Střední průřezová rychlost a její ekologický význam

Klimatická změna se projevuje na řadě míst výrazně prostorově lokalizovanými přívalovými srážkami s krátkou dobou svého trvání, zato však s velkou intenzitou. Jako jeden z očekávaných důsledků takovéhoto typu srážek je i vznik bleskových povodní, vyznačujících se prudkým vzestupem z hodnoty běžného průtoku na hodnotu kulminačního průtoku a opětovného rychlého poklesu.

Důsledkem výskytu tohoto typu epizodálních povodňových jevů je iniciace morfologických přeměn v korytech menších a středních podhorských vodních toků, často až s devastačními účinky pro úsek koryta vodního toku.

Revitalizační úpravy koryt vodních toků představují jedno z adaptačních opatření v oblasti snižování dopadu sucha na vodní režim krajiny. Tato adaptační opatření patří mezi nosná témata výzkumné činnosti projektu SS02030027 „Vodní systémy a vodní hospodářství v ČR v podmínkách změny klimatu (Centrum Voda)“.

Jde zejména o oblast návrhu opatření vedoucích ke snížení povodňových rizik se zaměřením na aspekty ovlivnění průběhu povodní změnou klimatu. Rovněž sem spadá výzkum dopadu klimatické změny na ekosystémy a snížení důsledků antropogenního ovlivnění vodního a na vodu vázaného prostředí a vytváření podmínek pro zlepšení ochrany ekosystémů.

Revitalizace koryta vodního toku je dnes v užším hydromorfologickém měřítku vnímána jako soubor opatření, jež umožňují utváření koryta za přítomnosti širokého spektra korytotvorných, především fluviálních procesů. K těmto procesům v korytech vodních toků patří i vytváření hydraulických proudových struktur - např. kontrakce a expanze proudu, vznik úplavů s přítomností vírů s vertikální osou a vznik vodního válce s vodorovnou osou jako součást vodního skoku.

Čtěte také: Nápady pro ekologické projekty

Dále pak vznikají erozní, transportní a sedimentační procesy, které jsou navázány na předchozí hydraulické jevy. Závisí na geomechanických vlastnostech materiálu, v němž se koryto přetváří, a na stabilitě břehů, které se svou deformací výrazně podílejí na proměnlivé geometrii koryta. Při návrhu revitalizačních úprav je vhodné vycházet právě z poznatků a pozorování sukcesních procesů podílejících se na přetváření koryta.

Výrazné morfologické změny lze pozorovat v terénních podmínkách během průchodů bleskových povodní i po nich, kdy morfologické změny mají značně akcelerovaný průběh. Dále lze morfologické změny pozorovat při cíleném fyzikálním výzkumu v laboratorních podmínkách, v nichž lze detailněji sledovat a vyhodnotit průběh procesu, který by však měl být pokud možno verifikován pro podmínky, jež jsou co nejbližší reálným korytům. V tomto příspěvku se autor věnuje vzniku a vývoji prostorového výmolu, pro svůj charakteristický tvar často nazývaného „výmol - hruška“, který vzniká na přechodu mezi opevněným a neopevněným korytem.

Problematikou stabilizace rozvolněného koryta v jeho rozšíření se již dříve zabývala řada autorů, namátkou [3, 7]. Výzkum VÚVH Bratislava [3], který se svým charakterem asi nejvíce blížil této studii prostorového výmolu, přijal jako první pro tento morfologický objekt na vodním toku pracovní označení „hruška“ (obr. 1 vpravo). Terénní šetření s pozorováním reakce koryt na přirozené nebo uměle vyvolané morfologické změny.

V části projektu, jehož cílem bylo umožnit kvantifikaci morfologických změn, probíhal soustavný výzkum v laboratorních podmínkách na dvou odlišných typech modelu koryta v přechodové oblasti. Pro komplexnější popis chování modelu byla zvolena „úplná prostorová“ realizace koryta v přechodové oblasti jeho rozvolnění (obr. 2 vlevo).

Pro urychlení postupu dokumentace okamžitého vývoje výmolové prohlubně koryta byla navržena realizace symetricky zjednodušeného „polovičního“ koryta (obr. 2 vpravo). Osou symetrie koryta zde byla skleněná stěna hydraulického žlabu, v němž bylo koryto ve vstupní opevněné části i přechodové rozvolněné části vytvořeno. Tato druhá realizace umožňovala velmi rychle zachytit průběh hladiny a dna v podélném směru prakticky v daném okamžiku. Pro urychlení geometrického zaměření hladiny i dna byla využita optická přístupnost přes skleněnou boční stěnu žlabu. Taktéž proměření rychlostních polí v přechodové oblasti koryta bylo možno provést výrazně rychleji než při úplné prostorové realizaci koryta.

Čtěte také: Večerní Střední Škola - podrobnosti

Je zřejmé, že předpoklad symetrie byl i z hlediska reálného vývoje koryta v rozvolnění zjednodušujícím předpokladem, který bylo nutno v další fázi projektu verifikovat s úplnou prostorovou realizací modelu koryta. V zásadě by neměly být žádné objektivní důvody pro výrazně nesymetrický vývoj výmolu, pokud k tomu ovšem nejsou vytvořeny zvláštní podmínky.

Na přechodu mezi pevným a deformovatelným korytem začíná celý proces vznikem malé prohlubně ve dně tak, jak k tomu dochází i u širokých koryt. Při samovolném utváření prahu ve dně na přechodu mezi koryty vzniká proudění charakteru vodního skoku. S rostoucí hloubkou prohlubně nemění toto proudění v podélné rovině výrazně svůj charakter. Jakmile prohlubeň dosáhne pat svahů, dojde k poruše jejich stability a malé části nebo i celé bloky materiálu začnou sjíždět do prohlubně. Svahy přetvárného koryta v blízkosti své paty již plynule nenavazují na svahy pevného koryta.

Boční víry začínají postupně narůstat a sílit. Hlavní část své cirkulační energie dostávají od hlavního proudu v blízkosti osy koryta. Boční válce se z obou stran rozpínají, stlačují středový proud a vedou k jeho šířkové kontrakci. Čím více se výmolová prohlubeň rozšiřuje do stran, tím rozvinutější je cirkulační struktura bočních válců. Materiál (písek), unášený ze dna silným proudem vodního skoku v blízkosti podélné osy koryta, je zčásti odnášen pryč z oblasti výmolu a zčásti je cirkulován v bočních válcích. Jakmile se tento cirkulační splaveninový proces ustálí, začne se další vývoj maximální hloubky výmolu zpomalovat.

Hlavní proud má již totiž částečně vyčerpanou transportní kapacitu materiálem, který je cirkulován v bočních válcích. Někdy je šířka bočních válců již natolik velká, že zpětný proud podél svahů nemá dostatečnou sílu odebírat materiál ze dna. Výmol se prohlubuje více u středu, na okrajích se prohlubuje méně nebo vůbec. V takovýchto případech je dno na okrajích výmolové prohlubně velmi ploché a u středu koryta se příkře svažuje k místu maximální hloubky celého výmolu.

Jelikož v místě prostorového výmolu vzniká vodní skok, jehož charakteristiky je možno získat aplikací věty o hybnosti, lze zcela přirozeně uvažovat o tom, že i řešení prostorového výmolu bude vycházet z tohoto principu. Věta o hybnosti umožňuje přesné řešení při navrhování dimenzí vývarů konstantní šířky, pro případ prostorového výmolu tvaru hrušky je však šířka proměnná. Je potřeba počítat i s tlakovou normálovou silou, kterou je reakce stěn objektu „hrušky“, i když v případě deformovatelných stěn ani toto zcela neplatí. Půdorysně není rozměr vodního skoku z bočních stran vymezen pevnými stěnami, nýbrž kontaktními plochami s bočními válci (obr. 1 vpravo). Vzhledem k tomu, že v kontaktní ploše ze strany bočních válců se svislou osou má voda obvodovou rychlost danou prouděním ve víru, nelze počítat pouze s velikostí normálové síly, ale též s tečnou silou.

Čtěte také: Školy v přírodě ve Středních Čechách

Kromě toho nemusí být rozdělení tlaků ve vstupním profilu vždy hydrostatické a hybnost proudu ve výstupním profilu je v důsledku nerovnoměrného rozdělení rychlostí v příčném profilu ovlivněna i velikostí Boussinesqova čísla (poměr skutečné hybnosti proudu k hybnosti vyjádřené z průřezové rychlosti). Z předchozího je tedy zřejmé, že prostá aplikace věty o hybnosti nevede k cíli.

a parametr F vzájemné přeměny kinetické a polohové energie v důsledku rozšíření (rov. což je vyjádření přeměny energie v přechodové oblasti mezi vstupním profilem 1, kde je původní nezměněná šířka koryta, a profilem 2, kde je naopak šířka výmolu do stran největší. Důvod, proč by parametr energetické přeměny F mohl být dobrým indikátorem tendence k vytváření prostorového výmolu tvaru „hrušky“, plyne z úvahy, že čím více energie (kinetické i polohové) se přemění v bilančním úseku v disipativní formu energie a v část energie uplatňující se při transportu materiálu koryta, tím lze očekávat větší přetvárné účinky proudu na morfologii koryta, a tím bude i větší prostorový rozsah vzniklého výmolu. Všechny veličiny vystupující ve vztahu (rov. 3a) jsou uvedeny na obr. 3. V rov. V bilančním vztahu (rov. 3b) je třeba věnovat zvláštní péči vhodné volbě polohy obou bilančních profilů - zejména pak profilu 2 (obr.

Hlavním úkolem tohoto příspěvku je na podkladu předchozích sledování [5, 6] navrhnout jednoduchý postup pro stanovení rozměrů prostorového výmolu, jenž vzniká na přechodu od opevněného k plně rozvolněnému korytu bez jakéhokoli technického zajištění. Postup měření na „plném“ prostorovém modelu byl velmi pomalý a zdlouhavý. Nedařilo se zaměřovat časově si odpovídající průběhy hladiny a dna v podélném profilu a obou bilančních příčných profilech. Pro systematické měření bylo proto nutné přístup omezit na poloviční koryto. Veškerá vyhodnocovaná experimentální data v grafech na obr.

Odvozené experimentální vztahy pro návrh výmolové prohlubně

Pro říčního inženýra není příliš praktické používat vzorec ve tvaru rov. 3b, např. kvůli nedostatku znalostí o rozložení lokálních rychlostí v profilu 1 a hlavně 2 (obr. 3), kde vznikají boční víry. Je třeba využít některé náhradní přímočařejší vztahy. Nabízí se vztah mezi F a β = B2/B1 vynesený na obr. 4 (graf 1). Je zřejmé, že F není pouze funkcí geometrických rozměrů výmolové prohlubně, ale souvisí také s vlastnostmi proudění před vstupem do přetvárného koryta. Proto je navržen vztah: F = F(β, Fr1), kde Fr1 je Froudovo číslo proudění ve vstupním úseku 1 definované vztahem Fr1 = V1/(gH1str )0,5, kde H1str je střední hloubka proudění, H1str = A1/B1, A1 je plocha proudění v bilančním profilu 1 a B1 je šířka proudění v hladině ve stejném úseku.

Dále byl z experimentálních dat (obr. 4 - graf 2) získán vztah mezi bezrozměrnou délkou úplavu λw v analogii s Hunzigerovým vztahem (rov. 2). λw = 1,47-0,65ln (1-F) Fr1 (R2 = 0,978 - viz obr. Zkušenosti z výzkumu tvaru výmolu, který vzniká účinkem ponořeného vodorovného paprsku na deformovatelné dno [2], ukazují, že tvar výmolu v jednotlivých okamžicích svého vývoje je podobný - afinní (obr. 5). Lze zjistit i zřejmou podobu mezi pozorovaným tvarem hladiny a dna v podélném profilu (obr. 1 vpravo). Proto je třeba hledat vztahy mezi základními geometrickými parametry výmolové prohlubně (B2, B3, Lw a Ys) a také mezi úrovněmi vodní hladiny (∆Hp = hp1 - hp2) a dna (Ys).

Další odvozené vztahy (rov. 6 , 7 a 8) čerpané z experimentálně získaných dat (obr.

• B2 = 1,58Lw + 0,14 (R2 = 0,992 - viz obr.
• B3 = 0,58B2 + 0,10 (R2 = 0,978 - viz obr.
• ∆Hp = 0,51Ys (R2 = 0,923 - viz obr.

Poslední statisticky odvozený vztah z experimentálně získaných dat na „polovičním“ modelu rozvolněného koryta je patrný na obr. Autor si je vědom skutečnosti, že rov. 9 může mít i jiný než navržený tvar se zastoupením řady dalších kombinací bezrozměrných veličin. Z celé řady prověřovaných vztahů mezi bezrozměrnými veličinami byl dle [6] vybrán právě uvedený tvar na základě nejlepší dosažené kriteriální hodnoty optimalizačního procesu (R2) při zahrnutí minimálního počtu parametrů určených k optimalizaci (pouze mocninný exponent), což mělo pozitivní vliv na malou chybu v jejich hodnotě.

Kromě definiční rovnice parametru energetické přeměny (rov. 3a) a navržených empirických rovnic (rov. 4-9) lze v souladu s obr. Pro návrh rozměrů morfologického objektu byly odvozeny všechny potřebné kvantitativní vztahy. Všechny vztahy jsou rozměrově homogenní, jsou uvedeny ve formě závislosti geometrických rozměrů výmolové prohlubně (rov. 6, 7, 8, 10, 11) nebo závislosti bezrozměrných parametrů (rov. 3a, 4, 5, 9, 12). Tyto vzorce používají jako vstupní údaje hlavní geometrické a hydraulické charakteristiky vstupního proudu (B1, H1, V1, Fr1) v úseku koryta před rozvolněním toku a geomechanické vlastnosti nesoudržného materiálu v rozvolněné části (úhel sklonitosti zeminy pod vodou φ a reprezentativní velikost zrna zeminy d50).

Je třeba upozornit, že v případě aplikace experimentálně odvozených rovnic je nutné vycházet z platnosti těchto vztahů pro určité rozmezí použitých bezrozměrných parametrů. Bezrozměrné vztahy (rov. 4, 5 a 9) byly odvozeny v rozmezí parametru Fr1 (0,75; 1,9) - tj. spíše v podmínkách charakteristických pro podhorské až horské potoky. Poměr rozšíření koryta β = B2/B1 ve výmolové prohlubni v experimentech odpovídal rozmezí (1,8; 3,5), tj. podmínkám proudění s dobře až velmi dobře rozvinutými bočními víry, které se výrazně podílejí na formování prostorového výmolu s charakteristickým tvarem „hrušky“.

a Ys/H1str (0,6; 2,7). Parametr energetické přeměny F se pohyboval v rozmezí (0,04; 0,8). Experimenty probíhaly pouze na dvou typech zrnitého nesoudržného lože, tvořeného významně stejnozrnnými ostrohrannými sklářskými písky FP 1-1,6 a FP 1,6-4 mm se zrnem d50 = 1,3 mm a 2,5 mm a s čísly nestejnozrnosti U = d60/d10 1,5, resp. 1,7. Specifická hmotnost písku byla pro oba případy 2 516 kg/m3 a objemová hmotnost 1 560 a 1 600 kg/m3. Změny všech relevantních geometrických rozměrů, jež jsou spojeny se vznikem a vývojem výmolu, jsou závislé na parametru, kterým je čas - lze tedy hovořit o „parametrickém výmolu“ [2]. V případě návrhu výmolu tvaru „hrušky“ jako stabilizovaného výmolu je třeba vycházet z jednoho známého rozměru výmolu.

V praxi je častým omezením pro návrh výmolu typu „hrušky“ limitovaná šířka přilehlého příbřežního pásu, kde není nutné řešit komplikované vztahy s vlastníky okolních pozemků. Bude tedy volen tento limitovaný rozměr, odpovídající veličině B2; je možno však volit i kterýkoli z ostatních rozměrů (Ys, Lw). Touto volbou je do výpočtu vnesen nepřímo faktor času. Projektanta výmolu tvaru „hrušky“ nemusí zajímat, v jakém čase t by k vytvoření výmolu o výpočtem zjištěných dimenzích došlo. Podstatná je pro něj skutečnost, že jím zvolená dimenze výmolu (v čase t proměnná) je limitní, za niž již nelze jít, a že tvarově výmol odpovídá některému z afinních mezistavů (obr. 5), korespondujících s aktuálním rozsahem dvojice bočních vodních válců se svislými osami. Výmol typu „hruška“ je pak třeba ve výpočtem stanovených dimenzích stabilizovat, např. zapuštěnými záhozovými žebry ve dně i na svazích na začátku a konci objektu.

tags: #stredni #prurezova #rychlost #ekologicky #vyznam

Oblíbené příspěvky:

• Dopad plastů na velryby
• Quittova Klasifikace Klimatu
• Atomová spektra: emise a absorpce
• Estetika a škola
• Ochrana přírody v Brdech