MODELIRANJE TRANSPORTA PLAVIN NA MURI · široko uporabljenega 1D hidravličnega modela HEC-RAS 5.0, ki poleg hidravličnega modula vključuje tudi modul za račun transporta plavin

T. MIĆIČ, mag. S. JUVAN - 136 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA UPRAVLJANJA

Z VODAMI IN UREJANJA VODA

27. MIŠIČEV VODARSKI DAN 2016

Tijana MIĆIĆ * mag. Smiljan JUVAN

MODELIRANJE TRANSPORTA PLAVIN NA MURI

POVZETEK

Študija »Transport plavin na Muri«, VGB Maribor d.o.o. (oktober, 2016) je bila izdelana v okviru načrtovanja hidroelektrarne Hrastje-Mota (v nadaljevanju HE). Načrtovana HE bi s spremenjenim hidravličnim režimom vplivala tudi na obstoječi transport sedimentov na odseku od Gornje Radgone do Veržeja. Za simulacijo vpliva je bil uporabljen 1D hidravlični model (HEC-RAS 5.0, marec 2016), ki poleg hidravličnega modula vsebuje tudi modul za simulacijo transporta plavin. Osnovo za izračun vpliva načrtovanih ureditev je predstavljal najprej umerjen hidravlični model, nato pa še umerjen model transporta plavin. Na podlagi umerjenega modela je bila izdelana prognoza stanja z in brez umestitve hidroelektrarne za naslednjih 30 let. Analiza transporta plavin je bila izdelana za tri variante umestitve HE. Za ohranite kontinuitete transporta plavin dolvodno od HE so bili predlagani omilitveni ukrepi, med katerimi je bilo z modelom analiziranih več variant kontroliranega spiranja plavin ob visokih vodah.

UVOD

V okviru načrtovanja HE Hrastje-Mota na Muri je bilo potrebno poseg obravnavati tudi z vidika zagotavljanja kontinuitete premeščanja rinjenih in lebdečih plavin dolvodno. V ta namen je bila izdelana študija »Transport plavin na Muri«, VGB Maribor d.o.o. (oktober, 2016),, ki je z uporabo 1D matematičnega modela premeščanja plavin ugotavljala vpliv izgradnje HE Hrastje Mota na transport sedimentov po Muri. Z izgradnjo HE na Muri bi se brez dodatnih omilitvenih ukrepov dinamika premeščanja plavin lahko bistveno spremenila. Na podlagi izkušenj pri izgradnji ostalih hidroelektrarn tako v Sloveniji kot drugje v svetu so posledice v dinamiki transporta rinjenih in suspendiranih plavin neizogibne. Modeliranje in napovedovanje transporta plavin spada med manj raziskana področja matematičnega modeliranja. Napovedovanje transporta je zapleten in kompleksen proces, ker je gibanje izrazito tridimenzionalno. Kljub temu, pa lahko z enodimenzionalnimi (1D) modeli zelo dobro ponazorimo tendence transporta sedimentov, saj se glavnina gibanja sedimentov odvija v vzdolžni smeri. Analiza transporta plavin na obravnavanem odseku Mure je bila izdelana z uporabo uveljavljenega in široko uporabljenega 1D hidravličnega modela HEC-RAS 5.0, ki poleg hidravličnega modula vključuje tudi modul za račun transporta plavin. Model je bil uporabljen za analizo obstoječega stanja z umerjanjem modela ter za izračun prognoze vpliva umestitve načrtovane hidroelektrarne Hrastje-Mota na transport sedimentov. Kljub njegovim zmožnostim, pa je potrebno vedeti, da lahko z 1D modeli le do neke mere simuliramo transport plavin. Morfološke spremembe se računajo in prikazujejo v obliki poglobitve/nanosa razporejenega enakomerno po celotnem prečnem profilu, hkrati pa model ne upošteva lege matice toka, prelaganja glavnega toka v prečnem prerezu in vpliva bočne erozije (erodiranje brežin). Čeprav obstajajo številne teorije oz. enačbe, ki opisujejo ta pojav, so bile vse razvite na specifičnih razmerah in posledično nosijo določeno mero nezanesljivosti pri njihovi širši uporabi. Uporaba 1D modela se je glede na skope razpoložljive podatke in njihovo kakovost o geometriji struge, analizah proda, dnevnih/urnih pretokih ter neobstoječih podatkih o prodonosnosti in zrnavostni sestavi dotekajočih plavin, izkazala kot upravičena izbira orodja za modeliranje transporta plavin na Muri. Prav tako so ureditve oblikovanja akumulacije HE Hrastje-Mota (nasipi) načrtovane zelo blizu osnovne struge, kar dodatno upraviči izbor modela.

*Tijana MIĆIĆ, univ.dipl.inž.vod. in kom.inž., mag. Smiljan JUVAN univ,.dipl. inž. gradb.,Vodnogospodarski biro Maribor d.o.o., Glavni trg 19c, 2000 Maribor

T. MIĆIČ, mag. S. JUVAN - 137 - AKTUALNI PROJEKTI S PODROČJA

UPRAVLJANJA Z VODAMI IN UREJANJA VODA


OBMOČJE OBRAVNAVE

Projektno območje izgradnje HE Hrastje Mota obsega odsek notranje Mure od mostu v Petanjcih do AC mostu čez Muro v Vučji vasi. Za izdelavo modela transporta plavin je bilo projektno območje nekoliko razširjeno, saj postavitev robnih pogojev na rob projektnega območja ni priporočljivo zaradi nezanesljivega obnašanja modela na robovih. Za izdelavo matematičnega modela je bil model na gorvodnem odseku podaljšan do mostu v Gornji Radgoni, dolvodno pa do Veržeja. V okviru priprave strokovnih podlag so bile obdelane tri variantne rešitve. Dve variantni rešitvi predvidevata na različnih lokacijah umestitev po eno elektrarno (jezovno zgradbo) (varianta 1 in 2), tretja variantna rešitev pa vključuje izvedbo dveh nižjih stopenj (varianta 3). (Slika ). Gorvodno od jezovne zgradbe so pri vseh treh variantah predvideni levo in desnobrežni energetski nasipi. Pri vseh treh variantah so za potrebe ohranjanje obstoječega poplavnega režima na poplavnih območjih Mure načrtovana po dva bočna visokovodna preliva. Levi v.v. preliv je predviden na stac. km 99+445, desni pa na stac. km 100+610. Za ustrezno delovanje obeh prelivov sta v Muri predvidena tudi dva talna pragova.

Slika 1: Variante umestitve elektrarne Hrastje Mota

TERENSKE RAZISKAVE - MERITVE

V okviru izdelave študije »Transporta plavin na Muri«, VGB Maribor d.o.o. (oktober, 2016) so bile izdelane tudi terenske meritve in analize suspendiranih plavin ter sejalne analize 5 prostorninskih vzorcev proda. Za merjenje lebdečih delcev je bila 13.5.2015 postavljena merilna postaja neposredno gorvodno od vodomerne postaje Petanjci. Meritve so potekale kontinuirano z uporabo senzorjev motnosti, ki so se umerjali z ročnim odvzemom vzorcev pri različnih pretokih. Merilec je zabeležil koncentracijo suspendiranih delcev vsako minuto v obdobju od 17.5.2015 do 19.11.2015. V tem obdobju je bil zabeležen en visokovodni val, in sicer od 23.5.-25.5.2015, ko je pretok Mure presegel 600 m3/s (Slika 2). V času visokovodnega vala je bilo na mestu postavljenega merilca motnosti odvzetih 15 vzorcev za kalibriranje meritev. Vzorci so bili odvzeti ročno podnevi v ½ l čiste plastenke v intervalu na ca. 2-4 ure. V času naraščanja vala je bil odvzem pogostejši, kasneje redkeje. Vzorci so bili poslani v laboratorij Gradbene fakultete v Ljubljani, kjer je bila izdelana laserska difrakcija. Iz odvzetih vzorcev v času trajanja vala je bila izdelana tudi zrnavostna sestava suspendiranih plavin v vzorcu. Podrobnejša analiza merjene koncentracije suspendiranih sedimentov v času visokovodnega vala je pokazala, da je koncentracija suspendiranih delcev pričela naraščat skupaj s pretokom 22.5.2015 ob 21:00. S pretokom je hitro naraščala tudi koncentracija suspendiranih delcevl. Maksimum je dosegla 23.5.2015 ob 8:00, medtem ko je pretok naraščal še naprej in dosegel prvo konico okrog 14h (652 m3/s), drugo pa okrog 21h istega dne (670 m3/s).




Slika 2: Merjena koncentracija suspendiranih plavin ter hidrogram zabeleženih urnih pretokov na v.p. Petanjci (23.-25.5.2015)

V skladu s projektno nalogo so bili na 5 različnih lokacijah vzdolž obravnavanega odseka odvzeti tudi vzorci proda, za katere so bile izdelane sejalne krivulje. Odvzem vzorcev ter analize je izvajalo podjetje Pomgrad – VGP, d.d.. Vzorci so bili odvzeti dne 12.6.2015 pri pretoku Mure 160-170 m3/s. Lokacije odvzema vzorcev so bile enakomerno razporejene vzdolž obravnavanega odseka, odvzemna mesta pa so bila prilagojena dostopu mehanizacije do Mure. Rezultati analize zrnavosti odvzetih vzorcev so prikazani na Slika 3.

Slika 3: Zrnavostne krivulje prostorninskih vzorcev

V odvzetih vzorcih plavin so se pojavljala zrna velikosti od 0,063 mm (gline in melji) pa vse do 125 mm (veliki prodniki) Rezultati sejalnih analiz so pokazali, da se d50 (premer zrna plavin, od katerega je manjših 50 % zrn) na obravnavanem odseku Mure giblje od 19,5-41,7 mm, in sicer pada v smeri dolvodno po strugi. V povprečju je d50=27,5 mm (veliki prodniki). Srednja (artimetična) vrednost zrna (dm) pa znaša na obravnavanem odseku od 25-53 mm.




VHODNI PODATKI

Geometrija Osnovo za izdelavo kvalitetnega modela transporta plavin predstavljajo vhodni podatki. Čeprav na Muri obstajajo razmeroma dobre in predvsem dolgotrajne meritve pretokov, temperature ter količine suspendiranih delcev, pa še vedno obstajajo številne vrzeli v podatkih, predvsem na področju meritev rinjenih plavin (količine in zrnavosti) ter geodetskih meritev prečnih profilov notranje Mure. Osnovo za umerjanje modela predstavljajo prav merjeni prečni profili na obravnavanem odseku. Slednji se na mejni Muri merijo periodično na 3 leta, medtem ko so bili profili na celotnem odseku notranje Mure merjeni le leta 1980/84 in 2009/10. Zaradi pomanjkanja podatkov so nekateri pomembni vhodni podatki (količina in zrnavostna sestava sedimentov, ki dotekajo v model iz gorvodnega odseka mejne Mure) postali kalibracijski parametri v modelu, kar bi lahko vplivalo na njegovo zanesljivost in natančnost. Hidrološki podatki Od hidroloških podatkov smo imeli za kalibracijsko obdobje (1980-2010) na razpolago skoraj celotni niz dnevnih pretokov, medtem ko so se urni pretoki pričeli beležit šele po letu 1993. Za model transporta sedimentov so bili zato uporabljeni dnevni pretoki. Takšen pristop tudi nosi določeno negotovost pri izračunu transporta rinjenih plavin. Predvsem ob nastopu poplavnih dogodkov lahko urne vrednosti pretokov močno variirajo od dnevne vrednosti. Temperatura Temperatura vode je povezana z viskoznostjo, zato lahko že sprememba temperature vode za nekaj stopinj znatno vpliva na transportno kapaciteto. Hladna voda ima večjo viskoznost od tople, kar se kaže v povečani transportni sposobnosti vodotoka. Prav tako viskoznost vpliva na hitrost usedanja suspendiranih delcev, in sicer se hitrost usedanja zmanjšuje s padanjem temperature.Za obravnavan odsek Mure se na v.p. Gornja Radgona podatki o temperaturi merijo skoraj neprekinjeno od aprila 1980. Do krajše prekinitve je prišlo le v letu 1984 in 1986. Dotok rinjenih/suspendiranih plavin na zgornjem robnem pogoju Podlaga za določitev količine dotoka rinjenih plavin na zgornjem robnem pogoju modela je bila študija »Analiza stanja struge mejnega odseka reke Mure«, IZVRS (februar, 2016). Na podlagi primerjave prečnih profilov mejne Mure je bilo v tej študiji ugotovljeno, da se v odsek notranje Mure na letni ravni transportira v povprečju ca. 22.800 m3 rinjenih plavin, kar je bil vhodni podatek tudi v modelu transporta plavin. Na podlagi dnevnih meritev suspendiranih snovi na v.p. Gornja Radgona smo lahko za obdobje 1980-2005 izračunali letne količine transporta suspendiranih snovi. Po letu 2005 je v nizu meritev preveč prekinitev za konkretnejše analize. Izračunana povprečna letna količina transporta suspendiranih plavin v obdobju 1980-2005 je ca 400.000 ton. Od povprečja najbolj izstopata leti 2003 in 1989. Leta 2003 je bilo tudi hidrološko najbolj sušno leto, saj so v povprečju pretoki na v.p. Radgona bili kar za 35 % nižji od dolgoletnega povprečja.

UMERJANJE MODELA

Umerjanje modela je potekalo v dveh korakih. Prvi korak je predstavljal umerjanje hidravličnega modela, kjer smo uporabili modul s fiksnim dnom za izračun gladin, drugi korak pa je predstavljal umerjanje modela transporta sedimentov, za katerega smo uporabili modul z gibljivim dnom. Za namen modeliranja prodonosnosti je pomembno predvsem dogajanje znotraj struge, kjer je proces premikanja proda največji, zato je pri umerjanju 1D modela pomembna predvsem pravilna delitev pretoka med strugo in inundacijo. Čeprav zelo visoke vode, ko se poplava tudi obsežno razlije izven struge, običajno spremljajo večji erozijski procesi in povečan transport plavin, so vendarle vsakoletne visoke vode tiste, ki največ prispevajo k skupnemu transportu proda in oblikovanju pretočnega profila. Umerjanje modela na zabeležene gladine ob visokovodnem dogodku Mure dne 1.-9.9.2014 je pokazalo pričakovano razmeroma dobro ujemanje merjenih in izračunanih gladin. V času meritev gladine je maksimalen pretok Mure že upadal. Pretok je bil večinoma znotraj struge in ga zato lahko z 1D modelom zelo dobro modeliramo. Za višje pretoke, ko voda prestopi bregove struge, nismo imeli pomembnejših podatkov za umerjanje modela, razen nekaterih zabeležb gladine na objektih. Glede na to, da modeli transporta sedimentov temeljijo na umerjenih hidravličnih modelih, bi bilo potrebno v nadaljnjih aktivnostih projekta pridobiti dodatne izmere gladin Mure tudi ob večjih pretokih in za celoten čas trajanja visokovodnega vala ter model ponovno umeriti.




Transport plavin se v modelu računa po transportnih enačbah, ki so razvite za določene meje zrnavosti in za različne tipe vodotokov. Izbor prave enačbe je tako ena od pomembnejših nalog modeliranja. Na žalost obstoječe enačbe ne pokrivajo celotnega spektra zrnavosti (od melja do velikih prodnikov), zato je pri modeliranju potrebno sprejet določene predpostavke in izhodišča. Mura je v obstoječem stanju prodonosen vodotok, kjer suspendirane plavine bolj ali manj ostajajo v lebdečem stanju in se transportirajo dolvodno, tiste, ki pa se usedejo pa nimajo pomembnejšega vpliva pri formiranju dna. Iz tega razloga smo za izračun kalibracijskega modela in modela prognoze obstoječega stanja suspendirane delce zanemarili ter za račun rinjenih plavin uporabili enačbo MPM. Za stanje prognoze z umestitvijo HE pa imajo lahko suspendirane plavine pomembnejšo vlogo, zato smo za račun transporta v načrtovanem stanju uporabili kombinacijo enačbe skupnega transporta Ackers-White ter enačbe Krone in Parthenaides. Po slednji se računa transport frakcij gline in melja. V osnovi smo model transporta umerjali na podlagi spremembe prostornine sedimenta iz merjenih profilov leta 1980/84 in 2009/10 (kalibracijsko obdobje - 31 let). Neposredna primerjava kote dna merjenih in računskih profilov ne bi pokazala reprezentativnih rezultatov, saj 1D model ne računa prečne razporeditve sedimentov oziroma erozije po profilu, temveč slednjo enakomerno razporedi vzdolž celotnega prečnega profila struge. Rezultate smo zato analizirali kot vsotno krivuljo spremembe prostornine vzdolž obravnavanega odseka. Slednja metoda velja kot najboljši način za analizo rezultatov, saj izloči šume lokalnih motenj v dnu in prikaže vzdolžni trend kalibracije. Na tak način ne primerjamo samo skupnega volumna ampak tudi obliko krivulje. Rezultate modela smo primerjali z rezultati spremembe prostornine sedimentov med meritvami profilov 1980/84 in 2009/10. Rezultati umerjanja kažejo zelo dobro ujemanje meritev ter modelnih izračunov. Rezultati umerjanja odražajo obstoječe stanje na obravnavanem odseku. Osnovne ugotovitve so, da se Mura na odseku od Gornje Radgone do Babičovega mlina poglablja, dolvodno do Veržeja pa rezultati kažejo stabilen (uravnotežen) odsek. Iz analize prečnih profilov lahko ugotovimo, da je Mura na odseku med Gornjo Radgono in Veržejem v obdobju 31 let (od 1980-2010) iz dna erodirala ca 275.000 m3 materiala oz. 9.000 m3/leto. Če k temu prištejemo še dotok iz mejne Mure (ca 23.000 m3), ugotovimo, da se je v odsek dolvodno od Veržeja transportiralo v povprečju ca 32.000 m3 rinjenih plavin na leto. Suspendirane plavine v kalibracijskem modelu niso bile upoštevane.

Slika 4: Primerjava vsotne črte prinesenega/odnesenega materiala (plavin) iz merjenih profilov 1980/84-2009/10 in vsotne črte končne kalibracije modela

REZULTATI PROGNOZE STANJA TRANSPORTA PLAVIN Z IN BREZ UMESTITVE HE HRASTJE-MOTA NA MURI ZA NASLEDNJIH 30 LET

Na podlagi umerjenega modela je bila izdelana prognoza stanja z in brez umestitve hidroelektrarne za naslednjih 30 let. Analizirane so bile vse tri variante umestitve HE ter tri variante prognoze pretokov za naslednjih 30 let. Varianta ponovljene serije pretokov 1984-2014 je ocenjena kot najbolj realna, saj




posnema naravno dinamiko zaporedja in velikosti pretokov. Za slednjo tudi podajamo povzetek rezultatov. Prognoza stanja brez upoštevanja HE kaže podobno dinamiko premeščanja plavin kot kalibracijski model. Izračunan povprečni letni dotok plavin iz gorvodnega odseka (mejna Mura) je ca 25.000 m3, kar je posledica bolj mokrih zadnjih 5 let (2009-2014) v primerjavi s kalibracijskim obdobjem 1980-2010. Prognoza stanja za naslednjih 30 let brez umestitve HE kaže, da bi bil transport rinjenih plavin v odsek dolvodno od Veržeja v povprečju ca 33.000 m3/leto. Načrtovane elektrarne so predvidene kot pretočne elektrarne s stalno zajezitvijo. Simulacijo stalne zajeztive smo v modelu dosegli s časovno serijo odpiranja zapornic v odvisnosti od pretoka, vendar pa modul za račun sedimentov nima funkcije optimizacije obratovanje zapornic v odvisnosti od pretoka, zato je njihovo obratovanje potrebno definirati kot vhodni podatek v model. Rezultati kažejo, da bi umestitev HE brez izvedbe omilitvenih ukrepov pomembno vplivala na obstoječi transport plavin na obravnavanem odseku. V korenu zajezbe bi se brez izvedbe omilitvenih ukrepov ustavljale predvsem večje frakcije rinjenih plavin, bližje pregradi HE pa vedno bolj fine frakcije (suspendirane plavine). Z vidika transporta rinjenih plavin vse tri variante brez omilitvenih ukrepov dajejo podobne rezultate. Primerjava povprečnega letnega transporta rinjenih plavin z in brez izgradnje HE (Slika) kaže, da bi bil transport rinjenih plavin brez izvedbe omilitvenih ukrepov čez pregrado minimalen, pod pregrado pa bi Mura primanjkljaj rinjenih plavin jemala iz dna. Povprečni letni transport rinjenih plavin bi se brez izvedbe omilitvenih ukrepov v profilu Veržej zmanjšal iz 33.000 m3/leto na ca 13.000 m3/leto. Iz modela izhaja, da bi prekomerno poglabljanje na odseku pod HE preprečevala tudi oba stabilizacijskih pragova, ki sta bila zgrajena v okviru projekta BIOMURA. Poglabljanje struge dolvodno lahko ogroža stabilnost obstoječih objektov, tako obeh stabilizacijskih pragov kot tudi mostnih opornikov.

Slika 5: Povprečni letni transport rinjenih plavin za simulacijo brez in z izgradnjo HE za vse 3 variante umestitve (brez izvedbe omilitvenih ukrepov)

Zgornji rezultati kažejo na bistvene spremembe v transportu plavin po izgradnji HE (brez omilitvenih ukrepov). Poleg obeh pragov visokovodnih prelivov gorvodno od HE, ki bi do neke mere zmanjšala transport proda, pa bi na transport plavin dolvodno od pregrade vplivalo tudi močno znižanje hitrosti v območju stalne ojezeritve. Čeprav se polje hitrosti znotraj prečnega profila spreminja, pa z 1D modelom lahko računamo le povprečno profilno hitrost. S tem je lahko hitrost v matici nekoliko podcenjena. Iz Slika je razvidno, da bi se povprečne hitrosti po izgradnji HE (varianta 1) v območju stalne ojezeritve znižale, in sicer bi se pri pretoku Q=400 m3/s znižale iz 2,4 m/s na 0,5 m/s.




Slika 6: Primerjava povprečne profilne hitrosti v strugi brez in z izgradnjo HE-varianta 1 za pretok Q=400m3/s (brez izvedbe omilitvenih ukrepov)

Suspendirani sedimenti so se računali z enačbo skupnega transporta Ackers-White. Zanesljivost 1D modelov transporta suspendiranih plavin je, zaradi izrazitejšega spreminjanja koncentracije in transporta suspendiranih delcev v prečni in vertikalni smeri, manjša kot pri rinjenih plavinah. Kljub temu, pa lahko na podlagi rezultatov prepoznamo dinamiko usedanja tudi suspendiranih plavin. Slednje bi se brez izvedbe omilitvenih ukrepov največ usedale v območju bazena neposredno nad pregrado, kjer bi se tudi hitrosti najbolj znižale. Od vseh treh analiziranih variant se je kot najmanj ugodna pokazala varianta 2, po kateri bi se zaradi dolge zajezitve brez izvedbe omilitvenih ukrepov usedlo največ suspendiranih plavin (do ca 28%). Na podlagi rezultatov modela lahko sklepamo, da bi se vpliv zmanjšanega transporta plavin brez izvedbe omilitvenih ukrepov najverjetneje poznal tudi dolvodno od Veržeja, vendar bi za bolj zanesljivo analizo bilo potrebno v model vključiti daljši odsek Mure dolvodno od HE.

OMILITVENI UKREPI ZA OHRANJANJE KONTINUITETE TRANSPORTA PLAVIN DOLVODNO OD HE

V okviru naloge so bili v nadaljevanju predlagani in tudi delno analizirani omilitveni ukrepi za zmanjšanje vplivov, ki bi jih povzročila umestitev HE na transport plavin dolvodno. Ukrepi, ki so v praksi običajno najpogostejši in najučinkovitejši so:

- Kontrolirano odplavljanje sedimentov iz gorvodnega odseka - Ukrepi za povečanje sproščanja rinjenih plavin dolvodno od HE (odstranjevanje bočnih

zavarovanj, odpiranje nekdanjih rokavov, …) - Vnos rinjenih plavin pod pregrado - Premeščanje akumuliranih sedimentov znotraj struge (rinjene plavine v korenu zajezbe).

V literaturi se pojavljajo tudi številni drugi alternativni ukrepi (cevni prepusti za plavine, obvodi »by-pass-i« za sedimente,…) za zmanjšanje negativnega vpliva prekinitve transporta plavin dolvodno od HE. Večina jih je primerna za hidroelektrarne akumulacijskega tipa, kjer se usedajo večje količine finih sedimentov (gline, melji, drobni peski), manj pa za pretočne elektrarne. Na podlagi obstoječih podatkov in modelov je težko oceniti natančen učinek vsakega od ukrepov, saj so slednji odvisni od več neznanih parametrov (dejanski pretoki Mure v prihodnosti, zrnavostna sestava in količina dotoka sedimentov, ….). Z modelom je bil preverjen učinek kontroliranega odplavljanja sedimentov iz gorvodnega odseka za varianto 1.




Na podlagi izkušenj na že izvedenih elektrarnah pri nas in v tujini, bi bile za zagotavljanje ustrezne letne količine transporta rinjenih plavin dolvodno od HE najverjetneje tekom let potrebne različne kombinacije več ukrepov. Kontrolirano odplavljanje sedimentov iz gorvodnega odseka Osnovni princip metode kontroliranega odplavljanja je, da z manevriranjem zapornic HE ob dejanskem nastopu visokih vod čim bolj posnemamo naravne hidravlične lastnosti vodotoka, podobne tistim, ki so veljale pred izgradnjo HE ter na ta način preprečimo usedanje večje količine sedimentov nad pregrado. Ob visokih vodah se namreč tudi v naravnem stanju transportira največ sedimentov (rinjenih in suspendiranih). Posnemanje naravne dinamike do neke mere ohranja naraven transporta plavin tako po času kot koncentraciji, zato je pomembno, da bi se tak način upravljanja s sedimenti implementiral v obratovanje elektrarne že od samega začetka. Z modelom je bilo preverjenih več simulacij odplavljanja sedimentov za varianto 1 umestitve HE (različno trajanje odplavljanja, talni izpust, sprememba kote praga,…). Od vseh analiziranih variant scenarijev kontroliranega odplavljanja se je kot najbolj učinkovita za transport rinjenih plavin izkazala varianta HE s talnim izpustom (varianta je vključevala odpiranje zapornic ob visokih vodah (1-krat na leto); čas trajanja kontroliranega odplavljanja je 5-25 dni; upoštevana je četrta zapornica s funkcijo talnega izpusta pri izvajanju kontroliranega odplavljanja). Po tej varianti bi se lahko po določenem času dolvodno transportiralo tudi do 50% vseh rinjenih plavin. Učinek transporta suspendiranih delcev je po vseh simulacijah kontroliranega odplavljanja sedimentov podoben in znaša okrog 90%. Rezultati modela kažejo, da bi imela odločilno vlogo za učinkovito odplavljanje sedimentov v Muri dolvodno od načrtovane HE (še posebej rinjenih) vzpostavitev ravnovesne nivelete dna v bazenu. Pri interpretaciji rezultatov izvedenega modela kontroliranega odplavljanja se je potrebno zavedati stopnje negotovosti modela zaradi pomanjkljivih vhodnih podatkov. Rezultati modela so namreč močno odvisni od zrnavostne sestave sedimentov, ki dotekajo v računsko območje iz gorvodnega odseka (mejne Mure), katera pa je bila določena v fazi kalibracije modela in na podlagi več predpostavk. Z natančnejšimi vhodnimi podatki je lahko napoved učinka spiranja plavin bolj zanesljiva, potrjena pa z umerjenim (kalibriranim) modelom po izgradnji HE. Kljub temu pa lahko na podlagi rezultatov izdelanega modela kontroliranega odplavljanja sklepamo na dinamiko premeščanja plavin po izgradnji HE. Seveda lahko učinek kontroliranega odplavljanja tudi izboljšamo z ustreznim obratovanjem delovanja elektrarne, in sicer z odpiranjem zapornic ob vsakokratnih naravnih visokih vodah ter na tak način omogočimo nezajezen pretok čez pregrado. Tudi z različnimi tehničnimi posegi v samem bazenu za oblikovanje koncentriranega toka skozi bazen lahko dodatno pripomoremo k boljšemu učinku transporta plavin dolvodno. Učinek kontroliranega odplavljanja sedimentov bi bilo potrebno dopolnjevati še z drugimi ukrepi za zagotavljanje ustrezne količine rinjenih plavin dolvodno od pregrade. Ukrepi za povečanje sproščanja rinjenih plavin dolvodno od pregrade Eden od ukrepov za povečanje vnosa proda dolvodno od HE je tudi odstranitev obstoječih bočnih zavarovanj ter posledično povečevanje vnosa s pomočjo naravne bočne erozije reke. Poleg dodatnega vnosa plavin v strugo, bočna erozija pozitivno vpliva na širitev pretočnega profila ter zmanjševanje premestitvene zmogljivosti posameznega odseka, omogoča meandriranje reke, pozitivno vpliva na zniževanje konice poplavnega vala, ustvarja nove vodne in obvodne habitate itd. Na daljšem odseku dolvodno od HE bi bilo potrebno poiskati primerna mesta za odstranitev bočnih utrditev, izvesti morebitna dodatna zavarovanja obstoječe infrastrukture (ceste, daljnovodi,…) ter opraviti dodatne raziskave sestave tal v zaledju. Intenzivnost bočne erozije je odvisna od številnih faktorjev (vrsta zemljine, lega (konkava, ravni odsek), zaraščenost brežine,….), ki jih z obstoječimi orodji matematičnega modeliranja težko natančno opišemo oziroma napovemo. Učinek takšnih ukrepov je potrebno spremljati z ustreznim monitoringom po izgradnji HE ter na podlagi rezultatov monitoringa sprejeti dodatne ukrepe za zmanjševanje vpliva izgradnje HE na procese poglabljanja dolvodno, če bodo ti potrebni. Pri iskanju ustreznih lokacij odstranitve bočnih zavarovanj je smiselno upoštevati izkušnje avstrijskih kolegov, ki so se lotili reševanja prekomernega poglabljanja mejne Mure na podoben način. Kljub začetnim uspehom pri zmanjšanju nadaljnjega poglabljanja dna na mejni Muri analize ugotavljajo (IzVRS, 2016), da so slednji posledica predvsem enkratnega vnosa sedimentov ob izkopu stranskih rokavov, medtem ko je vnos sedimentov iz bočne erozije na letni ravni bistveno manjši kot je bilo prvotno predvideno. Posledično bo dolgoročni učinek zasnovanih ukrepov manjši kot so izkazovali rezultati napovedi oz. računskih simulacij. Vnos rinjenih plavin pod pregrado (mehanski vnos)




Eden od ukrepov za povečanje vnosa proda dolvodno od HE je tudi vnos proda iz zunanjega vira (za potrebe gradnje HE izkopan in neporabljen prod, izkopi v bližnjih gramoznicah, …). Možen je vnos proda neposredno v matico struge (npr. vnos sedimenta v strugo Mure pri Gosdorfu od maja do decembra 2007 je znašal ca 150.000 m3 (Klosch et al, 2011 ) ali razsutje po brežini, kjer ga nato ob dovolj visokih vodah reka sama odnaša dolvodno, odlaganje na deponijo v neposredni bližini reke ter postopno vnašanje v reko ali razsutje v strugo vzdolž reke (Slika 7 ).

Slika 7: Prikaz vnosa proda (100.000 m3) neposredno v strugo (preprečevanje negativnih učinkov gorvodno zgrajene HE na reki Isar v Nemčiji (Oberfohringer Wehr); levo- takoj po vnosu, desno-po prvi srednji visoki vodi (Kantoush, 2010)

Premeščanje rinjenih plavin znotraj struge Praksa upravljanja s sedimenti v tujini kaže, da je mehansko premeščanje akumuliranih rinjenih plavin tudi eden od možnih načinov zagotavljanja prodonosnosti. Načrtovana hidroelektrarna na Muri je zasnovana kot elektrarna pretočnega tipa s stalno ojezeritvijo. Modeli kažejo, da bi se v korenu zajezbe akumulirala večina rinjenih plavin. Slednje bi bilo potrebno izkopati (bagranje) in transportirati na lokacijo dolvodno od pregrade. Največji izziv pri mehanskem odstranjevanju proda predstavlja dostop do lokacije odvzema ter določitev lokacije za deponijo materiala, ki naj bo v bližini mesta vnosa proda v reko dolvodno od elektrarne.

ZAKLJUČEK

V nalogi je bil za račun transporta plavin Mure uporabljen 1D model HEC-RAS, katerega rezultati prikazujejo trende odlaganja in erozije sedimentov, njihovo vzdolžno gibanje tako po količini kot tudi po zrnavosti. Zaradi računskih omejitev 1D modela, pomanjkljivih (neobstoječih) vhodnih podatkov ter nezanesljivosti napovedovanja hidroloških razmer v prihodnosti, izkazujejo rezultati prognoze bodočih stanj zelo konservativne napovedi zmanjšanja količin transporta plavin in jih je potrebno obravnavati previdno in z zadržkom. Rezultati študije kažejo, da bi umestitev HE Hrastje – Mota (po vseh 3 variantah) bistveno vplivala na obstoječi transport rinjenih plavin, zato bodo potrebni omilitveni ukrepi za zagotavljanje transporta plavin dolvodno od načrtovane pregrade HE. Nadaljnje aktivnosti za izboljšanje kvalitete in zanesljivosti rezultatov modela morajo biti usmerjene predvsem v pridobivanje dodatnih in za kvaliteten model nujnih vhodnih podatkov. V ta namen je potrebno izboljšati in vzpostaviti program dodatnih hidroloških meritev, meritve gladin ob visokih vodah za boljše umerjanje hidravličnega modela, izvajati pogostejše batimetrične izmere notranje Mure, vzorčevanje in analizo zrnavostne sestave rinjenih in suspendiranih plavin,…. Le na podlagi kvalitetnih vhodnih podatkov lahko izboljšamo tudi kvaliteto rezultatov modelov transporta plavin, pa naj gre za račun z 1D, 2D ali fizičnimi modeli. V okviru nadaljnje izdelave projektne dokumentacije je na podlagi bolj definiranih tehničnih rešitev in pridobljenih kvalitetnejših vhodnih podatkov, smiselna dopolnitev matematičnega modela ter izdelava fizičnega modela.




VIRI

Gorišek, M. et al. 2016. Analiza stanja mejnega odseka reke Mure, Inštitut za vode Republike Slovenije (IzVRS)

Kantoush, S.A. in SUMI, T. 2010. River Morphology and Sediment Management. Strategies for

Sustainable Reservoir in Japan and European Alps. Annuals of Disas. Prev. Res. Inst., Kyoto Univ., No. 53 B, 2010

Klösch, M. et. al, 2011. Mitigating channel incision via sediment input and self-initiated riverbank erosion

at the Mur river, Austria, Institute of Water Managenment, Hydrology and Hydraulic Engineering, University of Natural Resources and Applied Sciences, Vienna

Morris, G.L., Fan, J., 1998 (elektronska izdaja 2009), Resrvoir Sedimentation Handbook, design and

management of dams, resrvoirs, and watersheds for sustainable use, McGraw-Hill Book Co., New York

Winterwerp, J.C., van Kesteren, W.G.M., van Prooijen, Jacobs, B. 2012. A conceptual framework for

shear flow–induced erosion of soft cohesive sediment beds, Journal of Geophysical research, VOL. 117, C10020, doi:10.1029/2012JC008072, 2012

Documents

MODELIRANJE TRANSPORTA PLAVIN NA MURI · široko uporabljenega 1D hidravličnega modela HEC-RAS 5.0, ki poleg hidravličnega modula vključuje tudi modul za račun transporta plavin