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