Zagadnienia:
• Klasyfikacja wezbrań i powodzi
• Charakterystyka wezbrań i powodzi
• Parametry fal wezbraniowych
• Wpływ zagospodarowania zlewni
na wielkość wezbrań
Wykład 2
Klasyfikacja wezbrań i powodzi
Ze względu na genezę wezbrania dzielimy na:
Opadowe wywołane deszczami:
• rozlewnymi
• frontalnymi
• nawalnymi („oberwanie chmury”)
Roztopowe – wywołane gwałtownym tajaniem
śniegu
Zimowe zatorowe:
• lodowe
• śryżowe
Sztormowe – wywołane wiatrem wiejący od morza
i powodującym podniesienie się poziomu wody
w ujściowych odcinkach rzek
Regiony dominacji określonego typu wezbrań
Płock, 13-14 kwiecień 2011
Klasyfikacja wezbrań i powodzi
Okresy występowania różnych typów powodzi
w Polsce
Typ
powo
-dzi
Miesiące
XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X
On
Of
Or
Okres możliwego pojawiania się powodzi
Okres najczęstszego pojawiania się powodzi
Charakterystyka wezbrań i powodzi
Okresy występowania różnych typów powodzi
w Polsce
Typ
powo
-dzi
Miesiące
XI XII I II III IV V VI VII VIII IX X
R
Sz
Zś
Zz
Okres możliwego pojawiania się powodzi
Okres najczęstszego pojawiania się powodzi
Charakterystyka wezbrań i powodzi
Ilość i rozkład przestrzenny wezbrań roztopowych i zatorowych w latach 1946 - 2001
Klasyfikacja wezbrań i powodzi
Klasyfikacja wezbrań na podstawie Qmax wg IMGW
Q20%
Q20%
Klasyfikacja wezbrań i powodzi
SQ
Q50%
Q20%
Q5%
(SQ + Q50%)/2
Czas
Q [m3/s]
Wezbranie zwyczajne
Wezbranie wielkie
Wezbrania i powodzie opadowe
Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: • powierzchni obszaru objętego opadami, • intensywności opadów, • stanu uwilgotnienia zlewni.
Rozkład opadów 9/10 lipca 2001 r. w rejonie Gdańska
Opad średni na obszarze 68 mm – tj. ok. 11 %
opadu średniego rocznego (600 mm)
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Krzywe redukcyjne sumy opadu punktowego dla oszacowania opadu obszarowego o różnym czasie trwania deszczu
65 %
Przykład:
Wysokość opadu punktowego (na stacji opadowej) P1h = 40 mm
Wysokość opadu w zlewni o pow. 500 km2 P1h = 0,65·40 = 26 mm
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Największe odpływy jednostkowe obserwowane w Polsce w małych zlewniach (A < 100 km2) po opadach katastrofalnych
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Wezbrania i powodzie opadowe
Wielkość wezbrania (powodzi) zależy od: • powierzchni obszaru objętego opadami, • intensywności opadów, • stanu uwilgotnienia zlewni – wykres poniżej
P - opad [mm]
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Maksymalne sumy opadów o prawdopodobieństwie wystąpienia 1 % i czasie trwania 60 minut
80
80
80
70
70
70
70
70 70
Mapy rozkładu opadów maksymalnych
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Regiony maksymalnych opadów w czasie: a) 5 – 30 minut, b) 1 – 12 godzin, c) 12 –72 godziny
Pmax=1,42 t0,33 + (R,t)(-ln p)0,584
t – czas trwania opadu [min], (R,t) – parametr zależny od regionu (R) i czasu opadu (t), p – prawdopodobieństwo opadu (dla 1 % – p = 0,01).
Wyznaczanie wysokości opadów wg wzorów empirycznych
Charakterystyka wezbrań i powodzi opadowych
Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych
Wezbrania i powodzie zimowe
Charakteryzują się punktowym występowaniem i na ogół niewielkim zasięgiem. Mogą występować zarówno na rzekach górskich jak i nizinnych z tym, że najczęściej występują na dużych rzekach nizinnych.
Warunki sprzyjające zatorom: • duża krętość rzeki; • morfologia koryta – występowanie odsypisk, wysp,
bocznych odgałęzień koryta; • przekroje mostowe, • górne odcinki zbiorników zaporowych.
Widok koryta Wisły w rejonie Kępy Polskiej
Wod. Kępa Polska km 606
Charakterystyka wezbrań i powodzi zimowych
Parametry fal wezbraniowych
Schemat fali wezbraniowej
P [mm]
a) czas
czas
Q [m3.s-1]
b)
Qmax
1 2 3 4
Hietogram opadu
Hydrogram przepływu
Fala wywołana odpływem gruntowym
1 – początek zasilania rzeki wodami z odpływu powierzchniowego
2 – kulminacja wezbrania – maksymalne natężenie przepływu
3 – koniec okresu zasilania rzeki z odpływu powierzchniowego
4 – koniec okresu zasilania z odpływu bezpośredniego, początek zasilania rzeki wyłącznie z odpływu gruntowego.
Parametry fal wezbraniowych
Qdoz
Qdop
P [mm]
a) czas
czas
Q [m3.s-1]
b)
Qmax
1 2 3
SSQ – podstawa fali wezbraniowej
Schemat fali wezbrania opadowego: a) hietogram, b) hydrogram przepływu:
1 - 2 – czas wznoszenia fali ts ,
2 – kulminacja wezbrania – Qmax – przepływ kulminacyjny,
2 - 3 – czas opadania fali to
Qdop – podstawa fali powodziowej
Parametry fal wezbraniowych
Qdoz
Qdop
P [mm]
a) czas
czas
Q [m3.s-1]
b)
Qmax
1 2 3
SSQ – podstawa fali wezbraniowej
Schemat podziału objętości fali wezbrania
Qdop – podstawa fali powodziowej
Va – objętość fali powodziowej
Va
Vb
V = Va + Vb – całkowita objętość fali wezbraniowej
Parametry fal wezbraniowych
Czasy wznoszenia fal wezbraniowych ts
(Wartości szacunkowe wg Ciepielowskiego 2001)
Rodzaj zlewni
Pow. zlewni
[km2]
ts [h]
fali opadowej
ts [h] fali roztopowej lub roztopowo-
opadowej
Górskie bardzo małe
do 12 7 –
Wyżynne średniej wielkości
250 - 1265 66 79
Nizinne: - małe - średnie - duże
80
570 – 1230 ok. 50 000
30 80 120
30 92 –
Nizinne o dużej retencyjności (pojezierne, zabagnione, o dużej lesistości)
ok. 28 000
–
400
Parametry fal wezbraniowych
Kształty fal wezbraniowych
Przykładowe roczne hydrogramy wezbrań: a) rzeka nizinna, b) rzeka wyżynna
Parametry fal wezbraniowych
Kształty fal wezbraniowych
Wpływ kierunku przemieszczania się opadów:
A – od ujścia w górę rzeki B – od źródeł do ujścia
Wpływ kształtu zlewni: a) zlewnia wydłużona
b) zlewnia koncentryczna
Parametry fal wezbraniowych
Kształty złożonych fal wezbraniowych
Fale złożone opadowe powstają w wyniku:
• wystąpienia intensywnych opadów w odstępach czasu
• nałożenia się dwóch lub kilku fal uformowanych w cieku głównym i w jej dopływach
Retencja zlewni - pod tym pojęciem rozumiemy zdolność do gromadzenia i przetrzymywania wody opadowej (roztopowej) w środowisku biotycznym i abiotycznym zlewni rzecznych.
Ri - retencja szaty roślinnej (zwana intercepcją),
Rpn - retencja powierzchni nieprzepuszczalnych,
Rw - retencja stojących wód otwartych,
Rrz - retencja w korytach rzek i cieków,
Rd - retencja na obszarach depresyjnych,
Rgr - retencja gruntowa,
Rbo - retencja na obszarach bezodpływowych.
bogrgldrzwpnic RRRRRRRRR
Całkowitą retencję zlewni Rc można wyrazić następującym wzorem:
Rgl - retencja glebowa,
Wpływ zagospodarowania zlewni
Zmiana zagospodarowania zlewni powoduje zmiany jej retencyjności.
Ri – mniejszy udział powierzchni pokrytych roślinnością
Rpn – większy udział powierzchni nieprzepuszczalnych (drogi, place, dachy budynków) na których woda zatrzymuje się, ale z których szybciej paruje, a także szybciej odpływa do sieci kanalizacji deszczowej
Rgr – mniejszy odpływ wody do gruntu
W szczególności zmiany te są zauważalne w zlewniach zurbanizowanych, tj. w zlewniach w których udział powierzchni zabudowy jest > 5 %.
Rgl – mniejsza powierzchnia gleb
Całkowita retencja w zlewni zurbanizowanej zmniejsza się:
Wpływ zagospodarowania zlewni
cR
Najważniejsze elementy retencji ulegające zmniejszeniu:
bogrgldrzwpn RRRRRRRRi
cR
Pozostałe elementy retencji również mogą ulegać zmniejszeniu (np. w wyniku likwidacji małych zbiorników wodnych, mokradeł, zagłębień terenu)
Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych
A – stan naturalny – druga połowa XIX w.:
• długość rzeki 28 km • parametry fali: Qmax = 5,3 m3/s V = 0,54 mln m3
Przykład małej zlewni w Niemczech – obserwacje wodowskazowe od połowy XIX wieku.
Analizowano zmian parametrów fal (przy takiej samej wysokości opadu) w 3 okresach:
Wpływ zagospodarowania zlewni
B – początek XX w.: • długość rzeki 24 km • parametry fali: Qmax = 7,3 m3/s V = 0,62 mln m3
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych
C – koniec XX w.: • długość rzeki 20 km • parametry fali: Qmax = 9,5 m3/s V = 0,69 mln m3
Zmiany w okresie ponad 100 lat: Qmax – z 5,3 m3/s do 9,5 m3/s wzrost o ok. 80 % V - z 0,54 do 0,69 mln m3
wzrost o ok. 28 %
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wpływ zmian zagospodarowania zlewni na kształt i wielkość fal wezbraniowych
30
Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego
Opad P = 65 mm/h
Wpływ gęstości pokrycia roślinnego na wielkość odpływu powierzchniowego
(Noble 1965 za Gregory, Walling 1987)
Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy
Wpływ zagospodarowania zlewni
31
Wielkość odpływu powierzchniowego w ciągu roku (Ryszkowski i Kędziora 1987)
Rodzaj użytku Odpływ
powierzchniowy [mm]
Las iglasty 64
Łąka 88
Pole uprawne 102
Pole w ugorze 230
Teren zabudowy
wiejskiej
256
Czynniki wpływające na wielkość odpływu rzecznego
Mały odpływ powierzchniowy duży odpływ gruntowy wzrost retencji w zlewni R wzrost zasobów wodnych zlewni
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wpływ zagospodarowania zlewni Wpływ urbanizacji zlewni na elementy bilansu wodnego
E – ewapotranspiracja, Opow - odpływ powierzchniowy
Ip - infiltracja płytka, Ig - infiltracja głęboka
33
Zmiany parametrów bilansu wodnego niewielkiej zlewni na obszarze Moskwy w wyniku jej przekształcenia ze zlewni rolniczej na
zurbanizowaną (Wg Lvovich i Chernogaeva 1977, za Gregory, Walling 1987)
Wzrost odpływu powierzchniowego zmniejszenie się retencji i zasobów wodnych zlewni wzrost zagrożenia
powodziowego !
Opad Ewapotranspiracja
Odpływ powierzchniowy
Odpływ podziemny
Ewapotranspiracja Opad
Odpływ podziemny
Odpływ powierzchniowy
Wpływ zagospodarowania zlewni
Zróżnicowanie odpływu jednostkowego q (dm3·s-1·km-2) w czasie T (h) dla typowej fali wezbraniowej wywołanej opadem ulewnym w zlewniach o różnym użytkowaniu - rzeki Sufraganiec i Silnica
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wielkość odpływu jednostkowego q (dm3·s-1·km-2) ze zlewni cząstkowych rzek Sufraganiec i Silnica o zróżnicowanym
zagospodarowaniu:
Wpływ zagospodarowania zlewni
Udział pow. utwardzonych
Gęstość pow.dróg utwardzonych Gęstość sieci kanalizacji deszcz.
zlewnia leśna
zlewnia rolnicza
zlewnia zurbanizowana
36
Wpływ zagospodarowania zlewni na kształt i wysokość fali wezbraniowej: a) zlewnia zurbanizowana (o małej retencyjności), b) zlewnia użytkowana rolniczo c) zlewnia z dużym udziałem lasów (o dużej retencyjności).
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20
Czas (h)
Natę
żenie
prz
epły
wu Q
(m
3*s
-1)
a) b) c)
Qmax – przepływ kulminacyjny
Qmax
Qmax
Wpływ zagospodarowania zlewni
37
W wyniku zmian zagospodarowania i zmniejszania się retencyjności zlewni:
• wzrasta wielkość przepływu kulminacyjnego Qmax fali wezbraniowej wywołanej opadem (roztopami),
• zwiększa się objętość wody odpływającej w czasie wezbrania,
• zmniejsza się czas między początkiem opadu a kulminacją fali (następuje przyspieszenie odpływu ze zlewni).
0
1
2
3
4
5
6
0 5 10 15 20
Czas (h)
Natę
żenie
prz
epły
wu Q
(m
3*s
-1)
a) b) c)
Qmax – przepływ kulminacyjny
Qmax
Qmax
Wpływ zagospodarowania zlewni
38
Wielkość przepływu kulminacyjnego Qmax (m3.s-1) w czasie
wezbrania opadowego można obliczyć z następującego wzoru: gdzie: φ – współczynnik odpływu ze zlewni, (-), I – natężenie deszczu, (mm.min-1), A – powierzchnia zlewni, (km2), 16,67 – współczynnik przeliczeniowy wynikający z przyjętych
jednostek I i A.
AIQ 67,16max
Wartość współczynnika odpływu φ zależy od:
• rodzaju powierzchni (pokrycia terenu)
• średniego nachylenia zlewni Jz [‰] wyrażonego wzorem:
A
WJ z
∆W [m] - deniwelacja – różnica ekstremalnych wysokości (rzędnych) punktów terenowych w zlewni - ∆W = Wmax – Wmin
A - powierzchnia zlewni [km2]
Wpływ zagospodarowania zlewni
39
Współczynniki odpływu φ wód deszczowych dla różnych powierzchni i średnich spadków zlewni
Rodzaj powierzchni Współczynnik odpływu φ (-) dla powierzchni o średnim spadku terenu Jz (%)
< 0,5 1,0 2,5 5,0 7,5 10,0
Lasy 0,01 0,02 0,04 0,06 0,10 0,15
Grunty orne, pola uprawne 0,05 0,08 0,10 0,15 0,20 0,25
Łąki, pastwiska, parki, ogrody 0,10 0,12 0,15 0,20 0,25 0,30
Łąki z siecią rowów 0,20 0,22 0,25 0,30 0,40 0,45
Zabudowa willowa, wiejska 0,20 0,25 0,30 0,40 0,50 0,60
Tereny miejskie z luźną zabudową
0,40
0,42
0,45
0,50
0,55
0,60
Dzielnice śródmiejskie
o luźnej zabudowie
0,60
0,62
0,65
0,70
0,76
0,80
Dzielnice śródmiejskie
o zabudowie zwartej
0,70
0,75
0,85
0,90
0,95
0,98
Dzielnice staromiejskie
o zwartej zabudowie
0,80
0,82
0,85
0,90
0,96
1,00
Aleje spacerowe, drogi żwirowe
0,20
0,22
0,25
0,30
0,35
0,40
Drogi tłuczniowe 0,25 0,28 0,33 0,42 0,52 0,60
Drogi z kostki Bauma, bruki zwykłe
0,50
0,52
0,55
0,62
0,65
0,70
Bruki szczelne 0,70 0,72 0,75 0,80 0,85 0,90
Drogi bitumiczne 0,80 0,82 0,85 0,90 0,92 0,95
Dachy kryte blachą lub papą 0,85 0,90 0,96 0,98 0,99 1,00
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wpływ zmian udziału powierzchni zabudowy w zlewni na kształt fali wezbraniowej
Wpływ zagospodarowania zlewni
W zlewniach zurbanizowanych:
Wzrasta wielkość odpływu jednostkowego,
Ulega skróceniu czas dopływu wód opadowych do cieku – odbiornika (spływ powierzchniowy po gładkich powierzchniach nieprzepuszczalnych „wspomagany” przez system kanalizacji deszczowej)
Przebieg wezbrań w zurbanizowanej zlewni rzeki Białej w Białymstoku, na tle zmienności opadów zarejestrowanych
w miesiącu czerwcu 2009 roku
Wpływ zagospodarowania zlewni
Potok Służewiecki / ul. Rosoła - lipiec 2007
20
30
40
50
60
70
80
90
100
110
120
130
140
150
01-07-07 02-07-07 03-07-07 04-07-07 05-07-07 06-07-07 07-07-07 08-07-07
Data
Sta
n w
od
y H
[c
m]
Stan wody
Pomiar o godz. 7:00
Hydrogram stanów wody – Potok Służewiecki w Warszawie (zlewnia zabudowana w ok. 60 % - Osiedla: Natolin, Ursynów,
Służew, część Wilanowa, lotnisko Okęcie)
Wpływ zagospodarowania zlewni
Aktualne zalecane w projektowaniu częstotliwości występowania deszczu obliczeniowego i kontrolnego (PN-EN 752-4:2001)
Rodzaj zabudowy
Częstotliwość deszczu
obliczeniowego – 1 wystąpienie
na c lat
Częstotliwość przepełnienia – 1 wystąpienie
na c lat
Osiedla wiejskie 1 10
Osiedla mieszkaniowe 2 20
Zabudowa śródmiejska, tereny handlowe, przemysłowe:
z uwzględnieniem zjawiska wylania
bez uwzględnienia zjawiska wylania
2
5
30
-
Metro / przejście podziemne 10 50
Wpływ zagospodarowania zlewni
Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi?
„Stare” zalecane częstotliwości deszczu obliczeniowego według Błaszczyka (1965) – stosowane w wielu istniejących sieciach
Rodzaj kanału
Częstotliwość deszczu obliczeniowego –
1 wystąpienie na c lat
Kanały boczne w płaskim terenie 1
Kolektory, kanały boczne przy większych spadkach terenu
2
Kolektory w głównych ulicach, kanały boczne przy dużych spadkach terenu
5
Kanały w szczególnie niekorzystnych warunkach (np. gęsta zabudowa)
10
Kanały otwarte na terenie miast 10
Wpływ zagospodarowania zlewni
Czy kanalizacja deszczowa może zmniejszyć ryzyko powodzi?
Klasa drogi
Częstotliwość deszczu
obliczeniowego –
1 wystąpienie na c lat
Autostrada (A),
Ekspresowa (S)
10
Główna ruchu przyspieszonego
(GP)
5
Główna (G),
Zbiorcza (Z)
2
Lokalna (L),
Dojazdowa (D)
1
Częstotliwość deszczu obliczeniowego w projektowaniu odwodnienia dróg
Wpływ zagospodarowania zlewni
Wnioski:
1. Kanalizacja deszczowa nie zapewnia skutecznej ochrony w przypadku opadów ekstremalnych – o małym prawdopodobieństwie wystąpienia;
2. Kanalizacja deszczowa przyśpiesza odpływ – wzrasta ryzyko powodzi.
Top Related