Hidrológiai Közlöny 1999 (79. évfolyam)

4. szám - Bakonyi Péter–Krámer Tamás–Józsa János: Ártéri öblözetek töltségszakadást követő elöntési folyamatainak modellezése: 1. A folyó és a szakadási szelvény modellje

227 Ártéri öblözetek töltésszakadást követö elöntési folyamatainak modellezése: 1. A folyó és a szakadási szelvény modellje Bakonyi Péter Krámer Tamás Józsa János VITUKI Rt. BME, Vízgazdálkodási Tanszék 1095. Budapest, Kvassay J. út l. 1111. Budapest, Műegyetem rp. 3. Kivonat: Az ártéri öblözetek töltésszakadást követő elöntési folyamatainak számítására a szerzők numerikus modellrendszert dolgoztak ki, amely összekapcsoltán leúja a folyóban, a szakadási szelvényben és az ártéren lejátszódó hidrodinamikai folyamatokat. E cikk a folyóban előálló áramlásoknak a de Saint-Venant egyenletek közelítő megoldásán alapuló, térben egydimenziós modelljét, valamint a szakadási szelvény, mint a folyó és az ártér közötti oldalbukós hidraulikai kapcsolat modelljét ismerteti. Reprezentatív tesztpéldákon mutatja be a töltésszakadás hatását a folyó vízállás- és vízhozam-viszonyainak tér- és időbeli alakulására, azok érzékenységét a szakadási szelvény változására, továbbá azok módosulását alvízi visszahatás esetére Kukiiuvsk: töltésszakadás, numerikus folyómodell, árhullám-számítás Bevezetés Az "Árvízvédelmi fejlesztések" című átfogó OVF-projekt keretében a közelmúltban hazánkban is elindult az ártéri öblözetek töltésszakadást követő elöntési folyamatainak korszerű numerikus módszereken alapuló, számítógépes modellezése A kutató-fejlesztő munka első szakaszának bíztató eredményeit adjuk közre kétrészes cikkünkben Az első részben a folyó és a töltésszakadás, a másodikban az ártéri elöntés modellezését részletezve. Magyarország ártéri öblözeteinek meghatározásánál eddig azt tételezték fel, hogy a szakadási szelvény két óra alatt egyenletesen, és teljesen kifejlődik, a szakadási helyet pedig ott jelölték ki, ahol az a legnagyobb ártéri elöntést okozhatta. Az öblözeten belül a víz mozgását a jól ismert Chézy-képlettel számították, a tározódást pedig numerikus integrálással követték nyomon mindaddig, amíg a folyó vízállása az öblözeti elöntés szintjével kiegyenlítődött, vagy a mentett oldali terepszintig csökkent A viszszafoiyás lehetőségeivel, folyamatával nem foglalkoztak. Ez az eljárás az öblözeti vízborítás meghatározását meglehetősen leegyszerűsítette, és a lehetséges legkedvezőtlenebb helyzetet kívánta megközelíteni. Eredményei elsősorban a szakadási hely tetszőleges felvételével, az árhullám időbeli alakulásának, valamint a lokalizálás és a viszszafolyás lehetőségeinek figyelembevételével javíthatók. Várható, Kogy hamarosan rendelkezésünkre áll majd az a korszerű térinformatikai adatbázis, mely lehetővé és indokolttá teszi egy pontosabb és nagyobb variációs lehetőséget kínáló hidraulikai modell alkalmazását is Az árvizek kártételei elleni védekezés legfontosabb és leghatékonyabb eszköze (hazánkban) a megfelelő biztonságú árvízvédelmi töltésrendszer Abszolút biztonság azonban nincs, és a körülmények kedvezőtlen összeesése esetén bekövetkezhet minden védelemvezető rémálma, a gátszakadás. A gátszakadás maga számos okból jöhet létre: okozhatja meghágás, elhabolás vagy szivárgás. A mértékadó terhelések, a kockázatok valószínűségének meghatározására számos eljáras született. Ezek segítségével megadható, hogy mi a valószínűsége egy adott töltésszakasz tönkremenetelének, mi a kockázata egy-egy beruházás elmaradásának stb. Jelen tanulmányunkban olyan módszert dolgoztunk ki, amely az előzőekben említett módszerekhez kapcsolódva, azokat kiegészítve, leíija a gátszakadás következtében előálló hidrodinamikai jelenségeket a folyóban, a töltésszakadásnál és a terepen E három "szereplő" egymástól el nem választható, és mindegyik azonos mértékbe befolyásolja az eseményeket. A folyó, a töltésszakadás és a terepen történő vízmozgás leírására kidolgozott modellt a második fejezetben mutáljuk be. Ha a folyón levonuló árhullám valamelyik paramétere (magasság, adott szinthez tartozó tartósság stb.) meghaladja a mértékadó értéket, bekövetkezik a töltésszakadás. A nyílás mérete gyorsan nő, és néhány órán belül már stabilizálódik is. A kiömlő vízhozam hatására a szakadás környezetében a vízszintek gyorsan süllyednek, s leszívási hullám indul el folyásirányban és azzal ellentétesen. Ez azt jelenti, hogy olyan matematikai modellt kell választanunk, amely az alvízi visszahatás számítására is képes. Másrészről a peremfeltételeket olyan távol kell felvenni, hogy a leszívási hullám a modellezett időtartamon belül ne érje el a határokat, ne zavarja meg a peremfeltételt. Tekintettel a leírandó folyószakasz hosszára, a gátszakadás „folyó oldalát" az egydimenziós - de Saint-Venantféle - differenciálegyenletek numerikus megoldásával végezhetjük el. Egy ilyen modell a gátszakadás közvetlen környezetétől eltekintve - ahol az áramlás háromdimenziós - jól leírja a folyóban lejátszódó hidrodinamikai jelenségeket, jól kalibrálható, és jó numerikus tulajdonságokkal rendelkezik. A szakadási szelvény méretének és alakjának ismerete az átfolyó vízhozam meghatározása szempontjából lényeges. Sajnos, a szelvény kialakulásának folyamata olyan bonyolult, hogy ennek modellezésére nem vállalkozhatunk (bár az irodalomban szép számmal találhatók kezdeti lépésekre utaló hivatkozások: Poncé - Tsivoglou [5]; Frecui [2J; Singh et al. [10]; Singh - Quiroga [6,8,9]; Singh [7f). A szakadási szelvény alakját és méreteit empirikus úton kívánjuk meghatározni, felhasználva a hazai tapasztalatokat. Ha a szakadás, vagy a tervszerű megnyitás egy előre elkészített helyen történik, akkor a szakadási szelvény alakjára egy derékszögű négyszög szelvényű, széles-küszöbű bukó képletével számolhatunk. Mindkét esetben szükség van a szabad átbukás és az alulról befolyásolt átbukás számítására. Ez utóbbi jelentős szerepet játszik (és komoly numerikus nehézséget okoz) a kiegyenlítődés környezetében. Számítástechnikai szempontból külön gondot okoz, ha a leürítés egy részét a szakadási szelvényen keresztül kívánják megoldani. Ekkor ugyanis az áramlás megfordul, az alvíz és a felvíz megcserélődik, ami részben szervezési problémát jelent, részben pedig instabilitáshoz vezethet, ha nem kellő gonddal kezeljük a jelenséget.