Click here to load reader

AutoCAD CIVIL 3D JAKO NARZĘDZIE WSPOMAGAJĄCE W ... · i średni zlewni). ... informacji do określenia relacji opad–przepływ oraz przepływ–napełnienie. ... – maksymalny

  • View
    213

  • Download
    0

Embed Size (px)

Text of AutoCAD CIVIL 3D JAKO NARZĘDZIE WSPOMAGAJĄCE W ... · i średni zlewni). ... informacji do...

* Drin.MarekBodziony,mgrin.BeataBaziak,InstytutInynieriiiGospodarkiWodnej,WydziaInynieriirodowiska,PolitechnikaKrakowska.

MAREKBODZIONY,BEATABAZIAK*

AutoCADCIVIL3DJAKONARZDZIEWSPOMAGAJCE WOBLICZENIACHHYDROLOGICZNYCH

AutoCADCIVIL3DASANAIDINGTOOL INHYDROLOGICALCALCULATION

S t r e s z c z e n i e

Gwatowne zmiany zachodzce w reimie wodnym wymagaj coraz szybszych informa-cji dotyczcych zagroe powodziowych. Polski systemmonitoringu jest niewystarczajcy,szczeglniewprzypadkumaychirednichzlewni.Zmuszatodoposzukiwaniainnychsposo-bwpozyskiwaniadanych.Wartykuleprzedstawionosposbinterpolacjiinformacjitopogra- ficznychigeodezyjnychnaodcinkucieku,bazujcnadanychuzyskanychzmaplubpomia-rww terenie.Doprzetwarzaniadanychoraz tworzeniaprzekrojwwykorzystanoprogram AutoCADCivil3D.Takuzyskanedanezostayzastosowanedoobliczeniaprzepywwmaksy-malnychookrelonymprawdopodobiestwieprzewyszeniametodformuyopadowej.

Sowa kluczowe: AutoCADCivil3D,prawdopodobiestwoprzewyszenia,formuaopadowa,zagroeniepowodziowe,analizahydrologiczna

A b s t r a c t

Violent changes in water regime require quicker and quicker information relating to floodthreats.Polishmonitoringsystemisinsufficient,inparticularinthecaseofsmallandaveragedrainageareas.This creates thenecessityof searching fordifferentwaysof acquiringdata.Thisarticlepresentsthemethodofinterpolationoftopographicalandgeodesyinformationon asectionofwater-course,basingonthedatafrommapsorfromthemeasurementsintheterrain.ThesoftwareusedfordataprocessingaswellassectionscreatingwastheAutoCADCivil3D.Theachieveddatawereusedtocalculatereturnperiodsusingtherainfallformulamethod.

Keywords: AutoCADCivil3D,returnperiods,rainfall formula,flood threats,hydrologicanalysis

14

1. Wstp

Obecniecorazczciejmamydoczynieniaznagymiiniepodanymi(zpunktuwidze-niagospodarkiczowieka)zjawiskamimeteorologiczno-hydrologicznymi.Deszczenawal-neidugoterminoweopadypowodujwezbraniarzekistwarzajzagroeniapowodziowe.Dziaalnosamegoczowieka,np.zmniejszaniepowierzchnizielonych(wycinkalasw,za-mianapluprawnychorazpastwisknaobszaryzurbanizowane)dodatkowozwikszaryzykowystpieniapowodzi.

Gwatownezmianyzachodzcewreimiewodnymzmuszajdoposzukiwaniasposo-bwuzyskiwaniaszybkichinformacjidotyczcychzagroepowodziowych.NiestetysiemonitoringuwPolscenietylkoniedysponujeodpowiedniliczbpunktwpomiarowych,alerwniewwikszociprzypadkwniemaodpowiednichdanychdotyczcychtopografii,gleb,pokryciaizagospodarowaniaterenu.Najczciejjedyndostpninformacjsmapywformiepapierowejlubwpostaciobrazwrastrowych(dotyczytowszczeglnocimaychirednizlewni).

Istniejjednaknarzdziaioprogramowania,ktrepozwalajnawykorzystanieiprzetwo-rzeniedostpnychdanychdostworzeniaprzestrzennychmodeliterenuiwykorzystaniatychinformacjidookreleniarelacjiopadprzepyworazprzepywnapenienie.Dzikitemuwprosty sposbmona nie tylko okreli strefy zalewowe, ale take przygotowa systemydziaawspierajcychsubyzajmujcesiochronprzeciwpowodziow.

Jednymznarzdzipozwalajcychnaodpowiednieprzygotowaniedanychjestoprogra-mowaniefirmyAutodeskAutoCADCivil3D,dedykowanedorozwizazszerokopojtejdziedzinyinynieriildowejiinynieriirodowiska.Proceduraprzygotowaniaiprzetworze-niadanychzostaaprzedstawionanaprzykadzieobliczeprzepywudlaciekuGrabwkaznajdujcegosiwmiejscowociWieliczka.

Rys. 1. LokalizacjazlewniGrabwkiFig. 1. LocationoftheGrabwkadrainagearea

15

2. Lokalizacjaprzekrojwpomiarowych

PotokGrabwkajestlewobrzenymdopywemrzekiSerafy,bdcejprawymdopywemrzekiDrwinyDugiej,uchodzcejdoWisyw89,4kmjejdugoci.DugoGrabwkiwy-nosi okoo 2,88 km, a powierzchnia jej zlewni okoo 3,07 km2.Ciek ten znajduje si natereniegminyWieliczkalecejnapoudniowy-wschdodKrakowaijestonodbiornikiemnieoczyszczonychwdopadowychzwieluzakadwzlokalizowanychwWieliczce.rdapotokuznajdujsinawysokociok.315mn.p.m.natomiastrzdnaujciadorzekiSera- fywynosiok.225mn.p.m.Najwyszewzniesieniezlewnimaok.368mn.p.m.

Pokrywyglebowezlewni sutworami czwartorzdowymi, doktrychnalegwniepiaskigliniaste.ZlewniapotokuGrabwkajestzlewnipodmiejsk,ktrejpoudniowacztoprzedewszystkimterenyzielone(ki,drzewaliciaste),natomiastczpnocnstano-wiwwikszocizabudowamiejskausytuowanawzduliniikomunikacyjnych.

Badanyodcinekciekuznajdujesiwokolicachul.T.Kociuszki,wpobliusklepuLidl(rys.1).Nalewymbrzegurzekiznajdujesizabudowaluna,aprawybrzegstanowiplac, naktrymdawniejznajdowasicamping.

Rys. 2. LokalizacjeprzekrojwobliczeniowychFig. 2. Locationofanalyticalcross-sections

Badanyodcinekstanowifragmentciekuograniczonyodgrymostkiemprzeznaczonymdlaruchupieszego(ul.StrzelcwWielickich),aoddouprzepustempoddrogdojazdowdoosiedladomkwjednorodzinnych(ul.w.Barbary).Korytociekujestzwarte,ostromych iwysokichzboczach,poronitetraw,krzewamiidrzewami.Jestonozaniedbane,zliczny-miosuwiskamiimocnozanieczyszczonemechanicznie.

16

3. Przygotowaniedanychwektorowychdotyczcychtopografiiterenu

Pierwszym etapem przygotowania danych byo zeskanowanie mapy topograficznej wskali1:25000.PozeskanowaniumapyzostaaonawczytanadoprogramuAutoCADCivil3Dwpostaciobrazurastrowego,anastpnieskalibrowana.Kolejnymkrokiembyadigita- lizacjamapy,czyliprzetworzeniewersjirastrowejmapytopograficznejnapostawektoro- wzpodziaemnaodpowiedniewarstwy(m.in.warstwice,siehydrograficzna,drogi,po-krycie,zagospodarowanieterenuitp).

4. Tworzenieprzestrzennegomodeluterenu

ModelterenuwprogramieAutoCADCivil3Dmoebyutworzonynapodstawier- negotypudanych:wektorowych,zapisanychwpostaciplikutekstowego,wpostaciWyso-kociowegoModeluTerenu(DEMDigitalElevationModel),bazydanychlubdanychim-portowanychzinnychprogramw.Wprzypadkubadanejzlewniterenzostawygenerowa- nynapodstawiedanychwektorowych.

Tworzeniepowierzchniodbywasipoprzezokrelenieparametrw,takichjak:typpo-wierzchni,nazwczysposb jejwywietlania.Zewzgldunadokadnoodwzorowaniazalecane jest przyjciepowierzchni typuTIN (Triangulated IrregularNetwork), czyli po-wierzchnizbudowanejzsiatkiooczku trjktnym.Nastpniedefiniujesielementy two- rzcepowierzchni.Wprzypadkuniniejszegoopracowaniawykorzystanowarstwiceuzy-skanewwynikuwektoryzacji obrazu rastrowego.W ten sposb stworzono powierzchniprzedstawionnarys.3.

Rys. 3. Fragmentprzestrzennegomodelterenuutworzonegowprogramie AutoCADCivil3Dwidok3D

Fig. 3. SpatialterrainmodelcreatedinAutoCADCivil3D3Dview

17

Rys. 4. Fragmentprzestrzennegomodeluterenuutworzonegowprogramie AutoCADCivil3Dwidok2D

Fig. 4. SpatialterrainmodelcreatedinAutoCADCivil3D2Dview

5. Tworzeniekorytarza(korytorzeki)

Geometriakorytaciekujestdefiniowanawprogramiejakoelementzwanykorytarzem.Abywybudowa korytarz, konieczne jestwczeniejsze utworzenie odpowiednich danychbazowych.Sto:liniatrasowania,profil,podzespoyizespoy.

5.1. Wyznaczenieliniitrasowania

Liniatrasowaniajesttoliniabazowaodwzorowujcaw(przypadkuniniejszegoartykuu)okorytacieku.Nawymodelowanejpowierzchniterenuzostaawyznaczonaliniatrasowa-niaodugoci1,6km.Badanyodcinekciekuznajdujesinaodcinkuodprzekroju0,887kmdoprzekroju1,013km.

5.2. Tworzenieprofilupodunego

Napodstawiemodeluterenuoraznaniesionejosikorytaciekuutworzonoprofilpodu- nywzduwyznaczonejosikoryta.

18

Rys.

5.Profilpodunyodcinkacieku

Fig.5.Riverreachprofile

19

5.3. TworzeniezespouObiektzespousuydotworzeniastrukturyprzekrojukorytarza.Abyutworzykorytarz,

zespmusibywstawionywzduliniitrasowania.Zespstanowizobrazowaniegeome- triikorytarzawprzekroju.

W niniejszym artykule zespoy zostay przyjte na podstawiewykonanych pomiarwgeodezyjnychwdwchprzekrojach.

Rys. 6. PrzekrojeobliczenioweFig. 6. Analyticalcross-sections

Napodstawiestworzonychwczeniejelementw(linia trasowania,profilpowierzchni,zesp) zostawygenerowany korytarz stanowicy koryto cieku.Korytarz zosta przyjtynaodcinkuuwzgldniajcympomierzoneprzekrojepoprzezzdefiniowaniewieluparame-trw.Najistotniejszymiparametramis:pikietapocztkowaikocowaliniitrasowania,cel(powizanietworzonegokorytarzazterenem),przypisanieodpowiedniegozespoudokon-kretnegoodcinkakorytarzaorazczstotliwo(okrelenieodlegocipomidzyprzekrojamitypowymi).

Rys. 7. WaciwocikorytarzaoknodialogoweprogramuAutoCADCivil3DFig. 7. CorridorpropertiesAutoCADCivil3Ddialogbox

20

Nastpniezostaautworzonapowierzchniakorytarza.

Rys. 8. PowierzchniakorytarzawygenerowanawprogramieAutoCADCivil3DFig. 8. SurfaceofcorridorgeneratedinAutoCADCivil3D

6. Tworzenieprzekrojwpoprzecznych

Przed stworzeniem przekrojw poprzecznych naley utworzy linie prbkowania po-przezwybraniejednejzpordpiciudostpnychmetod:wedugzakresupikiet,wpikiecie,zpikietkorytarza,wskazaniepunktwnaekranie,wybranieistniejcychpolilinii.

Wniniejszymartykuleprzyjtodwielinieprbkowaniawprzekrojach,dlaktrychwyko-nanopomiarygeodezyjne.Dlaprzyjtychliniiprbkowaniautworzonowidokiprzekrojw.

7. Obliczeniahydrauliczneihydrologiczne

Dysponujckorytarzem,monawdowolnymmiejscubadanegoodcinkasprawdzigeo-metrieprzekrojupoprzecznego i na tej podstawiedokonaniezbdnychobliczehydrau-licznychihydrologicznychpozwalajcychnasprawdzenieiwskazaniezagroepowodzio-wych.Przykadoweobliczeniazostaywykonanedladwchcharakterystycznych(skrajnych)przekrojwnabadanychodcinku.

21

Rys. 9. PrzekrojepoprzeczneFig. 9. Cross-sections

7.1. Wytycznedooblicze

7.1.1. Obliczenieprzepywwmaksymalnychookrelonymprawdopodobiestwie pojawieniasimetodformuyopadowej

Qp = f F1 f H1 A p dJgdzie:

f wspczynnik ksztatu fali [], ktry przyjmuje si dla obszarw pojezierza f=0,45,adlapozostaejczcikrajuf=0.6,

f wspczynnikodpywuokrelanynapodstawiemapyglebPolski,odczytywa- nyztabeli1,

22

H1 maksymalnyopaddobowyoprawdopodobiestwiepojawianiasi1%[mm],A powierzchniazlewni[km2],p kwantylrozkadudlazadanegoprawdopodobiestwap,odczytywanyztabeli2,fs hydromorfologicznacharakterystykastokw[]

ss

s s

l

m I H=

( )

( )

100012

14

112

gdzie:ls redniadugostokw[km]obliczonazewzoru:

ls = 1

1 8,

gdzie:

r gstosiecirzecznej[km-1]obliczonazewzoru =+ ( )L l

Ams wspczynnikszorstkocistokw[],odczytywanyztabeli[],Is rednispadekstokw[%],obliczonywgwzoru:

Ih k

As=

gdzie:Dh rnicawysokocidwchssiednichwarstwic[m],Dk sumadugociwarstwicwzlewni[km],p kwantylrozkaduzmiennejpdlazadanegoprawdopodobiestwap[],dj wspczynnikredukcjijeziornej,odczytywanyztabeliwzalenociodwsp-

czynnikajeziornociJEZ,F1 maksymalny modu odpywu jednostkowego wyznaczony z tabeli 3 w za-

lenoci od hydromorfologicznej charakterystyki rzekifr i czasu spywu postokachts

r

r

L l

m I A H

= +

1000

1

13

14

1

14

( )

( )

gdzie:fr hydromorfologicznacharakterystykakorytarzeki[],ts czasspywupostokach[min],L dugociekuodrozpatrywanegoprzekrojudorde[km],l dugosuchejdolinydodziauwodnego[km],m wspczynnikszorstkocikorytacieku[],odczytywanyztabeli,Ir1 urednionyspadekcieku[%],obliczonywgwzoru:

23

IW WL lrg d

1 =+

gdzie:Wg wzniesienie dziau wodnego w punkcie przecicia z osi suchej doliny

[mn.p.m.],Wd wzniesienieprzekrojuobliczeniowego[mn.p.m.].

T a b e l a 1Wartociwspczynnikaodpywuprzepywwmaksymalnychf

wzalenociodtypuglebTypgleby Wspczynnikodpywuf

Piaskiiwiry 0,18Piaskisabogliniaste 0,25Piaskigliniaste 0,35Glinypiaszczyste 0,50Lessyipyy 0,55Aluwiaitorfy 0,57Glinyiiy 0,88

T a b e l a 2Kwantylerozkaduzmiennejp = mp/m1

Region

Parametrykrzywej

regionalnejPrawdopodobiestwokwantyli[%]

cV s 0,1 0,2 0,5 1 2 3 5 10 20 30 50

Karpaty 1,509 1,08 1,54 137 1,16 1,00 0,843 0,745 0,636 0,482 0,334 0,248 0,145

T a b e l a 3WartoF1wzalenociodczasuspywupostokachts

ihydromorfologicznejcharakterystykikorytfrfr ts 10 30 60 100 150 200

5 0,305 0,170 0,120 0,090 0,067 0,05310 0,200 0,140 0,104 0,081 0,062 0,05020 0,128 0,104 0,083 0,0665 0,0526 0,043330 0,0930 0,0815 0,067 0,0545 0,0445 0,038040 0,0720 0,0645 0,054 0,0456 0,0380 0,033750 0,0565 0,0510 0,0444 0,0386 0,0336 0,030060 0,0460 0,0428 0,0380 0,0336 0,0300 0,027270 0,0385 0,0360 0,0330 0,0300 0,0270 0,025080 0,0345 0,0322 0,0300 0,0274 0,0247 0,022890 0,0305 0,0282 0,0267 0,0246 0,0224 0,0209

24

cd.tab.3fr ts 10 30 60 100 150 200

100 0,0265 0,0249 0,0238 0,0220 0,0204 0,0192120 0,0212 0,0203 0,0195 0,0185 0,0184 0,0165150 0,0165 0,0162 0,0155 0,0152 0,0142 0,0136180 0,0134 0,0132 0,0127 0,0123 0,0118 0,0115200 0,0119 0,0116 0,0114 0,0112 0,0109 0,0107250 0,00975 0,00965 0,00955 0,00940 0,00920 0,00900300 0,00830 0,00825 0,00820 0,00810 0,00790 0,00770350 0,00725 0,00720 0,00710 0,00705 0,00690 0,00680

7.1.2. Wyznaczeniekrzywejkonsumcyjnejprzekrojukoryta wedugwzoruChezy-Manninga

Q F c R I=

gdzie:Q natenieobjtociprzepywu[m3/s],F przekrjpoprzecznykoryta[m2],c wspczynnikoporuhydraulicznegoManninga,R promiehydrauliczny[m],I spadekzwierciadawody[]

cnR= 116

R FU

=

n wspczynnikszorstkociManninga,U obwdzwilony[m].

7.2. Przepywymaksymalneookrelonymprawdopodobiestwiepojawianiasi obliczonemetodformuyopadowej

Parametryporwnania:f=0,6F1=0,051f=0,35H1=100mmA=3,07km2dj = 1fr=45,33l=0,25km

25

L=2,88kmm=7Ir1=28,75%fs=5,73

ls = 0 233, kmms=0,15Is=81,21%wg=315mn.p.m.wd=225mn.p.m.r=2,384km1ts=53min

T a b e l a 4Przepywymaksymalnezokrelonymprawdopodobiestwempojawianiasi

p[%] p Qp%[m3/s]

0,5 1,17 3,471 1.00 2,962 0,84 2,473 0,73 2,155 0,62 1,8410 0,46 1,3820 0,31 0,9230 0,23 0,6750 0,13 0,38

Rys. 10. PrzepywymaksymalneookrelonymprawdopodobiestwiepojawianiasiFig. 10. Probablemaximumflows

26

Ta b e l a 5Zestawieniewynikwobliczedlakrzywejobjtociprzepywuwprzekroju1

Napenienie[m] Stan[mn.p.m.] Przepyw[m3/s]

0,00 222,20 0,00

0,10 222,30 0,00

0,20 222,40 0,03

0,30 222,50 0,09

0,40 222,60 0,18

0,50 222,70 0,31

0,60 222,80 0,47

0,70 222,90 0,69

0,80 223,00 0,95

0,90 223,10 1,25

1,00 223,20 1,59

1,10 223,30 1,97

1,20 223,40 2,39

1,30 223,50 2,86

1,40 223,60 3,37

1,50 223,70 3,93

1,60 223,80 4,53

1,70 223,90 5,18

1,80 224,00 5,88

1,90 224,10 6,63

2,00 224,20 7,43

2,10 224,30 8,28

2,20 224,40 9,19

2,30 224,50 10,16

2,40 224,60 11,19

2,50 224,70 12,27

2,60 224,80 13,42

2,70 224,90 14,63

2,80 225,00 15,90

27

Rys. 11. Krzyweobjtociprzepywudlaprzekroju1Fig. 11. Debitcurvescross-section1

Rys. 12. Poziomyokrelajceprzepywyookrelonymprawdopodobiestwiepojawianiasi dlaprzekroju1

Fig. 12. Levelsofreturnperiodscross-section1

28

Ta b e l a 6Zestawieniewynikwobliczedlakrzywejobjtociprzepywuwprzekroju2

Napenienie[m] Stan[mn.p.m.] Przepyw[m3/s]

0,00 223,60 0,00

0,10 223,70 0,00

0,20 223,80 0,01

0,30 223,90 0,02

0,40 224,00 0,04

0,50 224,10 0,08

0,60 224,20 0,14

0,70 224,30 0,20

0,80 224,40 0,28

0,90 224,50 0,39

1,00 224,60 0,54

1,10 224,70 0,73

1,20 224,80 0,96

1,30 224,90 1,24

1,40 225,00 1,57

1,50 225,10 1,99

1,60 225,20 2,47

1,70 225,30 3,00

1,80 225,40 3,59

1,90 225,50 4,22

2,00 225,60 4,91

2,10 225,70 5,65

2,20 225,80 6,44

2,30 225,90 7,29

2,40 226,00 8.19

2,50 226,10 9,14

2,60 226,20 10,15

2,70 226,30 11,22

2,80 226,40 12,35

2,90 226,50 13,53

2,97 226,57 14,77

29

Rys. 13. Krzyweobjtociprzepywudlaprzekroju2Fig. 13. Debitcurvescross-section2

Rys. 14. Poziomyokrelajceprzepywyookrelonymprawdopodobiestwiepojawianiasi dlaprzekroju2

Fig. 14. Levelsofreturnperiodscross-section2

8. Wnioski

1. Z przeprowadzonych oblicze wynika, e koryto cieku jest wystarczajce do prze- prowadzeniawdoprawdopodobiestwiep=0,5%dlaprzepywurwnego3,47m3/s.

2. Zewzgldu na uksztatowanie terenu i wykonane prace regulacyjne na odcinku obli- czeniowymniewystpujzagroeniapowodziowenawetwprzypadkuwystpieniaprze- pywwoprawdopodobiestwiep=0,5%.

30

3. Zewzgldunabrakodpowiednichinformacjidowykonaniaobliczehydrologicznychmoliwejestzastosowaniemetod,ktrewykorzystujnajprostszeinajatwiejdostpnedane. Przykadowo, zamiast stosowania penegomodelu hydrologicznego uywane swzoryopartenainformacjachuzyskanychzmap,aniezpomiarwbezporednich.

4. Stosowanie programuAutoCAD Civil 3D pozwala na kompleksowe i szybkie prze- tworzenie informacji o topografii terenu oraz przygotowanie niezbdnych danych doobliczehydraulicznychihydrologicznych.

5. Tworzenieobiektwtypupowierzchniaikorytarzdajemoliwointerpolacjiinformacjipomidzyzadanymiprzekrojamibezkoniecznociwykonywaniadodatkowychpomiarwgeodezyjnych.

6. Na podstawie tak przygotowanych danych, obliczenia hydrologiczne mog stanowipodstaw do okrelania zagroe powodziowych. Uzyskane wyniki to wartoci przy- blioneiwymagajweryfikacjibazujcychnp.napomiarachterenowych.Niemniejjed- nakdla celwoperacyjnychczy szacunkowych jest to szybkametodapozwalajcanaskutecznanalizhydrologiczn.

7. Dokadno odwzorowania terenu zaley od dokadnoci mapy topograficznej lubrastrowej.Wartojednakwspomcsiwizjlokalnipomiaramigeodezyjnymi,dotyczydoszczeglniestrefykorytacieku.

L i t e r a t u r a

[1] B y c z k o w s k i A.,Hydrologia,WydawnictwoSGGW,Warszawa1996.[2] InstytutMeteorologii i GospodarkiWodnej, Zasady obliczania maksymalnych rocznych prze-

pywwrzekpolskichookrelonymprawdopodobiestwiepojawianiasi,Warszawa1991.