Hidrológiai Közlöny 2011 (91. évfolyam)

4. szám - Koncsos László–Jolánkai Zsolt–Kozma Zsolt: A WateRisk integrált vízkészlet-gazdálkodási modellrendszer egydimenziós hidrodinamikai almodelljének összehasonlító tesztelése az HEC-RAS modellel

50 A WateRisk integrált vízkészlet-gazdálkodási modellrendszer egydimenziós hidrodinamikai almodelljének összehasonlító tesztelése a HEC-RAS modellel Koncsos László - Jolánkai Zsolt - Kozma Zsolt BME, Vízi Közmű és Környezetmérnöki Tanszék, 1111. Budapest, Műegyetem Rkp. 3. U Ép., jzsolt@vkkt.bme.hu Kivonat: A WateRisk jelenleg fejlesztés alatt álló integrált dinamikusan kapcsolt modellrendszer, mely komplex vízkészlet-gazdálkodási problémák vizsgálatát hivatott ellátni. A dolgozat ennek egydimenziós nem-permanens, nyílt felszínű és nyomás alatti vízmozgás számolására alkalmas numerikus almodelljét mutatja be. A modell hibaelemzése céljából egy tesztsorozatot végeztünk el, melyben a nemzetközi és hazai viszonylatban is jól ismert amerikai fejlesztésű HEC-RAS-szal, valamint a BME VTT1D modellel hasonlítottunk össze. Vizsgáltuk a vízfelszín-profil, valamint a mederszakasz középső és felső szelvényeiben a vízállás idősor változását egyszerű és összetett (hullámtérrel rendelkező) prizmatikus medrekben, dinamikusan változó felső vízhozam peremfeltétel hatására, konstans illetve szintén dinamikusan változó alvízi vízállás peremfeltétel mellett. Vizsgálatunk kiterjedt továbbá változó keresztmetszetű mederalakra, műtárgyak hatásainak elemzésére és az időlépés és a szelvényköz változtatásának érzékenységvizsgálatára. Mind az egyszerű-, mind az összetett medrek alkalmazása esetén a WateRisk jó egyezést mutatott a HEC-RAS modellel a kiszámított vízmélységek tekintetében, továbbá alkalmasnak bizonyult vízkormányzási műtárgyak szimulálására is. Kulcsszavak: egydimenziós hidrodinamikai modell, nem-permanens vízmozgás, vízkészlet-gazdálkodás, összehasonlító tesztelés. 1. Bevezetés és felszíni szétterülést leíró hidrológiai modellek, valamint a Elágazó és hurkos kapcsolódású vízfolyásrendszerek tá- beszivárgást és a talaj vízmozgást reprezentáló hidraulikai rozókkal és egyéb, emberi beavatkozással befolyásolt vízjá- modellek. A koncepció alapja az osztott paraméterű csaparás modellezésének eszközei az egydimenziós numerikus hidrodinamikai modellek. Az egyik világszerte alkalmazott és hazánkban is egyre inkább elteijedt modell, amelyet erre a célra használnak, a HEC-RAS (későbbiekben HR) modell (Brunner, 2010), mely permanens, nem-permanens, valamint kvázi-permanens vízmozgás leírását teszi lehetővé oly módon, hogy különböző műtárgyak (gátak, bukók, átereszek, hídpillérek stb.) áramlást befolyásoló hatásait is képes figyelembe venni. Ezekre a feladatokra más modellek is rendelkezésre állnak. Ilyen például az hazai támogatású kutatás-fejlesztési projekt (Generalcom, 2009) keretein belül fejlesztett WateRisk integrált vízkészlet-gazdálkodási modellrendszer, amely alkalmas nagytérségi vízkészlet problémák, ezen belül az egydimenziós nem-permanens hidrodinamikai folyamatok, valamint vízkormányzási műtárgyak modellezésére is. A WateRisk segítségével a csatorna és folyórendszerekben kialakuló vízszintek jól közelíthetők. A WateRisk (továbbiakban WR) egy olyan integrált vízkészlet-gazdálkodási modellrendszer, mely a regionális hidrológiai ciklus valamennyi elemét determinisztikus módon számítja, numerikus, közelítő megoldásokkal, olyan integrált rendszerben, melyben a különböző almodellek párhuzamosan működnek, és dinamikus kapcsolatban állnak egymással. A modellrendszer fejlesztése jelenleg is zajlik egy három éves projekt keretein belül, amelynek fő célkitűzése, hogy egy döntéstámogató eszközt biztosítson vízháztartási, vízkészlet-gazdálkodási problémák vizsgálatára, stratégiák kidolgozására. A modellrendszer tesztelés alatt álló almodelljeinek többsége saját fejlesztésű. Ezek közül kivételt jelent a hidrodinamikai modul, ami a public domain besorolású amerikai Storm Water Management Model (SWMM, Roesner, 1988) továbbfejlesztett változata. Jelen dolgozatban az egydimenziós hidrodinamikai modul tesztelési eredményeinek bemutatása történik egy, a nemzetközi szakmai közönség által elfogadott modellel, a HEC-RAS-szal és a BME-n már korábban kifejlesztett VTT 1D (későbbiekben VT, ábrákon BME VTT1D) modellel való összehasonlítás által. A valós vízfolyásokon (szabálytalan meder-geometriájú hálózatos rendszer) történő tesztelés, kalibráció és validáció folyamatban van, ennek eredményeit később közöljük. 2. A WateRisk (WR) rendszer rövid elvi ismertetése A WR a vízháztartás vizsgálatára képes modellrendszer, amely egy egydimenziós hidrodinamikai modellt kapcsol össze több egy- és kétdimenziós modellel. Ez utóbbi csoportba tartoznak a csapadékot, hó-akkumulációt, párolgást dék-lefolyási modellszemlélet, amely szerint a vízgyűjtőt térben homogén fizikai tulajdonságokkal rendelkező elemekre (cellákra) bontjuk. A hidrológiai mérlegegyenleteket a cellákra felírva a lefolyás háromdimenziós leírása nyerhető. A modell a folyamatok tér-, és időbeli leírásához a peremfeltétel adatait (például csapadék, léghőmérséklet) területi eloszlásuknak megfelelően veszi figyelembe. A csapadék intercepció utáni maradékát - az esetleg keletkező olvadékvízzel együtt — beszivárgási modul segítségével felszínen lefolyó, illetve beszivárgó csapadékra bontja. A felszínen összegyülekező víz mennyisége a párolgási modul és a beszivárgási modul által közvetített folyamatok hatására változik. A talajba került víz egy része az evapotranspirácó révén távozik, miközben a másik része alkotja a felszín alatti lefolyást. A beszivárgás egydimenziós modellje a talajcellákat további rétegekre bontja, s a talaj telítettsége függvényében kiszámítja a talajvízbe áramló víz mennyiségét. Cteapadék és párolgás számítási modul ^ s y 2D ft szétterül színi ás modell 1D hidrodinamikai modell 1. ábra. A rendszer kapcsolódó moduljai A talajvíz-modul közvetlen kapcsolatban van a folyómederrel, mellyel a kialakult potenciálkülönbségek hatására befelé vagy kifelé irányuló térfogatáram alakul ki. A felületi lefolyásból összegyülekező víz a folyómedrek partvonalai mentén felgyülemlik, és az ott kialakult vízmélységek függvényében a folyómedrekbe történő átbukás révén a folyóhálózatba kerül. A rendszer almodelljeinek kapcsolatát az 1. ábra szemlélteti. 3. Az alkalmazott modellek összevetése 3,1. Elméleti háttér Mindhárom alkalmazott modell az általánosan elfogadott Saint Venant egyenletrendszert (Kozák, 1977) oldja meg