distorrzirano merillo v vertikaln ni smeri, s čimer se e je bilo mogoče izogniti laminarnemu u toku preko o poplavnih površin p in zagotoviti meriitve razlik v nivojih h vode. Fakktor distorzije in modeln nega merila a je bil ome ejen s prosttorskimi kap pacitetami laboratorrija, modelne e natančnostti in hidravličn nih omejitev (Kobus, 198 80): n ≤ 0,1(b h )n nmax = [0,2 (k h )n ] 13 Lr max = C ⋅ n10 3 , C = 5,65 ⋅10−3 ⋅ Re 2n 3 (k h )n , 79 Kjer je b [m] širina vo odne površin ne, C koeficie ent, h globina a vode [m], k ekvivalent hrapavosti zrna z [mm] (Nikurad dse), Lr merrilo dolžin [-], [ Q pretok in Re Re eynoldsovo število [-]. Razpoložljiv vi prostor laboratorrija je omog gočal realiza acijo fizičneg ga modela območja o HE Brežice v m merilu dolžin n Lr=125, medtem ko bil fakto or distorzije enak e n=2, kar k daje skupaj nmax=2,2 2 za pretok Qn=5000m3/s. / Faktor t enak: merila prretoka je bil torej Qr = L5r 2 n 3 2 = 611763,24 ego natančne e topografije e uporabljeni leseni preč čni profili, Pri gradnji fizičnega modela so bili za dose 2 zgornji, 5cm debel, betonski slo oj površine 1500m 1 pa je j bil, zaradi zahtevnostti dela in topografije, izveden v več fazah. Povsem povvršinski sloj modela je izv veden s cem mentnim mlekkom. V telo modela m je bilo vgra ajenih 40 piezzometrov, ki so kasneje služili s za opra avljanje meritev. V fazi um merjanja fiziččnega modella se je spre eminjala hrap pavost rečnega korita in poplavnih po ovršin, za kar so se e uporabljale e različne frakcije peska. Velikosti zrn n pa so bile povezane p z rrabo prostora a v naravi (gozd, trravniki, njive e itd.). Fizičn ni model je predvsem p služil za določitev gladin vode in pre etokov na poplavnih površinah, saj teh pod datkov za razzlične poplav vne dogodke e iz narave, ni bilo na vo oljo. Prav tako so bile s simula acijami z razzličnimi barvvili določene glavne poti vodnega toka preko rettenzije. S pomočjo o tokovnic so o se določila tudi podro očja, ki jih je e bilo mogo oče izločiti s pomožnimi ločilnimi stenami.. Pretok prekko posamezn nih področij se s je izvredno otil s pomočjo Thompson novih prelivov v. 22. MIŠIČEV VODAR RSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 197 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA Slika 29:Fotografija fizičnega modela, iz katere se lepo vidi obarvana trajektorija/tokovnica. Hidrodinamični matematični model območja bazena HE Brežice je bil vzpostavljen s programsko opremo MIKE Flood, ki združuje programsko okolje za modeliranje 2D modela (MIKE 21) in programsko okolje za modeliranje 1D modela (MIKE 11) (Slika 30). Izbor takega modela temelji predvsem na zahtevah po analizi bodočega stanja, saj programska oprema MIKE 11 omogoča vgraditev različnih objektov z možnostjo simuliranja dinamike njihovega obratovanja v odvisnosti od časovne spremembe pretoka. Ustrezno vodenje poplavnega vala, ki ne bo prinesel dodatne poplavne nevarnosti, je namreč bistvena zahteva pri optimizaciji načrtovanja objektov HE Brežice. Slika 30: Zasnova matematičnega modela – sistem 1D model vodotokov in 2D model območij poplavljanja. Celotno območje matematičnega modela za HE Brežice zajema reko Savo v dolžini 17,100 metra in reko Krko od izliva v Savo do vodomerne postaje Podbočje gorvodno. Matematični model poplavnega območja ima tako površino 31,89 km2. Torej obsega prostor, ki je kar 36% večji od fizičnega modela in omogoča simuliranje dotoka Krke kot tudi učinkovitejšo simulacijo nestalnega toka. Pri matematičnem 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 198 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA modelu so bili upoštevani trije vhodni in dva izhodna robna pogoja. Poleg tega je bil kritičen tudi notranji robni pogoj in sicer jez NEK. Modeliran je bil z uporabo Villemonte-jeve enačbe za jez (MIKE, 2009). KALIBRACIJA IN VERIFIKACIJA HHM Tako fizični kot matematični model je bil v prvi fazi neodvisno od drugega umerjen na meritve iz narave ob visokovodnih dogodkov iz obdobja 2007-2009. Pri tem so bili izbrani dogodki s pretoki Q=1230 m3/s, 1595 m3/s in 2466 m3/s. Pri 1230 m3/s je vsa voda še v strugi, pri pretoku okoli 1600 m3/s se ponekod že pojavlja delno prelivanje na retenzijo, pri dogodku iz leta 2007, ko je pretok znašal okrog 2460 m3/s, pa sta bili aktivni že obe retenziji. Za vse tri dogodke so bili na voljo podatki iz 13-ih merilnih mest vzdolž odseka Krško-Brežice, ki so bila opremljena z merilnimi sondami z namenom pridobiti podatke visokih vod za nalogo HHM. Umerjanje fizičnega modela je potekalo odsekoma z spreminjanjem hrapavosti rečnega korita. Pri tem se je uporabljal pesek granulacije 8mm v kombinaciji s cementnim mlekom. Podobno se je umerjal matematični model, kjer se je odsekoma spreminjal Manningov koeficient hrapavosti. Postopek je potekal v treh fazah: • Umerjanje izhodnega robnega pogoja, • Umerjanje parametrov jezovne zgradbe NEK, kot notranji robni pogoj, • Umerjanje koeficientov hrapavosti struge Save in poplavnih območij. Ob gradnji jezu NEK, je bila na Vodnogradbenem laboratoriju (danes Inštitut za hidravlične raziskave) s pomočjo fizičnega modela sicer določena pretočna krivulja, vendar pa le-ta danes ni več povsem natančna, saj so se, zaradi poglabljanja struge dolvodno od jezu, hidravlične razmere delno spremenile. Zato so se pri določitvi parametrov jezu NEK, uporabljali prečni profili iz leta 1986. Za matematičen model se je izdelala tudi analiza občutljivosti, v kateri so se posebej analizirale razmere pri spremembi koeficienta hrapavosti na retenzijskih površinah in v strugi Save v razponu ± 20 % in občutljivost izračunov glede na negotovost vhodnih podatkov za pretoke (± 5 %). Ker se je analiza izdelala za pretok 2466 m3/s, ko je obseg poplavljanja še sorazmerno majhen, je nihanje globin in dosega poplavljanja na obvodnem prostoru lahko veliko. Enako velja tudi za vodostaj v strugi, v kateri ima razpon cca. 123 m3/s glede na osnovni pretok še razmeroma velik vpliv. Pri višjih pretokih, ko je območje poplavljanja bistveno večje, je vpliv tolerance pretoka seveda manjši. To je se je bolj nazorno pokazalo pri določanju poplavnih linij za pretok Q= 4000 m3/s tudi za toleranco ±5% pretoka, ki je pokazala, da je posledična sprememba poplavnih linij veliko manjša (Slika 31). Slika 31: Variiranje območja poplavljenosti pri Q = 4000 m3/s ± 5%. Po vzpostavitvi modelov sta se pri umerjanju v prvi fazi oba modela umerjala na izvedene meritve v naravi, v drugi fazi pa so se medsebojno primerjali izmerjeni rezultati na fizičnem modelu in izračunani 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, R asist. M. MÜLLER M mag. S. ŠA ANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 199 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA P UPRAVL LJANJA Z VOD DAMI IN UREJA ANJA VODA rezultati na matema atičnem mod delu. Verifika acija končno o umerjeneg ga matematičnega mode ela se je opravila z meritvam mi poplavnih dogodkov jeseni leta 1990 in se eptembra 20 010. Pri verrifikaciji z dogodko om leta 1990 0 je bila spre emenjena ba atimetrija stru uge in sicer so bili upora abljeni prečni profili iz leta 1986. Spreminja anje struge Save ima svvojo dinamik ko in pri prim merjavi batim metrije iz leta a 1986 in 2007 se je izkazalo, da je na nekaterih mesttih prišlo do izrazitega po oglabljanja. K Ker ima strug ga zaradi poglablja anja danes večjo v prevodn nost, bi pri simuliranju do ogodka iz letta 1990 in up poštevanju batimetrije iz leta 2007, dobili bodisi b nižje gladine g in s tem t manjši obseg o poplavljenosti, bodisi bi za en nake kote gladin in n obseg popllavljenosti morali m poveča ati pretok. Ve erifikacija z letom 1990 je glede na gladinska g stanja pokazalo p dob bro ujemanje e, pri obseg gu pa je prihajalo do nekaterih odsstopanj, kar je lahko posledica spremembe topograffije poplavniih območij in zalednih ter lastnih voda na nekaterih območjih h. Zaledne in n lastne vode e v modelu niso n bile upo oštevane. Pra av tako je prrimerjava rez zultatov z meritvam mi ob dogod dku iz septe embra 2010 pokazala zelo z dobro ujemanje u z največjimi odstopanji o ±12cm. Na N spodnji sliki s je vzdolžžni profil Save e od papirnic ce Vipap v Krškem K do Te erm Čatež z vrisanimi izmerjen nimi maksima alnimi kotami Save. Slika 32: Primerjava poteka p gladin Save od pappirnice Vipap v Krškem do Term Čatež z vrisanimi izzmerjenimi maksimalnim mi kotami Savve za visokovoodni dogodek iz i septembra 2010 2 OPTIM MIZACIJA NAČRTOV N VANEGA STANJA S HE H BREŽIC CE Izhodišče za pripra avo hidravliččnega mate ematičnega modela bod dočega/načrrtovanega stanja s na območju u HE Brežice e je bil umerje en matematični model HE Brežice za a določitev ob bstoječega stanja. s Za posamezzne posege,, njihovo kombinacijo ozz. izločanje ovir vodnem mu toku je b bilo treba sp preminjati geometrijske podatkke, zajete v matematiččni model obstoječega a stanja, sp preminjati hiidravlične parametre (npr. koeff. trenja zara adi spremenjene rabe pro ostora) oziro oma paramettre odtočneg ga režima (smeri, ja akosti, potekk vodnih toko ov, robni pog goji). Vse varriante so bile izdelane za podporo načrtovanju in umeščanju HE Brrežice in osttalih objekto ov v obsegu DPN HE Brežice v pro ostor, zato so o analize ne tako, kot so jih pottrebovali pro ojektanti. Na a podlagi izzhodišč in zzasnove sisttema, ter opravljen spremem mb in pobud, ki so se po ojavile v času u izvajanja hibridnega h hidravličnega modeliranja,, se je za analizo bodočega/na b ačrtovanega stanja mate ematični mod del obstoječe ega stanja m modificiral na aslednjimi spremem mbami: • R Razširitev 1D D modela strruge Save do o načrtovanih h nasipov (ti.. območje akkumulacije) • Sprememba topografije na območju načrtovan S nih posegov z vzpostavvitvijo novih višinskih k koordinat raččunskih celicc 2D modela v območju nasipov n oziro oma drugih p predvidenih nadvišanj n 22. MIŠIČEV VODAR RSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 200 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA (ŠRC Vrbina, nasipi, deponije) ali načrtovanih poglobitev (nadomestni habitat - načrtovani gramoznici) • Vgraditev geometrije levega in desnega razbremenilnika na korenu zajezbe, kjer so se iskale potrebne dimenzije teh objektov (desni je bil kasneje izločen in nadomeščen z linijskim prelivnim objektom) in samega jezovnega objekta HE Brežice, s pogoji načrtovanega obratovanja ob visokih vodah • Sprememba koeficientov hrapavosti (nG) znotraj nasipov – v območju akumulacije se pričakuje manjšo hrapavost, ki jo je bilo treba še ovrednotiti • Visokovodne ureditve za zaščito naselij na vplivnem območju HE Brežice pred visokimi vodami, ki so bile v začetni fazi načrtovane na obseg poplav iz Opozorilne karte poplavne nevarnosti, kasneje pa prilagojene natančnejšim hidravličnim izračunom • Spremembe modelnih in obratovalnih parametrov v samem procesu optimizacije. Pri tem je bilo treba v procesu optimizacije objektov in delovanja HE Brežice upoštevati naslednje pogoje in zahteve: • Začetek poplavljanja pri načrtovanem stanju se pojavi pri enakih oziroma višjih pretokih, kot pri obstoječem stanju • ohranjanje obstoječega stanja odtočnega režima dolvodno od načrtovanih posegov (še posebej razmere na državni meji), • ohranjanje oziroma izboljšanje poplavne varnosti v vplivnem območju načrtovanega posega, • ohranjanje oziroma izboljšanje erozijske varnosti v vplivnem območju načrtovanega posega in • upoštevanje varnostnih operativnih zahtev NEK s poudarkom na nemotenem zagotavljanju hladilne vode in poplavni varnosti objektov. Končna situacija načrtovanega stanja z vsemi posegi v prostor po DPN za HE Brežice je prikazana na spodnji sliki. Slika 33: Situacijski pregled vseh predvidenih posegov v prostor upoštevan v HHM. REZULTATI V skladu z zahtevami zakonodaje s področja prostorskega načrtovanja na poplavno ogroženih območjih je bilo treba na območju DPN HE Brežice izboljšati oziroma vsaj ohranjati poplavno varnost, odtočni režim in retenzijsko funkcijo poplavnih površin. Zato je bila v vseh fazah pozornost usmerjena na področje razbremenjevanja visokih vod preko razbremenilnikov oziroma brežin struge. Tako se je z analizo pokazalo, da ni potrebe po razbremenilniku na desnem bregu. Z lokalnimi ureditvami desne brežine nad jezom NEK, je namreč možno zagotoviti, da se razlivanje pojavi pri višjih pretokih kot se to 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 201 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA zgodi danes, hkrati pa se preko tega dela, ob visokih vodah, še vedno razbremenjujejo dovolj velike količine vode, da ne prihaja do prevelikega pretoka na levo retenzijo in do dviga konice izhodnega hidrograma. Pod jezom NEK se začenjajo nasipi akumulacije, katerih voda ne sme prelivati, zato levi razbremenilnik ostaja. Levi razbremenilnik je predviden, kot regulacijski preliv, katerega pretočna sposobnost je bila določena na posebej izdelanem fizičnem modelu. Pretočna krivulja je bila nato upoštevana v matematičnem modelu. Poleg pretočne krivulje so bile upoštevane tudi zahteve o ohranjanju poplavne nevarnosti. Spodaj je prikazana primerjava obsega poplavljanja pri obstoječem in načrtovanem stanju za sintetični visokovodni val s konico 3960 m3/s (Slika 34). Iz raziskav je razvidno, da se, pri obstoječem stanju, napajanje obeh retenzijskih površin med visokovodnimi valovi vrši na daljšem odseku struge. Pri načrtovanem stanju se je za napajanje leve retenzijske površine kot najprimernejše mesto razbremenilnika pokazala lokacija dolvodno od obstoječega nasipa NEK z odvodom prelite vode neposredno v bodočo gramoznico. Ker se pri načrtovanem stanju celotni pretok na levo retenzijo spušča preko razbremenilnika lociran v zgornjem delu retenzije, se ni mogoče izogniti delnemu povečanju hitrosti in globin vode, ter posledično tudi obsegu poplavljenosti. Slika 34: Primerjava obsega poplavljenosti med obstoječim in bodočim stanjem pri ozkem visokovodnem valu s konico Q = 3960 m3/s ter linijo obsega poplavljenosti leta 1990. Ureditve vezane na HE Brežice imajo, skupaj z drugimi predvidenimi posegi v prostor po DPN, tudi delen vpliv na odtočni režim. Zaradi obratovanja prelivnih organov se namreč delno spreminja oblika odtočnega hidrograma. Enak trend se pokaže pri vseh treh računih, kjer je bil uporabljen nestalni tok. Vzrok je predvsem v povečanem pretoku skozi akumulacijo (glede na pretok v strugi pri obstoječem stanju) in deniveliranju gladine v akumulaciji v naraščajoči fazi hidrograma. Struga in akumulacijski prostor bosta v novem stanju gladkejša v primerjavi z inundacijo, zaradi česar je vodni tok tam hitrejši. ZAKLJUČEK Zaradi pomembnosti in kompleksnosti področja Krško-Brežiškega polja, na katerem se projektira HE Brežice, je bil za izdelavo strokovnih podlag in optimizacije načrtovanih objektov HE in vseh drugih posegov v prostor predvidenih po DPN, pri nalogi uporabljen pristop s hibridnimi hidravličnimi modeli. Na ta način so se združile prednosti matematičnih in fizičnih hidravličnih modelov, kar je omogočalo natančnejšo kalibracijo in verifikacijo modelov, ter posledično zmanjšanje intervala zaupanja v rezultate študije. Modeli so bili umerjeni na meritve visokovodnih dogodkov iz obdobja od leta 2007 do leta 2009. Iz istega časovnega obdobja so bili uporabljeni tudi podatki topografije. Modela sta bila verificirana na dva dogodka in sicer na visokovodni dogodek iz leta 1990, kjer je bila uporabljena tudi batimetrija struge iz tega obdobja, in na leto 2010. Rezultati končne variante načrtovanega stanja s predvidenim delovanjem objektov HE Brežice kažejo, da so izpolnjene zahteve in predstavljajo podlago za nadaljne načrtovanje objektov HE in drugih spremljevalnih objektov. Posebej pomembno je tudi to, da se ohranja funkcija retenzijskih površin in da 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011 asist. G. RAK, asist. M. MÜLLER mag. S. ŠANTL, prof. dr. F. STEINMAN - 202 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA se poplavna nevarnost ohranja. Večinoma se poplavna varnost celo izboljšuje, le na gorvodnem delu leve retenzije se, zaradi koncentriranosti odvajanja visokih vod preko reguliranega razbremenilnika, pojavijo nekoliko višje gladine in hitrosti vode. Z optimizacijo se je doseglo minimalno zvišanje konice izhodnega hidrograma, razlika v konici hidrograma pa je izničena na območju modela HE Mokrice, s čimer je izpolnjen pogoj, da se stanje na meji s Republiko Hrvaško ohranja. LITERATURA F.Steinman, S. Šantl, G. Rak, M. Müller. 2010. Vpliv gradnje in obratovanja HE Brežice na odtočni režim reke Save v mejnem profilu z Republiko Hrvaško. Študija CPVO. Ljubljana. H.Kobus. 1980. Hydraulic Modelling. Verlag Paul Parey, Hamburg J. W. Hall et.al. 2009. Sensitivity Analysis for Hydraulic Models. J. Hydr. Engrg. Vol. 135, Issue 11, pp. 959-969. M. Müller, G. Rak, F. Steinman, G. Novak, S. Šantl. 2011. Hybrid hydraulic modeling of hydropower plants at Sava near the national border. Hrvatske vode. Opatija. MIKE by DHI. 2009. MIKE 11 – A modelling system for Rivers and Channels – User Guide. MIKE by DHI 2009 J. Mlačnik et. al.. 2010. Poročilo – Izvedba hibridnih hidravličnih modelov za območje spodnje vode HE Krško, območje HE Brežice in območje HE Mokrice. Inštitut za hidravlične raziskave. Ljubljana S. Šantl, G. Novak, G. Rak, F. Steinman. 2010. Hybrid hydraulic modelling approach in the process of hydropower plant design. V: ISHPF 2010, Nanjing, China, sep. 2010 S. Šantl, G. Rak. 2010. Analiza poplavne nevarnosti in odtočnega režima – uporaba različnih tipov hidravličnih modelov. Gradbeni vestnik. Ljubljana 22. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2011
© Copyright 2024