1 Wojciech Bartnik, Jacek Florek Katedra Inżynierii Wodnej, Akademia Rolnicza w Krakowie Charakterystyka parametrów przepływu w potokach górskich i na terenach zalewowych porośniętych roślinnością sztywną

2 Plan prezentacji: 1. Wstęp - funkcja roślinności 2. Materiał badawczy i metody pomiarowe 3. Przedstawienie wyników a) przyjęte ograniczenia pomiarowe b) wydatek koryta c) tachoidy prędkości średnich d) wstęgi amplitudy prędkości chwilowych e) intensywność turbulencji i naprężenia ścinające 4. Wnioski

3 1. Wstęp - funkcja roślinności Zmiany przepustowości i stabilności dopływów małych zbiorników wodnych pozostają pod wpływem roślinności porastającej ich dno.W części dolinowej potoków istotnym czynnikiem wpływającym na opory przepływu jest szorstkość denna koryta i obecność roślinności sztywnej na terenie zalewowym. Wpływ roślinności charakteryzują: - zmniejszenie przepustowości cieku, - zwiększenie odporności podłoża związanego systemem korzeniowym, - zmniejszenie prędkości ruchu wody i falowania. Zmiany te realizują się poprzez: - rozmieszczenie roślinności w przekrojach poprzecznym i podłużnym, - pokrój roślin, - własności mechaniczne i zachowanie się roślin, - głębokość i prędkość ruchu wody.

4 2. Materiał badawczy i metody pomiarowe Pomiarów dokonano w uchylnym korycie laboratoryjnym przy użyciu mikromłynka podłączonego poprzez przetwornik sygnału do komputera PC.

5 2. Materiał badawczy i metody pomiarowe Roślinność pomiarową stanowiły suche gałązki wierzbowe umieszczone, zgodnie ze schematem, w płytach odcinka pomiarowego.

6 2. Materiał badawczy i metody pomiarowe Badania wykonano na roślinności sztywnej, wysokiej.

7 3. Przedstawienie wyników a) przyjęte ograniczenia pomiarowe - pomiary w korycie laboratoryjnym charakteryzowały ustawialne zmienne parametry, - przyjęto: trzy wartości przepływu Q tj., 0,02, 0,04 i 0,06 m 3 s -1, pięć stopni spadku dna I tj., 0, 16,7, 33,5, 50,9 i 67,8 ‰, cztery stopnie zagęszczenia 180, 120, 60 i 0 m -2.

8 3. Przedstawienie wyników b) wydatek koryta Krzywe wydatku koryta przy zmiennym zagęszczeniu roślinności i stałym spadku 16,7‰ pokazują, że stosunkowy wzrost napełnienia przy maksymalnym badanym przepływie 0,06 m 3 s -1 może wynieść 60%.

9 3. Przedstawienie wyników c) tachoidy prędkości średnich Rozkłady prędkości w pionie przy stałym przepływie Q=0,02 m 3 s -1, spadku I=16,7 ‰ i różnym zagęszczeniu roślinności. Charakterystyczny układ z prędkością maksymalną na głębokości średniej nie powstaje gdy napełnienie obniży się.

10 3. Przedstawienie wyników c) tachoidy prędkości średnich Przy stałym przepływie i zagęszczeniu roślinności oraz zmiennym spadku zaobserwujemy podobną tendencję (Q=0,02m 3 s -1, zagęszczenie roślin 180m -2 )

11 3. Przedstawienie wyników c) tachoidy prędkości średnich Wobec braku roślinności opisany profil nie wykształca się a podobny układ powstaje na skutek falowania przy wzroście spadku. Prędkość przydenna rośnie z 0,2 do 0,64ms -1. (Q=0,02m 3 s -1, zagęszczenie roślin 0m -2 )

12 3. Przedstawienie wyników c) tachoidy prędkości średnich - wobec relacji pomiędzy średnią prędkością przydenną wynoszącą 0,25 i 0,38ms -1 a odpowiadającym jej zagęszczeniem wynoszącym 180 i 0m -2 zagęszczenie roślinności należy potraktować jako główny czynnik inicjujący zmiany prędkości w strefie przydennej

13 3. Przedstawienie wyników d) wstęgi amplitudy prędkości chwilowych Prędkości chwilowe (h=0 i 0,05m, Q=0,06m 3 s -1, I=16,7‰, zagęszczenie roślin 180m -2 )

14 3. Przedstawienie wyników d) wstęgi amplitudy prędkości chwilowych Prędkości chwilowe (h=0 i 0,05m, Q=0,06m 3 s -1, I=16,7‰, zagęszcz. roślin 60m -2 )

15 3. Przedstawienie wyników d) wstęgi amplitudy prędkości chwilowych Prędkości chwilowe (h=0 i 0,05m, Q=0,02m 3 s -1, I=50,9‰, zagęszcz. roślin 60m -2 )

16 3. Przedstawienie wyników d) wstęgi amplitudy prędkości chwilowych - całkowite amplitudy wahań prędkości chwilowych maleją z odległością od dna, - amplituda wahań rośnie gdy zmniejszy się zagęszczenie, - roślinność tłumi wahania prędkości głównie w strefie przydennej, - ponieważ zmniejszenie przepływu i wzrost spadku nie wywołały znaczących zmian to roślinność jest głównym czynnikiem decydującym o wielkości amplitudy wahań prędkości i ich zmianie na poszczególnych głębokościach.

17 3. Przedstawienie wyników e) intensywność turbulencji i naprężenia ścinające - zjawisko intensywności turbulencji powiązane jest z pulsacją prędkości to jest z jej odchyleniami od pewnej średniej wartości stałej, - intensywność turbulencji charakteryzujemy poprzez: prędkość chwilową - v wartość średnią prędkości lokalnej pulsację prędkości odchylenie standardowe od wartości średniej intensywność turbulencji

18 3. Przedstawienie wyników e) intensywność turbulencji i naprężenia ścinające - intensywność turbulencji osiąga wartości maksymalne w strefie przydennej oraz w przekrojach pozbawionych roślinności

19 3. Przedstawienie wyników e) intensywność turbulencji i naprężenia ścinające W ruchu turbulentnym naprężenia ścinające są proporcjonalne do kwadratu prędkości średniej a efektywne naprężenia ścinające można przedstawić równaniem:

20 3. Przedstawienie wyników e) intensywność turbulencji i naprężenia ścinające W korycie o dużej szorstkości gdy n 0 =n funkcję F(C F ) opisującą wpływ roślinności na pulsację prędkości, można zastąpić przez stosunek intensywności turbulencji C T przy danym zagęszczeniu do intensywności turbulencji w korycie bez roślinności. W ten sposób przedstawiona wcześniej formuła przyjmie postać: - w badaniach zaobserwowano zmianę naprężeń ścinających  e w dnie ze 128 Nm -2 wobeć braku roślinności do 54 Nm -2 przy zagęszczeniu maksymalnym 180 m -2.

21 4. Wnioski Obecność roślinności prowadzi do wzrostu napełnienia, zmniejsza prędkość przydenną (nawet o około 80% wartości początkowej), zmniejsza amplitudę prędkości chwilowych, obniża turbulencję (o około 60%). Wpływ roślinności na: - zmianę profilu prędkości średniej, - wstęgi wahań prędkości chwilowej, - intensywność turbulencji w warstwie przydennej pozwala ocenić roślinność jako jeden z decydujących czynników w stabilizacji dna wpływający, poprzez zmianę wartości efektywnych naprężeń ścinających, na początek ruchu materiału dennego, prawdopodobieństwo zapoczątkowania ruchu rumowiska dennego a poprzez te czynniki na ilość materiału transportowanego do zbiorników wodnych.