VEŽBA 3: Procesi na slivu infiltracija. Rezime: Sadržaj: Urbana hidrologija 2016/2017 Vežba 3

Transcript

1 VEŽBA 3: Procesi na slivu infiltracija Rezime: U prethodnoj vežbi analizirane su osmotrene kiše i objašnjen je način formiranja računskih kiša. Takođe, razmatrano je formiranje sintetičkih računskih kiša različitim metodama. U okviru ove vežbe analiziraće se različite metode za inflitraciju koje su dostupne u okviru softverskog paketa SWMM. Analiziraće se osetljivost pojedinih metoda na parametre. Metode će se međusobno porediti. Sadržaj: 1. Podešavanje projekta 2. SCS metoda 3. Horton-ova metoda 4. Modifikovana Horton-ova metoda 5. Green Ampt metoda 6. Poređenje metoda 7. Uticaj dužine računskog koraka za oticaj 1

2 1. Podešavanje projekta Otvoriti SWMM i pokrenuti projekat Vezba_2.inp. Izborom menija File>>Save As sačuvati projekat pod imenom Vezba_3.inp u željeni folder u računaru. U postojećem projektu postoji jedan sliv, jedan kišomer i jedan izlazni profil. Takođe, niz kišnih epizoda se nalazi u projektu koje mogu biti iskorišćene za kasnije analize. Slika 3.1: Izgled mape U okviru ove vežbe razmatraće se različite metode proračuna za proces infiltracije. U okviru SWMM-a postoje 4 metode koje se mogu iskoristiti za ovu svrhu: 1. Curve Number tj. dobro poznata SCS metoda (razvijena od strane agencije USDA NRCS Soil Conservtion Service), 2. Horton ova metoda, 3. Modifikovana Horton ova metoda i 4. Green Ampt metoda. Prve dve metode su empirijske, treća je kao što se može i zaključiti modifikacija druge dok četvrta metoda spada u grupu teorijskih metoda zasnovanih na uprošćenoj teoriji o kretanju vlažnog fronta kroz zemljište. U nastavku će se analizirati svaka od ovih metoda. Izbor metode se vrši u opštim podešavanjima simulacije tj. Project >> Options >> General. Izabrana metoda je jedinstvena za ceo projekat ali slivovi mogu imati različite parametre. Podešavanje parametara se vrši kroz editovanje atributa sliva. Razmatraće se 24 časovna simulacija pa je u opštim podešavanjima projekta potrebno podesiti za početak simulacije i početak prikupljanja rezultata 03/20/2015 u 00:00, a za kraj simulacije 03/21/2015 u 00:00. Vremenski korak za oticaj kada nema padavina (Dry Weather Runoff Time Step) podesiti na 30 min, a kada ima (Wet Weather Runoff Time Step) na 1 min. U nastavku će se takođe razmatrati i uticaj izbora ovih računskih koraka na rezultate simulacije. 2

3 2. Curve Number metoda (SCS metoda) SCS metoda je dobro poznata metoda opisana i korišćena na više predmeta u toku studija na odseku za hidrotehniku (Inženjerska hidrologija, Drenažni sistemi, Navodnjavanje) pa se ovde neće davati detaljan opis. Zaniva se na upotrebi jedinstvenog CN broja (eng. Curve Number) čiji izbor zavisi od različitih faktora kao što su namena zemljišta, nagib površine, prethodni uslovi vlažnosti zemljišta, hidrološke grupe tla itd. U okviru ove metode zadaju se dva parametra: jedan je već pomenuti CN (Curve Number) broj a drugi je vreme potrebno da se zasićeno zemjište potpuno isuši odnosno povrati svoj infiltracioni kapacitet (Drying Time). Ovaj parametar za sada nećemo razmatrati jer se radi o 24h simulaciji u okviru koje razmatramo jednu kišnu epizodu, a parametar ima uticaj samo za kontinualne simulacije. U okviru dodatka u SWMM korisničkom uputstvu se mogu naći korisne tabele za izbor CN broja (APPENDIX A.4 i A.3) dok se na internetu mogu pronaći i dodatne tabele za bliži izbor ovog broja ( Potrebno je uraditi sledeće: a) Usvojiti CN broj za urbanu parkovsku površinu koja se nalazi na zemljištu sa dobrim potencijalom za upijanje. Iskoristiti sintetičku Čikago kišu trajanja 1h, formiranu u prethodnom zadatku (sa diskretizacijom na 5 min), i pokrenuti simulaciju. Nakon simulacije prekopirati podatke u Excel. b) Sada pretpostaviti da je došlo do promene namene površine i da je potpuno asfaltirana i koristi se kao parking. Usvojiti odgovarajući CN, ponoviti proračun sa istom kišom pa rezultate proračuna prekopirati u isti Excel file. Na istom grafiku prikazati rezultate proračuna za različite namene površine. c) Sračunati koeficijente oticaja za oba slučaja. Provera sračunate vrednosti (kao i celokupnog bilansa oticaja sa sliva) se može obaviti izborom Report >> Summary. Uporediti rezultate proračuna pod a) i b) na jednom grafiku. 3. Horton ova metoda Hortonova metoda je empirijska metoda prema kojoj se intenzitet tj. kapacitet zemljišta za upijanje definiše sledećom jednačinom: Gde su: f(t) infiltracioni kapacitet u trenutku t, t f t f f f e c o c fo početni infiltracioni kapacitet, ujedno i maksimalan-zemljište suvo, 3

4 fc infiltracioni kapacitet nakon potpunog zasićenja zemljišta, ujedno i minimalan i α brzina opadanja infiltracionog kapaciteta [1/h]. Veća vrednost parametra α znači da će brže doći do zasićenja zemljišta odnosno da će se pre dostići minimalna vrednost infiltracije (Slika 3.2). Slika 3.2: Horton ova metoda, shematski prikaz U okviru SWMM okruženja parametar fo je Max.Infil.Rate, fc je Min.Infil.Rate i α je Decay Constant. Osim nabrojanih osnovnih parametara, mogu se zadati još i Drying Time, koji predstavlja vreme da se potpuno povrati infiltracioni kapacitet i značajan je samo kod kontinualnih simulacija (isto kao parametar za CN metodu) i Max.Volume koji ograničava infiltraciju na neku predefinisanu vrednost. U SWMM korisničkom uputstvu (APPENDIX A.2) modu se naći vrednosti koeficijenta filtracije u zasićenom stanju za određena zemljišta (pesak, glina, ilovača...) koje ujedno odgovaraju parametru Min.Infil.Rate. Obratiti pažnju da su u ovoj tabeli vrednosti date u imperijalnom mernom sistemu, pa ih je pre unosa potrebno konvertovati u metrički. Preporuke za parametar Max.Infil.Rate se mogu naći u literaturi. U slučaju kontinualne simulacije parametar Max.Infil.Rate će biti računat preko regeneracione krive tj. samo na početku simulacije se uzima u obzir vrednost zadata u parametrima metode. Za parametar Decay Constant se u literaturi mogu naći različite vrednosti, najčešće 3 6 h -1. Nije sa sigurnošću utvrđeno da postoji veza ovog parametra sa teksturom zemljišta, mada se u nekim radovima mogu pronaći smernice da za pekovita zemljišta može usvojiti manja vrednost nego za glinovita. Potrebno je uraditi sledeće (koristiti istu kišu kao u prethodnom poglavlju): a) Pretpostaviti zemljište koje ima koeficijent filtracije Ksat = 4x10-6 m/s. Pretpostaviti da se radi o suvom zemljištu bez vegetacije čiji je početni kapacitet za upijanje 3 puta veći od ovog koeficijenta. Pokrenuti simulaciju i sačuvati rezultate. b) Pretpostaviti da se radi o istom tipu zemljišta ali koje je u početnom trenutku vlažno odnosno promeniti vrednost parametra Max.Infil.Rate (Usvojiti vrednost 1.2xKsat). c) U odnosu na slučaj pod a) promeniti (povećati)samo vrednost parametra Decay Const. Na jednom grafiku uporediti oticaj sa sliva u sva tri slučaja. 4

5 4. Modifikovana Horton ova metoda U prethodno opisanoj Horton-ovoj metodi infiltracioni kapacitet zemljišta zavisi samo od vremena odnosno bez obzira kakva je kiša zadata i kakva je vlažnost zemljišta, infiltracioni kapacitet će se smanjivati prema eksponencijanoj zavisnosti Horton-ove jednačine. Ovo može biti značajan problem jer se infiltracioni kapacitet s vremenom smanjuje drastično iako to možda nije slučaj u realnosti ukoliko se radi o kiši slabog intenziteta. Potrebno je uraditi sledeće: a) Zadati zakasnelu sintetičku kišu, formiranu u prethodnom zadatku metodom naizmeničnih blokova. Iskoristiti Hortonovu metodu za proračun infiltracije sa podešavanjima kao u slučaju a) u prethodnom poglavlju. b) Sprovesti proračun za istu kišu samo sa Modifikovanom Hortonovom metodom za infiltraciju. Na istom grafiku prikazati rezultate proračuna. 5. Green Ampt metoda Jedna od metoda zasnovanih na uprošćenoj teoriji. Metoda se zasniva na pretpostavci o prodiranju strmog vlažnog fronta (Slika 3.3). Pretpostavke metode su: Polubeskonačna sredina (odgovara uslov o slobodnom dreniranju), Homogeno zemljište (k=const.) Strmi vlažni front. w o h o w max w y(t) dy Green Ampt model z Slika 3.31: Metoda Green Ampt strmi vlažni front Darsijev zakon se može iskoristiti da se sračuna intenzitet upijanja: 5

6 2 1 y t hk ho i t k k z z y t 2 1 Gde je hk vrednost kapilarnog potencijala koja odgovara vlažnosti prelazne zone (zasićenonezasićeno). Umesto ove veličine uvodi se karakteristična vrednost kapilarnog potencijala koja je jednaka Hk hk. Ovo je jedan od parametara modela. Nakon ove zamene prethodna jednačina postaje: i t k H h y t 1 k o U prethodnoj jednačini ho predstavlja nadsloj vode na površini terena a y(t) dubinu do koje je stigao strmi vlažni front. Iz jednačine kontinuiteta sledi: dy max o i t dt Ako se iskoristi intenzitet upijanja izražen preko darsijevog zakona dobiće se sledeća diferencijalna jednačina: Hk h o dy max o k 1 dt yt Integraljenjem diferencijalne jednačine dobija se jednačina koju treba rešiti po y(t), što odgovara položaju vlažnog fronta u trenutku t: max kt y t y t ln(1 ) ( w w )( H h ) H h H h Intenzitet upijanja se tada može dobiti iz jednačine o k o k o k o i t k H h y t k o 1 SWMM proračun sprovodi na drugačiji način. Ne prati se položaj vlažnog fronta već se računa kumulativna količina infiltrirane vode od početka kišne epizode (F(t)) koja se može izraziti kao:. F t y t Intenzitet infiltracije se sada može izraziti i kao: max o 6

7 o Hk h o Hk h i t k 1 k 1 y t F t Sračunata kumulativna infiltracija od početka epizode (F(t)) i poredi sa količinom koja je potrebna da se zemljište zasiti (Fs). Vrednost Fs se lako može dobiti iz prethodne jednačine zamenom intenziteta infiltracije sa intenzitetom kiše i ho sa nulom jer nije došlo do zasićenja i formiranja nadsloja vode: F s Hk ik 1 k Ukoliko je F(t)< Fs onda sva voda infiltrira u zemljište tj. infiltracija je jednaka intenzitetu padavina i(t) = ik. U suprotnom, došlo je do zasićenja i infiltracija se računa primenom Green Ampt metode. Zamenom i t df dt i integraljenjem između dva vremenska trenutka dobija se jednačina koju treba rešiti po nepoznatoj kumulativnoj infiltraciji u narednom vremenskom trenutku F2: Gde je ln ln k t t F F C F C C F C C Hk. Jednačina se rešava iterativno. Prosečna infiltracija u računskom koraku se tada računa kao i F2 F1 / t2 t1 infiltraciju ( i i h / t t površini terena. a k o Parametri metode su :. Ukoliko je ona veća od raspoložive količine vode za ) sve se infiltrira, u suprotnom povećaće se nadsloj vode na 2 1 a) Karakteristična vrednost kapilarnog potencijala Suction Head (mm), b) Koeficijent filtracije za zasićeno zemljište Conductivity (mm/h) i c) Razlika poroznosti i početne vlažnosti Initial Deficit (npr. 0.22). Karakteristična vrednost kapilarnog potencijala odgovara prelaznoj vlažnosti između zasićene i nezasićene zone. Može se odrediti ukoliko se raspolaže krivom vlažnosti zemljišta. Može se usvojiti da je između maksimalne vlažnosti i vlažnosti poljskog kapaciteta (FC Field Capacity). Razlika poroznosti i početne vlažnosti se može proizvoljno usvojiti ali ne može biti veća od razlike maksimalne vlažnosti i vlažnosti trajnog svenjavanja (WP Wilting Point). Npr.za glinu ova vrednost može biti 0.21 a za pesak 0.38 (Slika 3.4). 7

8 Potrebno je uraditi sledeće: Slika 3.42: Kriva vlažnosti zemljišta parametar Initial Deficit a) Pretpostaviti da se radi o prosušenom zemljištu (Δω=0.3) koeficijenta filtracije 4x10-6 m/s, karakteristične vrednosti kapilarnog potencijala 120 mm. Zatim pretpostaviti da se radi o istom zemljištu ali skoro potpuno zasićenom tj. (Δω=0.05). Uporediti rezultate na jednom grafiku. b) Pretpostaviti drugo zemljište koeficijenta filtracije 10-6 m/s, karakteristične vrednosti kapilarnog potencijala 700 mm i početnog deficita vlage Uporediti sa rezultatima ako se vrednost kapilarnog potencijala poveća 2 puta. Prikazati na jednom grafiku. 6. Poređenje metoda Na osnovu prethodnog, za zemljište koeficijenta filtracije 4x10-6 m/s i karakteristične vrednosti kapilarnog potencijala od 120 mm usvojiti parametre za sve tri metode: a) SCS metodu b) Modifikovanu Horton ovu metodu i c) Green Ampt metodu i pokrenuti simulaciju sa Čikago kišom sa korakom diskretizacije 5 min. Rezultate simulacije prikazati na jednom grafiku. Bitno je napomenuti da je izbor parametara potpuno subjektivan i da će se rezultati razlikovati u zavisnosti od izbora korisnika. Uporediti koeficijente oticaja za sve tri metode. 8

9 7. Uticaj dužine računskog koraka za oticaj U podešavanjima projekta na početku teksta je zadato da ovaj korak bude 1 min. Ovaj računski korak se može i produžiti ali ukoliko je duži od parametra Time Interval za kišomer program će ga automatski podesiti na tu vrednost da ne bi došlo do preskakanja perioda sa kišom. 9