Hidrológiai Közlöny, 2018 (98. évfolyam)
2018 / Különszám - SZAKCIKKEK - Baranya Sándor, Fleit Gábor, Józsa János, Szalóky Zoltán, Tóth Balázs és Erős Tibor: Halak élőhely preferencia vizsgálatának támogatása számítógépes hidromorfológiai modellezéssel
Hidrológiai Közlöny 2018. 98. évf. különszám SZÁMÍTÓGÉPES SZIMULÁCIÓS VIZSGÁLATOK A későbbiekben bemutatásra kerülő élőhely mezőket háromdimenziós számítógépes szimulációk segítségével állítottuk elő. A 3D számítógépes modellek egyik fontos jellemzője, hogy a hidrodinamikai paraméterek részletgazdag térbeli (tehát mind területi mind függőleges) eloszlásait kaphatjuk meg. Az áramlási sebesség és vízmélység értékek mellett ráadásul az áramlás turbulencia tartalmára is becslést tehetünk, amely például a hordalékszállító képesség szempontjából játszik meghatározó szerepet. A mérnöki gyakorlatban elterjedt 1D és 2D modellekhez képest a 3D modellek a mederfenék közeli áramlási jellemzőkről pontosabb képet adnak, amely - a jelen vizsgálat szempontjából is lényeges - mederanyag szemösszetételét döntően meghatározza. A modellek segítségével, amennyiben azok megfelelő paraméterezésre és igazolásra kerültek, olyan szituációkat is vizsgálhatunk, amelyekre nem állnak rendelkezésre terepi adatok. Ezek lehetnek olyan múltbeli állapotok (pl. az EU Víz Keretirányelve szerinti referenciaállapotok), amelyeket nem tártak fel áramlástani szempontból vagy olyan jövőbeli állapotok, amelyek tervezett beavatkozások után alakulnak majd ki. Hasonlóképpen, modellezhetők olyan vízjárási állapotok, amelyek nehezen kimérhetők (pl. szélsőséges árvizek). A vizsgálatunkhoz felhasznált számítógépes modellt (iOlsen 2010) mind nemzetközi, mind hazai tanulmányokban széles körben tesztelték és alkalmazták már az elmúlt mintegy húsz évben. Ezek a vizsgálatok - a teljesség igénye nélkül - kiterjedtek műtárgy-hidraulikára (Olsen és Kjellesvig 1998), tározó üzemeltetésre (Haun és Olsen 2012), kisminta-léptékű komplex áramlásokra (Baranya és társai 2012), folyami áramlásokra (Baranya és Józsa 2006), folyami elkeveredésre (Baranya és társai 2015) és folyami hordalékvándorlásra (Baranya 2010) is. A modell egy vízszintes értelemben görbevonalú, strukturált rácshálón oldja meg az ún. Reynolds-átlagolt Navier- Stokes egyenleteket. Függőleges értelemben a számítási tartományt a vízmélységtől függő számú rétegre osztjuk fel. A modell az ún. k-£ típusú turbulencia-modellt használja a turbulens hatások becslésére. Eredményként az áramlási sebességvektorok három, egymásra merőleges komponensének, a hidrodinamikai nyomásnak, a turbulens mozgási energiának és annak disszipációs rátájának a térbeli eloszlásait kapjuk minden egyes számítási rácspontra. A modellel ezen túlmenően lehetőség van a folyók alakváltozását számító morfodinamikai szimulációkra, melyhez a numerikus eszköz hordaléktranszport modulját szükséges alkalmazni. Ez esetben szükséges ismerni a vizsgált területen jellemző hordalék fizikai és mennyiségi jellemzőit. Jelen vizsgálatok az áramlások és a mederanyag szemösszetételének területi elemzését célozzák meg. A számítógépes modell igazolását két eltérő vízjárási állapotra igazoltuk, egy kis-középvízi (Q — 1.150 m3/s) és egy nagyvízi (Q = 2.900 m3/s) helyzetre (megj.: a Duna váci ágában a teljes vízhozam kb. kétharmad része folyik le). Ezekre az állapotokra rendelkezésre álltak a helyszínen, az ún. akusztikus Doppler-elvű áramlásmérő műszerrel (ADCP) kimért keresztszelvény menti sebességeloszlások. A két vízjárási állapotra az alábbi ábrapárosok (3. ábra) mutatják be a terepen mért és a számító- gépes modell által szimulált szelvény menti sebességeloszlásokat. A mért sebességek a turbulens hatások eredményeképpen megjelenő sebesség-pulzációt is tartalmazzák, ennek köszönhetően bizonyos mértékű szórás jelentkezik az adatokban. A számítógépes modell ezzel szemben sokkal simább átmeneteket mutat, ami a megoldás időben átlagolt jellegéből fakad. Az eloszlások mindazonáltal jól mutatják a térben összetett áramlási viszonyokat, a bal parti sarkantyúpár áramlást szűkítő hatását, a mederfenék közeli alacsonyabb sebességű zónákat és a sekély területeken, akár a sarkantyúk közötti térségben jellemző lassabb áramlásokat is. A modell összességében megfelelően reprodukálja a terepen mért viszonyokat, így lehetőséget ad arra, hogy más, nem mért állapotokra is szimulációkat végezzünk vele és előállítsuk a vízmélységek és áramlási sebességek mezőit, mint az élőhely-mezők két fontos bemeneti adatát. 3. ábra. Mért (bal) és szimulált keresztszelvény menti sebességeloszlások két vízjárási állapotra (perspektivikus nézet) Figure 3. Measured (left) vs. simulated cross-sectional flow velocity distributions for two flow regimes (perspective view) A számítógépes modell mederalaktani vizsgálat szempontjából egyik legfontosabb eredménye a mederfenéknél fellépő súrlódási erő lokális értékeinek, a fenékcsúsztatófeszültségnek a területi eloszlása (4. ábra). Ez a paraméter a helyi hordalék-elragadó erőt fejezi ki, azt az erőt, ami kimozdítja a medret alkotó hordalékszemcséket stabil, egyensúlyi állapotukból. A fenék-csúsztatófeszültség ezért szükségszerűen egy kapcsolatot fejez ki az áramlás és meder szemösszetétele között. Mivel az élőhely mezők előállítása során a vízmélységek és áramlási
