Zvonimir Malbaša - Seminar UH.pdf

Predvianje otjecanja

Split, 26.11.2014. Zvonimir Malbaa

Fakultet graevinarstva arhitekture i geodezije

Uvod

Zapisi otjecanja na mjernoj stanici su kontinuirani u vremenu.

Za vrijeme kie dolazi do varijacija na hidrogramu otjecanja (bazni tok prije kie, direktni tok za vrijeme i nakon kie).

Kontinuirano biljeenje otjecanja daje projektne informacije za dugotrajno planiranje iskoritenja vodnih resursa.

Za razliku od malih slivnih podruja, otjecanja na veim slivnim podrujima je kompliciranije zbog klimatskih razlika, prostornih varijacija, topografskih i geolokih efekata, vrsta tla i vegetacije. U sluaju da vrijeme kanjenja povrinskog otjecanja postane znaajno treba uzeti u obzir i mijeanje s pod povrinskim i podzemnim tokovima. U praksi, mrea mjernih stanica na velikom slivnom podruju teko e adekvatno dati projektne informacije za cijelo slivno podruje. Zbog toga, proces treba biti razvijen na nain da se vode na podrujima bez mjernih stanica mogu povezati s mjerenjima na mjernim stanicama podruja koja ih imaju. Takva metoda zahtjeva velike koliine podataka i izrazite napore u kalibriranju.

Zapisi otjecanja odraavaju samo trenutnu situaciju na slivnom podruju i vrlo malo se koriste za predvianje rizika od poplava, zato to ti podaci mogu biti nekonzistentni i nepouzdani.

Uvod

Hidroloko projektiranje obino se oslanja na pristupe bazirane na riziku. Vano je razlikovati rizik i neizvjesnost. Rizik znai stanje pod kojim postoji mogunost da se odreeni dogaaj dogodi. Neizvjesnost je stanje pod kojim nam nedostatak informacija ili podataka onemoguuje da neto sigurno znamo.

Izuavanje slivnog podruja obino poinje hidrolokim planiranjem a onda se iri na hidraulino projektiranje. Vano je razlikovati hidroloke analize od hidrolokog projektiranja.

Hidroloke analize ukljuuju neadekvatne informacije, nedostatak osnovnih podataka i subjektivne odluke. Kao rezultat, hidroloka predvianja provedena su, za dugorone prosjene rezultate, teorijama vjerojatnosti. Glavna svrha hidrolokih analiza je postaviti regionalne pouzdane osnove za odreivanje rizika od poplava.

U suprotnosti s nesigurnostima u hidrolokoj analizi, hidraulika analiza mora se provesti deterministikim pristupom, za predodreeni nivo rizika. Hidrauliko projektiranje i analiza moraju koristiti metode visokog nivoa preciznosti.

Kad hidroloka studija ukljuuje hidraulike strukture kao mostove, odvodne propuste i kanale, skladine bazene, sustave zadravanje vode, movarna podruja itd. mora se voditi briga o prikladnosti projektnih informacija za odabrani projektni rizik.

Uvod

to elimo znati? Ukupni volumen oborine koja otjee po slivu (direktnog otjecanja).

Kako izgleda hidrogram otjecanja?

Koja je vrna vrijednost otjecanja sa podslivova.

Vjerojatnost pojave vrnih protoka (za procjenu rizika od poplave).

Podaci o oborinama koji se koriste za projektiranje

Podaci o oborinama dostupni su u U.S Weather Bureau u dva oblika: neobraeni podaci i javni podaci.

Neobraeni podaci su u obliku kontinuiranih zapisa s razliitim inkrementalnim vremenskim intervalima. Mogu se obraditi po pristupu koliina oborina-trajanje-povratni period i objaviti u oblicima izohijetalnih karata.

Svaka karta pokazuje konture jednakih koliina oborina za odreeno trajanje i intervale ponavljanja.

Prva studija koliina oborina-trajanje-povratni period (eng. PDF) za SAD obavljena je ranih 1930-ih godina.

PDF informacije sadre niz openitih kinih karata za trajanja od 5 minuta do 24 sata, i za povratne periode od 2 do 100 godina.


Technical paper (TP40)

Technical Paper No. 40 je prihvaen kao standardizirani izvor za informacije oborina-povratni period u SAD-u od 1961. godine.

TP 40 ukljuuje izohijetalne karte s povratnim periodom od 1, 2, 5, 10, 25, 50, i 100 godina, i vremenom trajanja od 30 minuta, 1, 3, 6, 12 i 24 sati.


Hydro 35 izveden iz TP40 (za istonu i sredinju ameriku)

NOAA Atlas 2 (za 11 zapadnih zemalja) mjesta sa zahtjevnom topografijom

Procjene najvjerojatnijih maksimalnih oborina predstavljaju procjene oborina u najgorim kombinacijama meteorolokih i hidrolokih uvjeta.

Podaci o oborinama koji se koriste za projektiranjePrimjer: Izvoenje veze koliina oborina-trajanje-povrati period za grad Denver koristei NOAA Atlas 2, Svezak 3 Colorado.

a) Geografske regije u dravi Colorado

Jedanaest zapadnih zemalja podijeljeno je u nekoliko regija. Regije su odabrane na osnovu meteoroloke i klimatoloke homogenosti i openito predstavljaju kombinaciju rijenih bazena odvojenih istaknutim granicama. Drava Colorado djelomino obuhvaa 4 takve regije:


b) Izvoenje tablice koliina oborina-trajanje-povratni period

Korak 1.: Indeks koliine oborina

Indeks koliine oborina u Atlasu 2, Svezak 3 za Colorado ukljuuje koliinu oborina za 2- i 100-godinje povratne periode trajanja 6 i 24 sata. Na osnovu lokacije, vrijednosti indeksa koliine oborina mogue je oitati sa izohijetalne karte i zatim ih koristiti kao osnovu za izvoenje vrijednosti oborina 2- i 100-godinjeg povratnog perioda i trajanja 1 sat koristei sljedee empirijske formule koje Atlas 2 predlae za Colorado:


Grad Denver nalazi se u zoni 1 i nadmorskoj visini od 5,500 feet-a (Z=55.0). U slijedeoj tablici, u stupcu 8 i 9, nalaze se vrijednosti oitane sa izohijetalne karte iz Atlasa 2, Svezak 3 za Colorado:


Korak 2.: Vrijednosti oborina za trajanje od 1 sata

Koliina oborina za trajanje od 1 sata i povratni period od 2 godine:

Koliina oborina za trajanje od 1 sata i povratni period od 100 godina:

Zatim se povue pravac, kroz te dvije tone, na grafu za jednosatno trajanje danom u Atlasu 2, V3.


Korak 3.: Vrijednosti oborina za trajanje od 2 i 3 sata

Korak 4.: Vrijednosti oborina za trajanje od 5, 10, 15, 30 minuta

Vrijednosti oborina s trajanjem kraih od jednog sata mogu se linearno povezati sa vrijednostima oborina trajanja jednog sata:


Uzimajui u obzir da je srednji intenzitet oborine (inch/sat) omjer koliine oborine (inch) i trajanja (sat) dobijemo sljedeu tabelu:

Sezonske promjene

Karte u Atlasu 2 temelje se na podacima za cijelu godinu. U nekim dijelovima Zapada, oborine su sezonska pojava. Dakle, vrijednosti koliina oborina povratni period u kinim sezonama pribliavaju se godinjim vrijednostima.

U dijelovima gdje se najvea godinja n-satna koliina oborina moe promatrati u bilo kojoj sezoni, sezonske karte koliina oborina - povratni period razlikovat e se od onih u Atlasu.

Ni u kojem sluaju sezonske vrijednosti ne mogu biti vee od godinje vrijednosti. Meutim, sezonske vrijednosti e biti odreeni postotak od godinjih vrijednosti, koji varira ovisno o uestalosti velikih oluja tijekom sezone promatranja.

Openito o sezonskom distribucijama velikih oluja moe se saznati u U.S. Weather Bureau.

Redukcija povrine

Podaci za razne karte trajanja i dijagrame u Atlasu 2 odreeni su individualno. Karte, dakle, predstavljaju raspodjelu meu olujama.

U Atlasu 2 karte prikazuju toke vrijednosti iz kojih su i izvedene; podatkovne toke su neovisne jedna o drugoj.

Oborine na slivnom podruju su promjenjive, ak i kad ista kia zahvaaju veliku povrinu; susjedne stanice ne moraju nuno zaprimiti maksimalne godinje iznose od iste kie.

Dakle, pojedine toke na tim kartama izraavaju pojedine vjerojatnosti. To da toka unutar odreenog sliva moe zaprimiti jednaku ili veu koliinu od njene 50- ili 100-godinje vrijednosti u odreenom danu ne utjee na vjerojatnosti za bilo koju drugu toku unutar tog sliva. Druga toka unutar sliva moe zaprimiti iznos koji je jednak ili vei od njene 50- ili 100-godinje vrijednosti unutar iste kie ili kie sljedeeg dana, tjedna ili u bilo koje drugo vrijeme.

Redukcija povrine

Vrijednost iitana iz izohijetalne karte u Atlasu je vrijednost za tu toku za odreeno trajanje, koja e biti dosegnuta ili premaena, u prosjeku, jednom tijekom razdoblja naznaenog na toj karti. U hidrolokim planovima za veliki sliv inenjeri vie panje predaju prosjenoj koliini oborina nego koliini u odreenoj toki. Krivulje koliina oborina-povrina su razvijene kako se bi zadovoljile te potrebe.

Krivulja koliina oborina-povrina je pokuaj da se poveu srednje vrijednosti na svim mjernim tokama za dano trajanje i povratni period sliva sa srednjom vrijednosti oborina na cijelom slivu za isto trajanje i povratni period.

Postoje dva tipa ove veze:

Oborina u centru maksimalna koliina oborina javlja se kada je oborina u centru sliva. Uglavnom se koristi za procjene vjerojatnosti maksimalnih koliina oborina.

Geografski fiksirana povrina kada je povrina fiksirana a oborina se nalazi u centru sliva ili je rasporeena tako da zahvaa samo dio sliva. Uglavnom se koristi za izuavanje vrijednosti veze koliina oborina-povratni period za slivne bazene.

Redukcija povrine

Primjer: Mjerna stanica zabiljeila je koliinu kie u visini od 2.60 inch-a, u jednom satu, na slivu povrine od 50 milja kvadratnih. Odredite realnu koliinu kie na cijelom slivu.

Iz slike se oita DARF = 0.80

AreaP1 = 0.80 x 2.60 = 2.08 inch-a

Projektirana raspodjela koliine oborina

24-satne krivulje raspodjele koliine oborina

Analiza velikog broja kinih oluja s niza razliitih mjernih stanica i razliitih reima, dovela je do 24-satne krivulje raspodjele koliine oborina sa pljuskovima trajanja 6, 12 i 18 h.

SCS metoda razvila je nekoliko 24-satnih krivulja raspodjele koliine oborina koristei karte koliina oborina-povratni period trajanja od 5 min do 24 h.

Metoda sintetikog jedininog hidrograma

SCS sintetiki jedinini hidrogram

Hidrogram izazvan od jednog inch ili milimetara oborine na slivu. SCS metoda predlae da se povrina hidrograma aproksimira trokutom.

Volumen trokuta:

Ukupno vrijeme trokutastog hidrograma:


Vrijeme koncentracije:

- empirijski ;

Kombinacijom moemo dobiti vezu s trajanjem oborine:


CN-broj koristi se veinom za poljoprivredne povrine, i neadekvatno opisiva otjecanje s prekrivenog tla u urbanim podrujima. U urbanim podrujima, betonirana povrina omoguava mnogo efikasniju hidrauliku vodljivost i kao rezultat ranije uspostavljanje vrnih protoka i vee volumene otjecanja.

Postotak urbanizacije, U, na slivu izraava se kao:

(1) postotak promjenjivosti duljine vodenog toka

(2) postotak nepropusnosti na slivu

Da bi primijenili metodu SCS jedininog hidrograma na urbano podruje, faktor vremena kanjenja izraunat je sa unaprijeenim CN brojem i prema postotku urbanizacije, U, kao:

Pa je vrijeme kanjenja:


Primjer: Izvoenje SCS trokutnog jedininog hidrograma za sliv za sljedeim parametrima: A = 0.38 kv milja, L = 1.28 milja, Lc = 0.52 milja, CN = 85(Ia = 44%), S0 = 0.0102 ft/ft.


Urbani jedinini hidrogram za Colorado

Colorado Unit Hydrograph Procedure (CUHP) razvijena je za predvianje poplava na podruiju grada Denvera. Mnoge lokalne opine usvojile su ovu metodu za planiranje i projektiranje drenanih sustava i sustava zatite od poplava. Metoda je u naelu slina SCS metodi jedininog hidrograma samo to su mnogi parametri razvijeni na temelju baza podataka urbanog podruja Denvera.

Regionalne analize

Hidroloki podaci prikupljeni na bliskim mjernih postaja, u hidrolokoj regiji ili slivnom bazenu, mogu formirati baze podataka za regionalne analize. Regionalne analize zahtijevaju odabiranje neovisnih i ovisnih varijabli i definiranje njihove meusobne povezanosti. Sve neovisne varijable odabrane za regresijsku analizu moraju bit izmjerene. Na primjer, pri prouavanjima predvianja poplava na nekom slivu, vrni protok je varijabla koja ovisi o slivnom podruju, nagibu, obliku i nadmorskoj visini, duljini toka, tlu, retencijskom potencijalu.

Odabiranje matematikog modela za opis hidrolokih procesa ovisi o tome je li uinak izmeu individualnih varijabli zajedniki umnoen ili zbrajan. Na primjer, svaki individualni gubitak prema ukupnom hidrolokom gubitku je aritmetiki postupak, ali vrni protok sa sliva zato je umnoen postupak. Za umnoene postupke koriste se mone matematike funkcije koje daju zadovoljavajue rezultate.

Regionalne analize

Openiti matematiki model za prouavanje vrnih protoka moe se formulirati na sljedei nain:

Da bi izvukli parametre model se moe linearizirati logaritmiranjem:

Ova jednadba omoguava primjenu metode konanih elemenata za procjenu parametara modela.

Documents

Zvonimir Malbaša - Seminar UH.pdf